Perspektywy wykorzystania wodoru w ogrzewnictwie

Przyszłe zazielenianie nośników energii tj. źródeł energii elektrycznej oraz paliw gazowych jest kluczowym czynnikiem do celu skutecznego przeprowadzenia dekarbonizacji energetyki i ciepłownictwa, ponieważ nie pozostawia nikogo w tyle, optymalizuje koszty transformacji systemu energetycznego oraz umożliwia wprowadzenie konkurencyjnych cen energii opartych na dywersyfikacji źródeł energii.

Dywersyfikacja sposobów pozyskiwania energii w tym ciepła w oparciu o lokalne zasoby, jest warunkiem zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego oraz optymalizacji kosztów zaopatrzenia w energię. Bezpośrednia elektryfikacja ogrzewania w połączeniu z gazowymi nośnikami energii wykorzystującymi zdekarbonizowany gaz jest lepszym rozwiązaniem niż zakładana totalna elektryfikacja dla wszystkich rodzajów użytkowania i może obniżyć koszty całej transformacji systemu energetycznego, oraz zapewnić obywatelom i przedsiębiorstwom możliwość opcji radzenia sobie z wyzwaniami związanymi z dekarbonizacją w sposób wszechstronny i bardziej dostępny dla wszystkich zainteresowanych.
Założenie z góry sposobu pozyskiwania energii, powoduje również ryzyko niezgodności z art. 194 TFUE, ponieważ tego typu podejście do sprawy może wpływać na prawa państw członkowskich do decydowania o wyborze między różnymi źródłami energii.

Zielone gazy a budynki jako największy odbiorca energii końcowej

Gazy odnawialne i zdekarbonizowane mają zasadnicze znaczenie dla osiągnięcia do 2050 r. neutralności zasobu budynków pod względem emisji dwutlenku węgla, zwiększenia udziału elektryfikacji w zaopatrzeniu w energię w sposób bezpieczny i podwyższania efektywności energetycznej w gospodarce i gospodarstwach domowych.

Oczekuje się, że budynki pozostaną największym odbiorcą zużywającym energię końcową w Europie, ze szczytowym zapotrzebowaniem w okresach roku z najniższą temperaturą. W związku z tym rozwiązanie zwiększenia wykorzystania energii elektrycznej do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody za pomocą wydajnych pomp ciepła i grzewczych układów hybrydowych jest jedną z dostępnych efektywnych technologii do osiągnięcia założonych celów.

Jednak niecałe zapotrzebowanie na ciepło może być i będzie pokrywane przez elektryczne pompy ciepła i grzewcze układy hybrydowe ze względu na możliwy niedobór i ograniczenia w dostawach energii elektrycznej oraz mogące wystąpić problemy z siecią przesyłową i dystrybucyjną.
Ograniczeniem w tym zakresie jest także wielkość zapotrzebowania na ciepło do ogrzania danego budynku, szczególnie w istniejącej infrastrukturze i specyfika panującego lokalnie klimatu.
Potwierdzają to scenariusze UE zmierzające do osiągnięcia do 2050 r. neutralnego dla klimatu, m.in. dzięki zwiększeniu udziału energii elektrycznej w ogrzewaniu budynków mieszkalnych, który wyniesie maksymalnie 34% (Dogłębna analiza na poparcie komunikatu Komisji COM (2018 r.) 773 i oceny skutków dla planu celu klimatycznego do 2030 r.).
Dodatkowo, obecnie ocenia się, że ciepło w przemyśle, w tym ciepło procesowe wykorzystuje około 1/3 zużywanego w UE gazu, co stanowi bardzo duże wyzwanie dla realizacji celów dekarbonizacji. Należy także podkreślić, że 75% budynków w Europie nie spełnia aktualnych wymogów efektywności energetycznej. Wysokie koszty początkowe inwestycji i zróżnicowane zachęty są jednymi z głównych barier utrudniających szybkość i głębokość renowacji. Wynika stąd, że znaczna część ciepła do ogrzewania pomieszczeń w budynkach mieszkalnych, biurowych i przemysłowych będzie musiało być generowane przez odnawialne źródła ciepła niewykorzystujące energii elektrycznej jako podstawowego źródła energii.

Już dziś gazowe urządzenia grzewcze zainstalowane w budynkach europejskich są dostosowane do pracy w zasilaniu biometanem, mieszanką metanowo-wodorową, metanem syntetycznym i bio-LPG. Nowoczesna technologia gazowych kotłów kondensacyjnych pozwala na wykorzystanie mieszanek gazu z udziałem do 20% wodoru (najlepsze dostępne technologie działają z maksymalnie 30% zawartością wodoru w mieszance gazu).

Rozwiązania te pasują zarówno do nowo wybudowanych budynków, jak i budynków poddawanych renowacji, a jednocześnie pozwalają na optymalne wykorzystanie istniejącej już infrastruktury przesyłowej i dystrybucyjnej gazu.

Branża grzewcza opracowuje szeroką gamę produktów z przeznaczeniem dla budynków mieszkalnych, handlowych i przemysłowych, które będą działać w zasilaniu 100% wodorem, co dotyczy zarówno ogrzewania, jak i przygotowania ciepłej wody użytkowej. Do takich urządzeń można zaliczyć np. kotły grzewcze, instalacje do mikrokogeneracji, zasilane cieplnie pompy ciepła, instalacje hybrydowe. Na rynku są już obecnie ogniwa paliwowe (1), które są w stanie funkcjonować na zasilaniu 100% wodorem.

Ponadto dostępna infrastruktura gazowa może być dostosowana i wykorzystana do magazynowania, transportu i dystrybucji gazów odnawialnych i dekarbonizowanych przeznaczonych do ogrzewania, ponieważ jest już przyłączona do większości budynków w UE.

Ogrzewanie gazowe to najczęściej stosowane źródło ciepła w budynkach na terenie UE: w 2017 r. kotły gazowe stanowiły 70% zainstalowanych urządzeń grzewczych wykorzystujących wodę jako nośnik ciepła (2). Równocześnie około 44 milionów zainstalowanych obecnie kotłów gazowych jest starego typu i nieefektywnych energetycznie, a zatem będą musiały niedługo zostać zastąpione przez przyszłościowe technologie, takie jak kotły przystosowane do spalania wodoru i typowe kotły wodorowe, elektryczne pompy ciepła, instalacje hybrydowe, termicznie zasilane pompy ciepła, instalacje kolektorów słonecznych z magazynami ciepła i mikrokogenerację.

Jest to zgodne z założeniami fali renowacji, której celem jest przyspieszenie wymiany zainstalowanych i wykorzystywanych starych i nieefektywnych urządzeń grzewczych w celu osiągnięcia celów klimatycznych UE do 2030 r. (3)
Wykorzystanie zrównoważonej mieszanki gazów odnawialnych i zdekarbonizowanych w budynkach przyczyni się do efektywności systemu i bezpieczeństwa dostaw. Rosnąca elektryfikacja budynków i transportu wymaga inwestycji we wzmocnienie sieci elektroenergetycznej i elastyczne możliwości tworzenia mocy zapasowych w przypadku niskiej produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Ogrzewanie wykazuje wysokie zapotrzebowanie szczytowe na energię zimą, które poza energią wiatrową w okresie silnych wiatrów wiejących zimą często wiąże się z niską produkcją energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Technologie spalania wykorzystujące do ogrzewania gazy ekologiczne i pozbawione węgla mogą zapewnić czyste, bezpieczne i niedrogie ciepło.

Badania (4) pokazują, że dobrze zbilansowany mix energetyczny złożony z kombinacji ciepła wytwarzanego z zielonych gazów i energii elektrycznej jest bardziej opłacalny niż scenariusz „tylko energia elektryczna”.

Ponadto wodór zapewnia znaczne korzyści w zarządzaniu dostawami energii w celu pokrycia zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania
i ciepłą wodę w budynkach. Sposoby magazynowania gazu to jedyne niedrogie rozwiązanie na dużą skalę, które spełnia sezonowe potrzeby magazynowania. (5) Wodór można wykorzystywać do magazynowania dużych ilości nadmiarowo wyprodukowanej odnawialnej energii elektrycznej w warstwach geologicznych. Liniowe ładownie gazu zapewnia również elastyczność w ciągu dnia, gdy zmienia się zapotrzebowanie, poprzez sprężanie gazu, a tym samym upakowanie większej liczby jego cząsteczek w tej samej przestrzeni magazynowej W ciągu doby system jest zbilansowany operacyjnie przez operatorów sieci gazowych poprzez zarządzanie ciśnieniami i czasowym magazynowaniem gazu w systemie (jako „line-pack”).

Rozwój rynku wodoru w Polsce i Europie?

Wykorzystanie paliwa wodorowego w budynkach może stanowić impuls dla rozwoju rynku wodoru w Polsce i w Europie, pozwalając na osiągnięcie szybkiej redukcji emisji w optymalnych kosztach. Istniejąca infrastruktura gazowa może służyć do przechowywania, transportu i dystrybucji gazów odnawialnych i zdekarbonizowanych wykorzystywanych do ogrzewania. Już dziś biometan jest wprowadzany do sieci gazowej, a domieszki 10% wodoru są technicznie możliwe w sieci przesyłowej i dystrybucyjnej gazu. Większość sieci dystrybucyjnych w Europie można przystosować do przesyłania gazu z domieszką do 20% wodoru bez konieczności ponoszenia wysokich kosztów; a w przyszłości istniejąca sieć gazowa będzie mogła zostać zmodernizowana do wymogów sieci wodorowych, aby transportować wodór po opłacalnych kosztach.
Mieszanie wodoru w sieciach gazowych podłączonych do budynków mieszkalnych i komercyjnych w najbliższej perspektywie czasowej, ma kluczowe znaczenie dla rozpoczęcia gospodarki wodorowej od samego początku realizacji założonych celów transformacji. Zastosowanie urządzeń grzewczych w budynkach mieszkalnych, co jest już dobrze rozwiniętą technologią, może stworzyć i zagwarantować już na starcie płynność transformacji, która jest niezbędna do rozwoju rynku ekologicznego wodoru. Poza korzyściami skali i bezpieczeństwem inwestycji, wykorzystanie wodoru w budynkach może również przynieść znaczne obniżenie kosztów wstępnych, ograniczając potrzebę koniecznych
inwestycji w sieć elektroenergetyczną lub związanych z tym nadmiernych kosztów dla użytkowników końcowych (zwłaszcza w istniejących zasobach budowlanych trudnych do elektryfikacji), oraz zwolnienie mocy elektrycznych na cele, do których zasilanie energią elektryczną jest niezbędne i niemożliwe do zastąpienia.
Takie działania dają następujące korzyści:

• unikanie nadmiernych dodatkowych kosztów dla użytkownika końcowego (szczególnie w przypadku trudnych do zelektryfikowania istniejących zasobów budowlanych): aby osiągnąć szybkość i efekt skali potrzebnych do pomyślnego przeprowadzenia transformacji energetycznej, konieczna jest szeroka gama przyszłościowych rozwiązań grzewczych, umożliwiających realnie opłacalną dekarbonizację dla różnorodnych budynków, nie pozostawiając nikogo w tyle. Użytkownicy końcowi powinni mieć możliwość wyboru czystych rozwiązań grzewczych zgodnie ze swoimi potrzebami, lokalnymi możliwościami i zasobami finansowymi.
• ograniczenie konieczności kosztownych inwestycji w sieć elektroenergetyczną. (6)
• optymalizacja i wykorzystanie istniejącej infrastruktury sieci gazowej; rozbiórka całej sieci gazowej i budowa nowego systemu dystrybucji energii wiązałoby się z wysokimi kosztami. (7)

Gazy odnawialne i pozbawione dwutlenku węgla wykorzystywane jako paliwo w ogrzewaniu oferują zoptymalizowane i elastyczne ścieżki inwestycyjne dla trudnych do ograniczenia emisji. Polityka i projekty, przyczyniające się do osiągnięcia celów zielonego ładu UE, powinny być spójnie i dostosowane do promowania wykorzystania gazów odnawialnych i dekarbonizowanych oraz innych efektywnych energetycznie czystych technologii do ogrzewania budynków.

Pełna informacja prasowa SPIUG: kliknij

(1) Ogniwa paliwowe mają ogólną wydajność ponad 85% (energia elektryczna i ciepło) i działają poprzez połączenie wodoru wytwarzanego z paliwa i tlenu z powietrza w celu wytworzenia energii, wody i ciepła.
(2) Dane EHI, zainstalowana liczba urządzeń grzewczych wykorzystujących wodę jako czynnik cieplny w UE-27, 2017.
(3) Ocena skutków planu celu klimatycznego UE 2030 i fali renowacji wskazują na 4 % wskaźnik dynamiki wymiany urządzeń grzewczych, jednak jest to już dzisiejsza stopa dynamiki wymian. W związku z tym, aby osiągnąć cele klimatyczne, należy zwiększyć tę liczbę do co najmniej 6% w skali UE.
(4) Dena Leitstudie, 2018; Navigant, 2019.
(5) Frontier Economics study, The value of gas infrastructure in a climate-neutral Europe, April 2019 (Paragraph 4.1 „Decarbonisation without gas storage is hardly possible and prohibitively expensive”)
(6) Wymiana jednego gazociągu (np. OPAL we wschodnich Niemczech) o przepustowości 42 GWh/h i maksymalnym pasie ochronnym (implikującym ograniczenia w zagospodarowaniu terenu) 20 m wymaga 14 napowietrznych linii przesyłowych o mocy 3 GW (2380 kW) i pasu ochronnego o długości 70 m na linię przesyłową. W sumie daje to prawie 1000 m terenu bezpośrednio objętego inwestycją, co odpowiada 50-krotnemu efektowi wpływu na zajecie terenu przez gazociąg o takiej samej przepustowości. Badanie Frontier Economics, Wartość infrastruktury gazowej w Europie neutralnej dla klimatu, kwiecień 2019 r. (Pkt 4.4.1. 4.4.1 „Wykorzystanie istniejących gazociągów zmniejsza potrzebę budowy nowych i niepopularnych linii elektroenergetycznych”).
(7) Frontier Economics study, The importance of the gas infrastructure for Germany’s energy transition, January 2018 (figure 25 – comparison of gas networks costs for 2050).