Czy ciepło systemowe to zawsze najlepsze rozwiązanie?
Zużycie paliw do produkcji ciepła w przedsiębiorstwach
Częstym rozwiązaniem w ciepłownictwie systemowym jest zasilanie sieci z wielu źródeł, co utrudnia ocenę jego efektywności energetycznej, dodatkowo w ramach jednego przedsiębiorstwa mogą się pojawić jej bardzo różne wartości. Ocena 320 sieci wykazała, że prawie 1/3 z nich miała współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej większy niż 1,5. Tak wysoka wartość wskazuje, że sprawność systemu jest bardzo niska i powoduje dużą emisję do atmosfery. Ciepłownictwo systemowe wymaga podjęcia pilnych działań w celu poprawy jego efektywności, a w nowych i modernizowanych budynkach należy brać pod uwagę także inne technologie pozyskiwania ciepła.
Zobacz także
FLOWAIR Sprawdź, jak prześcigniesz konkurencję dzięki SYSTEMOWI FLOWAIR
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami...
Jeżeli na co dzień zarządzasz zespołem, z pewnością wiesz, że warunki panujące w pomieszczeniach bezpośrednio przekładają się na jakość i wydajność pracy. To samo dotyczy logistyki i zarządzania towarami – musisz o nie zadbać, aby podczas składowania nie straciły swoich właściwości.
Alfa Laval Efektywna wymiana ciepła to kwestia nowoczesnych rozwiązań w wymienniku ciepła a nie tylko powierzchni grzewczej
Światowe zapotrzebowanie na energię nie staje się coraz mniejsze – wręcz przeciwnie. W nadchodzących latach coraz trudniej będzie utrzymać konkurencyjność, ponieważ firmy na każdym rynku i w każdej branży...
Światowe zapotrzebowanie na energię nie staje się coraz mniejsze – wręcz przeciwnie. W nadchodzących latach coraz trudniej będzie utrzymać konkurencyjność, ponieważ firmy na każdym rynku i w każdej branży poszukują nowych sposobów maksymalizacji wydajności przy jednoczesnym obniżeniu kosztów energii i udoskonaleniu swojego wizerunku w zakresie ochrony środowiska. Wyzwania te będą złożone i wieloaspektowe.
TRANTER, Jakub Szałwiński Wpływ parametrów pracy wymiennika chłodu na jego wielkość i cenę
Wymienniki płytowe uszczelkowe stosowane są w instalacjach chłodu od wielu lat i nie mają konkurencji wśród innych typów wymienników ciepła. Co prawda dla małych przepływów i mocy istnieje możliwość zastosowania...
Wymienniki płytowe uszczelkowe stosowane są w instalacjach chłodu od wielu lat i nie mają konkurencji wśród innych typów wymienników ciepła. Co prawda dla małych przepływów i mocy istnieje możliwość zastosowania wymienników płytowych lutowanych, lecz od pewnych wartości przepływów wymienniki lutowane wymagają stosowania układów wielowymiennikowych.
|
W artykule: • Aktualny stan polskiego ciepłownictwa • Energia pierwotna • Podstawa obliczania energii pierwotnej zużywanej przez budynki • Wskaźnik nakładu nieodnawialnej EP jako narzędzie kształtowania polityki energetycznej w kraju • Parametr źródła ciepła • Sposób liczenia wskaźnika wP,c • Problemy z wyliczeniem wskaźnika wP,c dla sieci cieplnej • Wpływ wskaźnika wP,c na charakterystykę energetyczną budynków • Prezentacja ogólnopolskiej bazy wskaźników wP,c dla sieci ciepłowniczych • Wstępne wyniki analizy sieci cieplnych w Polsce |
Aktualny stan polskiego ciepłownictwa
Produkcją ciepła w Polsce zajmują się nie tylko wyspecjalizowane zakłady, ale również inne podmioty. Najliczniejszą grupę stanowią gospodarstwa domowe z szacowanym na 500 000 TJ (teradżuli) wolumenem produkowanej i zużywanej energii. Tematem artykułu są przedsiębiorstwa energetyczne, które dystrybuują i przesyłają ciepło. Wytwórcy posiadający koncesje na wytwarzanie ciepła (WCC) o mocy źródła powyżej 5 MW, dostarczyli im w 2022 roku łącznie 404 700 TJ. Ci właściciele sieci cieplnych, u których łączna moc zamówiona przez odbiorców przekracza 5 MW, muszą posiadać koncesję o symbolu PCC wydawaną przez Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki. Takich podmiotów było w 2022 roku 352 i eksploatowały one ok. 550 sieci cieplnych. Podobna liczba przedsiębiorstw niekoncesjonowanych, będących najczęściej wytwórcą i dystrybutorem, produkuje tylko 50 000 TJ (patrz rys. 1).
Warto zauważyć, że nie każdy dystrybutor ciepła ma własne ciepłownie, a niektórzy posiadają kilka lub nawet kilkanaście połączonych lub niezależnych sieci. Częstym przypadkiem jest ich zasilanie jednocześnie z własnych i obcych źródeł. Przy skomplikowanych konfiguracjach bardzo trudno jednoznacznie ocenić jakość całego procesu. W nieco uproszczony sposób można to zrobić za pomocą wskaźnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej. Oddaje on dość dobrze, z pewnymi wyjątkami omówionymi w artykule, efektywność energetyczną poszczególnych sieci. Oznacza to, że w ramach jednego przedsiębiorstwa mogą się pojawić jej bardzo różne wartości.
Koncesjonowane przedsiębiorstwa ciepłownicze dysponowały w 2022 r. sieciami o łącznej długości 22 578,4 km i spalały różne paliwa, z przewagą węgla kamiennego (rys. 2).
Rozchwianie rynku paliw, w szczególności węgla kamiennego oraz gazu ziemnego, jakie nastąpiło pod koniec 2021 r. i nasiliło w 2022, a także wzrost cen uprawnień do emisji dwutlenku węgla doprowadziły do istotnego ograniczenia przychodów przedsiębiorstw energetycznych wytwarzających ciepło, szczególnie w jednostkach kogeneracji (jednoczesne wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej). Również sposób ustalania cen ciepła (rozporządzenie taryfowe) na regulowanym rynku, pomimo różnego rodzaju wsparcia dla producentów energii stosujących kogenerację, powoduje w ciągu ostatnich pięciu lat stałe pogarszanie się wyników finansowych tego sektora energetyki.
Na podstawie danych zamieszczonych w tabeli 1 można by wyciągnąć wniosek, że cała branża kwalifikuje się do likwidacji. Jednak sektor ten obejmuje kilkaset przedsiębiorstw ciepłowniczych o bardzo zróżnicowanej sytuacji ekonomicznej. Różnią się one również pod względem efektywności energetycznej. Do jej oceny bardzo dobrze nadaje się stosowany od kilkunastu lat wskaźnik, czyli współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej, obliczany dla całego systemu – od wytwórcy do licznika ciepła u odbiorcy. Przy jego pomocy można stworzyć prosty, jednoliczbowy system benchmarkingu. Taka prosta metoda porównawcza ułatwiłaby decyzję, komu warto pomagać przy dalszej produkcji, a kto powinien zlikwidować nierentowną sieć i zastąpić ją źródłami indywidualnymi.
Rys. 1. Z użycie ciepła w Polsce Oprac. własne na podst. [1] i [10]
Tabela 1. Rentowność przedsiębiorstw wytwarzających ciepło [1]
Rys. 2. Zużycie paliw do produkcji ciepła w przedsiębiorstwach
Energia pierwotna
Energia pierwotna to energia całkowita zawarta w nieprzerobionym paliwie w złożu. Ilustruje to rys. 3, przedstawiający bilans energii pierwotnej dostarczanej na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej przykładowego budynku szkolnego.
Energia pierwotna uwzględnia nie tylko energię na ogrzewanie budynku, ale również nakłady energetyczne na wydobycie, transport i potrzeby własne kopalni oraz straty w ciepłowni powstające przy zamianie energii chemicznej paliwa na ciepło. Na końcowym etapie mamy jeszcze straty przesyłu, czyli oddawanie przez sieci części ciepła do otoczenia.
Ponieważ brakuje np. w Prawie energetycznym [6] oficjalnej definicji wskaźnika/współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej, poniżej podano kilka sposobów jego opisu stosowanych w praktyce.
Rys. 3. Roczny bilans energii pierwotnej budynku szkolnego (bez energii elektrycznej)
Tabela 2. Wskaźniki nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej w metodologii sporządzania świadectw charakterystyki energetycznej budynków [2]
Podstawa obliczania energii pierwotnej zużywanej przez budynki
W charakterystykach energetycznych budynków stosowany jest wskaźnik rocznego zapotrzebowania na energię pierwotną EP [kWh/(m2 rok)]. Pokazuje on sumaryczne zapotrzebowanie na wszystkie nośniki energii wyrażone w kilowatogodzinach w ciągu roku w odniesieniu do jednego metra kwadratowego powierzchni użytkowej (o regulowanej temperaturze). Aby go określić, obliczamy zapotrzebowanie na energię końcową (w uproszczeniu: tę, którą wskazują liczniki rozliczeniowe), a następnie mnożymy przez współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej. Współczynnik ten odczytujemy z tabeli umieszczonej w rozporządzeniu w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku [2].
W tabeli 2 zamieszczono konkretne wartości dla poszczególnych nośników energii. Warto zaznaczyć, że podane wartości ciepła sieciowego mogą być zastosowane wyłącznie przez certyfikatorów i audytorów energetycznych sporządzających charakterystyki energetyczne budynków tylko w przypadku braku danych od dystrybutora ciepła. W żadnym przypadku nie mogą tych danych wykorzystywać pracownicy przedsiębiorstw ciepłowniczych – poniżej dokładnie opisano obowiązujący ich algorytm obliczania tego wskaźnika.
Zobacz także: Dzięki produkcji energii z biomasy będzie czystsze powietrze w pięciu miastach
Wskaźnik nakładu nieodnawialnej EP jako narzędzie kształtowania polityki energetycznej w kraju
Dane zamieszczone w tabeli 2 dotyczą tylko Polski. Przyjęcie w niej np. wskaźnika równego 0,15 dla ciepła sieciowego z kogeneracji przy spalaniu biomasy preferuje elektrociepłownie spalające np. odpady drewna. W poszczególnych krajach europejskich dla sieci cieplnych przyjmowane są bardzo różne wartości, w zakresie od 0,15 do 1,50 [3].
Parametr źródła ciepła
Parametr źródła ciepła wyznaczany jest zgodnie z rozporządzeniem w sprawie szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej [4]. Obowiązek jego publikowania na stronach internetowych dystrybutorów ciepła określa ostatnio znowelizowana i obowiązująca od 1 października 2023 r. ustawa Prawo energetyczne [6, 7]. Do 31 marca 2024 r. parametr ten ma być dodatkowo przesyłany przez każdego posiadacza koncesji PCC do Urzędu Regulacji Energetyki (na specjalnym formularzu). Poniżej podano szczegółową procedurę jego obliczania.
Sposób liczenia wskaźnika wP,c
Załącznik do rozporządzenia [4] podaje szczegółowy sposób obliczania współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla systemów ciepłowniczych wykorzystujących sieci cieplne:
gdzie:
wP,i – współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej odpowiedni dla danego nośnika energii finalnej stosownie do wykorzystywanego paliwa lub źródła energii, określony w tabeli 3;
Hch,i – ilość energii wprowadzonej w paliwie, w tym w biomasie lub biogazie, do źródeł ciepła dostarczających ciepło do danej sieci ciepłowniczej, zarówno do kotłów części ciepłowniczej, jak i jednostek kogeneracyjnych, liczona jako iloczyn ilości tego paliwa i jego wartości opałowej, a także ilość ciepła odpadowego z instalacji przemysłowych lub ilość ciepła wytworzonego w instalacjach odnawialnego źródła energii, z wyjątkiem źródeł wykorzystujących w procesie przetwarzania energię pozyskaną z biomasy lub biogazu, dostarczona w ciągu roku do tej sieci ciepłowniczej, MWh/rok;
wel – współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla energii elektrycznej z produkcji mieszanej, określony w tabeli 3;
El – ilość energii elektrycznej brutto, mierzonej na zaciskach generatorów, wytworzonej w ciągu roku z układu kogeneracyjnego, MWh/rok;
QK,i – ilość ciepła dostarczona w ciągu roku z sieci ciepłowniczej do odbiorców końcowych przyłączonych do tej sieci, MWh/rok.
Przykład wykorzystania powyższego wzoru do obliczania wskaźnika dla konkretnej elektrociepłowni (wykorzystującej częściowo kogenerację) obrazuje rys. 4.
Rys. 4. Przykład obliczania współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla elektrociepłowni wykorzystującej częściowo kogenerację
Problemy z wyliczeniem wskaźnika wP,c dla sieci cieplnej
Nieopublikowanie przez dystrybutora tego wskaźnika lub podanie jego błędnej wartości może wynikać z różnych przyczyn, poniżej podano najczęściej spotykane.
1. Nieopublikowanie wskaźnika wP,c z powodu:
a) braku wykwalifikowanej kadry,
b) braku danych od dostawcy ciepła,
c) uznania braku w rozporządzeniu wskaźnika wi dla danego nośnika za powód wystarczający do zaniechania obliczeń,
d) uznania przepisu za nieobowiązujący,
e) uznania wartości wskaźnika za kompromitujący dystrybutora,
f) uznania wartości wskaźnika za nierealny.
2. Publikowanie jako wskaźnika wP,c podpowiedzi z tabelki dla ciepła sieciowego pochodzącej z rozporządzenia [2], np. 0,8; 1,1; 1,2 lub 1,3.
3. Błędny wynik obliczeń wskaźnika z powodu:
a) pozyskania błędnych danych wyjściowych,
b) zastosowanie wskaźników wi nieodpowiednich nośników,
c) przyjęcia ciepła spalania zamiast wartości opałowej dla gazu ziemnego,
d) błędów rachunkowych, pomylenia jednostek (GJ z MWh).
4. Obliczenie uśrednionego wskaźnika dla kilku niezależnych sieci.
5. Pominięcie mniejszych sieci przy prezentacji danych.
Bardzo dużym błędem jest stosunkowo częste podawanie przy sporządzaniu charakterystyki energetycznej budynku wskaźnika wi równego 0,80 dla sieci cieplnych zasilanych przez elektrociepłownie (więcej na ten temat w dalszej części artykułu).
Poza opisanymi powyżej błędami leżącymi po stronie przedsiębiorców zobowiązanych do obliczania i publikowania nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej występują też problemy wynikające z niedoskonałości algorytmu (wzoru) do wyznaczania tego wskaźnika. Dotyczy to szczególnie sieci zasilanych z elektrowni zawodowych.
Poniżej omówiono uproszczony przykład, który występuje w przypadku elektrowni konwencjonalnych zasilanych węglem kamiennym lub brunatnym. Pominięto w nim energię zawartą w oleju zużytym w palnikach rozpałkowych. Poza produkcją energii elektrycznej rozpatrywana elektrownia dostarcza niewielkie ilości ciepła do lokalnej sieci. Trudno ją nazwać elektrociepłownią, ponieważ, jak pokazano w tabeli 4, ilość dostarczanej energii cieplnej stanowi tylko 1,8% w stosunku do wytwarzanej energii elektrycznej. Przy takim układzie, wstawiając wszystkie dane do wzoru, otrzymamy absurdalny wynik wP,c = 22,3.
Co taka liczba oznacza w praktyce? Upraszczając, można przyjąć, że w przeliczeniu na energię pierwotną do wytworzenia 1 GJ ciepła dostarczonego do odbiorcy elektrownia spaliła węgiel o zawartości energii chemicznej 22,3 GJ. Jest to oczywista nieprawda i wynika z niedoskonałości przyjętego algorytmu obliczeń.
Dane wyjściowe do obliczeń uzyskano z ruchomych przyrządów pomiarowych. Błędy pomiaru poszczególnych składników algorytmu mają bardzo różny wpływ na ostateczny wynik. Najdokładniej mierzona jest produkcja energii elektrycznej oraz sprzedaż ciepła do odbiorców. Większe błędy popełniamy przy szacowaniu ilości energii w spalanym węglu. Strumień paliwa to suma wskazań wag rejestrujących zainstalowanych na taśmociągach podających węgiel z zasobników do młynów. Pomnożenie go przez wartość opałową, która już nie jest mierzona w sposób ciągły, daje w rezultacie energię chemiczną węgla zużytego w elektrowni Hch,i. Jest to najwyższa wartość pomiarowa wstawiana do wzoru, obarczona stosunkowo dużym błędem. Jednak największy wpływ na wynik końcowy ma współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej wel równy 2,5, ustalany dla całego systemu elektroenergetycznego. Przez ten współczynnik mnożona jest produkcja energii elektrycznej, co w skrajnych przypadkach może doprowadzić do wyniku przekraczającego liczbę 100 lub nawet ujemnego.
Problemy pojawiają się także przy nietypowych paliwach, np. dla spalarni odpadów, czyli przy tzw. paliwie RDF. Według sugestii MKiS [8] dla frakcji biodegradowalnej należy przyjąć taki wskaźnik jak dla biomasy, a dla pozostałej części strumienia wykorzystany powinien zostać wskaźnik dla węgla. Podobnie wygląda sytuacja ze wskaźnikiem dla metanu z odmetanowania kopalń oraz dla gazu koksowniczego – MKiS informuje, że na chwilę obecną nie istnieje dla nich oddzielny współczynnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej. Dlatego w tych dwóch przypadkach należy skorzystać ze współczynnika dla gazu ziemnego, określonego w tabeli zamieszczonej w Załączniku nr 3 do rozporządzenia [4] (tabela 3).
Wpływ wskaźnika wP,c na charakterystykę energetyczną budynków
Poniżej podano przykład wpływu błędnie ustalonego wskaźnika wP,c na spełnienie wymogów WT 2021 [5] dotyczących wielkości EP w budynku mieszkalnym wielorodzinnym.
wP,c = 0,800 → EP = 64,15 kWh/(m2 · rok) 64,15 < 65,00 – warunek spełniony
W praktyce ciepłownia opalana węglem z niewielkim udziałem kogeneracji może mieć zupełnie inny, znacznie większy wskaźnik, np.:
wP,c = 1,157 → EP = 85,79 kWh/(m2 · rok) 85,79 > 65,00 – warunek niespełniony
Efekty błędnie przyjętego wskaźnika o wartości 0,8 ilustruje wykres załączany do świadectwa charakterystyki energetycznej budynku (rys. 5).
Prezentacja ogólnopolskiej bazy wskaźników wP,c dla sieci ciepłowniczych
Staraniem autora powstała ogólnopolska baza wskaźników nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej sieci cieplnych, umieszczona na stronie audytyiswiadectwa.pl. Witryna zawiera nie tylko wartości wP,c, ale także wiele informacji dotyczących prawidłowego obliczania tego wskaźnika. Dodano również link do arkusza kalkulacyjnego umożliwiającego szybkie wyliczenie wskaźnika wP,c w większości występujących przypadków.
Tabela 4. Przykład obliczania wskaźnika wP,c dla sieci zasilanej z elektrowni
Rys. 5. Wpływ błędnego wskaźnika wP,c na charakterystykę energetyczną budynku
Tabela 5. Wskaźnik nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej – wyniki wstępnej analizy polskich sieci cieplnych
Rys. 6. Zrzut ekranu ze strony audytyiswiadectwa.pl
Wstępne wyniki analizy sieci cieplnych w Polsce
Celem analizy było określenie maksymalnych, minimalnych oraz średnich wskaźników nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla sieci cieplnych zasilanych z ciepłowni oraz elektrociepłowni. W listopadzie 2023 r. na stronie audytyiswiadectwa.pl zgromadzono dane dotyczące 320 sieci, czyli ok. 59% wszystkich sieci eksploatowanych przez przedsiębiorstwa z koncesją PCC. Przeanalizowano ich wskaźniki wP,c z lat 2021 i 2022 (patrz tabela 5).
Dane te mają charakter poglądowy i nie mogą służyć wyciąganiu jednoznacznych wniosków. Próba nie jest reprezentatywna, ponieważ prawie połowa przedsiębiorstw ciepłowniczych nie podała danych dotyczących swoich sieci. Dokładniejszą analizę będzie można przeprowadzić po 31 marca 2024 r., czyli po terminie obowiązkowego przekazania wyników obliczeń wskaźnika wP,c do URE.
Warto jednak zauważyć, że np. w 2021 roku aż 96 sieci cieplnych charakteryzowało się wskaźnikiem większym niż 1,5. Oznacza to, że sprawność takiego systemu jest mniejsza od sprawności pieca kaflowego spalającego węgiel! Przy wskaźniku ponad 2,0 jedynym rozsądnym rozwiązaniem wydaje się likwidacja takiego systemu i zastąpienie go np. indywidualnymi grzejnikami elektrycznymi. Umożliwi to znaczną poprawę sprawności energetycznej systemu grzewczego i zmniejszenie ilości szkodliwych substancji emitowanych do atmosfery.
Literatura
1. Energetyka cieplna w liczbach – 2022, URE, Warszawa, październik 2023
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 27 lutego 2015 r. w sprawie metodologii wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej (DzU 2015, poz. 376, z późn. zm.)
3. Zmiana regulacji w zakresie wyznaczania charakterystyki energetycznej budynku lub części budynku oraz świadectw charakterystyki energetycznej, KAPE, Warszawa, 2.11.2022
4. Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 5 października 2017 r. w sprawie szczegółowego zakresu i sposobu sporządzania audytu efektywności energetycznej oraz metod obliczania oszczędności energii (DzU 2017, poz. 1912, z późn. zm.)
5. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2022, poz. 1225)
6. Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne (t.j. DzU 2022, poz. 1385, z późn. zm.)
7. Ustawa z dnia 17 sierpnia 2023 r. o zmianie ustawy o odnawialnych źródłach energii oraz niektórych innych ustaw (DzU 2023, poz. 1762)
8. Pismo MKiŚ Departament Ciepłownictwa DC-WEE.021.33.2022.PW 2371757.9052754.7407767, Warszawa, 11.01.2023
9. https://www.audytyiswiadectwa.pl/index.php/wskaznik-wpc-dla-sieci-cieplnych (dostęp: 3.11.2023)
10. https://www.gov.pl/web/klimat/cieplownictwo-i-kogeneracja (dostęp: 3.11.2023)
