Patrycja Rapacka: Czy duże pompy ciepła mogą sprawdzić się w systemach ciepłowniczych?

Bogusław Regulski: Owszem tak, ale nie będą remedium na wszystko. Technologie wytwarzania ciepła stosowane w dzisiejszym ciepłownictwie systemowym, przez wzgląd na ilość i parametry ciepła dostarczanego do sieci ciepłowniczej, charakteryzuje przede wszystkim duża skala. Dlatego przyszłość technologii pomp ciepła w obszarze zaopatrzenia w ciepło uwarunkowana jest dostępnością takich właśnie technologii. Dzisiejsze przykłady zastosowania pomp ciepła w niektórych systemach ciepłowniczych skupiają się na lokalnym uzupełnieniu głównego strumienia ciepła (generalnie wspomagają krańcowe elementy tych systemów) lub są elementem mikrosystemów ciepłowniczych dedykowanych określonej grupie odbiorców. Trzeba wyraźnie podkreślić, że kluczem do utrzymania pozycji sektora ciepłowniczego jako narzędzia do dostarczania ciepła na masową skalę jest jakość ciepła. Przez taki pryzmat trzeba również ocenić strumień ciepła pochodzący z technologii pomp ciepła. W przypadku pomp ciepła wytwarzane ciepło kwalifikuje się w pewnej części jako ciepło z energii odnawialnej. Jej ilość, zgodnie z odpowiednimi regulacjami, zależy z jednej strony od tzw.  współczynnika COP czyli współczynnika efektywności pracy pompy ciepła, określającego generalnie stosunek ilości ciepła wytworzonego w urządzeniu do ilości energii elektrycznej przez niego zużytej, zaś z drugiej strony od jakości zużytej energii elektrycznej. Im większy będzie COP i bardziej „zielona” energia elektryczna, tym więcej ciepła zostanie zakwalifikowane jako ciepło z OZE. To zaś wpływa na ocenę kolejnych parametrów stanu systemów ciepłowniczych: uzyskanie statusu „efektywnego systemu ciepłowniczego” oraz odpowiedniego poziomu współczynnika nakładu nieodnawialnej energii pierwotnej dla sieci ciepłowniczej (WPC). Obydwa parametry wpływają na możliwości modernizacji sieci ciepłowniczych, poprzez otwarcie drogi do uzyskania środków wspierających inwestycje, a przede wszystkim na rozwój tych systemów i zdobywanie nowych rynków ciepła. Jak widać, jest to dosyć poważna składanka.

W tej chwili trudno jednoznacznie ocenić skalę możliwości zastosowania pomp ciepła w systemach ciepłowniczych. Wszystko zależy od lokalnych uwarunkowań danego systemu ciepłowniczego. Aby uzyskać efekt skali mamy do wyboru, albo zastosowanie dużej liczby małych instalacji albo instalacji o znaczącej mocy. Z punktu widzenia technologicznego, są już dostępne pompy ciepła np. kilkunasto- lub kilkudziesięcio-megawatowe. Wiele takich wdrożeń istnieje np. w krajach skandynawskich (Szwecja, Dania itd.). Jako tzw. dolne źródło wykorzystują one np. wodę, w tym wody morskie lub geotermalne, grunt czy ścieki w układach miejskich. Ciekawym dolnym źródłem ciepła dla pomp o dużej mocy cieplnej są właśnie ścieki, które dzięki dosyć wysokiej i stabilnej temperaturze dają możliwość uzyskania wysokiej wartości COP. Takie urządzenie funkcjonuje np. w Szwecji. Innym rozwiązaniem są pompy powietrze-woda, które obecnie stosowane są dosyć powszechnie w instalacjach małych mocy. Chociaż w pompach wykorzystujących np. powietrze z serwerowni czy w przypadku różnych form ciepła odpadowego zawartego w powietrzu, można również uzyskać znaczne wartości mocy grzewczych. Takie rozwiązania zastosowano już np. w Danii, gdzie sieci ciepłownicze powszechnie pracują w temperaturach poniżej 100 stopni Celsjusza. Wraz z transformacją ciepłownictwa systemowego w kierunku obniżania temperatur w sieciach ciepłowniczych w przyszłości, pompy ciepła znajdą na pewno swoje miejsce w polskim ciepłownictwie.

Rozumiem, że mając na uwadze specyfikę systemów ciepłowniczych, pompy ciepła mają średnie szanse na bycie podstawową, docelowo technologią dla dekarbonizacji ciepłownictwa?

Kluczem do uzyskania tego celu w przyszłości będzie jakość energii elektrycznej i parametry pracy sieci ciepłowniczych. Jeżeli będzie to energia elektryczna pochodząca z odnawialnych źródeł energii, to faktycznie ciepło wytworzone w takiej pompie ciepła będzie w całości zdekarbonizowane.  W mikroskali dzisiaj są to połączenia instalacji fotowoltaicznej z pompą ciepłą bez korzystania z sieci elektroenergetycznej. Im więcej energia elektryczna systemowa będzie zawierała komponentu odnawialnego, tym więcej ciepła z pomp będzie zakwalifikowane jako ciepło odnawialne. W perspektywie długoterminowej chcielibyśmy, aby tak się stało. Drugim elementem sukcesu pomp ciepła w ciepłownictwie systemowym są parametry wody sieciowej. Stosowane w polskich systemach ciepłowniczych temperatury wody sieciowej w okresach zimowych przekraczają 100 stopni Celsjusza. Efektywne ekonomicznie systemy pomp ciepła pozwalają na uzyskiwanie dużo niższych temperatur ( generalnie w układzie jednostopniowym około 60 stopni Celsjusza). Pojawia się więc pierwszy problem braku dostosowania parametrów pracy pomp do wymagań dzisiejszych systemów ciepłowniczych, który wymaga specjalnych rozwiązań technologicznych. Oczywiście, im bardziej będziemy obniżać temperaturę wody sieciowej, tym więcej pojawi się możliwości wykorzystywania ciepła z pomp bez konieczności np. dokonywania dodatkowego procesu podgrzewania.

Scenariusz dekarbonizacji systemów ciepłowniczych z wykorzystaniem pomp ciepła wiąże się z istotnym wpływem na wielkość rynku energii elektrycznej. Nie jest tajemnicą, że jeśli w systemach ciepłowniczych jest 33-35 tys. MWe mocy zamówionej przez odbiorców, to gdyby wszędzie zastosowano pompy ciepła ze wskaźnikiem mocy COP 3,5, to trzeba byłoby mieć ok. 10-15 tys. MWe w dyspozycji. I to mocy odnawialnych, gdyż dalsze stosowanie do produkcji energii elektrycznej nośników kopalnych  typu gaz czy węgiel nie wpłynie korzystnie na dekarbonizację ciepła w systemach ciepłowniczych.

Myślę, że konstruktorów układów z wykorzystaniem pomp ciepła i samych pomp ciepła czeka wiele ciekawych wyzwań. Można sobie wyobrazić rozwiązanie, w którym jako dolne źródło dla pompy wykorzystany zostanie  potencjał energetyczny sieci ciepłowniczych. To może być swoista rewolucja energetyczna. Nie znam jeszcze takich wdrożeń i myślę, że to jeszcze przed nami. Na razie widzimy możliwości wykorzystania ciepła z otoczenia czyli powietrza, wody czy gruntu, a nawet procesów przemysłowych czy energetycznych. Trzeba też pamiętać, że w wachlarzu technologii służących do transformacji ciepłownictwa systemowego znajdują się też inne technologie niż pompy ciepła. Należą do nich wykorzystanie słońca, biomasy, biogazu czy ciepła odpadowego. Ich zastosowanie również wpłynie na proces dekarbonizacji i poprawy efektywności systemów ciepłowniczych.

Pojawia się także koncepcja implementacji wodoru.

W mojej ocenie to będzie dosyć odległa perspektywa. Przynajmniej w ciepłownictwie. Aby instalacje ciepłownicze mogły wykorzystać wodór do produkcji ciepła należy opanować wiele kwestii technicznych: np. czy można wodór implementować do sieci gazowej i czy trzeba tworzyć wydzielone systemy. Ważna jest także odpowiedź, jak produkować wodór, jaki będzie miał „kolor”, jako go transportować i wykorzystywać. Moim zdaniem jest jeszcze wiele niewiadomych. Trudno obstawiać, czy wodór będzie jednym z podstawowych źródeł energii w ciepłownictwie. Jeżeli przyjmiemy, że w przyszłości dalej będziemy bazować na instalacjach spalania paliw  – przede wszystkim gazowych – to poszukiwania rozwiązań alternatywnych zmierzających do dekarbonizacji tego rodzaju nośników energii są niezbędne. Trzeba szukać nośników, które da się spalać bezemisyjnie. Ale przypomnę, że podobny efekt można uzyskać dzięki biomasie, biogazie czy wreszcie odpadach.

Ale wracając do pomp ciepła w ciepłownictwie…

Zastosowanie pomp ciepła w ciepłownictwie systemowym wymagałoby już w tym momencie wielu działań mających na celu dostosowanie sieci ciepłowniczej i infrastruktury odbiorczej do zmieniających się warunków ich pracy. Dla przykładu, w przypadku obniżenia temperatur wody sieciowej potrzebne będą inne średnice rurociągów, powierzchnie wymiany ciepła czy wreszcie standardy techniczne instalacji odbiorczych w obiektach budowlanych. To, co mamy obecnie, uszyte jest na inną miarę. Trochę inaczej wygląda sytuacja w przypadku nowych budynków, które spełniają zupełnie inne wymagania techniczne i energetyczne, nawet projektowanie w nich instalacji odbiorczych odbywa się z założeniem wykorzystania ciepła niskotemperaturowego. Dlatego w nowych budynkach łatwiej wykorzystać ciepło z pomp ciepła. Inaczej jest ze starą „masą” budowlaną. Do rozwiązania będzie więc problem współpracy takich obiektów z nowoczesną siecią ciepłowniczą.

Dla ciepłownictwa systemowego ważny jest każdy nowy odbiorca ciepła, dlatego bardzo istotną kwestią jest dzisiaj znalezienie optymalnych narzędzi dla pogodzenia istniejących wysokotemperaturowych systemów ciepłowniczych z nowym trendem. Nie chodzi o to, żeby nowymi technologiami z dnia na dzień „wysadzić z siodła” systemy ciepłownicze obsługujące duże aglomeracje miejskie, a w ich miejsce wprowadzić pompy ciepła. Podejrzewam, że takiej rewolucji nie wytrzymałby lokalny system elektroenergetyczny. Gdyby założyć chęć odłączenia się istniejącego budynku od sieci ciepłowniczej i wprowadzić w nim technologię pomp ciepła, to taka operacja wiązałaby się z np. koniecznością zmiany parametrów przyłącza elektroenergetycznego, które do tej pory pokrywało tylko potrzeby związane z oświetleniem czy użytkowaniem podstawowych urządzeń w budynku. Kto wie, czy nie musiałoby dojść do zmian w instalacjach grzewczych i przygotowania CWU. Jest to oczywiście skrajny scenariusz, ale pokazuje jak wiele elementów trzeba brać pod uwagę i że jest to układ naczyń połączonych z obszarem elektroenergetyki.

Mając na uwadze specyfikę polskiego ciepłownictwa, jakie rozwiązanie jest najbardziej racjonalne dla jego dekarbonizacji?

Mając na uwadze scenariusz długoterminowy jest jasne, iż pozycja węgla jako nośnika energii do produkcji ciepła systemowego spada i będzie spadać. Mam tu na myśli wszelkie polityki, ochronę środowiska, działania antysmogowe czy rosnące problemy finansowe związane z uprawnieniami do emisji CO2. Faktem jest, że emisja takich zanieczyszczeń jak siarka, pyły lub tlenki azotów w przypadku zawodowych instalacji jest pod stałą kontrolą i nie wpływa aż tak negatywnie na tło emisyjne np. w walce ze smogiem. Żadna instalacja zawodowa na węgiel nie truje w taki sposób jak pojedyncze urządzenia w budynkach czy obiektach domowych (red. – np. kopciuchy). Ale w dłuższej perspektywie samo dostosowanie się do standardów emisyjnych nie wystarczy, chociażby z powodu rosnących kosztów bilansowania emisji CO2 . Konieczna będzie modernizacja częściowa lub całkowita źródła ciepła, która doprowadzi do wyparcia wysokoemisyjnych nośników energii.

Jednym z rozwiązań jest wykorzystanie gazu ziemnego. Dążymy do tego, by traktować go jako paliwo przejściowe do 2040 r., jednak mamy świadomość, że z czasem będzie też tracił swoją rolę. W najbliższym okresie ważną składową transformacji obszaru wytwarzania ciepła w systemach ciepłowniczych będzie kogeneracja gazowa. Według naszych scenariuszy, zachowując założenia wynikające z Zielonego Nowego Ładu, udział węgla w ciepłownictwie systemowym zostanie zredukowany z obecnych ponad 85 proc. do poziomu 40-45 proc. w 2030 r. Pozostała część zostanie przeznaczona na gaz w kogeneracji  oraz odnawialne źródła energii. Dlaczego nie wszystko na gaz? W systemach ciepłowniczych będziemy musieli uwzględnić udział OZE. Miejsce dla energii odnawialnej to 25-28 proc. Tort ciepłowniczy będzie miał więc trzy równe części w 2030 r., czyli OZE, gaz w kogeneracji i jednostki szczytowe w węglu. Po 2030 r. węgiel zniknie z systemów ciepłowniczych. Zostanie utrzymana rola gazu. Na to miejsce będą wchodzić wszystkie pozostałe nośniki i technologie energetyczne. Przyjdzie wtedy czas na transformację sieci ciepłowniczych, np. obniżanie ich parametrów. W ten sposób otworzymy drzwi do adaptowania w systemach ciepłowniczych każdej formy energii, która się pojawi i będzie zeroemisyjna, np. o wykorzystywaniu ciepła odpadowego, co dzisiaj praktycznie nie istnieje w Polsce.

Za granicą już są wdrażane takie instalacje.

Ciepło odpadowe to to bardzo ciekawy obszar w ciepłownictwie. Przemysł generuje ogromne ilości ciepła odpadowego, które w naszym kraju nie jest wykorzystywane. Bolączką jest to, że nie zawsze instalacja przemysłowa jest zlokalizowana w miarę nieodległym miejscu w stosunku do systemu ciepłowniczego, aby korzyści z potencjalnego pozyskiwania takiego ciepła nie zostały zniweczone kosztami budowy sieci ciepłowniczej. Z jednej strony mamy potencjał wykorzystania ciepła produkowanego w hucie, zakładzie chemicznym czy zakładzie produkcji szkła, ale z drugiej pozostaje kwestia jak te ciepło dostarczyć do sieci. Istnieją też inne bariery. Brakuje determinacji przemysłu i ciepłownictwa w zakresie nawiązywania współpracy na tym polu. Nie widać też jasnych mechanizmów wsparcia na poziomie inwestycyjnym. Patrząc na potencjał ciepła odpadowego, który drzemie nie tylko w wielkich instalacjach przemysłowych, ale również w mniejszej skali w naszych, codziennym otoczeniu (choćby w lokalnej piekarni), to jest on naprawdę znaczący. Mając na uwadze przyszłość systemów ciepłowniczych, znajdzie on w nich swoje miejsce, zastępując paliwa kopalne.

 

Patrycja Rapacka

Analityk i redaktor w GLOBEnergia. Transformacja energetyczna, OZE, offshore wind, atom