Przyszłość ciepła – dekarbonizacja, dywersyfikacja i digitalizacja

5 dni temu

Zdjęcie: Przyszłość ciepła – dekarbonizacja, dywersyfikacja i digitalizacja

Ciepłownictwo polskie, czyli obraz przez cały czas węglem malowany

Choć w polskim ciepłownictwie wiele się zmieniło na przestrzeni ostatnich lat, to jednak, wciąż w ogromnej większości jest ono oparte na węglu, z którego w 2022 roku pochodziło aż 70% produkowanego ciepła, a tylko 15% ze źródeł odnawialnych, w tym ponad 12% z biomasy. W 2022 roku ciepłownie i elektrociepłownie sprzedały nieco ponad 357 tys. TJ ciepła, czyli ponad 7,2 proc. mniej w stosunku do 2021 roku.

Ten trend będzie się utrzymywać - zgodnie z przewidywaniami NCBR, zapotrzebowanie na ciepło sieciowe do 2050 roku spadnie o połowę, głównie za sprawą termomodernizacji budynków oraz wymiany energochłonnych budynków na te nowoczesne i efektywne energetycznie. Możliwym scenariuszem są też odłączenia od sieci dotychczasowych odbiorców, w tym przechodzenie do lokalnych mikrosieci.

Kluczowym wyzwaniem w ciepłownictwie zawodowym jest osiągnięcie poziomu efektywnego systemu ciepłowniczego określonego szczegółowymi parametrami. Tylko takie systemy będą mogły otrzymać dofinansowanie z UE i de facto zachowają możliwość funkcjonowania w dłuższej perspektywie.

Obecnie tylko niewielka część ciepła jest wytwarzana przez efektywne systemy ciepłownicze, a od 2028 roku w życie wejdą nowe regulacje, które jeszcze zaostrzą kryteria. Konsekwencje tego dla mieszkańców i włodarzy miast są ogromne – brak efektywności systemu oznacza bowiem konieczność poniesienia wysokich nakładów na modernizację lokalnych systemów ciepłowniczych lub ich likwidację.

Przesłanki te wskazują na potrzebę głębokiej i pilnej transformacji ciepłownictwa, która w skali całego kraju będzie wymagała gigantycznych nakładów finansowych – według szacunków Polskiego Towarzystwa Energetyki Cieplnej sięgających od 276 do 418 miliardów złotych.

Tymczasem firmy ciepłownicze nie mają w tej chwili możliwości generowania niezbędnych zapasów finansowych nie tylko do głębokiej modernizacji, ale i stabilnego funkcjonowania w dłuższej perspektywie – rentowność branży ciepłowniczej wg. URE znajduje się na poziomie minus 22 proc!

Stoimy zatem przed ogromnym zadaniem, któremu sama branża w obecnych warunkach sprostać nie może.

Efektywność, dywersyfikacja… dekarbonizacja

Opisane powyżej czynniki kreślą ponurą przyszłość dla polskiego ciepłownictwa w jego obecnej formie. Jednakże, oprócz zagrożeń są też i szanse. Polska posiada dość wyjątkową na skalę europejską infrastrukturę ciepłowniczą – funkcjonuje u nas prawie 400 przedsiębiorstw ciepłowniczych zarządzających sieciami o długości 22,5 tys. km i zainstalowanej mocy wynoszącej 54 GW. Sieć ta dostarcza ciepło do ponad połowy gospodarstw domowych, czyli około 15 milionów osób.

Dysponując taką infrastrukturą ciepłownictwo może pomóc zarówno w redukcji zanieczyszczenia powietrza i poprawie klimatu, jak i zrównoważeniu systemu energetycznego. Niezbędna jest jednak transformacja zarówno w domu, jak i w systemach ciepłowniczych. Potrzebne jest przekształcenie całego łańcucha wartości i zastąpienie węgla różnorodnymi, nowoczesnymi źródłami energii. Patrząc na paletę dostępnych źródeł i technologii, ze sporą dozą prawdopodobieństwa można przewidywać, iż węgiel i gaz z czasem zostaną zastąpione przez:

energię elektryczną ze źródeł odnawialnych – wielkoskalowe pompy ciepła z wykorzystaniem ciepła odpadowego i kotły elektrodowe;
lokalny RDF i biomasę, które dodatkowo wspierają lokalne rolnictwo, leśnictwo i gospodarkę odpadami;
wykorzystywaną dzisiaj w marginalnym stopniu geotermię;
przejściowo gaz ziemny zastępowany biometanem, być może zmieszanym z zielonym wodorem, choć raczej w dłuższej perspektywie;
SMR-y, które mogą łączyć potrzeby ciepłownictwa systemowego i elektroenergetyki w lokalnej perspektywie, ale dłuższej perspektywie.

Wybór technologii uwzględnić musi lokalne zasoby i źródła ciepła oraz wymagania systemów ciepłowniczych. Trzeba też pamiętać, iż wiele systemów przez cały czas będzie potrzebować gazu w krótkim terminie. Wszystkie paliwa powinny mieć określone limity wsparcia i plany rozwoju, jak CCU dla biomasy czy biometan dla gazu.

Podstawą elektryfikacja

Po wykorzystaniu w pierwszej kolejności zasobów lokalnych w postacie ciepła odpadowego, paliwa z odpadów nie nadających się do recyklingu i biomasy spełniającej kryteria zrównoważonego rozwoju, pozostaje nam sięgnąć po energię elektryczną. Energia elektryczna pełnić będzie istotną rolę w nowoczesnym sektorze ciepłowniczym, gdyż może ona objąć w znacznej mierze ciepłownictwo systemowe, a jednocześnie powinna stanowić jedyną docelową alternatywę dla ogrzewania domów.

Dlatego, docelowo, ciepłownictwo powinno stać się równoprawnym partnerem systemu energetycznego opartego na energii odnawialnej, wspierając jego bilansowanie poprzez wykorzystanie nadwyżek energii w okresie nadprodukcji ze źródeł pogodozależnych i dostarczanie energii elektrycznej ze skojarzonego wytwarzania z ciepłem w okresie niedoboru.

Warto też zauważyć, iż dziś często odbiorcy ciepła wyprzedzają w działaniach dostawców, gdyż dość gwałtownie zmieniają się zarówno świadomość, jak i potrzeby oraz możliwości w zakresie korzystania i wytwarzania ciepła. Nowe technologie i programy wsparcia finansowego pozwalają odbiorcom indywidualnym inwestować we własne źródła OZE i wymuszają zmiany na przedsiębiorstwach energetycznych i ciepłowniczych.

Trzeba zatem liczyć się z tym, iż znaczna część odbiorców energii i ciepła będzie powoli uniezależniała się od dostaw energii elektrycznej i ciepła systemowego stając się prosumentami.

Ciepłownictwo bardzo indywidualne i elektryczne

Prosumenci – osoby i gospodarstwa domowe, które będą samodzielnie produkować i konsumować energię – stanowią przyszłość ogrzewnictwa indywidualnego. Już teraz standardem stają się domy wyposażone w panele fotowoltaiczne połączone z pompami ciepła. W przyszłości indywidualni prosumenci w będą w 100% zależni od energii elektrycznej. Rodzi to pytania: czy będą działać w pełnej autonomii (off-grid), czy jednak będą współpracować z systemem?

Choć wizja pełnej niezależności może wydawać się atrakcyjna, bez zaawansowanych technologii będzie to wymagało znacznych nakładów i wysiłku. Alternatywą jest połączenie z systemem energetycznym, co otwiera przed prosumentami możliwość korzystania z inteligentnego zarządzania zużyciem energii. Musi się to odbywać w prosty sposób poprzez zgodę na inteligentne zarządzanie zasobem przez profesjonalnego dostawcę. Spróbujmy popatrzeć szerzej na taki rynek, najpierw z perspektywy krajowej.

Upraszczając: zapotrzebowanie na węgiel w ogrzewnictwie wynosi w tej chwili około 6 milionów ton rocznie. Można je częściowo zastąpić energią elektryczną o mocy około 3 GW, korzystając z pomp ciepła o współczynniku efektywności COP 2,5. Jednak najważniejsze znaczenie dla sukcesu transformacji energetycznej będzie miała cyfryzacja systemu oraz wdrożenie technologii akumulacji energii i ciepła.

Proste przesunięcie zapotrzebowania na energię z dnia na godziny nocne może być realnym rozwiązaniem pokrywającym zapotrzebowanie na ww. moc potrzebną do odbiorcy indywidualnego, ale wymaga to wdrożenia nowoczesnych rozwiązań z zakresu digitalizacji i zarządzania popytem.

Oczywiście, transformacja ciepłownictwa wiąże się z dużymi kosztami, jednak porównanie cen energii elektrycznej i gazu pokazuje, iż inwestycje w nowe technologie mogą przynieść długoterminowe oszczędności. Cena ciepła z indywidualnego kotła gazowego licząc jedynie koszt paliwa sięga dzisiaj ponad 240PLN/MWh brutto.

Ciepło uzyskane z pomp ciepła, przy cenie energii elektrycznej 1100 PLN/MWh brutto, wynosi około 360 PLN/MWh – jeszcze dzisiaj ta różnica jest znacząca, ale wprowadzenie ETS 2, uwzględnienie możliwości pozyskania do 30% darmowej energii z prosumenckiej PV oraz wykorzystanie taryfy nocnej z magazynowaniem energii już dzisiaj przemawiają na korzyść elektryfikacji.

Zintegrować ciepłownictwo i elektroenergetykę…

Patrząc w przyszłość zarówno ciepłownictwa, jak i w elektroenergetyki, widać, iż kluczowa czy wręcz nieuchronna jest integracja tych dwóch sektorów. Efektywne wykorzystanie nadwyżek energii elektrycznej w systemach ciepłowniczych oraz zintegrowane zarządzanie popytem mogą przyczynić się do większej stabilności systemu energetycznego. Dlatego tak ważne jest, aby plany rozwoju odnawialnych źródeł energii uwzględniały również potrzeby sektora ciepłowniczego. Do 2030 roku Polska planuje dwukrotny wzrost produkcji energii z OZE, a do 2040 roku trzykrotny. To ambitne cele, które otwierają nowe perspektywy dla ciepłownictwa.

Zaczynając jednak od zasobów lokalnych, RDF i biomasa mogą odpowiadać za około 20% potrzeb energetycznych i poniżej 10% potrzebnej mocy. Razem z gazem osiągamy 60% energii i 30% mocy. Widać więc, iż energia elektryczna musiałaby odpowiadać za 40% energii, czyli w tej chwili około 150kTJ i 17,5GW mocy szczytowych. o ile jednak założymy stosowanie pomp ciepła o COP jedynie 2,5 (wkaźnik COP czyli Coefficient of Performance określa stosunek energii pobranej z sieci energetycznej do oddanej w postaci ciepła) potrzebna moc ogranicza się do 7GW.

To ciągle dużo, ale już mniej niż różnica w zapotrzebowaniu na moc pomiędzy dniem i nocą w najzimniejszy dzień tego roku. Czyli przesuwając zapotrzebowanie i akumulując ciepło możemy już dzisiaj pokryć te potrzeby. Zakładając ograniczenia potrzeb na ciepło poprzez modernizację budynków i odpowiednią poprawę efektywności funkcjonowania możemy dodatkowo ograniczyć potrzebną moc do około 4-5GW. Czyli, aby zelektryfikować produkcję ciepła musimy skupić się na:

Zwiększeniu dostępnej energii i mocy z OZE zgodnie z założeniami KPEiK
Wykorzystaniu lokalnych paliw.
Poprawie efektywności zużycia energii poprzez ograniczenie zużycia oraz zapewnienie akumulacji ciepła i energii elektrycznej.

… dzięki cyfryzacji

Kluczowym elementem skutecznej współpracy pomiędzy systemami elektroenergetycznym i ciepłowniczym będzie dalsza cyfryzacja wspierana przez inteligentne technologie. Te innowacje umożliwią redukcję zużycia oraz poprawę efektywności zarówno u producentów energii i ciepła, jak i u odbiorców końcowych.

Cyfryzacja stwarza możliwość maksymalnej optymalizacji i ulepszenia procesów produkcji oraz dystrybucji ciepła, co przekłada się na zwiększenie efektywności i zmniejszenie zużycia energii oraz mocy. W nowoczesnym systemie ciepłowniczym z wieloma producentami konieczne będzie wsparcie ze strony sztucznej inteligencji, gdyż manualne zarządzanie dynamicznymi zmianami w tak złożonych systemach jest poza możliwościami człowieka.

To prowadzi do automatyzacji operacji i prognozowania, co z kolei minimalizuje marnotrawstwo energii. Digitalizacja jest zatem warunkiem sine qua non dekarbonizacji, tym bardziej, iż jest to właśnie poszukiwany przez cały sektor „nisko wiszący owoc”. Pozwala ona między innymi na wykorzystanie samej sieci ciepłowniczej do magazynowania energii oraz równoważenia systemu elektroenergetycznego, gdy zapotrzebowanie na energię jest mniejsze niż jej produkcja.

Jednym z narzędzi do tego służącym jest DSR (Demand – Side – Response), którego nazwę można przetłumaczyć jako „odpowiedź ze strony popytowej” i oznacza „zmianę zapotrzebowania energetycznego na wezwanie operatora systemu”. To rozwiązanie jest stosowane w systemach elektroenergetycznych, natomiast w sieciach ciepłowniczych wciąż jest działaniem niestandardowym, a pozwala na okresowe ograniczenie potrzebnej mocy w systemie ciepłowniczym poprzez wykorzystanie akumulacji ciepła w sieci ciepłowniczej i budynkach. Bazuje ono na czasowym przesuwaniu zapotrzebowania cieplnego odbiorców. Oddziałuje w ten sposób na profil odbioru ciepła i traktuje budynki, nie jako pasywnych odbiorców ciepła, ale jako aktywny element systemu.

Digitalizacja pozwalająca na elastyczne podejście do zarządzania systemem, a tym samym optymalizację sektora, powinna być połączona ze zmianą regulacji sektora, w tym taryfikacji cen ciepła.

Potrzebne mądre wsparcie finansowe

Podstawową barierą szybkiego procesu elektryfikacji jest dostęp do taniej i czystej energii odnawialnej. Dlatego, nie mamy innego wyjścia jak gwałtownie rozwijać odnawialne źródła energii elektrycznej jednocześnie inwestując w rozwój sieci, aby umożliwić wspomniany rozwój. Żeby proces przyspieszyć i ograniczyć nakłady na sieci, musimy dążyć do lokalnego bilansowania produkcji i zużycia energii elektrycznej z uwzględnieniem ciepłownictwa.

Wymaga to nie tylko inwestycji, ale i zmian legislacyjnych, w tym uelastycznienia funkcjonowania systemów zarówno elektroenergetycznego, jak i ciepłowniczego chociażby poprzez uelastycznienie warunków przyłączenia kotłów elektrodowych lub pomp ciepła do sieci elektroenergetycznej, czy umożliwienie dzielenia się benefitami z DSR-u z klientami bardziej skłonnymi do udostepnienia swojego zapotrzebowania dla potrzeb bilansowania.

Aby technologie Power to Heat (P2H) były opłacalne w obecnej rzeczywistości, konieczne jest wprowadzenie systemu wsparcia inwestycyjnego i operacyjnego tak aby nakłady, które ciepłownictwo poniesie, nie obciążały jedynie odbiorców ciepła. Należy premiować zarówno firmy, jak i samorządy które podejmą wysiłek chociaż częściowego bilansowania produkcji i zużycia energii na swoim terenie.

Konieczne wydaje się również uznanie ciepła wyprodukowanego z energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych jako ciepła z OZE oraz reforma taryf dystrybucyjnych energii dla takich rozwiązań P2H. Takie zmiana polegałaby na obniżeniu obciążeń ciepłownictwa z tytułu zakupu energii elektrycznej i usług dystrybucji energii elektrycznej.

Maraton w tempie sprinterskim

Priorytetowe kierunki działań dla osiągnięcia celów środowiskowych Unii Europejskiej, ale też – a może przede wszystkim – rentowności sektora ciepłowniczego w Polsce, przy jednoczesnym zachowaniu akceptowalnych cen ciepła to:

zwiększenie efektywności energetycznej budynków i innych odbiorów ciepła;
elektryfikacja ogrzewnictwa i modernizacja ciepłownictwa systemowego, aby mogło korzystać ze źródeł odnawialnych i bezemisyjnych;
integracja z systemem energetycznym.

Cyfryzacja sektora jest z kolei pierwszym krokiem do poprawy jego rentowności, zwłaszcza w dobie kryzysu na rynku paliw i konieczności pilnego odejścia od źródeł paliw z Rosji. A skoro ważne jest by jak najefektywniej wykorzystywać dostępne zasoby i środki produkcji, to powinniśmy sięgnąć po digitalizację jako łatwy i tak nam potrzebny sukces.

Pamiętajmy też o tym, iż koszt energii stanowi i stanowić będzie najważniejszy element konkurencyjności całej gospodarki której elektryfikacja wydaje się być trendem nie do zatrzymania.

Wdrażając rozwiązania transformujące ciepłownictwo rzućmy okiem na północ i wykorzystujmy doświadczenia Skandynawów, którzy od ponad dwóch dekad, inwestują w technologie, które my dopiero wdrażamy, zarówno jeżeli chodzi o wykorzystanie ciepła odpadowego z procesów produkcyjnych, jak i zastosowanie wielkich systemowych pomp ciepła do ogrzewania miast, czego przykładem może być choćby Espoo w Finlandii.

Jednak nadgonienie Skandynawów to nie spacerek, a maraton w tempie sprinterskim. Wdrożenie zmian wymaga szybkich i zdecydowanych kroków, a nie markowanych gestów ze strony wszystkich uczestników rynku.

Piotr Górnik jest od lipca 2017 r. prezesem zarządu spółki Fortum Heat and Power Polska

Idź do oryginalnego materiału