Jan Špale je strojní inženýr. Na Strojní 
fakultě a v Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT se věnuje vývoji průmyslových tepelných čerpadel. Jeho cílem je pomoci průmyslu s dekarbonizací výroby procesního tepla, což vyžaduje zohlednit více disciplín najedou - fyziku, techniku i společenský dopad. V rozhovoru prozrazuje, proč místo zubařiny zvolil termodynamiku, co ho přivedlo do výzkumné laboratoře v Buštěhradě a také, proč se rozhodl vyjet na stáž na Purdue University jako stipendista Fulbright-Masarykova programu.
Rozhovor s Janem Špale vznikl ve spolupráci s Ladislavem Loukotou ze stránky Vědátor a je čtyřicátým osmým dílem seriálu příběhů k 30. výročí Fulbrightovy komise. Videozáznamy najdete začátkem každého měsíce na našem YouTube kanále a Facebooku. Koncem týdne Vám přinášíme textovou verzi rozhovorů zde na blogu.
V čem tkví hlavní úskalí průmyslových tepelných čerpadel, kterým se věnujete?
Jde o to, že průmyslové teplo je často na mnohem vyšší teplotní úrovni než to teplo, které možná známe z tepelných čerpadel v domácnostech, kde vytápíme například podlahové topení. Často průmysl potřebuje teplo na mnohem vyšších teplotních úrovních – ať už je to 100, 150 nebo 200 stupňů Celsia. To jsou řekněme nějaké limity toho, co dneska tepelné čerpadlo je schopné zvládat. A právě vysoké teploty jsou výzvou pro stroje a kladou velký nárok na výzkum a vývoj.Jaké faktory ovlivňují ekonomiku provozu průmyslových tepelných čerpadel?
Rentabilita a ekonomická výhodnost průmyslových tepelných čerpadel do jisté míry závisí na tom, jaký je poměr mezi cenou elektřiny a cenou zemního plynu. Právě tento poměr určuje výhodnost nebo návratnost tepelného čerpadla. A to do jisté míry zvýhodňuje určité typy zemí, ve kterých je velmi dostupná levná elektřina. Typicky se jedná o státy ve Skandinávii, kde je velké množství elektřiny z obnovitelných zdrojů – zejména z vodních elektráren – a elektřina je tam tak velmi levná. V takovém případě se průmyslu velmi vyplatí přecházet na takovéto typy zdrojů, protože elektřina pohání kompresor, což je hlavní stroj uvnitř tepelného čerpadla.
V České republice jsme zhruba na průměru, tedy přesně mezi těmi nejvýhodnějšími státy a státy, které jsou na tom z hlediska poměru cen nejhůře. Co se ale týče aplikace této technologie, tak do jisté míry pokulháváme i za těmi státy, které jsou třeba dražší nebo méně výhodné. Hlavním důvodem je skutečnost, že průmysl byl v poslední době do velké míry závislý na fosilních zdrojích a byl zvyklý, že tyto zdroje jsou levné a dostupné. Historicky to byly třeba topné oleje a zemní plyn, dříve i uhlí.
Existuje určitá averze k novým technologiím, protože průmysl chce samozřejmě generovat zisk. A pokud mu energetika v závodě funguje, nevidí důvod do ní investovat. Teprve nedávno začaly vznikat incentivy, které dekarbonizační tlaky promítají do peněz.
Můžete jednoduše popsat princip fungování tepelného čerpadla a proč je tak důležitý rozdíl teplot?
Princip tepelného čerpadla spočívá v tom, že odebíráme teplo na nějaké nižší teplotní úrovni, dodáme určité množství elektřiny a pomocí této elektřiny dostaneme to teplo na vyšší teplotní úroveň. Rozdíl těch teplot – i ta absolutní hladina mezi nimi – je právě to, co určuje, jaká je návratnost. Protože spousta průmyslových podniků potřebuje teplo na vysokých teplotách, je nutné to stále podporovat a musí tam být nějaké incentivy – ať už provozní podpory, nebo podpory investiční. Důvodem je fakt, že dneska stále převažují fosilní zdroje, například zemní plyn, který bývá často nejlevnější pro výrobu procesní páry.
Jak důležité je odpadní teplo pro fungování průmyslových tepelných čerpadel?
Dalo by se říct, že využití odpadního tepla je nutnou podmínkou, aby model vůbec dával smysl. Pokud bychom brali teplo z okolí – například ze vzduchu, z vody nebo ze země – tak ten teplotní rozdíl by byl tak velký, že by stroj nejen pracoval neúčinně, ale v extrémních případech by jednoduše nefungoval. V závodě nebo jakémkoliv průmyslu je proto nutné napřed analyzovat, jaké jsou dostupné toky odpadních tepel a na jakých teplotních úrovních jsou. Dále také, zda jsou časově souběžné s dobou, kdy potřebujete procesní teplo na vyšší teplotě. Je důležité analyzovat časové souslednosti a teplotní a hmotové toky těch dvou druhů tepla a zjistit, jestli konkrétní průmysl má možnost integrovat tepelné čerpadlo do svého procesu.
Zabýváte se tedy i praktickým poradenstvím pro firmy?
Ano, zabýváme se nejenom vývojem těch strojů, ale také poradenstvím pro průmyslové podniky. Řešíme studie proveditelnosti – ať už jde o "feasibility" nebo "prefeasibility study" – které posuzují, jestli je pro daný závod výhodné a vůbec možné takový stroj nasadit. Snažíme se podnikům radit. Průmyslová tepelná čerpadla jsou spíš výsledkem. Řešíme, jak dekarbonizovat průmyslové procesní teplo. Tepelná čerpadla jsou jednou z technologií, která umožňuje zbavit se závislosti na fosilních palivech. Přestože mají určité limity v dosažitelných teplotách, pro výrobu procesní páry to je technologie, která slibuje velké množství emisních úspor.
Co vás osobně přivedlo právě k tomuto tématu?
Mě vždycky osobně zajímalo, jakým způsobem lze snižovat emisní stopu – nejen člověka, ale i produktů, které člověk vyrábí. A nějak tak mi přišlo, že tohle je obor, ve kterém se potkává něco, co znám, a co mě baví, s něčím, co společnost potřebuje. Dává mi smysl se tomu věnovat.
Původně jste ale prý chtěl být zubař?
Já jsem se vlastně ke strojnímu inženýrství dostal tak, že jsem si myslel, že budu zubař. Měl jsem doma vylepený velký plakát Bentley Continental GT a táta mi tehdy říkal, že jestli jednou chci takové auto, tak musím být zubař, protože nikdo jiný si na takové auto nevydělá. A já jsem s tím žil několik let a říkal jsem všem, že budu asi zubař. Potom jsem ale zjistil, že samotná práce zubaře by mě nebavila ani nenaplňovala. Chtěl řešit auta a stroje a baví mě fyzika a matematika. Ptal jsem se tedy sám sebe –nedávalo by větší smysl zabývat se technikou než léčit lidi? A potom už jsem jen přemýšlel, jaké technické obory by mě zajímaly nejvíc. Líbí se mi, když se něco hýbe. Pokud něco jenom stojí – jako budovy – dokážu ocenit, že jsou hezké nebo nějak vypadají, ale dokud se to nehýbe, tak mě to nefascinuje. Strojní inženýrství mě přitahovalo právě kvůli pohybu. A konkrétně pak energetika a termodynamika, protože tam je navíc i teplo a chlad, což přidává další vjemy kromě samotného pohybu.
Jak jste se dostal k působení v Univerzitním centru energeticky efektivních budov (UCEEB)?
Kromě Fakulty strojní působím i na Univerzitním centru energeticky efektivních budov v Buštěhradě, což je výzkumný ústav pod ČVUT, který se – jak už název napovídá – zabývá energetikou budov. Dostal jsem se tam v prváku na strojárně po exkurzi. Naprosto mě nadchlo, co tam kolegové dělali, jak se tam nejen teoretizuje a počítá na počítačích, ale i skutečně svařuje, montuje a testuje v laboratořích. A potom se ty stroje nakonec reálně používají. To se mi tak líbilo, že jsem hned po exkurzi zaklepal na dveře vedoucího týmu a zeptal jsem se, jestli bych tam mohl nějak působit. Vznikla z toho letní brigáda, která se postupně přetavila v dlouhodobou spolupráci. Dnes už tam jsem deset let a nejspíš budu dále pokračovat.
Jak funguje tepelné čerpadlo z hlediska fyziky?
Tepelné čerpadlo je stroj, který funguje na bázi tepelného oběhu – což je obecně koncept, kdy nějaká pracovní látka (v našem případě chladivo) prochází sérií skupenských přeměn. To znamená, že na nižší teplotní úrovni a při nižším tlaku odebírá energii z nějakého média – ať už je to vzduch, prostředí, voda nebo odpadní teplo. To teplo se absorbuje do chladiva tím, že se chladivo vaří. Chladivo se tedy vypařuje a páry nasává kompresor, který je poháněný elektřinou. Kompresor ty páry stlačuje z nižšího tlaku na vyšší, čímž vzniká rozdíl tlaku i teploty v celém oběhu. Vysokotlaké páry pak jdou do výměníku tepla, kde kondenzují. Tou kondenzací odevzdávají teplo nějakému topnému médiu. To může být voda pro podlahové vytápění, vzduch nebo třeba nízkotlaká pára. Potom je horké chladivo vyškrceno zpět do nízkotlakého výměníku a cyklus se opakuje.
Pracujete na vývoji čerpadel i se studenty?
Ano. Tady za mnou v laboratoři máme otevřené jedno tepelné čerpadlo, na kterém testujeme různé logiky řízení. Slouží zárověň jako učební pomůcka. Se studenty na něm provádíme laboratorní úlohy, při kterých si vysvětlujeme, jak tepelné čerpadlo funguje. Diskutujeme také o výhodách oproti přímému elektrickému ohřevu a o výhodách samotné technologie.
Jak se liší průmyslová a rezidenční čerpadla?
Zatímco rezidenční čerpadla typicky ohřívají vodu na 45 °C, případně na 60 °C (například pro teplou užitkovou vodu), průmyslová čerpadla musejí jít výš. Právě proto, že průmysl potřebuje procesní teplo na vyšších teplotách, jsou dnes komerčně dostupná průmyslová čerpadla schopná dosáhnout až 120 °C. Ve fázi výzkumu a vývoje už umíme 150 °C a výzvou základního výzkumu je meta 200 °C. Právě těmto extrémně vysokým teplotám jsem se věnoval ve Spojených státech v rámci Fulbrightova stipendia.
Proč jste se rozhodl právě pro Fulbright a jaká byla vaše zkušenost?
Do Spojených států jsem s Fulbrightem vyjel hlavně proto, že tam jsou ti nejlepší lidé, kteří se tomuto vývoji věnují. Jsou právě na Purdue University v Indianě, kde jsem působil jako stipendista. Také v USA sídlí ty největší průmyslové podniky, které tepelná čerpadla i chladiva vyrábějí. V tomhle oboru je totiž bez podpory průmyslových partnerů výzkum jen teorie. Pokud nespolupracujete s podniky, které pak skutečně vyrábějí stroje, zůstává výzkum do jisté míry čistě akademický.
Mě vždycky osobně zajímalo, jakým způsobem lze snižovat emisní stopu – nejen člověka, ale i produktů, které člověk vyrábí. A nějak tak mi přišlo, že tohle je obor, ve kterém se potkává něco, co znám, a co mě baví, s něčím, co společnost potřebuje. Dává mi smysl se tomu věnovat.
Původně jste ale prý chtěl být zubař?
Já jsem se vlastně ke strojnímu inženýrství dostal tak, že jsem si myslel, že budu zubař. Měl jsem doma vylepený velký plakát Bentley Continental GT a táta mi tehdy říkal, že jestli jednou chci takové auto, tak musím být zubař, protože nikdo jiný si na takové auto nevydělá. A já jsem s tím žil několik let a říkal jsem všem, že budu asi zubař. Potom jsem ale zjistil, že samotná práce zubaře by mě nebavila ani nenaplňovala. Chtěl řešit auta a stroje a baví mě fyzika a matematika. Ptal jsem se tedy sám sebe –nedávalo by větší smysl zabývat se technikou než léčit lidi? A potom už jsem jen přemýšlel, jaké technické obory by mě zajímaly nejvíc. Líbí se mi, když se něco hýbe. Pokud něco jenom stojí – jako budovy – dokážu ocenit, že jsou hezké nebo nějak vypadají, ale dokud se to nehýbe, tak mě to nefascinuje. Strojní inženýrství mě přitahovalo právě kvůli pohybu. A konkrétně pak energetika a termodynamika, protože tam je navíc i teplo a chlad, což přidává další vjemy kromě samotného pohybu.
Jak jste se dostal k působení v Univerzitním centru energeticky efektivních budov (UCEEB)?
Kromě Fakulty strojní působím i na Univerzitním centru energeticky efektivních budov v Buštěhradě, což je výzkumný ústav pod ČVUT, který se – jak už název napovídá – zabývá energetikou budov. Dostal jsem se tam v prváku na strojárně po exkurzi. Naprosto mě nadchlo, co tam kolegové dělali, jak se tam nejen teoretizuje a počítá na počítačích, ale i skutečně svařuje, montuje a testuje v laboratořích. A potom se ty stroje nakonec reálně používají. To se mi tak líbilo, že jsem hned po exkurzi zaklepal na dveře vedoucího týmu a zeptal jsem se, jestli bych tam mohl nějak působit. Vznikla z toho letní brigáda, která se postupně přetavila v dlouhodobou spolupráci. Dnes už tam jsem deset let a nejspíš budu dále pokračovat.
Jak funguje tepelné čerpadlo z hlediska fyziky?
Tepelné čerpadlo je stroj, který funguje na bázi tepelného oběhu – což je obecně koncept, kdy nějaká pracovní látka (v našem případě chladivo) prochází sérií skupenských přeměn. To znamená, že na nižší teplotní úrovni a při nižším tlaku odebírá energii z nějakého média – ať už je to vzduch, prostředí, voda nebo odpadní teplo. To teplo se absorbuje do chladiva tím, že se chladivo vaří. Chladivo se tedy vypařuje a páry nasává kompresor, který je poháněný elektřinou. Kompresor ty páry stlačuje z nižšího tlaku na vyšší, čímž vzniká rozdíl tlaku i teploty v celém oběhu. Vysokotlaké páry pak jdou do výměníku tepla, kde kondenzují. Tou kondenzací odevzdávají teplo nějakému topnému médiu. To může být voda pro podlahové vytápění, vzduch nebo třeba nízkotlaká pára. Potom je horké chladivo vyškrceno zpět do nízkotlakého výměníku a cyklus se opakuje.
Pracujete na vývoji čerpadel i se studenty?
Ano. Tady za mnou v laboratoři máme otevřené jedno tepelné čerpadlo, na kterém testujeme různé logiky řízení. Slouží zárověň jako učební pomůcka. Se studenty na něm provádíme laboratorní úlohy, při kterých si vysvětlujeme, jak tepelné čerpadlo funguje. Diskutujeme také o výhodách oproti přímému elektrickému ohřevu a o výhodách samotné technologie.
Jak se liší průmyslová a rezidenční čerpadla?
Zatímco rezidenční čerpadla typicky ohřívají vodu na 45 °C, případně na 60 °C (například pro teplou užitkovou vodu), průmyslová čerpadla musejí jít výš. Právě proto, že průmysl potřebuje procesní teplo na vyšších teplotách, jsou dnes komerčně dostupná průmyslová čerpadla schopná dosáhnout až 120 °C. Ve fázi výzkumu a vývoje už umíme 150 °C a výzvou základního výzkumu je meta 200 °C. Právě těmto extrémně vysokým teplotám jsem se věnoval ve Spojených státech v rámci Fulbrightova stipendia.
Proč jste se rozhodl právě pro Fulbright a jaká byla vaše zkušenost?
Do Spojených států jsem s Fulbrightem vyjel hlavně proto, že tam jsou ti nejlepší lidé, kteří se tomuto vývoji věnují. Jsou právě na Purdue University v Indianě, kde jsem působil jako stipendista. Také v USA sídlí ty největší průmyslové podniky, které tepelná čerpadla i chladiva vyrábějí. V tomhle oboru je totiž bez podpory průmyslových partnerů výzkum jen teorie. Pokud nespolupracujete s podniky, které pak skutečně vyrábějí stroje, zůstává výzkum do jisté míry čistě akademický.
Foto: Purdue University je známá jako "kolébka astronautů" (Cradle of Astronauts), protože na ní studoval Neil Armstrong, a také díky svému vynikajícímu "Aerospace Engineering" programu, jehož 27 absolventů již bylo na vesmírné misi. Během stipendia se tak Jan Špale zúčastnil třeba "launch party," při které hosté živě sledovali bývalou studentku na misi na ISS, podzim 2023.
Já jsem se v USA věnoval tomu, jak dosáhnout co nejvyšších teplot v průmyslových tepelných čerpadlech. Pokud se bavíme o 200 °C, klasická chladiva už fyzikálně takové teploty nezvládají. Je proto potřeba najít nová chladiva – třeba i ve směsích – která by těmto náročným podmínkám odolala. A zároveň musí fungovat i samotné stroje – kompresory, výměníky tepla.
Dosáhl jste nějakých konkrétních výsledků?
Ano, myslím si, že se to podařilo. Vytvořili jsme velmi pokročilý termodynamický model takového stroje. A analizovali jsme s ním miliony pracovních látek, které jsme míchali (virtuálně) do směsí v různých koncentracích. Simulovali jsme, jak by se stroj choval s takovouto směsí. Z těch milionů variant jsme výběr zúžili na čtyři látky – a čtyři už jsou počet, který lze experimentálně ověřit. Kolegové na Purdue University se nyní tomuto dále věnují – testují ta čerpadla s těmito čtyřmi pracovními látkami, které jsem analyzoval a vybral jako potenciálně vhodné.
Foto: Snímek šroubového průmyslového kompresoru tepelného čerpadla v řezu. Kompresor Jan Špale s americkými kolegy během svého pobytu v USA vyvíjel tak, aby jej bylo možné použít pro velmi vysokoteplotní podmínky a pro nestandardní pracovní látky (směsi aromatických uhlovodíků a hydrofluoro-olefinů), jaro 2024.
Foto: Neděle na Purdue University vždy patřila fotbalu. Univerzita hraje nejvyšší ligu amerického fotbalu, takže v sezóně fandí a griluje celé město. Kapacita stadionu je větší než počet obyvatel města West Lafayette, ve kterém univerzita sídlí, podzim 2023.
Dosáhl jste nějakých konkrétních výsledků?
Ano, myslím si, že se to podařilo. Vytvořili jsme velmi pokročilý termodynamický model takového stroje. A analizovali jsme s ním miliony pracovních látek, které jsme míchali (virtuálně) do směsí v různých koncentracích. Simulovali jsme, jak by se stroj choval s takovouto směsí. Z těch milionů variant jsme výběr zúžili na čtyři látky – a čtyři už jsou počet, který lze experimentálně ověřit. Kolegové na Purdue University se nyní tomuto dále věnují – testují ta čerpadla s těmito čtyřmi pracovními látkami, které jsem analyzoval a vybral jako potenciálně vhodné.
Jaká byla vaše motivace vyjet do zahraničí?
Moje doktorské studium se blížilo ke konci a já jsem nechtěl jen dopsat disertační práci a skončit. Chtěl jsem zažít něco, co jsem ještě nezažil, a zároveň něčemu přispět. Rozhodl jsem se, že dobrá kombinace těchto dvou přání bude stáž v zahraničí. Fulbrightovo stipendium umožňovalo vyjet do USA a spolupracovat na výzkumu s kolegy, které jsem znal z konferencí a kteří byli zároveň mými přáteli. Věděl jsem, že budu mít i dobré zázemí.
Překvapilo vás něco během pobytu?
Nejvíc mě asi překvapilo, jak velká univerzita Purdue vlastně je – skoro 50 tisíc studentů. Celé město je v podstatě jeden velký kampus. A ten kampus je izolovaný uprostřed kukuřičných polí v Indianě a tři hodiny kolem není nic zajímavého. Všichni se naplno věnují univerzitnímu životu – nejen studiu, ale i studentským klubům, mimoškolním aktivitám. Všichni jsou stále napojení na univerzitu.
Moje doktorské studium se blížilo ke konci a já jsem nechtěl jen dopsat disertační práci a skončit. Chtěl jsem zažít něco, co jsem ještě nezažil, a zároveň něčemu přispět. Rozhodl jsem se, že dobrá kombinace těchto dvou přání bude stáž v zahraničí. Fulbrightovo stipendium umožňovalo vyjet do USA a spolupracovat na výzkumu s kolegy, které jsem znal z konferencí a kteří byli zároveň mými přáteli. Věděl jsem, že budu mít i dobré zázemí.
Překvapilo vás něco během pobytu?
Nejvíc mě asi překvapilo, jak velká univerzita Purdue vlastně je – skoro 50 tisíc studentů. Celé město je v podstatě jeden velký kampus. A ten kampus je izolovaný uprostřed kukuřičných polí v Indianě a tři hodiny kolem není nic zajímavého. Všichni se naplno věnují univerzitnímu životu – nejen studiu, ale i studentským klubům, mimoškolním aktivitám. Všichni jsou stále napojení na univerzitu.
Další velké překvapení byla komunita Fulbright stipendistů. Narazíte na někoho z Afriky nebo Jižní Ameriky a, jakmile zjistíte, že jste oba Fulbrightisté, okamžitě máte společná témata. Bylo to, jako když po 15 letech potkáte starého kamaráda. Fascinující zkušenost.
Co byste poradil dnešním studentům?
Ať rozhodně neváhají a někam při studiu vyjedou. Je to jedinečná příležitost. Ve chvíli, kdy začnete pracovat, bude pozdě. Zaměstnavatel vás třeba nepustí, nebudete mít čas, nebo taková příležitost už nikdy nepřijde. Myslím si, že výjezd při studiu – ať už třeba na Erasmus nebo s pomocí Fulbrightova stipendia – je naprosto zásadní. A neváhal bych.
Na závěr – co by veřejnost měla vědět o vašem oboru?
Česká republika je strojírenská velmoc, a to už od první republiky. Počty studentů, kteří studují techniku, a speciálně strojní inženýrství, však stále klesají. Vážně by mě mrzelo, kdyby know-how, které tady máme, upadlo jen proto, že nebude, kdo by v oboru pokračoval. V oblasti energetiky, výroby těžkých strojů i v ocelářském průmyslu potřebujeme šikovné lidi, kteří budou nejen ve výzkumu a vývoji, ale i přímo v průmyslových závodech. Byl bych moc rád, kdyby co nejvíce lidí studovalo technické obory.
Foto: Jan Špale se ženou po skončení stipendijního pobytu procestovali skoro 30 národních parků USA, včetně například téměř panenské divočiny v severním Idaho, jaro 2024.
Co byste poradil dnešním studentům?
Ať rozhodně neváhají a někam při studiu vyjedou. Je to jedinečná příležitost. Ve chvíli, kdy začnete pracovat, bude pozdě. Zaměstnavatel vás třeba nepustí, nebudete mít čas, nebo taková příležitost už nikdy nepřijde. Myslím si, že výjezd při studiu – ať už třeba na Erasmus nebo s pomocí Fulbrightova stipendia – je naprosto zásadní. A neváhal bych.
Na závěr – co by veřejnost měla vědět o vašem oboru?
Česká republika je strojírenská velmoc, a to už od první republiky. Počty studentů, kteří studují techniku, a speciálně strojní inženýrství, však stále klesají. Vážně by mě mrzelo, kdyby know-how, které tady máme, upadlo jen proto, že nebude, kdo by v oboru pokračoval. V oblasti energetiky, výroby těžkých strojů i v ocelářském průmyslu potřebujeme šikovné lidi, kteří budou nejen ve výzkumu a vývoji, ale i přímo v průmyslových závodech. Byl bych moc rád, kdyby co nejvíce lidí studovalo technické obory.
