Ogólne wytyczne doboru wielkoskalowej instalacji kolektorów słonecznych dla miejskich sieci ciepłowniczych

Stowarzyszenie Producentów i Importerów Urządzeń Grzewczych przygotowało materiał informacyjno-poradnikowy o wykorzystaniu instalacji kolektorów słonecznych w miejskich sieciach ciepłowniczych. Został on opracowany na podstawie materiałów projektu SDHp2m (Solar District Heating – od polityki do rynku) [1], w ramach którego przygotowano wytyczne mające na celu popularyzację wiedzy na temat wykorzystania energii słonecznej, uzyskanej podczas modernizacji sieci ciepłowniczych w różnych regionach Europy (Turyngia i Hamburg w Niemczech, Styria w Austrii, Owernia-Rodan-Alpy we Francji, Mazowsze w Polsce, Warna w Bułgarii, Västra Götaland w Szwecji, Aosta i Veneto we Włoszech).

Lokalne warunki brzegowe, które powinny być brane pod uwagę przy realizacji projektu modernizacji i rozbudowy sieci ciepłowniczych w celu wykorzystania ciepła z promieniowania słonecznego pozyskiwanego z instalacji kolektorów słonecznych, różnią się w zależności od regionu i lokalizacji. Niemniej jednak można zidentyfikować następujące trzy „rozwiązania standardowe”, które mogą zostać zastosowane w prawie wszystkich regionach:

• wioski i gminy energetyczne – wdrożenie nowych sieci centralnego ogrzewania opar­tego na instalacji kolektorów słonecznych połączonych ze źródłami grzewczymi wykorzystującymi biomasę;
• integracja instalacji kolektorów słonecznych z miejskimi sieciami ciepłowniczymi opartymi na biomasie;
• integracja instalacji kolektorów słonecznych z istniejącymi miejskimi systemami ciepłowniczymi wykorzystującymi inne źródła ciepła.

Dodatkowo pewnym standardowym układem instalacji hybrydowej pozwalającej na optymalne wykorzystanie lokalnych zasobów OZE jest układ: kolektory słoneczne – magazyn ciepła – pompa ciepła, w razie konieczności wspomagany dodatkowym źródłem w szczycie zapotrzebowania na ciepło.

Opracowanie przygotowane przez SPIUG opisuje, w jaki sposób może zostać opracowana i wdrożona integracja instalacji kolektorów słonecznych z istniejącym miejskim systemem ciepłowniczym. Realizując takie przedsięwzięcie, należy w szczególności zwrócić uwagę na dwa główne wyzwania, które mają wpływ na opłacalność inwestycji w instalację tego typu. Po pierwsze, zapotrzebowanie na ciepło w okresie letnim w miejskich systemach ciepłowniczych jest często pokrywane przez systemy kogeneracyjne lub przez inne, dostępne lokalnie dodatkowe źródła ciepła, takie jak np. spalarnie odpadów, dlatego istnieje możliwość stałych dostaw potrzebnego ciepła. Drugim wyzwaniem jest postrzeganie dużych instalacji kolektorów słonecznych jako konkurenta dla budownictwa mieszkaniowego, rekreacji i obiektów komercyjnych w ubieganiu się o wolne grunty, na których takie instalacje mogłyby zostać umieszczone.

Wykorzystanie ciepła pozyskiwanego z promieniowania słonecznego jest jednak ważnym elementem transformacji i dekarbonizacji ciepłownictwa. Coraz więcej firm ciepłowniczych i lokalnych władz samorządowych zdaje sobie sprawę, że ich systemy zaopatrzenia w ciepło muszą odejść od paliw kopalnych lub znacznie ograniczyć ich wykorzystanie, co wiąże się z koniecznością przestawienia się na wykorzystanie odnawialnych źródeł energii.

Oprócz instalacji kolektorów słonecznych z technicznego punktu widzenia w pełni uzasadnione czy wręcz konieczne jest wykorzystanie w tych instalacjach magazynów ciepła w lokalnym systemie ciepłowniczym, co zwiększy bezpieczeństwo dostaw ciepła i ograniczy koszty jego pozyskiwania. Przygotowane wytyczne nie powinny być traktowane jako kompletny dokument, ale raczej poszerzenie wiedzy na temat możliwości, jakie daje szersze niż standardowe zastosowanie kolektorów słonecznych.

Przy planowaniu instalacji ciepłowniczych opartych na odnawialnych źródłach energii należy pamiętać, że każdy projekt czy lokalizacja mają specyficzne warunki brzegowe. Z tego powodu trudno przygotować wytyczne, które mogłyby w 100% posłużyć do opracowania danego projektu. Zebrane poniżej informacje stanowią pewien wspólny mianownik informacji niezbędnych do zaplanowania inwestycji na poszczególnych etapach. Należy jednak pamiętać, że w zależności od panujących lokalnie warunków startowych niektóre informacje czy sposoby postepowania trzeba dopasować do aktualnych potrzeb.

Podane poniżej informacje można traktować we wstępnej fazie prac planistycznych jako platformę wyjściową do podjęcia lub odrzucenia decyzji o budowie instalacji kolektorów słonecznych albo do dalszego procedowania projektu.Technologie pozyskiwania ciepła ze źródeł odnawialnych nie powinny być traktowane jako konkurencyjne rozwiązania. Z doświadczeń wynika, że różne odnawialne źródła energii dobrze się uzupełniają w wytwarzaniu ciepła i zwiększają efektywność funkcjonowania całej miejskiej sieci ciepłowniczej. Wzorcowym rozwiązaniem sprawdzającym się w praktyce jest układ: kolektory słoneczne – magazyn ciepła – pompa ciepła, który umożliwia wykorzystanie w okresie grzewczym ciepła zmagazynowanego i pozyskanego w lecie przez kolektory słoneczne poprzez włączenie do procesu grzewczego instalacji pomp ciepła w celu odzysku zmagazynowanego ciepła.

Jak wykorzystać kolektory słoneczne w sieciach ciepłowniczych?

Kombinacje z innymi źródłami energii i paliwami. Ciepło słoneczne można łączyć ze wszystkimi innymi paliwami, ale w niektórych przypadkach sensowność idei wykorzystania produkcji ciepła z energii słonecznej może stawać pod znakiem zapytania, ponieważ letnie obciążenie systemu ciepłowniczego może zostać pokryte np. ze spalania odpadów w lokalnej instalacji, z ciepła odpadowego z przemysłu lub z elektrociepłowni. Produkują one tanie ciepło, a ich przestój latem jest niemożliwy lub nieekonomiczny. W przeszłości ciepło słoneczne nie mogło konkurować z cenami produkcji ciepła niższymi niż 3 eurocenty/kWh w Europie Północnej i 2 eurocenty/kWh w Europie Południowej. Ale na przykład w Danii w kilku ciepłowniach lokalnych elektrociepłownie opalane gazem ziemnym są połączone z ciepłem słonecznym pozyskiwanym z kolektorów słonecznych. Wiele takich rozwiązań funkcjonuje już z powodzeniem w całej Europie i pozwala osiągać dobre wyniki ekonomiczne.

Ciepło ze spalania odpadów i odpadowe z procesów przemysłowych. Ciepło ze spalania odpadów nie jest zwykle wykorzystywane poza wspieraniem systemów ciepłowniczych, jest zatem tanie. Także ciepło odpadowe z procesów przemysłowych może być bardzo tanie. Jeśli całkowite letnie zapotrzebowanie na ciepło w sieci jest pokryte ciepłem ze spalania odpadów i/lub ciepłem z procesów przemysłowych, nie możemy mówić o wzroście efektywności energetycznej takiej instalacji, wykorzystując kolektory słoneczne. Ciepło słoneczne nie przyniesie wówczas żadnych korzyści z punktu widzenia środowiskowego i nie jest konkurencyjne cenowo. Nie występują też korzyści z ciepła słonecznego dla ochrony środowiska, chyba że zgodnie z ostatnio ogłoszoną strategią Green Deal ograniczana ma być możliwość pozyskiwania energii w wyniku spalania z uwagi na emisję CO2, co mogłoby bezpośrednio dotyczyć spalarni odpadów. Z kolei ciepło odpadowe powinno być w taki czy inny sposób zagospodarowane. Jeśli bilans zapotrzebowania na ciepło wskazuje, że ciepło ze spalarni odpadów lub ciepło odpadowe z procesów przemysłowych nie pokrywałoby tego zapotrzebowania, wykorzystanie kolektorów słonecznych, w zależności od rozkładu zapotrzebowania bezpośrednio lub we współpracy z magazynem ciepła, może być uzasadnione z punktu widzenia ekonomicznego i środowiskowego.

Kombinacja z ciepłem geotermalnym. Zarówno ciepło słoneczne, jak i ciepło geotermalne mają stosunkowo wysokie koszty inwestycyjne i niskie koszty operacyjne. W związku z tym inwestycja w obie technologie w tym samym systemie grzewczym musi zostać dokładnie policzona, żeby była opłacalna ekonomicznie nawet w dłuższym okresie czasu przy realnych możliwościach finansowania samej inwestycji. W wypadku geotermii płytkiej kolektory słoneczne mogą służyć jako źródło dogrzewania wód geotermalnych przed wpuszczeniem jej do sieci ciepłowniczej przy zachowaniu pewnych warunków temperaturowych mających wpływ na sprawność pracy instalacji kolektorów słonecznych, oraz oczywiście uwzględniając uwarunkowania środowiskowe tego procesu.

Kombinacja z elektrociepłowniami opalanymi paliwami kopalnymi. Wysoka sprawność elektrociepłowni opalanych paliwami kopalnymi opiera się na założeniu całkowitego pokrycia obciążenia letniego w sieci ciepłowniczej. Całkowita możliwa wydajność systemu kogeneracyjnego spadnie, jeśli wytwarzanie ciepła zostanie zastąpione ciepłem słonecznym. Cena produkcji ciepła z elektrociepłowni jest stosunkowo niska, ale coraz bardziej rośnie wraz ze wzrostem kosztów paliwa i połączenie takich instalacji z ciepłem słonecznym jest trudne, jednak w niektórych przypadkach może być coraz bardziej opłacalne. W Polsce wzrasta zainteresowanie zasilaniem sieci ciepłowniczych z instalacji kolektorów słonecznych. Zmiany te wynikają zasadniczo ze zmieniających się warunków rynkowych odnośnie do kogeneracji: w sytuacji, kiedy spadają przychody ze sprzedaży energii elektrycznej, eksploatacja źródeł kogeneracyjnych staje się dla operatorów mało opłacalna, szczególnie w okresie letnim, gdy znacznie zmniejsza się zapotrzebowanie na ciepło. W tej sytuacji dla sieci ciepłowniczych atrakcyjniejsze może być wytwarzanie ciepła w instalacjach kolektorów słonecznych o dużych powierzchniach.

Rynek ciepła w porównaniu do rynku energii elektrycznej jest relatywnie stabilny po stronie odbiorczej i jak na razie nie był narażony na większe wahania cen. W związku z tym ekonomiczność inwestycji w duże instalacje kolektorów słonecznych podłączane do systemów grzewczych nie jest zależna od ryzyka wystąpienia zmian cen paliwa czy niestabilnego rynku energii elektrycznej. Może to mieć w przyszłości wpływ na długofalowe bezpieczeństwo finansowe przedsiębiorstw, gmin i konsumentów. Kogenerację należy bowiem wykorzystywać w tych okresach, w których na rynkach ciepła oraz energii elektrycznej nie ma lepszych alternatyw. Eksploatacja instalacji kogeneracyjnej spalającej paliwa kopalne powinna z tego względu być tak kształtowana, aby korzyści płynące z kogeneracji były zoptymalizowane nie tylko pod kątem wytwarzania energii elektrycznej, ale także ciepła. Wymaga to koncentracji pracy kogeneracji tam, gdzie nie ma wystarczających zasobów energii odnawialnej w okresie zapotrzebowania na ciepło oraz innych źródeł energii elektrycznej. Jeśli na danym obszarze dostępna jest energia ze źródeł odnawialnych, powinna być ona wykorzystywana priorytetowo. Z tego powodu w okresie letnim powinno się stosować w większym stopniu przede wszystkim energię słoneczną. Dzięki wykorzystaniu ciepła pochodzącego z energii słonecznej w okresach letnich można zaoszczędzić tysiące ton węgla lub gazu, które mogą być wykorzystane w okresach, gdy jest to uzasadnione ekonomicznie. W okresie grzewczym ciepło z kogeneracji spalającej paliwa kopalne jest zużywane na bieżąco i trudne jest alternatywne dostarczanie wystarczających ilości ciepła pochodzącego z OZE bez inwestycji w sezonowe magazyny ciepła. Wysokosprawna kogeneracja wykorzystująca paliwa kopalne jest także bardziej korzystna w aspekcie ekologicznym niż odrębne wytwarzanie energii elektrycznej oraz ciepła z paliw kopalnych.

W naszej strefie klimatycznej ciepło i energia elektryczna wytwarzane z instalacji wykorzystujących energię słoneczną są ekonomicznie korzystne przede wszystkim w miesiącach letnich i wiosennych, dlatego powinno się z niego korzystać głównie w tym okresie. Są już instalacje solarne efektywnie wspierające ogrzewanie również w miesiącach zimowych, wymagają one jednak spełnienia szeregu warunków, aby mogły działać niezawodnie. Należy też brać pod uwagę, że możliwości zbytu ciepła w lecie są ograniczone i wygrywa to źródło, które jest tanie, a lokalnie dostępne zasoby OZE mogą zaopatrywać sieci ciepłownicze po niskich kosztach.

Inwestycje w odnawialne źródła energii mogą się jednak nie opłacać, jeśli przychody ze sprzedaży energii elektrycznej i ciepła zasilone utajonym i oficjalnym wsparciem kogeneracji są wyższe niż marże ze sprzedaży ciepła z OZE. Ciepło z OZE nie może wówczas konkurować z ciepłem z kogeneracji i mogłoby być z tego powodu pomijane jako źródło energii. Operator sieci ciepłowniczej zdecyduje się na wykorzystanie OZE, gdy uzyska takie warunki, aby uzyskać pozytywny wynik ekonomiczny. Dotyczy to zwłaszcza dużych instalacji kolektorów słonecznych. Instalacje kogeneracji byłyby w takich wypadkach eksploatowane w zimie w dotychczasowym zakresie. Uwzględniając dodatkowe wykorzystanie OZE, kogeneracja w istniejących sieciach grzewczych mogłaby zastąpić ciepło pochodzące z dużych kotłów o niskiej efektywności energetycznej. Dodanie do instalacji wytwarzającej ciepło z OZE sezonowych magazynów ciepła znacznie zwiększa jej funkcjonalność, umożliwiając odbiór zmagazynowanego ciepła przez okres od kilku tygodni do nawet kilku miesięcy.

Kombinacja z elektrociepłowniami opalanymi biomasą. System kogeneracji wykorzystujący biomasę zwykle pokrywa całkowite letnie obciążenie sieci ciepłowniczej. Koszt produkcji ciepła jest niski i włączenie ciepła słonecznego jest w obecnych warunkach nieuzasadnione z powodów ekonomicznych, chyba że koszt pozyskiwania biomasy i związana z tym logistyka będą obciążeniem na poziomie lokalnym i stworzenie takiego układu hybrydowego pozwoli na zoptymalizowanie kosztów funkcjonowania instalacji i zmniejszenie obciążenia środowiskowego powodowanego przez spalanie biomasy.

Kombinacja z ciepłowniami opalanymi biomasą. W przypadku ciepłowni wykorzystujących zrębki drzewne lub słomę cena końcowa wyprodukowanego ciepła wynosi 2–3 eurocenty/kWh. Ale ceny biomasy rosną, a przyszłe zapotrzebowanie na nią do celów transportowych i innych może powodować jej niedobór na rynku. Ogrzewanie słoneczne może pokryć letnie obciążenie, a tym samym kocioł na biomasę można wyłączyć na dłuższy okres. Aby skutecznie pokryć letnie obciążenie, potrzebny jest zbiornik akumulacyjny. Dodatkowo zbiornik taki umożliwia pracę kotła na biomasę ze stałym (niższym) obciążeniem w okresie zimowym. Ma to szczególne znaczenie, jeśli kocioł na biomasę ma automatyczne wygaszanie. Przy połączeniu kotła na biomasę z instalacją energii słonecznej należy wziąć pod uwagę dwa aspekty techniczne. Kocioł ma minimalną granicę obciążenia, więc musi być włączany/wyłączany, jeśli ilość ciepła pochodzącego z instalacji kolektorów słonecznych jest zbyt wysoka, ale nie na tyle niewystarczająca, aby wyłączyć kocioł na dłuższy czas. Dlatego ilość ciepła z kolektorów słonecznych musi być bliska 100% w okresie letnim. Jeśli instalacja na biomasę jest wyposażona w możliwość skraplania spalin, kocioł na biomasę i kolektory słoneczne muszą być włączone równolegle w celu optymalizacji wydajności.

Kombinacja z kogeneracją na gaz ziemny. Elektrociepłownie na gaz ziemny wykorzystują zwykle droższe paliwo niż te opalane biomasą lub węglem. Analiza ekonomiczna powinna uwzględniać jako punkt wyjścia cenę gazu ziemnego lub węgla wraz z podatkami, gdy paliwa te używane są tylko do ogrzewania. Na przykład przedsiębiorstwa ciepłownicze w Niemczech mają różne umowy z dostawcami gazu ziemnego – często na warunkach długoterminowych. Zatem rynek cen gazu jest niejednorodny i należy brać pod uwagę różnice w cenach w zależności od regionu lub odbiorcy.

Cechą elektrociepłowni na gaz ziemny jest możliwość szybkiego uruchamiania i wyłączania. Jeśli w systemie energetycznym udział produkcji energii elektrycznej z wiatru lub PV wzrasta, wprowadzane są regulacje dla innych producentów energii (lub użytkowników końcowych). Elektrociepłownie na gaz ziemny w Danii wykorzystują tego rodzaju regulacje. Zatrzymują agregaty wytwarzające energię elektryczną przez coraz dłuższe okresy, w których występuje duża produkcja energii elektrycznej z wiatru. Produkcja ciepła w tych okresach odbywa się zwykle za pomocą kondensacyjnych kotłów gazowych i tym samym ciepło jest droższe niż z to pozyskiwane z instalacji słonecznych. Dlatego wiele duńskich miejskich systemów sieci ciepłowniczych wykorzystujących kolektory słoneczne jest instalowanych w połączeniu z elektrociepłowniami opalanymi gazem ziemnym oraz kotłami kondensacyjnymi (rys. 2).

Jeżeli energia elektryczna wytwarzana przez turbiny wiatrowe lub PV stanowi dużą część produkcji energii elektrycznej w okresie letnim, podobne możliwości wykorzystania ciepła słonecznego w ciepłownictwie mogą wystąpić także w innych krajach.

Gdzie instalować kolektory słoneczne?

Kolektory słoneczne mogą być instalowane m.in. na gruncie, na dachach, przy drogach, jako element zacieniający nad parkingiem i w wielu innych nasłonecznionych miejscach, które zwykle pozostałyby niewykorzystane. Pola kolektorów słonecznych można podłączyć bezpośrednio do ciepłowni lub do sieci dystrybucyjnej albo do sezonowego magazynu ciepła.

Kolektory słoneczne montowane na gruncie są najtańszym rozwiązaniem, chyba że cena gruntu jest bardzo wysoka (>50 euro/m²). Grunty rolne mogą zostać wykorzystane, jeśli koszty budowy prawidłowo zaizolowanej instalacji przesyłowej dla ciepła nie będą miały negatywnego wpływu na stronę ekonomiczną przedsięwzięcia. Powierzchnie zabudowane naziemnymi instalacjami kolektorów dla ciepłownictwa są zorientowane w kierunku południowym, a odległości między rzędami kolektorów oraz kąt nachylenia od poziomu są zoptymalizowane dla każdego miejsca i typu kolektora. Duże kolektory (10–15 m²) są zwykle umieszczane w równoległych rzędach do 20 urządzeń. Można przyjąć, że dla 1 m² kolektora słonecznego potrzeba ok. 3–4 m² gruntu (na odstępy między nimi). Jeśli znane są takie parametry, jak: typ kolektora, ukształtowanie terenu, odległość między kolektorami, temperatury wlotowe i wylotowe w instalacji ciepłowniczej, zużycie, koszt gruntu, pojemność magazynów ciepła i wymienniki ciepła, można wyznaczyć optymalne nachylenie kolektorów, obliczając uch wydajność np. za pomocą programu TRNSYS.

Odległość między rzędami kolektorów słonecznych zwykle wynosi co najmniej 4,5 m (w zależności od wysokości kolektorów), mierząc od początku pierwszego rzędu do początku następnego, dla zapewniania obsłudze możliwości poruszania się między rzędami. Większe odległości zapewniają wyższą produkcję z powodu mniejszego potencjalnego zacienienia w okresie zimowym, ale równocześnie zwiększają koszty zakupu lub dzierżawy gruntu i rurociągów, chyba że ich właścicielem jest spółka ciepłownicza.

Kolektory posadowione na gruncie są zwykle najtańszym rozwiązaniem i mogą być estetycznie wkomponowane w krajobraz. W porównaniu z innymi możliwościami użytkowania gruntów relacja zysk/powierzchnia jest tu wysoka. Pozyskiwanie ciepła z energii słonecznej można porównywać z innymi rodzajami energii odnawialnej pod względem rocznego uzysku energii z jednostki powierzchni gruntu.

Kolektory słoneczne montowane na dachu są dobrym rozwiązaniem w przypadku dużych budynków nowych lub w których planowana jest modernizacja i remont dachu albo mających dużą wolną powierzchnię płaskiego dachu. W przypadku dużych dachów płaskich można zastosować zasady ustawienia dla kolektorów montowanych bezpośrednio na gruncie, pamiętając o zamocowaniu urządzeń do podłoża zgodnie z obowiązującymi zasadami. W przypadku dachów ze spadkiem istnieją następujące możliwości montażu: kolektory płaskie jak moduły dachowe, kolektory słoneczne zintegrowane z dachem lub kolektory słoneczne montowane na dachu. Moduły dachowe i zintegrowane z dachem panele słoneczne mogą być stosowane w nowych budynkach oraz w przypadku konieczności wymiany połaci dachowej na budynku istniejącym. Kolektory słoneczne na dachu można również z powodzeniem zastosować na już istniejących powierzchniach dachowych.

Kolektory montuje się także na zboczach nierówności terenu, nasypach oraz jako dachy zacieniające miejsca postojowe dla samochodów, a także na fasadach budynków.

Pełna treść poradnika jest dostępna na https://spiug.pl/raporty/

Literatura

1. https://www.solar-district-heating.eu/ (dostęp: 1.03.2021)
2. https://www.solar-districtheating.eu/en/plant-database/ (dostęp: 1.03.2021)
3. http://solar-districtheating.eu/Documents/SDHGuidelines.aspx (dostęp: 1.03.2021)

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!