Elektryfikacja ciepłownictwa

Forum Energii to think tank działający w obszarze energetyki. Jego misją jest tworzenie fundamentów dla efektywnej, bezpiecznej, czystej i innowacyjnej energetyki w oparciu o dane i analizy. Opublikowany przez Forum 26 stycznia 2021 r. raport pt. Elektryfikacja ciepłownictwa w Polsce – droga do czystego ciepła powstał we współpracy z Regulatory Assistance Project dzięki wsparciu udzielonemu przez Aspen Global Change Institute. W jego opracowaniu brali udział Jan Rosenow z Regulatory Assistance Project oraz Andrzej Rubczyński, Piotr Kleinschmidt i dr Joanna Maćkowiak-Pandera z Forum Energii.

Poniżej prezentujemy fragmenty analizy dotyczącej tła prawnego w UE i przemian globalnych wpływających na ciepłownictwo. W kolejnych numerach przedstawimy technologie elektryczne i ich integrację z systemem energetycznym oraz nowe modele biznesowe dla ciepłownictwa.

Autorzy raportu podkreślają, że Polska potrzebuje wizji transformacji ciepłownictwa i strategii, która pozwoli osiągnąć cele dotyczące czystości powietrza, zwiększenia efektywności energetycznej i zminimalizowania wpływu sektora energetycznego na klimat. Najbliższe lata to najlepszy moment do odważnych zmian, gdyż Polska będzie dysponowała funduszami unijnymi na transformację sektora energii i odbudowę gospodarczą po pandemii, a także własnymi wpływami z uprawnień do emisji CO₂. Modernizacja ciepłownictwa powinna umożliwić odchodzenie od paliw kopalnych i pobudzanie przemysłu, który będzie dostawcą nowoczesnych urządzeń grzewczych oraz materiałów i usług budowlanych. Ważne jest jednak wyraźne określenie celu i podjęcie trudnych decyzji, takich jak ostateczny termin wycofania węgla z gospodarstw domowych i ciepłownictwa, co powinno nastąpić odpowiednio w latach 2030 i 2035.

Zapowiedziana Fala renowacji budynków w UE znacząco poprawi ich efektywność energetyczną i energia będzie potrzebna nie tyle do ogrzewania budynków, co ich dogrzewania. Tym samym najprostsze stanie się zapewnienie komfortu cieplnego za pomocą urządzeń korzystających z energii elektrycznej. Wśród takich urządzeń największą przyszłość, szczególnie w przypadku gospodarstw domowych, mają pompy ciepła. Ale w procesie elektryfikacji ciepłownictwa muszą uczestniczyć przede wszystkim przedsiębiorstwa ciepłownicze i oferować klientom „usługę komfortu cieplnego” oraz dostawę i montaż pomp ciepła. Przedsiębiorstwa ciepłownicze to duże podmioty i ich zamówienia powinny doprowadzić do powstania efektu skali, pozwalającego na standaryzację pomp ciepła i zmniejszenie kosztu ich produkcji oraz zakupu.

Elektryfikacja gospodarki, w tym ciepłownictwa, oraz rozwój odnawialnych źródeł energii to duże wyzwania dla Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE). Najważniejsze z nich to niestabilność produkcji energii elektrycznej i rosnące zapotrzebowanie na moc w szczycie. W tym aspekcie pompy ciepła mogą równoważyć popyt i podaż energii i wspierać stabilną pracę KSE, gdyż inercja cieplna budynków pozwala na pracę pomp ciepła poza szczytem przy zachowaniu pełnego komfortu w budynkach.

Dlaczego elektryfikacja ciepłownictwa jest nieunikniona?

Autorzy raportu wskazują, że ogrzewanie budynków i podgrzewanie wody użytkowej pochłania 1/3 energii końcowej w Polsce. Ciepłownictwo systemowe w 75% korzysta z węgla, a małe systemy ciepłownicze wykorzystują niemal wyłącznie to paliwo. Sytuacja wygląda lepiej w przypadku indywidualnych źródeł ogrzewania – w 50% wytwarzają one ciepło ze spalania węgla, ale to one w dużym stopniu przyczyniają się do powstawania smogu (niska emisja).

Utrzymywanie dotychczasowej struktury paliwowo-technologicznej oraz powiązanych z nią modeli biznesowych odchodzi w przeszłość z powodu postępu technicznego i polityki klimatycznej. Poprawa jakości powietrza i ograniczenie emisji CO₂ są niemożliwe do osiągnięcia bez wyeliminowania paliw kopalnych w ciepłownictwie.

Autorzy wskazują w raporcie, że do roku 2030 powinna nastąpić eliminacja węgla z indywidualnego ogrzewania gospodarstw domowych. W ciepłownictwie systemowym dojdzie do tego parę lat później, ale i tu zmiana jest nieunikniona ze względu na kurczącą się podaż krajowego węgla, rosnące koszty emisji CO₂ oraz stopień zużycia tradycyjnych instalacji ciepłowniczych.

Warto dodać, że w lutym br. rząd przyjął uchwałę o polityce energetycznej Polski do 2040 r., w której zapowiada, że w ramach transformacji ciepłownictwa wycofanie węgla z użycia w ciepłownictwie indywidualnym w miastach nastąpi do 2030 roku, a na obszarach wiejskich do 2040 roku. Zapowiadany jest rozwój miejskiego ciepłownictwa systemowego i do 2030 roku do sieci ciepłowniczej podłączonych zostanie 1,5 mln gospodarstw domowych.

Autorzy raportu podkreślają, że eliminacja węgla w ciepłownictwie wymaga zastosowania innych technologii i już dzisiaj wiemy, że będzie to cała gama źródeł energii, z priorytetem energii odnawialnej i odzyskanej z procesów technicznych.

Węgiel i z czasem gaz zostaną zastąpione przez:

• energię elektryczną ze źródeł odnawialnych do zasilania pomp ciepła,
• lokalną biomasę oraz biogaz zasilające małe sieci ciepłownicze,
• źródła geotermalne zasilające niskotemperaturowe sieci ciepłownicze,
• energię słoneczną w budownictwie indywidualnym i systemowym,
• energię odpadową z procesów technicznych,
• energię z odpadów komunalnych i przemysłowych,
• „zielony” wodór z nadwyżek energii elektrycznej z OZE zasilający jednostki kogeneracyjne.

Wszystkie te technologie są możliwe do wykorzystania w ciepłownictwie systemowym. W przypadku indywidualnych gospodarstw domowych wybór będzie mniejszy i zawęzi się do ogrzewania za pomocą energii elektrycznej, słonecznej i, w małym stopniu, biomasy. Gaz ziemny jako paliwo przejściowe będzie stopniowo zanikał. W przyszłości standardy energetyczne budynków będą ostrzejsze od obecnych i zużycie energii pierwotnej spadnie o 60–80%. Zatem energia ze źródeł zewnętrznych posłuży jedynie do dogrzewania i utrzymania komfortu cieplnego, a nie stałego ogrzewania.

Proces dekarbonizacji gospodarki spowoduje, że ciepłownictwo i system elektroenergetyczny będą coraz silniej ze sobą powiązane. Zastępowanie paliw kopalnych (w pierwszej kolejności węgla) elektrycznymi źródłami ogrzewania zwiększy zużycie energii elektrycznej pochodzącej z systemu elektroenergetycznego (KSE). Ze względu na wysoką sprawność procesu pompy ciepła pozwolą ograniczyć ten wzrost zapotrzebowania w większym stopniu niż inne urządzenia, takie jak piece czy kotły elektryczne. Zastosowanie elektrycznych urządzeń grzewczych może się przyczynić do zwiększenia elastyczności popytu i stabilności pracy KSE, w której duży udział będą miały zmienne źródła energii – z fotowoltaiki i z farm wiatrowych.

Warunkiem dobrej współpracy ciepłownictwa i elektroenergetyki jest wykorzystanie właściwości cieplnych budynków (bezwładności cieplnej) oraz zarządzanie pracą wielu urządzeń grzewczych. Domy o wysokiej efektywności energetycznej są dobrymi akumulatorami ciepła, dzięki czemu możliwe jest wyłączanie urządzeń grzewczych na kilka godzin podczas szczytu zapotrzebowania na energię elektryczną bez utraty komfortu cieplnego dla mieszkańców. Ważne są też magazyny ciepła współpracujące z pompami ciepła i powinny być one standardowym rozwiązaniem w ciepłownictwie systemowym i niesystemowym. Ponadto zdalne sterowanie produkcją ciepła w zależności od bieżącej sytuacji w systemie elektroenergetycznym pozwoli na zwiększenie wykorzystania OZE w systemie oraz uniknięcie kosztów budowy nowych mocy wytwórczych i modernizacji sieci energetycznych.

Projektując nowe budynki, należy pamiętać o unijnym celu neutralności klimatycznej całego ciepłownictwa i chłodnictwa. Już w najbliższych latach budynki oddawane do użytku powinny być zasilane przez zeroemisyjne źródła ciepła. Pozwoli to uniknąć w przyszłości wydatków na modernizację instalacji grzewczej. Jednak w przypadku już istniejących obiektów pojawi się konieczność wymiany źródeł ciepła na zeroemisyjne oraz dostosowania instalacji wewnętrznych, co będzie się wiązało z dodatkowymi kosztami, wobec czego niezbędne będzie wdrożenie stosownych programów pomocowych dla właścicieli budynków.

Główne wnioski i kierunki działania

Elektryfikacja ciepła to duży projekt wymagający edukacji, mobilizacji środków finansowych oraz zmian legislacyjnych. Do kluczowych działań, które przyspieszą ten proces, wesprą dekarbonizację ciepłownictwa oraz poprawę jakości powietrza w Polsce, należą:

1. Zmniejszenie zużycia energii przez budynki poprzez wdrożenie strategii ich termomodernizacji. Analizy przeprowadzone przez Forum Energii [1] wskazują na możliwość zmniejszenia zużycia energii pierwotnej przez wszystkie istniejące budynki do roku 2050 o 60–80% w stosunku do stanu obecnego.
2. Całkowite wycofanie węgla z ogrzewnictwa indywidualnego gospodarstw domowych do roku 2030, a w ciepłownictwie systemowym do roku 2035. Przyjęcie tych celów pozwoli całemu sektorowi znaleźć się na ścieżce zmierzającej do pełnej dekarbonizacji do roku 2050.
3. Integracja ciepłownictwa z systemem elektroenergetycznym. Bilansowanie KSE poprzez elastyczną pracę pomp ciepła oraz wykorzystanie akumulatorów.
4. Ułatwienia dla elektrycznych urządzeń grzewczych w postaci elastycznych taryf na energię elektryczną, sterowanie popytem użytkowników urządzeń grzewczych.
5. Ogrzewanie jako usługa oraz dostawa i montaż pomp ciepła przez przedsiębiorstwa ciepłownicze. Umożliwi to ciepłownictwu spełnienie obowiązku w zakresie wzrostu udziału OZE i ciepła odpadowego.
6. Zmiana współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej wi, który w przypadku energii elektrycznej jest pochodną uwęglenia miksu wytwórczego w KSE i nie był aktualizowany od lat, co jest niekorzystne dla elektrycznych technologii grzewczych.
7. Zapewnienie równowagi konkurencyjnej na rynku urządzeń grzewczych. System handlu uprawnieniami do emisji CO2 nie obejmuje urządzeń grzewczych poniżej 20 MWt oraz wykorzystywanych do indywidualnego ogrzewania. A urządzenia grzewcze (w tym pompy ciepła) uczestniczą w systemie ETS pośrednio, ponieważ korzystają z energii elektrycznej z KSE, a ta obciążona jest kosztami CO2. Powoduje to zawyżenie kosztów eksploatacyjnych takich urządzeń w porównaniu np. do kotłów gazowych czy węglowych.
8. Przystosowanie instalacji w budynkach do odbioru ciepła niskotemperaturowego. Należy rozważyć wprowadzenie obowiązku projektowania instalacji grzewczych w nowych budynkach na temperaturę wody nie wyższą niż 55°C, a nawet niższą. Zwiększy to efektywność pracy urządzeń zasilanych energią odnawialną.
9. Wzmocnienie działań badawczo-rozwojowych i połączenie potencjału naukowego i przemysłowego w celu opracowania produktów dla ogrzewnictwa, które mogłyby się stać towarem eksportowym tworzącym wysokomarżowe miejsca pracy.
10. Zwiększenie świadomości społecznej i wiedzy specjalistycznej nt. nowych technologii. Stworzenie sieci doradztwa energetycznego na poziomie gminnym, aktualizacja wiedzy przez projektantów i instalatorów, kształcenie techników i studentów. Barierą rozwoju nowych technologii może być niedobór wykwalifikowanej kadry.
11. Mechanizmy finansowania elektryfikacji ciepłownictwa. Przeciętne gospodarstwo domowe nie ma wystarczających środków na głęboką termomodernizację budynku i zmianę źródła ogrzewania. Oprócz dotacji i ulg podatkowych potrzebne są nowe mechanizmy wsparcia transformacji ciepłownictwa – np. usługi typu ESCO, bodźce podatkowe, specjalne taryfy na energię itp.

Kierunki zmian prawnych kluczowe dla elektryfikacji ciepłownictwa

Przyspieszają prace nad przełożeniem idei neutralności klimatycznej w 2050 roku na konkretne inicjatywy legislacyjne na poziomie unijnym. Zwiększają się też ambicje dotyczące celów na rok 2030, co zostało przedstawione przez Komisję Europejską w dokumencie Impact Assessment on Stepping up Europe’s 2030 Climate Ambition” (tabela 1).

Komisja Europejska wskazuje na wiodącą rolę budynków w drodze do neutralności klimatycznej i redukcji emisji gazów cieplarnianych. Podstawowym warunkiem jest obniżenie zużycia energii. 75% budynków w UE jest nieefektywnych energetycznie i tylko 1% jest co roku termomodernizowanych. Osiągnięcie celów stawianych na rok 2030 wymaga termomodernizacji 3% budynków rocznie. Dlatego Komisja Europejska przygotowuje proces rewizji stosownych dyrektyw i celów cząstkowych, nazwany roboczo Falą renowacji (Renovation Wave). Pakiet działań zawiera szereg inicjatyw legislacyjnych prowadzących m.in. do poprawy efektywności energetycznej budynków i wzrostu udziału ciepła z OZE. Ponadto przewiduje się ściślejszą współpracę ogrzewnictwa indywidualnego z systemem elektroenergetycznym (KSE). W strategii integracji sektorów Komisja Europejska mówi o wiodącej roli pomp ciepła w budownictwie.

Najważniejsze kierunki działań to:

1. Włączenie budynków do systemu handlu uprawnieniami do emisji CO₂ (ETS), który jest głównym narzędziem UE w zakresie polityki klimatycznej. Obejmuje on zawodową energetykę, a z czasem i z przemianami energetycznymi powinien objąć odbiorców końcowych. Rozszerzenie ETS na sektor budynków spowoduje utratę uprzywilejowanej pozycji przez indywidualne źródła grzewcze na paliwa kopalne, wynikającej z nieobciążania ich kosztami środowiskowymi. Drugim kierunkiem zmian ma być przyspieszona redukcja ilości uprawnień do emisji CO₂ na rynku i wzrost ich ceny do 76 euro w 2030 roku [2]. A to oznacza nieopłacalność spalania paliw kopalnych.
2. Integracja ciepłownictwa z systemem energetycznym. Unijna strategia łączenia sektorów energii (sector coupling) wyznacza kierunki rozwoju m.in. dla ciepłownictwa i to elektryfikacja utoruje drogę do zmian w sposobie wytwarzania ciepła. Energia elektryczna wykorzystywana do ogrzewania ma być produkowana ze źródeł odnawialnych, a pompy ciepła będą kluczową technologią, która pozwoli na integrację systemów. W 2030 roku w pompy ciepła ma być wyposażonych ok. 40% budynków mieszkalnych, a w sektorze budynków komercyjnych 65%. W roku 2050 będzie to odpowiednio 50–70 i 80%.
3. Ograniczanie emisji CO₂ nie jest możliwe bez zwiększania udziału OZE w całkowitym strumieniu energii. Przewiduje się wzrost udziału źródeł odnawialnych w 2030 roku z obecnie przyjętego poziomu 32% do 38–40%. Niezbędne jest przeprowadzenie tego procesu w ciepłownictwie szybciej, niż wynika to z aktualnych zapisów dyrektywy 2018/2001 z 11 grudnia 2018 r. [3].
4. Poprawa efektywności energetycznej. Osiągnięcie celu redukcji emisji CO₂ wiąże się z koniecznością poprawy efektywności energetycznej w całym łańcuchu – od źródła energii pierwotnej do odbiorcy końcowego. Zatem zdaniem Komisji Europejskiej ograniczenie zużycia energii musi wzrosnąć z obecnie zakładanych 32,5% do 39–40%. Wymaga to m.in. masowej termomodernizacji ze szczególnym uwzględnieniem najbardziej energochłonnych budynków wg zasady „efektywność energetyczna przede wszystkim”. Tym samym promowane będą w budynkach instalacje pomp ciepła.
5. Dekarbonizacja budynków. Dyrektywa EPDB wymaga, aby od 2021 roku wszystkie nowe obiekty miały niemal zerowe zużycie energii i opracowane zostały krajowe długoterminowe strategie na rzecz renowacji budynków. Oczekuje się zwiększenia rocznego tempa renowacji do 3% ich ogółu w skali kraju. Niezbędne będzie także określenie minimalnego poziomu efektywności energetycznej budynków poddawanych modernizacji. Rewizja dyrektywy ma wzmocnić rolę świadectw efektywności energetycznej, prowadzić do upowszechnienia systemów automatyki budynkowej oraz wdrożyć wymagania dla rozwoju budynków prawie zeroenergetycznych.

Efektywność energetyczna jako priorytet

Autorzy analizy podkreślają, że dekarbonizacja ciepłownictwa będzie wymagać istotnej poprawy efektywności energetycznej budynków. W Polsce mamy duży potencjał obniżenia zużycia energii końcowej przez budynki, zwłaszcza jednorodzinne. Termomodernizacja zmniejszy zapotrzebowanie na ciepło i zredukuje emisję. Jej efektem będzie też większa akumulacja ciepła w budynkach (magazynowanie ciepła). Dodatkowo wielkogabarytowe akumulatory ciepła (np. akumulatory podziemne) mogą wspierać systemy ciepłownicze i jednocześnie wpływać na elastyczność pracy KSE, absorbując energię w momentach, gdy występują jej nadwyżki.

Praktyka pokazuje, że cele środowiskowe, energetyczne i gospodarcze można osiągnąć skuteczniej i przy niższych kosztach, jeśli działania koncentrują się zarówno na stronie podażowej, jak i popytowej. Jeśli priorytetem będzie efektywność energetyczna, osiągnięcie większej wartości dodanej będzie łatwiejsze, niż gdyby środki przeznaczyć na inwestycje w produkcję energii i infrastrukturę energetyczną [4]. Taka filozofia działania – „efektywność energetyczna przede wszystkim” – sprawdziła się w wielu krajach. Jest ona także filarem europejskiej polityki energetycznej i klimatycznej.

Opublikowany w 2019 roku przez Międzynarodową Agencję Energetyczną (IEA) raport na temat kluczowej roli budynków w transformacji energetycznej [5] wskazuje trzy podstawowe kierunki działania: 1. właściwe planowanie miejskie i projektowanie budynków dla zapewnienia optymalnej wartości popytu i podaży energii, 2. radykalna poprawa efektywności energetycznej budynków poprzez poprawę właściwości materiałów budowlanych i wydajne urządzenia grzewcze, 3. dekarbonizacja ciepła poprzez zastąpienie wysokoemisyjnych technologii nowoczesnymi rozwiązaniami niskoemisyjnymi.

Te trzy działania pozwalają unikać nadmiernego zużycia energii w budynkach i dobierać źródła wytwórcze bez ryzyka przeinwestowania przy zachowaniu wysokiego komfortu cieplnego. Mniej energochłonne budynki umożliwiają wydajniejsze funkcjonowanie sieci ciepłowniczej przy niższych temperaturach zasilania i stosowanie niskotemperaturowych źródeł ciepła – energii geotermalnej, słonecznej, ciepła odpadowego z przemysłu oraz wielkoskalowych pomp ciepła.

Przeprowadzone w ramach Heat Roadmap Europe modelowanie optimum między oszczędnościami w zużyciu ciepła a dostawami czystego ciepła (w Czechach, Chorwacji, Rumunii i we Włoszech) wskazuje, że poprawa efektywności energetycznej pozwala w niektórych państwach zmniejszyć zużycie energii końcowej nawet o połowę. Pozostałe zapotrzebowanie na ciepło może być zaspokajane za pośrednictwem źródeł niskoemisyjnych zasilających ciepłownictwo systemowe i za pomocą pomp ciepła.

Zlecona przez Agora Energiewende [6] analiza kilku scenariuszy prowadzących do neutralności klimatycznej zaopatrzenia w ciepło w Niemczech w 2050 roku wskazuje (rys. 1), że w scenariuszu z dominującym udziałem pomp ciepła (S3. Efektywność + pompy ciepła) roczny koszt zaopatrzenia w ciepło jest niższy o 2,9 mld euro w porównaniu do scenariusza referencyjnego (S1. Efektywnościowy). Najdroższy okazał się scenariusz zakładający utrzymanie obecnego tempa termomodernizacji budynków oraz wykorzystanie dużych ilości zielonego wodoru i biometanu (S5) dla osiągnięcia zakładanego celu środowiskowego.

Wnioski

Z treści przedstawionych przez autorów w tej części raportu wynika, że priorytetowym kierunkiem działań dla osiągnięcia zakładanych celów środowiskowych w UE jest zwiększanie efektywności energetycznej budynków, elektryfikacja ogrzewania, modernizacja ciepłownictwa sieciowego, aby mogło korzystać ze źródeł niskotemperaturowych odnawialnych i bezemisyjnych, oraz integracja ciepłownictwa z systemem energetycznym.

Pełny raport jest dostępny pod adresem: https://forum-energii.eu/pl/analizy/elektryfikacja-cieplownictwa.

Literatura

1. Czyste ciepło 2030. Strategia dla ciepłownictwa, Forum Energii, 2019, https://www.forum-energii.eu/pl/analizy/czyste-cieplo-2030
2. Zmiana celów redukcyjnych i cen uprawnień do emisji wynikająca z komunikatu „Europejski Zielony Ład”, Krajowy Ośrodek Bilansowania i Zarządzania Emisjami, 2020, https://www.kobize.pl/pl/article/life-climate-cake-pl-aktualnosci/id/1642/ zmiana-celow-redukcyjnych-i-cen-uprawnien-do-emisji-wynikajaca-z-komunikatu-seuropejski-zielony-lad
3. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/2001 z dnia 11 grudnia 2018 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych (Dz Urz. UE L 328/82 z 21.12.2018).
4. Cowart Richard, Unlocking the promise of the Energy Union: “„Efficiency first” is key, Brussels 2014, https://www.raponline.org/ knowledge-center/unlocking-the-promise-of-the-energy-union-efficiency-first-is-key/
5. The Critical Role of Buildings, IEA, France 2019, https://www.iea.org/publications/reports/ PerspectivesfortheCleanEnergyTransition/
6. Building sector Efficiency: A crucial Component of the Energy Transition, Fraunhofer IEE I Consentec, Agora Energiewende, Berlin 2018, https://www.agora-energiewende.de/en/publications/building-sector-efficiency-a-crucial-component-of-the-energy-transition/
7. Decarbonisation pathways, Eurelectric, Brussels 2019, https://cdn.eurelectric.org/media/3457/decarbonisation-pathways-h-5A25D8D1.pdf
8. Powering a climate-neutral economy: An EU Strategy for Energy System Integration, European Commission, 2020, https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/ files/energy_system_integration_strategy_.pdf

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!