Jak system energetyczny zostanie zrobiony w pompę (ciepła)

Maryla Rodowicz w piosence pod tytułem „Nie ma jak pompa” śpiewała „Nie poradzisz nic, ja kocham pic„.

Z pompami ciepła w ostatnich 3 latach działania programu „Czyste Powietrze” też niestety był, ku zgrozie części beneficjentów tegoż programu, pic. Przykre konsekwencje dla części osób, które skorzystały z dobrodziejstw programu „Czyste Powietrze” będą trwały długo, szczególnie dla tych którzy skorzystali z wykonawców wychodzących z zasady „Im mniejsza pompa tym wyższa marża” i nie dokonywali termomodernizacji oraz innych, nie zawsze szczególnie kosztownych, zmian w swoich domach.

 Dla osiągnięcia niższych rachunków właściciel pompy ciepła może m.in. obecnie ograniczyć swoje zużycie w określonych godzinach i przesunąć konsumpcję na godziny poza szczytem (najwyższymi cenami), jednakże jeżeli tak miałoby postępować milion czy dwa miliony właścicieli pomp to sytuacja ulegnie zasadniczej zmianie i w masowej skali ich zachowania będą miały zupełnie inny – zdecydowanie mniej korzystny – wpływ na system energetyczny i ceny – o czym będzie poniżej. 

Rosyjski ambasador w Warszawie Otto von Stackelberg pisał w II połowie XVIII w. w listach do imperatorowej Katarzyny Wielkiej, że „w Polsce panuje kult działań pozornych”. Pozorowanie działań dotyka nie tylko beneficjentów, którzy skorzystali z nieuczciwych dostawców.

Dotyka także tych, którzy korzystali z dostawców uczciwych, z tym, że niedouczonych swego fachu. W połączeniu z chęcią dodatkowego zaoszczędzenia pieniędzy (po co założyć pompę o mocy 9 kW jak pewnie 7 kW też wystarczy) przy montażu pompy ciepła dawało, daje to i niestety będzie dawało opłakane rezultaty. Takie są wysokie koszty operacyjne niskich cen zakupu.

Gaz śmierdzący kopaliną

W latach 2021-2023 obserwowaliśmy boom na rynku pomp ciepła, który zaowocował w jakże często opisywanych w mediach przypadkach tzw. rachunkach grozy. A że złe wieści rozchodzą się szybciej niż dobre, co jest naturalną tendencją w komunikacji międzyludzkiej, u rzeszy konsumentów powstała opinia, że pompa ciepła to drogie w użytkowaniu źródło.

Państwo polskie w poprzednich latach w ramach programu „Czyste Powietrze” dofinansowywało także wymianę kotłów węglowych na gazowe, a obecnie już nawet kotły gazowe są passé. Nie można ich dofinansowywać ze środków UE, natomiast Polska mogłaby to czynić ze środków własnych (w naszym przypadku krajowych środków NFOŚiGW). Mogłaby, a jeżeli nie zrobiła, to znaczy, że nie chciała. Niełatwo to zrozumieć biorąc pod uwagę skalę wyzwań w RP związanych z wymianą źródeł ogrzewania. Zrobiono to zasłaniając się brakiem środków własnych oraz zakazem UE w zakresie finansowania kotłów gazowych.

Trudno zrozumieć, dlaczego zlikwidowano, chociaż MKiŚ i NFOŚiGW w myśl unijnych przepisów miało do tego prawo, dopłaty do hybrydowych pomp ciepła. O ile unijne przepisy zabraniają dofinansowywać kotłów na paliwa kopalne, o tyle dopuszczają stosowanie rozwiązań hybrydowych. Rozwiązania hybrydowe, czyli takie gdzie źródłem szczytowym w pompie ciepła jest gaz (ziemny czy LPG) czy ciepło z sieci, w programie „Czyste Powietrze” zostały wykluczone, w innych państwach UE nie wprowadzano tak radykalnych zmian i dopuszczono rozwiązania hybrydowe.

Moja pompa ma znaczenie

Kiedy nasze myślenie koncentruje się na pojedynczym przypadku, znowu może wydawać się to racjonalne. Jeżeli jednak odciągniemy zoom i dostrzeżemy większy obrazek oraz przemnożymy ów przypadek przez odpowiednią skalę obraz momentalnie traci na swym pięknie i neutralizacji ulega jego pierwotny indywidualny powab.

Załóżmy, że mamy 150 m² dom w Warszawie, który został docieplony i jego standard zużycia energii to 120 kWh/m²/rok. Taki dom potrzebuje pompy ciepła 7 kW z grzałkami o mocy 4 kW. Instalator zamontował go zgodnie z wytycznymi PORT PC ustawiając temperaturę biwalencji (temperatura od jakiej włączają się proste grzałki elektryczne wspomagające pompę ciepła) na       -6^o C (zalecenia PORT PC dla Warszawy są pomiędzy -6^o a -9^o C).

Źródło: PORT PC

Oznacza to, że grzałki będą pracowały przez 419 godzin, czyli 24 dni (na podstawie danych ze strony PORT PC). Gdyby temperatura punktu biwalencji była ustawiona na -9^o C grzałki pracowałyby 63 godziny, czyli 2,5 dnia (wg danych temperaturowych PORT PC temperatury poniżej -13^o C w Warszawie występują zero godzin, co jest pewną ciekawostką).

Przy temperaturach od ok. -10^o C w dół pompa będzie pracowała z pełną mocą, z tą różnicą że z różną częstotliwością załączania się. Dla pojedynczej instalacji przedstawiona powyżej sytuacja nie jest jeszcze szczególnym problemem, natomiast przy 1,5 mln instalacji (założenie z pierwszego artykuły – na 3 mln kotłów do wymiany połowa przechodzi na pompy ciepła, a połowa na kotły na biomasę) i zakładanej powyżej mocy, problem już się pojawia.

To czy zakładane 1,5 mln pomp ciepła będzie potrzebowało 10 500 MWe czy 16 500 MWe będzie dla systemu elektroenergetycznego stanowiło ogromną różnicę, szczególnie, w ciągu nadchodzących 10 lat (brak atomu i wycofywanie mocy węglowych).

Dodatkowe 6000 MW to moc równa elektrowniom gazowym – funkcjonującej Dolnej Odrze oaz powstającym w Ostrołęce, Grudziądzu, Adamowie, Rybniku i będących w planach Gdańsku oraz Łagiszy) w szczycie zapotrzebowania dla systemu elektroenergetycznego. Te dodatkowe 6000 MWe mocy gdzieś w systemie elektroenergetycznym należy mieć.

Trzeba pamiętać, że znajdujemy się w sytuacji prawie odwróconej korelacji PV vs pompa ciepła. W ciepłe miesiące mamy problemy z nadwyżkami OZE z PV a w zimie powoli zaczynamy mieć problemy z brakiem możliwości obsłużenia wszystkich pomp ciepła na danym fragmencie sieci elektroenergetycznej.

Gdyby te 1,5 mln pomp ciepła było hybrydami,  dodatkowy pobór gazu wyniósłby maksymalnie 500 tys m³/h co dla systemu gazowego nie stanowiłoby ogromnego wyzwania (tym bardziej że część z tego wolumenu mógłby obsługiwać gaz LPG).

Można zadać pytanie, czy konsultując i modyfikując program „Czyste Powietrze” policzono, a jeżeli nie policzono, to czy przynajmniej poproszono PSE i OSDe oraz Narodowe Centrum Analiz Energetycznych o policzenie kosztów alternatywnych przyłączenia pomp hybrydowych do istniejącego systemu gazowego vs zwykłe pompy ciepła i konieczność utrzymywania rezerwowych źródeł w elektrowniach gazowych dla tychże pomp ciepła.

Tutaj drobna dygresja – jeżeli naprawdę chcemy elektryfikować gospodarkę, to należy stworzyć do tego odpowiedni zestaw powszechnie obowiązujących norm (a nie zaleceń branżowej organizacji jak np. PORT PC), dotyczących montażu pomp ciepła czy doboru poszczególnych elementów, jak również zapewnić przestrzegania tychże norm. Jedną z takich norm jest chociażby wyznaczenie na poziomie normy/rozporządzenia punktu biwalencji.

Niestety zbyt wiele elementów w szeroko pojętym rynku pomp ciepła jest przeniesionych z rynku montażu instalacji wysokotemperaturowych – gazowych, węglowych czy olejowych – od budowy zbiorników na ciepłą wodę użytkową po sposób montażu i zarządzania kaskadami tychże urządzeń. W instalacjach wysokotemperaturowych ewentualne potknięcia czy niedoróbki instalatora można jeszcze przykryć np. regulacją temperatury na kotle, pompy ciepła takich rzeczy nie wybaczają, mszcząc się na rachunkach za energię.

Pompy będą hustać systemem

W kwietniu 2024 r. powstał raport na zamówienie Europejskiego Centrum Czystego Powietrza (przy wsparciu Clean Air Fund) pt. „Pompy ciepła Przyjazne dla odbiorców i systemu elektroenergetycznego. Jak kształtować taryfę na prąd dla użytkowników pomp ciepła”. Zaleca on, aby lepiej zarządzać porannym i wieczornym zapotrzebowaniem szczytowym (szczyty zapotrzebowania i także najwyższe ceny) należy na ten czas wyłączać pompy ciepła, a uruchamiać je po szczycie.

Rozwiązanie w skali indywidualnej jest intuicyjnie w pełni zrozumiałe – wyłączmy pompę, kiedy mamy najwyższe ceny za energię i dystrybucję, temperatura w domu nam trochę spada, a włączamy po szczycie i wtedy oszczędzamy.  Jednakże zwróćmy uwagę na kilka drobiazgów:

1. Jeżeli pompa ma być wyłączana całkowicie na kilka godzin (4-6) dziennie, to nie może być dobrana „w punkt” do zapotrzebowania danego obiektu (przez kulturę nie napiszę co sądzę o takich instalatorach, którzy dobierają „trochę mniejsze pompy”, aby „efektywniej pracowały”), gdyż pompy te będą musiały dodatkowo podnieść temperaturę w budynku po okresie wyłączenia ergo muszą mieć moc większą (o minimum 20%)
2. W okresach przejściowych (jesień i wiosna), w których temperatury w dzień są dodatnie np. +8^o C a w nocy ujemne np. -2^o C dodatkowe grzanie w nocy nie będzie tak efektywne jak w dzień, chyba że różnica w cenach energii nam to odpowiednio skompensuje
3. Co się stanie jeżeli tak jak my, zgodnie z zaleceniem, postąpią wszyscy posiadacze pomp ciepła?
4. Źródło: ECAC_Raport_POMPY_CIEPLA.pdf

Zgodnie z danymi PORT PC obecnie w Polsce zamontowane jest ok. 800 tys. pomp ciepła. Załóżmy prostą sytuację – temperatura zewnętrzna wynosi -10^o C. Wszystkie pompy zatrzymujemy przed wieczornym szczytem zapotrzebowania na energię w systemie elektroenergetycznym, a kiedy minie 22.00 włączamy je zgodnie z zaleceniami z powyższego raportu.

800 tys x (7 kW mocy podstawowej + 2 kW grzałki elektryczne) = 7,2 GW

Oznacza to, że w ciągu kilku minut nastąpiłby wzrost zapotrzebowania w systemie elektroenergetycznym o ponad 7 GW. Uszami swojej wyobraźni usłyszę ten skowyt zachwytu pracowników Krajowej Dyspozycji Mocy z PSE.

Źródło: PSE „Plan rozwoju sieci przesyłowej 2025-2034”, kwiecień 2024 r.

Patrząc na powyższy wykres wyobraź sobie czytelniku/czytelniczko, że zaznaczone kolorem czerwonym pompy wyłączają się, a następnie włączają się na gwizdek pełną mocą.

Oczywiście jest to sytuacja trochę uproszczona, natomiast jak najbardziej możliwa, zwłaszcza, że scenariusze w sektorze energii, które jeszcze kilka lat temu były nie do pomyślenia, spełniają  się na naszych oczach.

Przykładowo, w systemie dystrybucji gazu okazuje się, że w zimowe dni użytkownicy niektórych osiedli zasilanych gazem w sposób nieskoordynowany bardzo dobrze synchronizują poranne włączanie swych kotłów gazowych (działają pokojowe termostaty przestawiające się od pewnej godziny z temperatury nocnej np. 18^o C na dzienną np. 21^o C), osiągając wskaźnik jednoczesności dla całego osiedla na poziomie bliskim 1.

Dystrybucyjny system gazowy na danym obszarze z wysiłkiem, ale jakoś to znosi (chociaż zdarza się, że nie do każdego nad ranem dopłynie gaz), ponieważ był projektowany na wskaźnik jednoczesności 0,55. Ciekawe jakby to zadziałało (i zadziała w przyszłości) w przypadku energii elektrycznej.

Hybryda się przyda

Korzyści z dopuszczenia rozwiązań hybrydowych są oczywiste:

1. Odczuwalnie mniejsza presja na system elektroenergetyczny przy niższych temperaturach
2. Bezpieczeństwo dostaw ciepła przynajmniej na minimalnym poziomie przy braku dostaw energii elektrycznej (tylko trzeba założyć niewielki – pojemności 1-2 kWh – magazyn energii dla podtrzymania pracy kotła i pompki obiegowej) oraz w przypadku zakupu agregatu prądotwórczego na gaz także długookresowe (magazyn energii tego nie zapewni) bezpieczeństwo dostaw energii elektrycznej
3. Wykorzystanie przyłączy gazowych tam, gdzie one istnieją lub wykorzystanie już istniejącej infrastruktury gazowej
4. W miejscach gdzie nie ma infrastruktury gazowej zastosowanie elastycznych rozwiązań LPG opartych na zbiornikach gazu (posiadając indywidualne źródło gazu LPG i odpowiednie rozwiązanie techniczne – kawałek odrębnej rurki gazowej z odpowiednią końcówką i zaworem – można w razie konieczności łatwo podłączyć agregat prądotwórczy będący rezerwowym źródłem zasilania na wypadek przerwy w dostawie energii elektrycznej)
5. Dla poszczególnych odbiorców będą występowały okresy (pasma godzinowe) nie tylko przy niskich i bardzo niskich temperaturach, kiedy ogrzewanie gazem (ziemnym czy LPG) licząc całkowite koszty będzie tańsze niż energią elektryczną

Są oczywiście i minusy czy też wyzwania:

1. Dla odbiorców indywidualnych – wyższe koszty początkowe w porównaniu do montażu zwykłej pompy ciepła
2. Dla sieci dystrybucyjnych gazu ziemnego – przyłączanie odbiorców, którzy gazu potrzebowaliby przez relatywnie niewielką liczbę godzin w roku

W przyszłości szczytowe źródła gazowe mogłyby częściowo lub całkowicie pracować na biometanie. W przyszłości, kiedy będzie postępowała modernizacja istniejących i budowa nowych linii elektroenergetycznych zwiększających  możliwości dystrybucji energii elektrycznej, źródła gazowe byłyby stopniowo redukowane. Wymiana hybrydowej pompy ciepła na pompę ciepła po circa 15 latach użytkowania, czyli po roku 2040.

Przeciwnicy tego rozwiązania mogą wysunąć w pewnej mierze słuszny argument, że rozwiązania hybrydowe utrwalają zależność od gazu, zamiast w pełni i śmiałym krokiem przechodzić na „zieloną stronę mocy”. Ten argument byłby mocny, gdyby nie kilka niuansów, z jakimi mamy do czynienia w Polsce:

1. Zdekapitalizowany majątek wytwórczy w sektorze elektroenergetycznym, konieczność odchodzenia od węgla i przesuwająca się perspektywa uruchomienia elektrowni jądrowych
2. Sieć elektroenergetyczna średnich i niskich napięć wymagająca dużej przebudowy i rozbudowy
3. Wysoka wrażliwość na temperaturę konsumpcji energii, w tym energii elektrycznej
4. Co roku dla pomp ciepła należy znajdować stabilne, pogodoodporne źródło o mocy 1000 MWe (zakładając że co roku będzie przybywało 120-150 tys. pomp ciepła)

Jeżeli mamy wykonaną pracę polegającą na nakreśleniu ścieżki inwestycji w sieci elektroenergetyczne, moce dyspozycyjne stabilizujące sieć w odpowiednim wymiarze przy rosnącym rynku elektroenergetycznym, a w szczególności rosnącym zapotrzebowaniu szczytowym i wszystko to składa się z odpowiednimi rezerwami pozostającymi w systemie (innymi słowy z zachowaniem odpowiednich współczynników bezpieczeństwa pracy systemu), to nie wahajmy się maszerować w tym kierunku.

Takim planem na pewno nie jest KPEiK (o błędnych prognozach dotyczących rynku gazu zawartych w KPEiK pisałem w Czy Polsce wystarczy gazu? Rządowe prognozy wymagają wielkiej wiary – WysokieNapiecie.pl ), którego autorzy wykazując się minimalnym instynktem samozachowawczym i chęcią przetrwania, nie opublikowali bilansów oraz prognoz pokrycia zapotrzebowania w godzinach i dobach szczytowych, jak też okresach tzw. dunkelflaute.

Jeżeli nie ma takiego planu, to może zanim zaistnieją odpowiednie warunki do jego materializacji i zanim dotrze do naszej świadomości, że popełniliśmy kolejny błąd, warto sięgnąć po rozwiązania pomostowe jakie istnieją w gazie – gazie ziemnym, LPG (w tym bio LPG), biometanie czy nawet biogazie.

Trzeba spłaszczyć ten szczyt

W celu uniknięcia zarządzania poprzez trzymanie kciuków, należy wprowadzić kilka działań wspomagających zarządzanie szczytami zapotrzebowania, jak:

1. Zastosowanie magazynów energii – tutaj powstaje pytanie o źródła finansowania, kilka procent społeczeństwa obecnie byłoby stać na odpowiedniej wielkości magazyn, który w takim przypadku powinien mieć całoroczne zastosowanie dla danej lokalizacji, w tym pobór energii elektrycznej w okresach, kiedy jest jej za dużo w sieci i jest ona tania
2. Upowszechnianie taryf dynamicznych, a może nawet obowiązkowe taryfy dynamiczne dla posiadaczy pomp ciepła
3. Zastosowanie instalacji hybrydowych
4. Określenie w rozporządzeniu norm związanych z montażem pomp ciepła
5. Dla większych obiektów (powyżej 500 m²), jeżeli istnieje taka możliwość lokalizacyjna, stosowanie gruntowych pomp ciepła – na co także powinna być norma
6. Promocja, poprzez normy, stosowania chłodzenia pasywnego (np. poprzez maty kapilarne)

Zawracanie Wisły pompą

Kształt nowego Programu „Czyste Powietrze” został nadany, decyzje zostały podjęte. Psychologowie w setkach książek i publikacji opisywali mechanizm zapadki decyzyjnej czy też ułomnej konsekwencji – jest nam jako ludziom trudno przyznać się do błędu, trudno przed samym sobą, a przed otoczeniem tym trudniej.

Jeżeli dodamy do tego, że przyznanie się w polityce do błędu ociera się o publiczne popełnienie politycznego samobójstwa, mamy gotowy przepis na przyszłe problemy, które zaczną być rozwiązywane dopiero, kiedy odpowiednio nabrzmieją, a nawet pękną.

Dodatkowo należy wziąć pod uwagę, że przy tak dużym rynku, przy tak szerokich, rwących i głębokich strumieniach środków pieniężnych, jakie przepływają niecką o nazwie „Czyste Powietrze” na brzegu stoi wielu, którzy chcieliby zanurzyć w nich swoją dłoń, czerpak czy wiadro, a nie brak takich co chcieliby zbudować cały kanał odprowadzający odpowiednio dużą część strumienia w ich własnym kierunku. Przy tylu interesariuszach (w tym posiadających osobisty i biznesowy interes) zmiana kształtu uformowanej już niecki będzie bardzo trudna.

Patrzmy na konsekwencje

Tak zredefiniowany program „Czyste Powietrze”, pomimo szeregu logicznych i obdarzonych głębokim sensem korekt, jakie w nim wprowadzono zarówno w sekcji biomasa (które opisano w pierwszej części) jak i sekcji pompy ciepła, będzie miał swoje konsekwencje.

Bronisław Malinowski – światowej sławy polski antropolog społeczny i ekonomiczny – w swojej książce „Życie seksualne dzikich w północno-zachodniej Melanezji” opisuje plemiona, które nie dostrzegają związku przyczynowego pomiędzy aktem płciowym, a narodzinami dziecka. Działo się tak dlatego, że oba te wydarzenia dzieli zbyt długi czas.

Można odnieść wrażenia, że my też zachowujemy się co pewien czas w sposób analogiczny do tych plemion. Wykonujemy pewne działania, mija czas, zaczynamy dostrzegać ich konsekwencje, a wtedy dziwimy się zadając sobie pytanie „dlaczego?”. Czy i w przypadku nowego kształtu programu „Czyste Powietrze” damy się zaskoczyć konsekwencjom naszych działań?