Zużycie energii w gospodarstwach domowych zasilanych kotłami stałopalnymi małej mocy

W Polsce podstawowym paliwem na cele ogrzewcze i przygotowania ciepłej wody użytkowej są paliwa stałe, wśród których prym wiedzie węgiel kamienny. Paliwem uzupełniającym jest biomasa stała w postaci drewna nisko przetworzonego – polan oraz biomasa przetworzona w postaci zrębki drzewnej i peletu drzewnego. Badania w zakresie ogólnego zużycia energii w gospodarstwach domowych obejmują 2015 rok oraz porównanie zmian w tym zakresie w latach 2002–2015 [1].

Szacuje się, że w 2015 r. było ok. 13,4 mln gospodarstw domowych. Średnia liczba osób w gospodarstwie domowym w wymienionym okresie wyniosła 2,9. Najliczniejszą grupę stanowiły gospodarstwa jedno- i dwuosobowe (odpowiednio 24 i 25,8%), najmniej liczną gospodarstwa pięcioosobowe (6,4%). Większość mieszkań została wybudowana w ramach budownictwa wielorodzinnego – ok. 55,5%, z czego 36,8% wybudowano w okresie 1961–1980. W obiektach, które zostały ocieplone, znajdowało się 58,8% mieszkań. 30% mieszkań miało ciepłą wodę użytkową przygotowaną z wykorzystaniem sieci ciepłowniczej, a ok. 67% mieszkań korzystało z ciepłej wody użytkowej przygotowywanej lokalnie. Do celów grzewczych z sieci cieplnej korzysta ok. 41,7% gospodarstw domowych, pozostałe przypadki to indywidualne źródła ciepła w systemie rozproszonym.

Według danych statystycznych gospodarstwa domowe miały w Polsce znaczny, bo aż 20-proc. [1] udział w krajowym zużyciu energii. Polska należała do tych krajów Unii Europejskiej, w których udział gospodarstw domowych w ogólnym zużyciu energii był stosunkowo wysoki. Przeciętnie w gospodarstwach domowych zużywano ok. 21 GJ energii w przeliczeniu na mieszkańca, co plasowało Polskę na poziomie zbliżonym do Irlandii, Wielkiej Brytanii, Włoch, Węgier i Litwy – nieco poniżej średniej krajów Unii Europejskiej wynoszącej 22 GJ na 1 mieszkańca, a trzeba dodać, że mniej energii w przeliczeniu na mieszkańca zużywają głównie gospodarstwa domowe krajów położonych na południu Europy.

W strukturze zużycia energii w gospodarstwach domowych w Polsce największe znaczenie mają paliwa stałe, głównie węgiel kamienny (co jest wyjątkiem w Unii Europejskiej) i drewno opałowe. Były one nośnikami energii, które najczęściej wykorzystywano do celów grzewczych. Paliwa stałe były stosowane do ogrzewania pomieszczeń przez połowę (49%) badanych gospodarstw domowych. W mniejszej liczbie gospodarstw domowych paliwa te służyły także do ogrzewania wody, rzadziej do gotowania posiłków. W 2009 r. ponad 40% [2] gospodarstw wykorzystywało drewno opałowe. Było ono jedynym odnawialnym nośnikiem energii masowo stosowanym w gospodarstwach domowych. Spalano je na ogół w tych samych kotłach i piecach co węgiel kamienny, jednocześnie z węglem lub zamiennie. Oprócz drewna gospodarstwa zużywały także inne rodzaje biomasy, ale powszechność ich stosowania była znacznie mniejsza niż drewna.

Z powyższych danych można wysunąć wniosek, że w obiektach zasilanych w energię cieplną przez systemy rozproszone dominują kotły opalane paliwami stałymi, często są to kotły wielopaliwowe. Najbardziej popularnym paliwem jest zaś węgiel kamienny. Bezpośredni wpływ na taką strukturę wykorzystania paliw mają względy ekonomiczne i techniczne związane z dostępnością innych nośników energii cieplnej.

Struktura produkcji energii cieplnej na cele grzewcze i c.w.u.

Ogrzewanie budynków zdominowane jest przez urządzenia na paliwa stałe, które obejmują 49% gospodarstw domowych. Najpopularniejszymi źródłami ciepła opalanymi paliwami stałymi są kotły stałopalne dwufunkcyjne (głównie węglowe) do zasilania instalacji centralnego ogrzewania (47,7%) oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej, najczęściej w systemie zasobnikowym. W przypadku kotłów gazowych określenie kocioł dwufunkcyjny jest inaczej rozumiane, ponieważ taki kocioł co do zasady nie zawiera osobnego zasobnika, tylko wymiennik ciepła do dynamicznego przygotowania c.w.u.

Mniej popularne są kotły stałopalne jednofunkcyjne (29,3%), zasilające wyłącznie instalacje centralnego ogrzewania (inaczej definiowany jest kocioł jednofunkcyjny w przypadku kotła gazowego), piece kaflowe (15,3%), kominki (7,8%), piece kuchenne (poniżej 0,7%). Rys. 1 pokazuje udział poszczególnych źródeł ciepła zasilających instalacje centralnego ogrzewania gospodarstw domowych.

W przypadku źródeł ciepła wykorzystywanych do przygotowania ciepłej wody użytkowej udział urządzeń opalanych paliwami stałymi jest nieduży i wynosi zaledwie 18%, co widać na rys. 2. Wynika to z faktu, że do przygotowania ciepłej wody użytkowej spośród grupy urządzeń opalanych paliwami stałymi można wykorzystać przede wszystkim kotły węglowe dwufunkcyjne, czyli takie, które współpracują z zasobnikiem c.w.u. lub buforem. Potwierdzeniem powyższego wniosku może być podobny procentowo udział kotłów dwufunkcyjnych w ogólnej strukturze źródeł ciepła na cele ogrzewcze, który wynosi 23%. Do przygotowania ciepłej wody użytkowej stosowane są kominki z płaszczem wodnym, pracujące w rozbudowanych systemach z zasobnikami c.w.u. i/lub buforami ciepła oraz trzony kuchenne w kuchennych piecach węglowych, tzw. podkowy. Wyniki badań nie obejmują tak szczegółowych analiz, ale z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, że jest to margines. Należy nadmienić, że ok. 1% gospodarstw domowych posiada dwa i więcej źródeł ciepła do przygotowania c.w.u.

Kotły stałopalne wielopaliwowe na węgiel i drewno

Spalanie paliw stałych w kotłach, kominkach i innych urządzeniach wielopaliwowych w Polsce jest zjawiskiem powszechnym. Paliwa stałe wykorzystywane są na cele ogrzewcze w 49,2% gospodarstw domowych. Najczęściej stosowanym paliwem stałym jest węgiel kamienny i drewno opałowe w postaci kawałkowej, tzw. polan. Pozostałe paliwa stałe, m.in. węgiel brunatny, koks, oraz inne biopaliwa w postaci zrębki drzewnej lub peletu są stosowane znacznie rzadziej. Węgiel kamienny oraz drewno są paliwami spalanymi jednocześnie lub zamiennie w kotłach stałopalnych i piecach, dlatego można tu mówić o urządzeniach dwupaliwowych lub wielopaliwowych. Nieduży odsetek gospodarstw domowych wykorzystujący węgiel i drewno wykazał spalanie tylko jednego rodzaju paliwa stałego. Spalanie wyłącznie węgla wykazało 5,8% gospodarstw, a spalanie wyłącznie drewna opałowego 4,6% [1].

Podstawowymi kryteriami wykorzystania jednego z paliw przy spalaniu dwupaliwowym są względy ekonomiczne, dostępność, tradycja, przyzwyczajenie. Najczęściej węgiel jest spalany na terenach wielskich, gdzie równocześnie występuje drewno jako produkt uboczny gospodarstwa i drewno z prywatnych lasów, zagajników, sadów itp. W kotłach na węgiel z zasypem ręcznym i piecach spalanie węgla jest poprzedzone rozpalaniem kotła lub pieca drewnem, dlatego jest ono, tak czy inaczej, zawsze „pod ręką”.

Drugim kryterium może być sezon lub pora roku. W środku sezonu grzewczego, gdzie występuje relatywnie wysokie zapotrzebowanie na ciepło, wygodniej jest spalać węgiel jako bardziej kaloryczny oraz dłużej dostarczający ciepło, bez konieczności ręcznego dostarczania paliwa do paleniska lub kosza załadunkowego. W okresach przejściowych oraz na końcu i początku sezonu grzewczego, kiedy występuje małe zapotrzebowanie na ciepło, korzystnie jest przepalać drewnem dla szybkiego podgrzania pomieszczeń lub „złamania temperatury” w porze deszczowej oraz szybkiego wygrzania komina. Wygrzanie komina jest istotne ze względu na jego ochronę przed wykropleniem wilgoci ze spalin i szybkie wysuszenie. Szybkie i dynamiczne rozpalanie drewnem redukuje pierwszą fazę pracy komina na mokro, przechodząc w drugą, czyli suszenia, a następnie właściwego wygrzewania. Zimą, gdy kocioł pracuje w sposób prawie ciągły, pomiędzy fazami pracy kotła prawie nie występuje wyziębienie komina. Nawet jeżeli występują przerwy, są one krótkie, a rozpalanie drewnem skraca do minimum czas jego wygrzewania. W przypadku najprostszych kotłów rusztowych oraz pieców spalanie obu paliw często odbywa się jednocześnie. Po okresie postoju, gdy kocioł jest zimny, rozpala się go z wykorzystaniem drewna jako łatwiejszego do zainicjowania procesu spalania. Gdy komora spalania oraz komin osiągną wystarczającą temperaturę i pojawi się właściwy ciąg kominowy, wówczas często przechodzi się na węgiel, aż do całkowitego jego wypalenia, i cykl się powtarza.

Wśród urządzeń do spalania paliw stałych największy udział mają kotły stałopalne dwufunkcyjne (47,7%) oraz kotły stałopalne jednofunkcyjne (29,7%), dlatego dalsze rozważania zostaną ograniczone do tej grupy urządzeń, rola pozostałych, poza kominkami, będzie z czasem malała. W takich miastach, jak Kraków i aglomeracja, za sprawą rozporządzeń władz lokalnych już nie wolno spalać paliw stałych.

Wymienione tu zostały tylko dwa paliwa wykorzystywane jednocześnie lub zamiennie. Warto zatem uszczegółowić i zamiast kotłów wielopaliwowych, używać określenia: kotły dwupaliwowe. Należałoby jednak pozostać przy nazwie kotły wielopaliwowe, ze względu na możliwość stosowania biopaliw w postaci brykietów drzewnych, polan i innych substancji palnych.

W ogólnym bilansie wytworzonej energii na potrzeby gospodarstw domowych w 2009 r. [2] 29,6% energii pochodzi z węgla kamiennego, a 13% z drewna opałowego. W krajowym bilansie energii wytworzonej z węgla kamiennego udział gospodarstw domowych to 12,2%, natomiast w krajowym bilansie energii wytworzonej z drewna opałowego na gospodarstwa domowe przypada aż 61,3% [1].

Względy ekonomiczne stosowania kotłów wielopaliwowych

Powszechność stosowania w Polsce kotłów stałopalnych wielopaliwowych wynikała i wynika nadal ze względów ekonomicznych, technicznych, ogólnej dostępności paliw (krajowe zasoby naturalne), przyzwyczajenia oraz tradycji spalania węgla i drewna. Jako względy ekonomiczne przy stosowaniu kotłów wielopaliwowych należy brać pod uwagę nie tylko bieżącą cenę paliwa, ale także trendy w zakresie ich zmian, istotne dla dalszego stosowania oraz rozwoju technicznego tego segmentu urządzeń. Na podstawie badań statystycznych przeprowadzonych w okresie od 2002 do 2015 r. [1] można stwierdzić, że nastąpił znaczący wzrost cen nominalnych węgla kamiennego, wynoszący 92%. Kształtowanie się cen innych nośników energii w tym okresie pokazuje rys. 3.

Należy dodać, że przedstawiony na rysunku realny wzrost cen nominalnych nośników energii uwzględnia inflację w analizowanym okresie, oznaczoną jako cena realna. Wniosek jest oczywisty: obserwujemy znaczący wzrost cen nośników energii, a wartość przyrostu procentowego zależy od rodzaju nośnika. Wzrost cen nośników energii w Polsce spowodowany jest wzrostem cen paliw na rynkach światowych, wzrostem w zakresie podatku akcyzowego na zużywane nośniki, a w przypadku paliw stałych bardziej restrykcyjnym podejściem do jakości. Obecnie kurczą się zasoby paliw, co jest spowodowane wydzieleniem „inertów”, które były dodawane do paliw.

Omawiany wykres nie ujmuje zmian cen drewna opałowego i biomasy stałej, dlatego dla właściwego zobrazowania relacji cenowych pomiędzy węglem, drewnem opałowym (i jego pochodnymi w postaci zrębki drzewnej lub peletu) oraz innymi nośnikami energii należy przeanalizować cenę jednostki energii cieplnej uzyskanej z poszczególnych rodzajów nośników energii w 2009 i 2015 roku dla gospodarstw domowych (tabela 1).

Podczas analizowania cen jednostkowych energii z mediów rozprowadzanych przez sieci krajowe, takich jak gaz ziemny wysokometanowy, gaz ziemny zaazotowany, ciepło sieciowe i energia elektryczna, należy uwzględnić rozkład empiryczny, który ma znaczący wpływ na cenę jednostkową energii. Obrazuje to rys. 4 odnoszący się do gazu ziemnego, w przypadku którego znaczną część odbiorców stanowią klienci pobierający małą ilość gazu, przez co cena jednostki energii uzyskiwanej z gazu ziemnego jest relatywnie wysoka. Dotyczy to odbiorców, którzy wykorzystują gaz do przygotowania ciepłej wody użytkowej lub innych o zużyciu do 300 m³/rok. Cena jednostki gazu ziemnego zgodnie z obowiązującym Prawem energetycznym jest funkcją wielu zmiennych, podstawową jest roczne zużycie paliwa, ale ważna jest także stała i zmienna opłata sieciowa. Na podstawie tak przedstawionych wskaźników nie można jednak przeprowadzić całościowej analizy ekonomicznej stosowania powyższych nośników i paliw, ponieważ zależy ona także od wielu innych czynników nieujętych w opracowaniu. Niemniej daje to orientacyjny podgląd realnych relacji cenowych pomiędzy poszczególnymi paliwami i nośnikami energii.

Na podstawie wzrostu cen węgla kamiennego w rozpatrywanym okresie 2002–2015 oraz ceny jednostkowej energii uzyskanej z węgla kamiennego można stwierdzić, że węgiel jest wciąż atrakcyjnym paliwem pod względem ceny jednostki wytworzonej energii. W tym aspekcie ustępuje tylko drewnu opałowemu, z którego uzyskana jednostka energii jest prawie o połowę tańsza. Na tej podstawie można wysnuć wniosek, że spora część inwestorów będzie skłonna stosować kotły stałopalne do nowych lub modernizowanych budynków. Powyższy trend był jeszcze obserwowany na wsiach, w małych miastach oraz na obszarach, gdzie żyją mieszkańcy o niższych dochodach. Obecne regulacje w zakresie wymagań, jakie muszą spełniać kotły na paliwa stałe, spowodują wyhamowanie wzrostu sprzedaży kotłów stałopalnych w przyszłości. Będzie to spowodowane wzrostem ich cen oraz cen paliw stałych.

Popularnością cieszyły się do niedawna kotły dwupaliwowe, w których można było spalać węgiel oraz drewno opałowe, będące najtańszym paliwem. Przy użyciu stałopalnych kotłów dwupaliwowych można było w sposób elastyczny zmieniać paliwo w ramach jednego urządzenia, kierując się rachunkiem ekonomicznym. W związku z rozwojem techniki i stałym wzrostem wymagań klientów w przyszłości zainteresowaniem mogą się cieszyć kotły dwupaliwowe na węgiel i drewno, przystosowane odpowiednio do spalania ekogroszku oraz zrębki drzewnej, peletu lub brykietów drzewnych. Na rynku nie są jeszcze dostępne urządzenia tego typu, które by jednocześnie spełniały stawiane im wymagania w zakresie efektywności i dopuszczalnej emisji obowiązujące po 1 stycznia 2020 r.

Za kotłami wielopaliwowymi na paliwa stałe przemawiała uniwersalność oraz możliwość zastosowania innych paliw na bazie drewna, takich jak np. brykiety drzewne lub inne palne substancje, które nie są paliwami typowymi, np. odpady po obróbce wiórowej drewna. Dodatkowym argumentem za eksploatowaniem wyprodukowanych i zabudowanych kotłów stałopalnych wielopaliwowych była konkurencyjna cena wykonania instalacji kotłowej w stosunku do instalacji z kotłami kondensacyjnymi, olejowymi, jednopaliwowymi biomasowymi (kotły specjalistyczne) lub pompami ciepła. Na niską cenę prostych kotłów stałopalnych wielopaliwowych wpływała stosunkowa prosta konstrukcja, niski poziom automatyzacji i konkurencja na rynku spowodowana dużą liczbą producentów krajowych. Wymienione powody obecnie dyskwalifikują produkcję, sprzedaż i instalowanie ww. kotłów ze względu na ich niską efektywność energetyczną oraz wysoką emisję zanieczyszczeń i dotyczy to nowych urządzeń starego typu. Pozostaje zaś otwarta kwestia już wyprodukowanych i obecnie eksploatowanych kotłów zasypowych z nieruchomym rusztem, które stanowią ok. 85% instalacji kotłowych na paliwa stałe i są chętnie eksploatowane ze względu na konkurencyjną cenę paliwa (krajowe zasoby węgla i drewna opałowego) oraz prostotę obsługi.

Dostępność paliwa i nośników energii cieplnej

Polska należy do krajów o stosunkowo nierównomiernie rozbudowanych głównych sieciach przesyłowych gazu ziemnego, przez co dostęp do tego paliwa jest strukturalnie ograniczony. Związane jest to z głównymi kierunkami sieci tranzytowych gazu ziemnego, co pokazuje mapa systemu przesyłowego (rys. 5). Widać na niej wyraźnie duże obszary niezgazyfikowane.

Inną przyczyną braku dostępu do gazu ziemnego jest uboga infrastruktura i niskie zagęszczenie w zakresie sieci gazu, co pokazuje mapa infrastruktury gazu w poszczególnych województwach (rys. 6).

Brak sieci gazowych dotyczy szczególnie małych miast, obszarów podmiejskich i wsi [5]. Niedostępność gazu ziemnego w przypadku nowych inwestycji oznacza konieczność szukania alternatywy w innych paliwach, nośnikach energii i źródłach energii cieplnej, takich jak ciepło z sieci ciepłowniczych, gaz ciekły, olej opałowy, pompy ciepła, paliwa stałe, energia elektryczna lub energia geotermalna. W przypadku sieci ciepłowniczych sytuacja jest jeszcze mniej korzystna niż w przypadku sieci gazowych, ponieważ rozległe sieci cieplne, które mogą obejmować znaczny obszar zurbanizowany, występują najczęściej w średnich i dużych miastach, przy elektrowniach, elektrociepłowniach lub dużych zakładach przemysłowych. Praktycznie nie występują one na wsiach i w małych miastach oraz na obrzeżach miast, poza małymi sieciami osiedlowymi.

Dostępność gazu ciekłego typu propan-butan oraz oleju opałowego jest dobra ze względu na równomierne i całościowe pokrycie powierzchni kraju przez dostawców sieciowych związanych z punktami dystrybucji paliw dla komunikacji, takich jak Orlen, Shell, BP oraz innych. Pewne ograniczenie w dostępności może dotyczyć obszarów górskich zimą ze względu na warunki drogowe i aurę.

Analogicznie wygląda kwestia równomiernego pokrycia powierzchni kraju sieciami elektroenergetycznymi i ogólna dostępność energii elektrycznej. Jednak od kilku lat sygnalizowanym problemem jest możliwość pełnego zaspokojenia potrzeb związanych ze wzrostem zużycia i ograniczonymi możliwościami sieci przesyłowych i wymagającymi modernizacji elektrowniami.

Na tym tle najlepiej wygląda kwestia dostępności paliw stałych, wiąże się to z wieloletnią tradycją ich spalania oraz istniejącą bogatą infrastrukturą w zakresie wydobycia, magazynowania, składowania i dystrybucji. Paliwa stałe można stosunkowo prosto i tanio składować. W przypadku węgla i drewna kawałkowego może to być składowanie bez zadaszenia. W przypadku biomasy przetworzonej powierzchnia magazynowa musi być jedynie zadaszona i zabezpieczona przez opadami deszczu i śniegu. Kluczowe dla gospodarki są także ich naturalne zasoby [5]. Obecnie wskaźniki ekonomiczne najbardziej korzystne są dla paliw stałych, takich jak węgiel kamienny i drewno opałowe, co potwierdzają dane statystyczne (tabela 1). Istnieją już kotły dwupaliwowe, w których mogą być one spalane na przemian lub łącznie. W przypadku węgla kamiennego i drewna kawałkowego konieczna infrastruktura jest bardzo podobna, tj. magazyn paliwa, system transportu, logistyka. W ponad połowie gospodarstw domowych już ona istnieje, a korzystanie z tych paliw jest ogólnie akceptowane i popularne. Obserwowany trend w zakresie wzrostu cen węgla kamiennego będzie w przyszłości przesuwał środek ciężkości pomiędzy udziałem w spalaniu węgla kamiennego i drewna opałowego w stronę drewna opałowego. Ta zmiana nie będzie powodowała konieczności zmiany kotła oraz jego uzbrojenia, przy wykorzystaniu lub nieznacznej rozbudowie istniejącego magazynu paliwa dotyczy to już eksploatowanych kotłów.

W pewnym zakresie powyższe przewidywania potwierdza zmiana struktury udziału kotłów stałopalnych w ogólnym bilansie za okres 2002–2009 [2]. W wyżej wymienionym okresie nastąpiła redukcja udziału liczby mieszkań zużywających gaz ziemny o 1,5% za sprawą lokalizacji nowych budynków poza obszarami zgazyfikowanymi. W tym czasie wzrósł udział gospodarstw wykorzystujących paliwa stałe. Dla węgla kamiennego wzrost ten wyniósł 0,7% (pomimo 68-proc. wzrostu ceny paliwa w tym okresie), natomiast dla drewna opałowego 3,1%. W tym czasie nastąpiło także przesunięcie w kierunku stosowania bardziej komfortowych kotłów stałopalnych dwufunkcyjnych z 11,9 na 20,7%, przy redukcji liczby gospodarstw korzystających z pieców z 19,6 do 11,4%. Liczba stałopalnych kotłów jednofunkcyjnych uległa nieznacznej redukcji z 16,1 do 15,1%. W przypadku gospodarstw domowych na obszarach wiejskich drewno opałowe wykorzystywane było przez aż 54,1% gospodarstw, przy czym aż 90% spalało paliwa stałe [1]. W przypadku nowych inwestycji trend w zakresie wykorzystywania urządzeń na cele grzewcze i przygotowania ciepłej wody użytkowej będzie się przesuwał w kierunku pozostałych paliw i nośników za sprawą obecnie obowiązujących regulacji związanych z kotłami na paliwo stałe. W związku z istniejącą strukturą rozproszonych źródeł ciepła na cele ogrzewcze i przygotowania ciepłej wody użytkowej pomimo wprowadzania na rynek nowych ekologicznych kotłów na biopaliwa i na węgiel, zgodnie z prawem będą eksploatowane stare, nieefektywne i zanieczyszczające jednostki na węgiel i biopaliwa (biomasę) w postaci kawałkowej.

Literatura

1. Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2015 r., Główny Urząd Statystyczny, Warszawa 2017.
2. Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2009 r., Główny Urząd Statystyczny, Warszawa 2012.
3. Mapa systemu przesyłowego GAZ-SYSTEM S.A.
4. Infrastruktura komunalna w 2010 r. Informacje i opracowania statystyczne, Główny Urząd Statystyczny.
5. Ojczyk Grzegorz, Paliwa stałe oraz przyszłość kotłów stałopalnych małej mocy, „Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja” nr 2/2016, s. 55–60.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!