Ciepłownie przyszłości powstają już dzisiaj

W Polsce pracuje ponad 500 systemów ciepłowniczych o mocy termicznej przynajmniej 1 MW. Większość powiatów dysponuje zatem systemami ciepłowniczymi wymagającymi modernizacji z uwagi na konieczność ograniczania emisji z paliw kopalnych. Dodatkowe problemy w tej branży wiążą się z wojną wywołaną przez Rosję, embargiem na import paliw i kryzysem energetycznym, a w efekcie brakiem odpowiedniej ilości węgla niskosiarkowego dla ciepłowni.

Spalanie paliw kopalnych do produkcji ciepła to uzależnianie się od importu surowców energetycznych – ten problem ma wiele państw UE. Ponadto w Polsce ciepłownie emitują ok. 22% ogólnej emisji dwutlenku węgla. W związku tą emisją stale rosną koszty ponoszone w ramach unijnego systemu EU ETS, a to wpływa na koszty produkcji ciepła. Przez wiele lat uwaga rządzących koncentrowała się na energetyce, ale zainstalowana w naszym kraju moc w ciepłownictwie systemowym i indywidualnym jest trzykrotnie większa od zainstalowanej mocy elektrycznej. Ciepłownictwo systemowe zaopatruje w ciepło ponad 40% gospodarstw domowych w Polsce, ale aż ok. 80% systemów nie jest efektywnych energetycznie, marnowana jest w nich energia i powodują one wysoką emisję.

Co więcej, wydarzenia 2022 roku udowodniły, że stawianie na gaz ziemny jako paliwo przejściowe do osiągnięcia celu, jakim jest dekarbonizacja energetyki, ciepłownictwa i gospodarki, jest bardzo ryzykowne. Obecny kryzys energetyczny wskazuje, że era paliw kopalnych dobiega końca szybciej, niż zakładaliśmy to jeszcze parę lat wcześniej.

Narodowe Centrum Badań i Rozwoju rozpoczęło w 2021 roku kilka konkursów służących wyłonieniu innowacyjnych rozwiązań w ciepłownictwie. Są to m.in. programy:

• Ciepłownia przyszłości, czyli system ciepłowniczy z OZE,
• Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym.

Przedsięwzięcia te są współfinansowane ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach poddziałania 4.1.3 „Innowacyjne metody zarządzania badaniami” Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój 2014–2020, w ramach projektu pn. „Podniesienie poziomu innowacyjności gospodarki poprzez wdrożenie nowego modelu finansowania przełomowych projektów badawczych”.

Ciepłownia przyszłości, czyli system ciepłowniczy z OZE

Głównym celem tego przedsięwzięcia było opracowanie i demonstracja innowacyjnej technologii uniwersalnego systemu wytwarzania, przetwarzania i magazynowania energii do celów grzewczych. System taki powinien się charakteryzować efektywnością i powtarzalnością adaptacji w różnych osiedlach mieszkaniowych, wykorzystując zarazem lokalne możliwości pozyskiwania energii odnawialnej.

Efektem tego przedsięwzięcia powinien być ponad 80-proc. udział OZE w produkcji ciepła do celów grzewczych. Korzyścią jest także realizacja inwestycji konkurencyjnej kosztowo i cenowo względem tradycyjnych systemów ciepłowniczych spalających paliwa kopalne, także tych, w których zastosowano współspalanie biomasy. Celem tego programu jest również prezentacja na rynku innowacyjnych technologii, opracowanych w toku prac badawczo-rozwojowych, finansowanych w ramach procedury zamówień przedkomercyjnych, tak by były one impulsem dla rozwoju polskiego ciepłownictwa. Technologie powinny być konkurencyjne cenowo (w stosunku do relacji cenowych sprzed kryzysu energetycznego), mają zapewnić stabilną pracę i muszą być odporne na zmienne warunki pogodowe w ujęciu dobowym i rocznym, zarówno dla źródła, jak i odbiorców.

Zadanie polegało na opracowaniu projektu lokalnego, wydzielonego systemu ciepłowniczego z udziałem OZE w wysokości przynajmniej 80%. To nie tylko spełnienie wymagań dotyczących ograniczania emisji spalin, ale też gwarancja braku opłat za nie.

Złożone w NCBR projekty wykazały, że rynek – dostawcy urządzeń i technologii oraz wykonawcy – jest gotowy i skłonny do realizacji innowacyjnych projektów. Wyznaczone przez Centrum zadania są możliwe do zrealizowania m.in. z wykorzystaniem pomp ciepła, paneli fotowoltaicznych, kolektorów słonecznych, biogazowni czy biometanowni.

Zdaniem kierownictwa NCBR poprzeczka w tym programie została ustawiona bardzo wysoko, gdyż udział OZE musiał wynosić co najmniej 80%, jednak ocena prac potwierdziła, że zawierają one realistyczne koncepcje, możliwe i opłacalne w realizacji. A to oznacza, że nasze ciepłownictwo dysponuje dostępem do technologii, których wymaga strategia Europejskiego Zielonego Ładu i które pozwalają na uzyskanie niezależności i bezpieczeństwa energetycznego oraz niezależności od cen paliw kopalnych.

W pierwszym etapie konkursu NCBR pozytywnie oceniono pięć projektów. Jednak tylko jeden z nich mógł zostać zakwalifikowany do II etapu – czyli uzyskać środki wsparcia na realizację w wysokości ok. 33 mln zł. Pozostali autorzy otrzymali po ok. 500 tys. zł za opracowanie projektów.

Projekty zakwalifikowane do I etapu to:

1. Budowa bezemisyjnego systemu dostaw ciepła dla mieszkańców miasta Choszczno – konsorcjum: SEC Region ze Szczecina i PlanEnergi Fond Nordjylland.

2. GHI Green Heat and Storage Integrator – konsorcjum: RAFAKO Innovation i EC BREC Instytut Energetyki Odnawialnej.

3. Hybrydowa ciepłownia OZE – RenBio, Bydgoszcz.

4. Innowacyjny system niskoemisyjnej ciepłowni przyszłości z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii – konsorcjum: Instytut Badań Stosowanych Politechniki Warszawskiej, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki oraz FHU Urządzenia Grzewcze Marek Czamara, Limanowa.

5. Ciepłownia OZE wraz z systemem sezonowych magazynów ciepła – Euros Energy HC Plant firmy EUROS ENERGY i właśnie ten projekt NCBR zakwalifikowało do II etapu.

Prototypowa instalacja w Lidzbarku Warmińskim według projektu Euros Energy, wykorzystująca blisko 100% energii odnawialnej powinna powstać do końca listopada 2023 r. O wygranej zadecydowały wysoki udział OZE w produkcji ciepła oraz duże możliwości skalowania i szybkość wdrożenia, a także możliwość wykorzystania elementów projektu dla wzmocnienia końcówek sieci i podłączenia kolejnych budynków w dużych miastach. Zaproponowana technologia zakłada pełne odejście od spalania paliw kopalnych i biomasy. Opiera się ona na lokalnym wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii i gwarantuje stabilność cen ciepła dla odbiorców.

Rewersyjne pompy ciepła zintegrowano z trzema dolnymi źródłami: z powietrznymi wymiennikami ciepła, z niskotemperaturowym magazynem gruntowym oraz z wysokotemperaturowym magazynem wodnym. System zasilany jest energią elektryczną produkowaną bezpośrednio na miejscu z hybrydowych kolektorów słonecznych (dostarczających energię elektryczną i ciepło) oraz z pobliskiej instalacji fotowoltaicznej, a w zimne noce wspierany jest energią elektryczną z sieci energetycznej zakupioną z gwarancją pochodzenia z OZE.

Instalacja ta ma zapewnić 90% ciepła z OZE na osiedlu Astronomów w Lidzbarku Warmińskim. Inwestorem jest Veolia, a instalacja ma ogrzać mieszkania o łącznej powierzchni 28 tys. m². Veolia zakłada, że w każdym z miast, w których działa, do 2030 roku wyeliminowane zostanie spalanie węgla, a do 2050 roku osiągnięta neutralność klimatyczna. Doświadczenia z Lidzbarka Warmińskiego chce wykorzystać w innych swoich zakładach, a jest obecna w 60 miastach w Polsce.

W Lidzbarku zmodernizowana zostanie również sieć ciepłownicza zbudowana w latach 80. Przewody ciepłownicze wymienione zostaną na rury w technologii preizolowanej. Jest to niezbędne dla nowej technologii opartej na pompach ciepła i magazynach ciepła – rury preizolowane zapewnią wysoką efektywność przesyłu wody grzewczej o temperaturze maksymalnej 80°C. Tak samo jak konieczne jest zastosowanie technologii zapobiegających stratom ciepła na przesyle, niezbędne jest również zmodernizowanie węzłów cieplnych – stare węzły grupowe zostaną zastąpione nowoczesnymi węzłami indywidualnymi dla każdego budynku. Jeden z budynków będzie też korzystał z produkcji chłodu w węźle do chłodzenia mieszkań na ostatniej kondygnacji.

Może Cię zainteresuje: Ciepłownictwo systemowe w drodze do generacji 5G

Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym

Głównym celem tego konkursu było opracowanie i demonstracja innowacyjnej technologii uniwersalnego systemu wytwarzania i magazynowania energii do celów grzewczych w połączeniu z kogeneracją opartą na odnawialnych źródłach energii dla autobilansowania lokalnego systemu elektroenergetycznego. System ten charakteryzować się powinien efektywnością ekonomiczną i powtarzalnością adaptacji w różnych lokalizacjach, wykorzystując dostępność energii odnawialnej. Efektem przedsięwzięcia powinien być ponad 80-proc. udział OZE w systemie elektrociepłowniczym.

Technologia ma zapewniać stabilną pracę i powinna być odporna na zmienne warunki pogodowe. Ma też równoważyć lokalny rynek energii elektrycznej. Ekonomię przedsięwzięcia oraz bezpieczeństwo ciągłości świadczenia usług poprawiać ma zastosowanie kogeneracji z wykorzystaniem OZE (np. biogazu lub zielonego wodoru) i sprzedaż energii elektrycznej w czasie, gdy jest ona najdroższa. Projekt ma potwierdzić, że istnieje opłacalny rynkowo system elektrociepłowniczy, który dostarczać będzie odbiorcom ciepło i energię elektryczną pozyskane w co najmniej 80% ze źródeł odnawialnych, takich jak np. energia słoneczna, energia wiatrowa czy biogaz. Przedstawione projekty miały też za zadanie zredukowanie roli konwencjonalnych technologii wytwarzania ciepła i energii elektrycznej, które cechuje wysoka emisyjność, w drodze do dekarbonizacji i osiągnięcia neutralności klimatycznej do 2050 r. zgodnie z założeniami Europejskiego Zielonego Ładu.

Projekty zakwalifikowane do I etapu i ocenione pozytywnie to:

1. Bezpieczna i czysta energia dla Sokołowa – konsorcjum: ECN S.A., Energotechnika i Instytut Certyfikacji Emisji Budynków oraz Biogas East, a także Przedsiębiorstwo Usług Inżynieryjno-Komunalnych Sokołów Podlaski.

Projekt ten został dopuszczony do drugiego etapu ze wsparciem finansowym na realizację w kwocie blisko 36 mln zł. Pozostałe otrzymały wynagrodzenie w kwocie ok. 500 tys. zł za realizację pierwszego etapu.

2. Elektrociepłownia przyszłości – PEC w Końskich – konsorcjum: Atende Industries, PEC w Końskich, Biuro Studiów, Projektów i Realizacji ,,Energoprojekt-Katowice”.

3. Słoneczno-wodorowa lokalna elektrociepłownia krajowa – konsorcjum: PGNiG Termika Energetyka Rozproszona, Politechnika Wrocławska, PGNiG Termika S.A.

4. Elektrociepłownia z ogniwami SOFC zasilana wodorem – konsorcjum: Centrum Badawczo-Rozwojowe im. M. Faradaya, Instytut Energetyki – Instytut Badawczy, Energa Ciepło Ostrołęka.

5. Zielony kogenerator miejski – konsorcjum: Rafako Innovation i EC BREC Instytut Energetyki Odnawialnej.

6. Kogeneracyjny układ wodorowy wspomagany magazynem ciepła – konsorcjum: Enea Ciepło Białystok, Zakłady Pomiarowo – Badawcze Energetyki „Energopomiar” Gliwice.

7. Zielone elektrociepłownie – konsorcjum: Kancelaria Doradztwa Rynku Energii Daniel Raczkiewicz, Agrikomp Polska, Zielona Energia Michałowo, Zielone Elektrociepłownie Milanówek.

8. Innowacyjny zeroemisyjny system elektrociepłowni bazującej na odnawialnych źródłach energii i technologiach wodorowych – konsorcjum: Politechnika Krakowska, Instytut Badań Stosowanych Politechniki Warszawskiej, F.H.U. Urządzenia Chłodnicze Marek Czamara.

9. Elektrociepłownia w lokalnym klastrze energetycznym – Euros Energy EHC Plant – firmy Euros Energy.

10. Elektrociepłownia biogazowa – Euros Energy EHC Plant – firmy Euros Energy.

Projekt „Bezpieczna i czysta energia dla Sokołowa” w ramach przedsięwzięcia ­NCBR „Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym” ma docelowo zapewnić ciepło dla całego miasta i pozyskiwać energię niemal wyłącznie na bazie odnawialnych źródeł energii. Początki tego projektu sięgają 2017 roku, gdy z inicjatywy władz miasta został utworzony Lokalny Klaster Energii „Bezpieczna i czysta energia dla Sokołowa”. W ramach projektu NCBR zmodernizowana zostanie działająca elektrociepłownia spalająca paliwa kopalne. Idea tego projektu tworzy alternatywę dla małej i średniej wielkości systemów ciepłowniczych do 50 MW, których setki eksploatuje się w Polsce. Pod koniec 2023 roku elektrociepłownia ma się stać elementem lokalnego systemu elektroenergetycznego.

Sokołów liczy około 20 tys. mieszkańców, z czego połowę stanowią odbiorcy ciepła systemowego. Nowy, inteligentny system elektrociepłowniczy już w pierwszej fazie eksploatacji będzie obejmował 40% ciepła systemowego na ogrzewanie mieszkań i innych powierzchni użytkowych w mieście oraz dostarczanie ciepłej wody użytkowej. Docelowo obejmie 100% dostaw ciepła. Ma produkować i sprzedawać energię elektryczną, gdy jej cena rynkowa jest najwyższa, czyli kiedy jej brakuje. Moc szczytową zapewni gromadzony biogaz. Z kolei ciepło ma być niedrogie, czyli w cenie porównywalnej do tradycyjnych systemów wykorzystujących paliwa kopalne.

Podstawą tego rozwiązania jest założenie, że nowa elektrociepłownia będzie aktywnym elementem lokalnego systemu elektroenergetycznego, stabilizującym pracę jednostek wykorzystujących energię z odnawialnych źródeł. W Sokołowie Podlaskim wydzielona miejska sieć ciepłownicza będzie zasilana energią wytworzoną przez układ silników kogeneracyjnych, pompy ciepła i kocioł biogazowy. Biometan będzie gromadzony z produktów pochodzenia rolniczego, a z czasem także z przetwarzania odpadów przemysłowych i komunalnych. Miejska sieć ciepłownicza będzie początkowo dostarczać ciepło o parametrach 80/60°C, by z czasem zejść do poziomu 70/50°C. Niższa temperatura sieci to mniejsze straty ciepła. Jednak sieć taka wymaga modernizacji i zastosowania m.in. preizolowanych rur ciepłowniczych oraz nowoczesnych węzłów.

Zmagazynowany biogaz w okresach zwiększonego zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną będzie spalany w układzie kogeneracyjnym. Wpływ na jego pracę będzie także mieć rynkowy popyt na energię elektryczną i ceny jej sprzedaży. Ponadto układ kogeneracyjny będzie współdziałać z pompami ciepła powietrze/woda, tak aby ich praca przynosiła jak najwyższe efekty energetyczne i ekonomiczne. Co więcej, system jest tak budowany, by był gotowy na zasilanie wodorem układu kogeneracji oraz wytwarzanie i magazynowanie sprężonego biometanu do zasilania np. komunikacji miejskiej lub maszyn rolniczych. Docelowo system energetyczny ma integrować infrastrukturę elektryczną o łącznej mocy ok. 10 MW, w skład której będą wchodziły, oprócz układów kogeneracyjnych zasilanych biogazem, także elektrownie wiatrowe i farmy fotowoltaiczne.

Projekt ma być zatem elementem szerszych działań miasta w ramach tworzenia Smart City. Wyróżnia go także fakt, że opiera się na pracy sztucznej inteligencji integrującej wiele geograficznie rozproszonych elementów technologii OZE, a zwłaszcza ścieżki technologii biometanowej, obejmującej wytwarzanie biogazu, jego magazynowanie, uszlachetnianie oraz transport z terenów rolniczych do miasta. Sztuczna inteligencja i zarzadzanie pracą całego układu z kogeneracją i pompami ciepła oraz systemem produkcji i gromadzenia biometanu daje szansę na blisko 100-proc. udział OZE w produkcji energii. To także szybka ścieżka do osiągnięcia przez sokołowski zakład energetyki ciepłowniczej statusu przedsiębiorstwa efektywnego energetycznie. Z czasem będzie to także wsparcie rozwoju elektromobilności indywidualnej oraz prosumentów indywidualnych i instytucjonalnych w mieście. Prace przygotowawcze trwały parę lat, teraz nadszedł czas realizacji i kolejnych projektów w Sokołowie Podlaskim inspirowanych strategią Europejskiego Zielonego Ładu.

Digitalizacja i modernizacja sieci

Ciepłownie i elektrociepłownie wymagają także zmian w systemie dystrybucji ciepła – wymiany węzłów i przewodów. Muszą również przystosowania się do tego, że budynki – ich odbiorcy ciepła – będą coraz częściej korzystać z innowacyjnych rozwiązań, m.in. z użyciem pomp ciepła, kolektorów słonecznych czy paneli fotowoltaicznych na końcówkach sieci ciepłowniczych.

W tym zakresie Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej przygotowuje program priorytetowy „Digitalizacja sieci ciepłowniczych”. Jego spodziewane efekty to zmniejszenie zużycia energii pierwotnej, zmniejszenie emisji CO₂ oraz co najmniej 5 tys. nowoczesnych węzłów cieplnych. Budżet tego programu wyniesie 500 mln zł i będzie on realizowany do czasu wyczerpania środków, najpóźniej do 2030 roku. Dotacje i pożyczki oferowane będą przedsiębiorstwom prowadzącym koncesjonowaną działalność gospodarczą w zakresie przesyłu i dystrybucji ciepła. Wspierane będą budowy i przebudowy systemu telemetrii i telemechaniki, wdrażające nowoczesne narzędzia i rozwiązania IT do zdalnego nadzoru, sterowania i regulacji pracy systemu ciepłowniczego, monitorowania parametrów jakościowych przesyłu ciepła/chłodu czy przekazywania informacji o zakłóceniach w pracy sieci i węzłów, a także lokalizacji awarii i przeznaczonych do odczytu na odległość wskazań urządzeń pomiarowo-rozliczeniowych oraz instalacji OZE produkujących energię wyłącznie na cele urządzeń wykonawczych związanych z systemem telemetrii i telemechaniki – przy czym elementem instalacji OZE może być magazyn energii pod warunkiem jego integracji ze źródłem odnawialnym. Za kwalifikowane będą uznane jedynie te zadania, których realizacja wynika z przeprowadzonego audytu efektywności energetycznej (art. 2 pkt 1 ustawy o efektywności energetycznej) lub audytu energetycznego (art. 2 pkt 8 ustawy o wspieraniu termomodernizacji i remontów oraz o centralnej ewidencji emisyjności budynków).

W ubiegłych latach NFOŚiGW przeznaczył znaczne środki na realizację programu „Efektywna dystrybucja ciepła i chłodu”. Już kilka lat temu analizy rozwoju ciepłownictwa wskazywały bowiem, że konieczna jest modernizacja sieci, które były przewymiarowane pod względem zapotrzebowania na ciepło oraz parametrów zasilania. Choć budynków zasilanych ciepłem sieciowym będzie przybywać, to istniejące zostaną zmodernizowane i będą potrzebowały mniej ciepła niż obecnie. Będą korzystać z ogrzewania niskotemperaturowego oraz własnych źródeł energii odnawialnej.

Do zmniejszenia popytu na ciepło w istniejących systemach przyczyniają się też zmiany klimatu. Tym samym systemy dystrybucji muszą przechodzić na mniejsze średnice rurociągów, wykowywanych w energooszczędnej technologii preizolowanej, które będą pracować w systemie, gdzie dostawcami ciepła i energii będą nie tylko elektrociepłownie, ale też budynki plusenergetyczne.

Literatura

1. https://www.gov.pl/web/ncbr/innowacje-ncbr-dla-zielonego-cieplownictwa
2. https://ieo.pl/pl/innowacyjne-cieplownictwo-na-dobrej-drodze-do-zeroemisyjnosci
3. https://www.ieo.pl/pl/aktualnosci/1597-znana-technologia-w-nowej-odslonie-magazyny-ciepla-3
4. https://cieplowniaprzyszlosci.pl/
5. https://iceb.info/
6. https://www.gov.pl/web/nfosigw/narodowy-fundusz-ochrony-srodowiska-i-gospodarki-wodnej-przedstawia-do-konsultacji-projekt-programu-priorytetowego-digitalizacja-sieci-cieplowniczych
7. Turski Michał, Sekret Robert, Konieczność reorganizacji systemów ciepłowniczych w świetle zmian zachodzących w sektorze budowlano-instalacyjnym, „Rynek Energii” 8/2015