Efektywność energetyczna i ochrona środowiska

Dyskusja na temat przyszłości systemów ciepłowniczych ogniskuje się wokół problemów zwiększenia efektywności energetycznej wytwarzania i przesyłu ciepła, a także ograniczenia wpływu energetyki cieplnej na środowisko.

Efekt globalnego ocieplenia w długim terminie spowodowany jest głównie emisjami CO2, dlatego uzgodnione na konferencji klimatycznej ONZ w Paryżu (COP21) cele w postaci utrzymania wzrostu globalnych średnich temperatur na poziomie znacznie poniżej 2 stopni Celsjusza ponad poziom przedindustrialny i kontynuowanie wysiłków na rzecz ograniczenia wzrostu temperatur do 1,5 stopnia, wymagają znacznej redukcji emisji CO2. W kontekście działań podejmowanych przez kraje rozwinięte jako grupę, kraje członkowskie Unii Europejskiej zobowiązały się do roku 2050 zredukować emisje gazów cieplarnianych o 80-95% w stosunku do poziomu z roku 1990. Tak ambitne założenia dotyczące redukcji emisji będą wywierały szczególną presję na systemy energetyczne, które będą musiały być niemal bezemisyjne, pomimo rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Komisja Europejska zaproponowała kilka scenariuszy transformacji systemu energetycznego dla osiągnięcia swoich celów w horyzoncie roku 20507. W scenariuszu zakładającym niski udział energetyki jądrowej przyjęto, że nie będą budowane nowe reaktory jądrowe (oprócz reaktorów będących obecnie w budowie), jednocześnie penetracja rynku prze z technologię wychwytywania i składowania ditlenku węgla (CCS) powinna wynosić około 32%. Wydaje się, że w przypadku realizacji takiego planu CCS będzie jedyną technologią, która w krótkim czasie pozwoliłaby na tak znaczne zmniejszenie emisji CO2 w scentralizowanych źródłach wytwarzania, włączając istotne z punktu widzenia współpracy z systemami ciepłowniczymi węglowe i gazowe elektrociepłownie. Obserwować będziemy zatem konsekwentne odchodzenie od wytwarzania energii i ciepła w procesach spalania paliw kopalnych na rzecz rozwiązań energetyki niskoemisyjnej czy nawet zeroemisyjnej. Jednak utrzymanie odpowiedniego poziomu mocy wytwórczych w scentralizowanych źródłach wytwarzania będzie istotne z punktu widzenia stabilnego funkcjonowania systemu z dużym udziałem odnawialnych źródeł energii.

Współdziałanie sieci i źródeł wytwarzania

Ze względu na wysoki średni wiek bloków energetycznych w Polsce, a także wysokie koszty eksploatacyjne instalacji wychwytu CO2, realizacja wspomnianych wyżej zobowiązań w zakresie przeciwdziałania zmianom klimatu mogłaby być również rozważana w oparciu o zwiększenie udziału energetyki rozproszonej, z naciskiem na kogeneracyjne, hybrydowe systemy wytwórcze ciepła i energii elektrycznej, tj. małe zespoły współpracujących jednostek wytwórczych energii elektrycznej i ciepła, o zróżnicowanych nośnikach energii pierwotnej (odnawialnych i nieodnawialnych) i/lub zawierające układ(y) do magazynowania energii. Istotną rolę w wytwarzaniu ciepła odgrywałyby odnawialne źródła energii, przede wszystkim rozproszone, zainstalowane u odbiorców końcowych. Z dostępnych już dziś technologii wytwarzania ciepła możemy wymienić konwersję energii promieniowania słonecznego na ciepło w kolektorach słonecznych, zagospodarowanie źródeł geotermalnych z wykorzystaniem pomp ciepła, a w przypadku źródeł centralnych także w oparciu o siłownie z organicznym czynnikiem roboczym (ORC), spalanie biomasy we współpracy z siłowniami ORC, spalanie biogazu z wykorzystaniem tłokowych silników spalinowych i mikroturbin.

W związku z dużą liczbą rozproszonych, małoskalowych źródeł ciepła, w tym ciepła ze źródeł odnawialnych współpracujących z siecią ciepłowniczą, przewidujemy wielowariantowy charakter odbioru i transportu ciepła, co spowoduje, że proces zarządzania siecią będzie bardziej złożony. Konsekwencją większej nierównomierności dostaw ciepła będzie potrzeba pewnego uelastycznienia źródeł wytwarzania w kontekście bilansowania systemu, wyrażająca się prawdopodobnie wzrostem udziału układów kogeneracyjnych zasilanych gazem ziemnym, ewentualnie biogazem, a w przyszłości być może także wodorem oraz wzrostem zapotrzebowania na pojemność magazynową zasobników ciepła współpracujących z siecią. Dodatkowym elementem pozwalającym na bilansowanie systemu mogłoby być zarządzanie popytem, jednak wydaje się, że w przypadku systemów ciepłowniczych to rozwiązanie jest możliwe w znacznie mniejszym stopniu w porównaniu do rozwiązań stosowanych w systemach elektroenergetycznych. Wzorem hybrydyzacji systemów wytwarzania zakłada się również konwergencję systemów energetycznych w kierunku tzw. zintegrowanej hybrydowej sieci energetycznej8. Przykład takiego systemu przedstawiono na rys. 1. Proponowane rozwiązania przypisują istotną rolę systemu ciepłowniczemu współpracującemu z gazowymi układami kogeneracyjnymi, ponieważ zakładają magazynowanie energii ze źródeł odnawialnych w systemie (technologie Power-to-heat). Jednocześnie CO2 wychwytywany w źródłach kogeneracyjnych, mógłby posłużyć do metanizacji wodoru uzyskiwanego w technologii P ower-to-gas9 i do gazyfi kacji biomasy.

***

Koncepcja inteligentnego systemu energetycznego jest wizją przyszłościową, jednak elementy tej koncepcji są znane od lat, a wiele z nich jest już praktycznie realizowanych bądź obecnie testowanych i wdrażanych. W związku z rozwojem technologii teleinformacyjnych (ICT) oraz technologii zarządzania budynkami (BMS), konsumenci energii, w tym ciepła i chłodu, potrzebują większego dostępu do danych pomiarowych dot. zużycia energii oraz jej kosztów. Prowadzi to do wzrostu zainteresowania inteligentnym opomiarowaniem w systemach ciepłowniczych, które wymaga właściwej alokacji korzyści i kosztów budowy infrastruktury pomiędzy operatorów sieci ciepłowniczych a odbiorców ciepła. Działania te wpisują się w koncepcję inteligentnej sieci ciepłowniczej jako elementu inteligentnego systemu energetycznego omawianego w niniejszej, pierwszej części artykułu. W drugiej części artykułu omówione zostaną nowoczesne techniki w zarządzaniu siecią ciepłowniczą.

Artykuł pojawił się w numerze 3/2017 magazynu "Energetyka Cieplna i Zawodowa"

Przypisy

1 Kuczyński T., Ziembicki P. (2012). Inteligentne systemy ciepłownicze zintegrowane w ramach SMART GRID. Ciepłownitwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 43(9):360-364.

2 Osiadacz A.J., Chaczykowski M., Kwestarz M. (2016). Systemy ciepłownicze w 2050 roku-perspektywy i wyzwania. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 47(10):391-399.

3 Osiadacz A.J., Chaczykowski M., Kotyński Ł. (2012). Pakiet oprogramowania do statycznej symulacji sieci ciepłowniczych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 43(12):526-529.

4 Chaczykowski M., Kwestarz M. (2012) Komputerowa symulacja sieci ciepłowniczej instrumentem zarządzania nowoczesną fi rmą ciepłowniczą, w materiałach VII Konferencji Technicznej IGCP, Warszawa.

5 Osiadacz A.J., Chaczykowski M., Kwestarz M. (2016). Efektywność energetyczna systemu ciepłowniczego z perspektywy optymalizacji procesu pompowania, w materiałach XIII Konferencji Technicznej IGCP, Warszawa.

6 Chaczykowski M., Kwestarz M., Osiadacz A.J. (2017). Inteligentne systemy pomiarowe w ciepłownictwie. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 48(3):95-100.

7 European Commission (2011). Energy Roadmap 2050.

8 Sterner M. (2009) Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Rozprawa doktorska, University of Kassel.

9 Chaczykowski M., Osiadacz A.J. (2016) Technologie power-to-gas w aspekcie współpracy z systemami gazowniczymi, w materiałach VI Konferencja Naukowo-Technicznej ENERGETYKA GAZOWA, Zawiercie.