Spis treści
Polskie sieci ciepłownicze znalazły się na rozdrożu. Kryzys energetyczny pokazuje, jak kosztowne są paliwa kopalne, podczas gdy zielona energia jest nadal w niewielkim stopniu wykorzystywana w polskim ciepłownictwie. Oprócz inwestowania w spalanie gazu, biomasy i odpadów, szansę mogą dać wielkoskalowe pompy ciepła i ciepło odpadowe z lokalnych zakładów. Takich projektów jest na razie jak na lekarstwo, ale w Europie trend nabiera znaczenia i są już systemy oparte o rozproszone, lokalne źródła energii, wspomagane pompami ciepła o mocach nawet kilkudziesięciu megawatów.
Z siecią ciepłowniczą liczącą 22 tys. km i zasilającą około 15 mln odbiorców Polska znajduje się obok Niemiec wśród największych rynków ciepła systemowego w Europie. To jednak koniec dobrych wiadomości. Polskie ciepłownictwo opiera się w ok. 80 proc. na paliwach kopalnych, a dominującym paliwem jest węgiel. Ponadto, tylko jedna piąta systemów ciepłowniczych spełnia kryteria systemu efektywnego, wymagane prawem UE do tego, by sięgnąć po unijne dofinansowanie. Inwestycje są konieczne, by zbić koszty i nie stracić odbiorców, tylko powiększyć ich grono.
Czytaj także: Biedne ciepłownie patrzą na rząd
Polskie systemy ciepłownicze zostały zbudowane tak, aby działały w wysokich temperaturach i sprostały wymaganiom słabo izolowanych budynków. Wiąże się to z wysokim wykorzystaniem paliw kopalnych. Ostatnie dwie dekady to okres ogromnych inwestycji modernizacyjnych. Efektywność energetyczna i cyfryzacja zmieniają systemy ciepłownicze i powstaje już „nowa generacja”, która może umożliwić lepsze sterowanie popytem na ciepło i szersze zastosowanie czystej energii, jak niskotemperaturowa geotermia, energia słoneczna, energia ze zbiorników wodnych lub niskotemperaturowe źródła ciepła odpadowego. Źródła te są szeroko dostępne na poziomie lokalnym w wielu regionach. Pozostają one w dużej mierze niewykorzystane, ponieważ nie są na razie kompatybilne z obecną infrastrukturą energetyczną i istniejącymi zasobami.
Recykling energii w Sztokholmie
Jako przykład wykorzystania wielkoskalowych pomp ciepła wymienia się kraje najczęściej kraje skandynawskie. W stolicy Szwecji obok dużych dostawców ciepła ze spalarni odpadów, elektrociepłowni na biomas czy bioolej działają też scentralizowane pompy ciepła odzyskujące ciepło z oczyszczalni ścieków, sieci chłodniczej i wody morskiej.
W południowej części Sztokholmu system składa się z siedmiu pomp ciepła o łącznej mocy 225 MW, systemu chłodzenia (23 MW), dwóch kotłów elektrycznych (80 MW) i dwóch kotłów na bioolej (200 MW). Pompy ciepła wykorzystywane są jako podstawa w dostawie ciepła, a pozostałe jednostki są wykorzystywane, gdy zapotrzebowanie na energię jest wysokie, na przykład przy spadku temperatury. Początkowo cztery pompy ciepła zainstalowano w 1986 r., piątą – w 1991 r., a dwie kolejne w 1997 r. W 1998 r. Dziś dwie z pomp ciepła zostały przebudowane, aby mogły pracować w trybie chłodzenia latem.
Właściciel sieci ciepłowniczej Stockholm Exergi używa do opisu swojego systemu określenia „recykling energii”, ponieważ oprócz zakładów produkujących energię i pomp ciepła do sieci trafia także energia z odzysku – z centrów handlowych, supermarketów i innych użytkowników systemu. Jest to projekt Open District Heating, w którym można zgłosić swój udział i odsprzedać do sieci nadmiarowe ciepło odpadowe. Jak podaje Stockholm Exergi, pozyskana w ten sposób energia wystarcza na ogrzewanie około 25 tys. mieszkań.
Tania, zielona energia potrzebna w ciepłownictwie
W Polsce nad wykorzystania pomp ciepła w systemach ciepłowniczych pracuje miedzy innymi Veolia. – Myślimy bardzo mocno o wykorzystaniu wielkoskalowych pomp ciepła o mocy rzędu 30-40 MW. Takie urządzenia wykorzystują dużo energii elektrycznej, a w odróżnieniu od Szwecji, Polska nie ma taniej energii z hydroelektrowni czy elektrowni jądrowych. Zakładamy, że w wkrótce będzie w Polsce powszechnie dostępna zielona energia z elektrowni wiatrowych i PV, co przyczyni się do wzrostu rentowności projektów opartych o pompy ciepła – mówi Marcin Orłowski, dyrektor operacyjny Grupy Veolia w Polsce.
W wielkoskalowe pompy ciepła inwestują też inne państwa unijne. W Niemczech na rozwój zielonego ciepła pójdą miliardy euro. Komisja Europejska w ubiegłym miesiącu zatwierdziła program dofinansowania o budżecie prawie 3 mld euro. Dofinansowanie do 40 proc. kosztów inwestycji będzie można dostać m.in. na integrację w sieciach ciepłowniczych ciepła odpadowego i wielkoskalowych pomp ciepła. Już trzy lata temu Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii wybrało demonstracyjne projekty dotyczące instalacji pomp ciepła u producentów energii w Berlinie, Stuttgarcie, Mannheim i Rosenheim, z wykorzystaniem lokalnych źródeł, np. z wody rzecznej lub niskotemperaturowego ciepła odpadowego.
W przyszłym roku ma zostać uruchomiony na terenie oczyszczalni ścieków w Wiedniu system, na który składa się 6 pomp ciepła o łącznej mocy 55 MW, do 2027 roku moc pomp ma wzrosnąć do 110 MW, co wystarczy na zasilenie w energię cieplną 112 tys. gospodarstw domowych. Z kolei w Danii zacznie działać pompa ciepła o mocy grzewczej 50 MW, która dostarczy ciepło dla odbiorców w Esbjerg, Varde i Nordby. Będzie to największa na świecie pompa ciepła z dwutlenkiem węgla jako czynnikiem chłodniczym.
Pierwsze jaskółki
W Polsce zastosowanie pomp ciepła w systemach ciepłowniczych dopiero raczkuje. Veolia Energia Poznań w Szlechęcinie, na terenie oczyszczalni ścieków należącej do firmy Aquanet, uruchomiona instalację kogeneracyjną połączoną z odzyskiem ciepła odpadowego ze ścieków. Moc elektryczna układu kogeneracyjnego wynosi około 1 MW, z czego 700 kW idzie na zasilanie pompy ciepła, a pozostała ilość jest sprzedawana do krajowego systemu energetycznego. Moc cieplna systemu, razem kogeneracji i pompy ciepła, wynosi około 2,9 MW.
System jest w stanie produkować rocznie ponad 38 tys. GJ ciepła odzyskiwanego ze ścieków odpadowych przez pompę ciepła, 29 tys. GJ z układu kogeneracji zasilanego gazem oraz ok. 7,7 MWh energii elektrycznej. Zastosowane rozwiązanie zmniejsza emisje CO2, związków siarki oraz pyłów i obniżą temperaturę ścieków, które po oczyszczeniu trafiają do Warty.
To rozwiązanie zastosowane po raz pierwszy w Polsce, ale spółka rozważa kolejne, podobne inwestycje. Przygotowuje analizy dla Poznania, Warszawy i Łodzi. – W Poznaniu potencjał odzysku ciepła odpadowego ze ścieków to ok. 20 MW ciepła, co jest kuszące. Podobne wartości mogłyby być w innych dużych miastach. Gdyby pompy ciepła były montowane przy każdej oczyszczalni ścieków systemowo, wraz ze źródłem zasilania np. w postaci fotowoltaiki, pozwoliłoby to zdekarbonizować dużą część produkcji ciepła – wskazuje Marcin Orłowski.
Veolia musi najpierw ocenić opłacalność inwestycji przy obecnych cenach prądu. Ponadto liczą się uwarunkowania infrastrukturalne, a w dużych miastach jest z tym nie lada problem. – Analizujemy różne scenariusze odzysku ciepła. Technologia pozwala na odzysk ciepła np. z wentylacji warszawskiego metra, jednak wymaga ono „dogrzania”, by mogło zostać wykorzystane w sieciach ciepłowniczych obecnej generacji. Pompa ciepła byłaby dobrym rozwiązaniem na podniesienie temperatury ciepła odpadowego, jednak wymaga ona zasilania na poziomie 100-200kW, co w centrach dużych miast może wiązać się z koniecznością rozbudowy infrastruktury elektroenergetycznej – wyjaśnia dyrektor Orłowski.
W wielkoskalowe pompy ciepła chce inwestować w Krakowie PGE Energia Ciepła, która jako dolne źródło ciepła chce wykorzystać także ścieki z oczyszczalni. W przeciwieństwie do indywidualnych pomp ciepła, wielkoskalowe pompy są w stanie wykorzystywać naturalne źródła ciepła, lokalną produkcję energii i przemysłowe źródła ciepła odpadowego przy niskim poziomie temperatury. Takie pompy umożliwiają wydajne, oparte na energii elektrycznej dostawy ciepła do sieci ciepłowniczej, ale też powinny być usytuowane w jej bliskości. – W naszych dwóch elektrociepłowniach w Łodzi i Poznaniu już teraz produkujemy energię odnawialną, z biomasy. Moglibyśmy tę energię przekierować bezpośrednio na zasilanie pomp ciepła. Jeśli pompa ciepła ma produkować zielone ciepło musi być zasilana „zieloną”, a nie „czarną” energią – dodaje Marcin Orłowski.
Ciepłownia przyszłości
W Polsce powstają dwie demonstracyjne projekty ciepłownicze, w których wykorzystywane są pompy ciepła: w Sokołowie Podlaskim i Lidzbarku Warmińskim. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju ogłosiło dotychczas dwa programy dotyczące ciepłownictwa: „Ciepłownia przyszłości” i „Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym”, w których wzięło udział 17 miejscowości. – Dwa projekty dostaną dofinansowanie na demonstracyjne inwestycje w Sokołowie Podlaskim i Lidzbarku Warmińskim, natomiast pozostałe projekty muszą już szukać innych źródeł finansowania. Są to projekty, gdzie średni udział OZE, bez spalania biomasy, wynosi ponad 90 procent, co jest wynikiem ponad wymagany próg 80 proc. – mówi Wojciech Racięcki, dyrektor Działu Rozwoju Innowacyjnych Metod Zarządzania Programami NCBR. Wszystkie projekty gotowych rozwiązań, w tym symulacje pracy systemów, zostały zakupione przez NCBR i udostępnione dla całego rynku, więc dzięki temu cała branża ciepłownicza może z tych rozwiązań korzystać i przenosić do swoich planów transformacji.
– W programach wykluczyliśmy ciepło odpadowe, ponieważ jego wykorzystanie zależy od lokalizacji, a nam zależało na powielaniu tych modeli. Analizowaliśmy przy tym wykorzystanie ciepła odpadowego z oczyszczalni ścieków, jednak tu pojawiły się wątpliwości dotyczące wpływu odzysku ciepła na proces biologiczny w oczyszczalni. Często też same oczyszczalnie ścieków nie są położone tak jak np. w Wiedniu, w centrum miasta, tylko z dala od budynków i sieci ciepłowniczej. Pozwoliliśmy natomiast w tych dwóch programach na odzysk ciepła z budynków – mówi dyrektor Racięcki.
– Zależało nam na tym, by był to system sterowany produkcją energii elektrycznej, a ciepło produkowane jest do magazynów, gdy jest najtaniej i potem pobierane zgodnie z zapotrzebowaniem. To zupełnie inny model działalności niż w obecnym ciepłownictwie – podkreśla. Jak dodaje, NCBR prowadzi łącznie 9 projektów transformacyjnych. – W każdym mamy technologie przełamujące obecny stan rynku – zaznacza.
Czytaj także: Dopłaty do ogrzewania. Wspierajmy tych, którzy naprawdę tego potrzebują
W Lidzbarku Warmińskim pilotażowy projekt tworzy firma Euros Energy na działce ciepłowni należącej do Veolii Północ. W projekcie wydajne, rewersyjne pompy ciepła zintegrowano z trzema dolnymi źródłami: z powietrznymi wymiennikami ciepła, z niskotemperaturowym magazynem gruntowym i wysokotemperaturowym magazynem wodnym. System zasilany jest energią elektryczną produkowaną bezpośrednio na miejscu z hybrydowych kolektorów słonecznych PVT oraz z pobliskiej instalacji fotowoltaicznej. System ma być wspierany zimą energią elektryczną z sieci, w tym z odnawialnych źródeł energii w ramach kontraktów typu Power Purchase Agreement (PPA). Takie rozwiązanie gwarantuje, że minimum 70 proc. ciepła pochodzi ze źródeł odnawialnych, nawet gdyby całość energii elektrycznej była wyprodukowana z węgla. Tu większa część wymaganej energii elektrycznej będzie generowana lokalnie z modułów PV i PVT.
Czytaj także: Nie będzie zimnych kaloryferów. Tauron uratuje spółkę ciepłowniczą
W Sokołowie Podlaskim, gdzie liderem projektu jest spółka ECN, udział OZE w produkowanej energii przekroczy 95 proc. Wydzielona miejska sieć ciepłownicza będzie zasilana energią wytworzoną w układzie silników kogeneracyjnych, pomp ciepła typu powietrze/woda i kotła biogazowego, gdzie paliwem ma być biometan. Projekt zakłada, że miejska sieć ciepłownicza będzie dostarczać ciepło o parametrach na poziomie 80/60 stopni Celsjusza, a w przyszłości – 70/50 stopni Celsjusza.
Sieci ciepłownicze 5G
Miejski sieci ciepłownicze będą przechodziły ewolucję w kierunku odbierania ciepła od klientów – prosumentów. Tę rewolucję przechodzą już sieci elektroenergetyczne, podobne zmiany powinny też nastąpić w sieci gazowej, do której przyłączane będą np. biometanownie. W Polsce to jednak nadal odległa wizja. – Przykład Sztokholmu pokazuje, że ciepło można kupić np. z supermarketów, serwerowni, zakładów przemysłowych, dzięki temu system jest rozproszony. Oprócz dużych źródeł jest masa „prosumentów” ciepła, którzy pomagają zrównoważyć popyt z podażą. Taki model wymaga jednak rozwoju sieci niskotemperaturowych. W Polsce nadal mamy zimą temperaturę sieci 120 stopni Celsjusza na zasilaniu, na powrocie 90 stopni. To co robimy już teraz jako Veolia, by poprawić efektywność energetyczną sieci, to wdrażanie zaawansowanej telemetrii, pozwalającej na szybką optymalizację dostaw i redukcję strat ciepła. Taką inteligentną sieć ciepłowniczą mamy już w Warszawie – mówi dyrektor Marcin Orłowski.
Jak ocenia, obecna sieć ciepłownicza drugiej – trzeciej generacji (2-3G) zmieni się w przyszłości w sieć ciepłowniczą 4G z centralnym źródłem energii, ale i z prosumentami. Jako przykład można podać Poznań, gdzie ciepło z największej odlewni Volkswagena w Europie kierowane jest do sieci miejskiej. Natomiast w sieci 5G nie będzie już centralnego źródła, tylko źródła rozproszone, ale to oznaczać będzie dla ciepłowników całkowicie inny model działalności.
