Energia i chłód tylko z OZE za 30 lat – to możliwe!

* opracował Janusz Starościk na podstawie materiałów RHC. Warszawa, 08.02.2020

Uzgodnienie skoordynowanych strategii na poziomie europejskim, krajowym i lokalnym w celu zmniejszenia zużycia ilości kopalin jako paliwa stanowi prawdziwe wyzwanie zarówno dla decydentów, jak i środowisk zaangażowanych w transformację energetyczną.
Osiągnięcie takiego celu będzie wymagać od władz publicznych zmaksymalizowania wysiłków w następnej dekadzie z uwagi na ograniczenia możliwości wynikające z długiej żywotności eksploatowanych już obecnie systemów ogrzewania i chłodzenia (H&C).

Trzonem radykalnie nowego systemu energetycznego, w tym zaopatrzenia w ciepło i chłód, zorientowanego na użytkownika końcowego, neutralnego pod względem emisji dwutlenku węgla, wydajnego, niezawodnego i elastycznego byłyby instalacje kolektorów słonecznych, instalacje geotermalne, instalacje wykorzystujące energię z biomasy i biogazu, miejskie systemy ciepłownicze oraz odzyskiwanie ciepła z otoczenia poprzez pompy ciepła i wykorzystanie tzw. ciepła odpadowego np. w rekuperacji – uzupełnione przez wykorzystanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Taki system zagospodarowałby dostępne lokalnie odnawialne źródła energii (OZE), zapewniając równocześnie zatrudnienie dla lokalnej społeczności oraz dawałby korzyści gospodarcze dla lokalnych gospodarek i całej Unii Europejskiej (UE). Jednocześnie w proces produkcji energii włączeni by byli sami użytkownicy i taki system skutecznie przeciwdziałałby ubóstwu energetycznemu.

Przygotowanie jednak takiego planu nie jest łatwym zadaniem, dlatego powstała Europejska Platforma Technologii i Innowacji dla ciepła i chłodu z odnawialnych źródeł energii (RHC – Renewable Heating and Cooling), która w 2019 roku wydała opracowanie pod tytułem „2050 – vision for 100% renewable heating and cooling in Europe” (2050 – wizja ogrzewania i chłodzenia w Europie pochodzącego w 100% ze źródeł odnawialnych).

Przedstawiona w raporcie strategia jest dobrym przykładem współpracy organizacji branżowych, które wcześniej bardziej ze sobą konkurowały o wpływy na poziomie Komisji Europejskiej. Pod wspólnym raportem podpisały się wspólnie takie organizacje jak EUREC and Bioenergy coordinate the Secretariat of the European Technology and Innovation Platform on Renewable Heating and Cooling (platforma innowacyjnych technologii ogrzewaniania i chłodu z OZE), Bioenergy Europe (Biomasa), EGEC Geothermal, EHPA (pompy ciepła), Euroheat & Power (ciepło systemowe), Solar Heat Europe (kolektory słoneczne). Podobnym w charakterze porozumieniem jest w Polsce POBE – Porozumienie Organizacji Branżowych na Rzecz Zwiększania Efektywności Energetycznej.

Według cytowanego raportu, zapewnienie 100% ciepła i chłodu z OZE w miastach, osiedlach, budynkach i procesach przemysłowych będzie cechować się większym wykorzystaniem sieci c.o. opartych na OZE jako źródle ich zasilania, w różnej skali (od systemów miejskich po lokalne mikrosieci osiedlowe lub obszarowe), które mogą być opłacalne w rejonach o dużej gęstości zaludnienia i będą oparte na samowystarczalności przy wykorzystaniu lokalnych zasobów OZE do zasilania tych sieci.

Na obszarach wiejskich i obszarach o mniejszej gęstości zaludnienia tam, gdzie nie będzie miało uzasadnienia ekonomicznego wykorzystania sieci ciepłowniczych, zaopatrzenie w ciepło i chłód odbywałoby się przy wykorzystaniu indywidualnych instalacji grzewczych czerpiących energię z lokalnie pozyskiwanych OZE . Taki system pozwoli na optymalną integrację różnych technologii grzewczych opartych na OZE w sposób przyjazny dla instalacji (plug- and-play) i stworzenie łatwych w zarządzaniu systemów hybrydowych.

Na długo przed 2050 rokiem w UE będą wdrażane:

• przepisy prawne dotyczące stopniowego wycofywania systemów ogrzewania opartych na paliwach kopalnych;

• wykorzystanie lokalnej energii z różnych technologii OZE w kontekście dostosowania do różnych możliwości i potrzeb;

• integracja z sektorem energetycznym w celu zrównoważenia podaży i popytu;

• drastyczna redukcja odpadów poprzez ich ponowne przetworzenie i wykorzystanie nadmiaru wytworzonego w trakcie tych procesów ciepła i odpadów organicznych;

• dzienne i międzysezonowe magazynowanie ciepła i chłodu w dużej i małej skali;

• niezawodne i bezpieczne inteligentne zarządzanie energią, systemy oparte na danych pozyskiwanych w czasie rzeczywistym, predykcyjne algorytmy i sztuczna inteligencja;

• innowacyjne modele biznesowe, np. na podstawie systemów dla ciepła i chłodu as-a-service lub Pay-As-You-Go;

• zaangażowanie obywateli i branż poprzez transparentną politykę informacyjną mającą na celu uświadomienie konieczności wycofywania się z paliw kopalnych.

Na długo przed 2050 rokiem w UE zakończy się:

• wsparcie dotacjami systemów ciepłowniczych i energetycznych opartych na paliwach kopalnych i przesuniecie tych środków finansowych na rozwiązania wytwarzania ciepła i chłodu z OZE;

• przekonanie, że jest jeszcze dużo czasu na transformację inwestycyjną;

• instalowanie rozwiązań opartych na paliwach kopalnych, które mogą mieć żywotność jeszcze do 2050 roku;

• przewaga scentralizowanych struktur na korzyść przyłączy zintegrowanych, lokalnych i zorientowanych na użytkownika;

• aktualnie panujące przekonanie osób fizycznych lub firm, że odejście od paliw kopalnych jest tylko opcją.

Technologie wytwarzania ciepła i chłodu z OZE są już dziś dojrzałe, komercyjne i gotowe na działanie rynkowe. Będą stale rozwijane w kierunku zwiększenia ich wydajności i konkurencyjności. Jednak bez silnego wsparcia politycznego, aby przyspieszyć wprowadzenie tych rozwiązań na rynek, wizja 2050 roku bez wykorzystania paliw kopalnych, raczej nie stanie się rzeczywistością. Wsparcie dla tej idei wymaga pomocy ze strony lokalnych decydentów równolegle z wytycznymi na poziomie europejskim i krajowym.
Dekarbonizacja sektorów ogrzewania i chłodu jest niezbędnym kamieniem milowym na drodze do osiągnięcia wytwarzania energii bez wpływu na zmiany klimatyczne i realizację celów energetycznych Unii Europejskiej (UE).

Obecna struktura zużycia ciepła i chłodu w Europie i stopniowy wzrost udziału OZE

W rzeczywistości zużycie ciepła i chłodu stanowi około połowy całkowitej energii końcowej w Europie i są one zdecydowanie największym sektorem zużywającym energię. Roczne zużycie ciepła w Europie w 2017 r. wyniosło około 5600 TWh, w porównaniu do zużycia 2700 TWh energii elektrycznej i 4000 TWh zużytych w sektorze transportu. Jednak tylko w tym samym roku 19,5% ciepła wytworzono z istniejących obecnie odnawialnych źródeł energii (OZE) i widać istniejące znaczne różnice między państwami członkowskimi UE w tym zakresie (EUROSTAT, 2019).

W komunikacie „Strategia UE w zakresie ogrzewania i chłodzenie” (źródło: COM (2016) 51 final), w lutym 2016 r Komisja Europejska zdecydowanie podkreśliła rolę wytwarzania ciepła i chłodu w procesie dekarbonizacji. Ta nowa uwaga doprowadziła do zdefiniowania celu wynoszącego 1,3% średniorocznego wzrostu udziału OZE w ogrzewaniu i chłodnictwie, zgodnie z rozporządzeniem w sprawie odnawialnych źródeł energii z 2018 r. (Dyrektywa energetyczna 2018/2001).

Dyrektywa o odnawialnych źródłach energii wyznaczyła cel 32% OZE do 2030 r. Ogólnie przewiduje się, że około 40% tego udziału będzie miało miejsce z sektorów ciepła i chłodu. Zatem ewolucja na rzecz ochrony klimatu i powiązanie z nią polityki nadają nowy impet dla rozwoju technologii wytwarzania ciepła i chłodu z OZE.

W celu skutecznego obniżenia emisyjności w ciepłownictwie w UE, rządy i społeczeństwa wraz z interesariuszami na poziomie krajowym muszą działać szybko. W rzeczywistości technologie ciepłownicze (zarówno konwencjonalne, jak i oparte na OZE) mają stosunkowo długą żywotność funkcjonowania. Jest to średnio od 15 do 30 lat, w związku z tym, rozwiązania wprowadzone do 2030 r. będą miały głęboki wpływ na perspektywy sektora do 2050 r. Biorąc pod uwagę wysoki poziom centralizacji rozwiązań ciepłowniczych, niski poziom świadomości w społeczeństwach co do alternatywnych rozwiązań dla dotychczas stosowanych technologii paliw kopalnych, brak korzyści skali i duża różnorodność technologii do wytwarzania ciepła i chłodu z OZE, wspieranie transformacji energetycznej jest trudnym, ale wykonalnym zadaniem. Potrzebny jest wspólny punkt widzenia wśród decydentów, obywateli i zainteresowanych stron, oparty na głównych celach i filarach, w celu optymalizacji wysiłków i zasobów, co jest uzasadnieniem tego dokumentu.

Ciepło i chłód pochodzące z OZE – korzyści!

Ogrzewanie i chłodzenie naszych domów i firm, a także wytwarzanie ciepła i chłodu procesowego, stanowi ponad połowę zapotrzebowania na energię w UE. Podczas gdy obecnie ogrzewanie przerasta chłodzenie pod względem zapotrzebowania na energię, zapotrzebowanie na chłodzenie rośnie ze względu na wpływ zmian klimatycznych. Oczekuje się, że zapotrzebowanie na chłód znacznie wzrośnie do 2050 r.

Wykorzystanie OZE, a także ponowne wykorzystanie nadmiaru ciepła i chłodu, są kluczowymi elementami do budowy tzw. zrównoważonego społeczeństwa. Takie źródła energii dają znaczne korzyści zarówno społeczeństwu, jak i systemowi energetycznemu UE , co można przedstawić następująco:

• efektywność energetyczna systemu. Dzięki analitycznemu podejściu marnotrawstwo energii można zminimalizować kiedy podaż i popyt się bilansują. Zaawansowane sterowanie systemami ciepła i chłodu pozwala łatwo dopasować je do niskich parametrów ciepła pochodzącego z OZE i wyeliminować produkcję nadmiaru ciepła. Prowadzi to do bardziej efektywnego wykorzystania energii, co pozwoli na wykorzystanie wysokoenergetycznych nośników energii, takich jak energia elektryczna w rozwiązaniach, gdzie wymagana jest energia o wysokiej jakości, jak np. e-mobility.

• dekarbonizacja. Technologie wytwarzania ciepła i chłodu z OZE odgrywają istotną rolę w rozwoju budownictwa i przemysłu w Europie pod względem ograniczania emisji dwutlenku węgla, dając w ten sposób podstawowy wkład w osiągnięcie celów klimatycznych UE.

• elastyczność energetyczna. Magazynowanie energii cieplnej (TES), przy wykorzystaniu bezwładności cieplnej budynków i sieci ciepłowniczych mogą kompensować czasowy brak bilansu między zapotrzebowaniem na ciepło i chłód, a ciepłem dostępnym ze źródła z OZE. Magazynowanie ciepła pozwala pokryć popyt na poziomie różnej skali zapotrzebowania od poziomu budynku do poziomu miasta i skompensować brak bilansowania w różnych przedziałach czasowych – od godzinowego do sezonowego. Co więcej, korzyści płynące z TES wykraczają poza potrzeby ciepła i chłodu z OZE, ponieważ sprzężenie sektorowe może przyczynić się do zrównoważenia bilansu sieci elektrycznej.

• niezawodność i i bezpieczeństwo dostaw ciepła i chłodu. W wyniku rozwoju technologii, rozwiązania produkcji ciepła i chłodu z OZE osiągnęły już wysoki poziom niezawodności i wymagają jedynie niewielkiego wkładu pracy z tytułu konserwacji i kosztów operacyjnych. Te technologie można łatwo zoptymalizować i dopasować je dla każdego klimatu w Europie. W konsekwencji, pozwalają one na wykorzystanie dostępnych na miejscu odnawialnych źródeł energii i uwolnienie w znacznym stopniu państw członkowskich UE od paliw kopalnych, których import dla pokrycia potrzeb wytwarzania ciepła i chłodu w UE obecnie osiąga poziom 50-65 miliardów EUR rocznie za zakup samego gazu ziemnego. Zastąpienie importowanego spoza UE gazu lokalnym OZE przyniesie korzyści dla całej europejskiej gospodarki i pomoże zabezpieczyć UE przed problemami z dostawami wynikającymi z ryzyka geopolitycznego.

• korzyści społeczno-ekonomiczne. Większość urządzeń i technologii wykorzystywanych w pozyskiwaniu ciepła i chłodu z OZE jest wytwarzanych w Europie i wykorzystuje lokalnie dostępne źródła energii. Intergracja tych technologii na skalę masową będzie skutkować wysoką wartością społeczno-ekonomiczną ze względu na możliwości zatrudnienia wykwalifikowanej siły roboczej w produkcji, montażu i pracach serwisowych. Ponadto technologie te pozwolą UE przejąć silną rolę przywódczą w globalnym przechodzeniu na OZE poprzez eksport produktów i technologii poza Unię.

Planowanie i zarządzanie transformacją energetyczną w ciepłownictwie

Przejście z konwencjonalnego (opartego na paliwach kopalnych) źródła energii do ciepła i chłodu z OZE musi być przeprowadzone w ostrożny sposób jako działanie, które wymaga rozległego planowania i specjalistycznej wiedzy na wysokim poziomie. Takie działania muszą być ściśle powiązane ze znacznymi inwestycjami w budynki, ich modernizację, w rozwój technologii przemysłowej, w prace instalacyjne i rozwój technologii magazynowania ciepła i systemów przesyłowych.

Przyszły mix technologii OZE nie może utrudniać życia użytkownikom końcowym, musi też zagwarantować płynne i kompleksowe przejście z jednego systemu zaopatrzenia w ciepło i chłód na nowy. Powinien koncentrować się więc zarówno na gotowych do przyjęcia i możliwych szybko do wdrożenia technologiach w krótkiej perspektywie czasowej oraz innowacyjnych technologiach i systemach w perspektywie średnioterminowej. Wysoki potencjał technologii ciepła i chłodu z OZE jest także podstawą do sukcesu w transformacji energetycznej UE.

Realizacja transformacji energetycznej w sektorach wytwarzania ciepła i chłodu z OZE jest trudna, ponieważ źródła te są silnie zależne od lokalnych warunków i nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania. Jednak przy silnej woli politycznej, odpowiednim planowaniu, intensywnym szkoleniu, wysokim poziomie świadomości społeczeństw i decydentów oraz zrównoważonej kombinacji zachęt i obowiązków, zadanie dekarbonizacji ciepłownictwa w Europie jest wykonalne.

Dla wspierania transformacji konieczne są zmiany systemowe: w tym:

• przejście z dużych sieci dystrybucji ciepła i gazu na lokalne sieci cieplne zasilane lokalnymi źródłami energii (OZE). Tam, gdzie jest to opłacalne ekonomicznie, preferowane powinny być lokalne sieci ciepłownicze, na obszarach zaś o mniejszej gęstości zaludnienia lepsze są rozwiązania zdecentralizowane;

• optymalizacja popytu i podaży energii, poprzez magazynowanie energii i inteligentne zarządzanie nią na poziomie produkcji, dystrybucji i konsumpcji;

• silna integracja z sektorem energetycznym: przez połączenie rozproszonych źródeł i instalacji w jeden system.

Z tych powodów państwa członkowskie UE powinny opracować plany i strategie przyspieszające wdrażanie wytwarzania ciepła i chłodu z OZE, które zapewnią, że proces transformacji przebiegnie w bezpieczny sposób dla ich istniejących systemów energetycznych.

Nie tylko budynki: ciepło i chłód w procesach przemysłowych ma także ogromne znaczenie

Ciepło procesowe w przemyśle jest kluczowym elementem produkcji w wielu sektorach przemysłowych, z różnymi wymaganiami temperaturowymi. Ciepło procesowe może być wytwarzane w oparciu o paliwo, energię elektryczną lub ciepło sieciowe z wykorzystaniem cieczy (woda, olej termalny, czynnik chłodniczy) lub gazu (para wodna, powietrze). Bez względu na metodę, ciepło i wytwarzanie potrzebnego w produkcji przemysłowej chłodu wymaga dużej ilości energii.

Innowacyjne i zaawansowane technologie dostarczania ciepła w oparciu o OZE mogłyby zaspokoić zapotrzebowanie energochłonnych sektorów przemysłowych w znacznym stopniu lub nawet całkowicie.

Inteligentne zarządzanie energią i nowe modele biznesowe

Powszechne stosowane będą inteligentne systemy zarządzania energią zarówno na poziomie scentralizowanym, jak i zdecentralizowanym. Takie systemy są w stanie zoptymalizować produkcję i przesył w systemach i sieciach. Lokalny system zaopatrzenia w ciepło i chłód może z powodzeniem łączyć prywatnych wytwórców ciepła i chłodu, producentów komercyjnych i przemysłowych konsumentów i prosumentów.

Operatorzy działający na rynku będą prawdopodobnie sprzedawać zintegrowane usługi, a nie tylko komponenty, w ten sposób rozkładając koszty początkowe dla klientów w długich okresowo ramach czasowych (w ratach lub programach leasingowych), czyli będzie to sytuacja, w której wygrywają wszyscy: właściciele budynków i dostawcy usług energetycznych.

Dlaczego badania i innowacje?

Potrzebne są badania i innowacje dotyczące wszystkich technologii i infrastruktur oraz aspektów systemowych, w tym digitalizacji oraz planowania systemów i sieci zaopatrzenia w ciepło z OZE. Potrzebna jest także standaryzacja na dużą skalę w celu adaptacji systemów związanych z pozyskiwaniem ciepła i chłodu z OZE. Postęp technologiczny doprowadzi do radykalnego obniżenia kosztów, wyższej wydajności, lepszego systemu projektowania i integracji, ulepszonego funkcjonowania i zwiększonej odporności systemu na wpływy zewnętrzne, a także bezpieczeństwo dostaw.

Można powiedzieć, że perspektywa 2050 roku wydaje się odległa. To przecież jeszcze 30 lat. Ale należy pamiętać, że proces transformacji energetycznej wymaga dużo czasu i nie wolno z tym czekać na ostatnią chwilę, tym bardziej, że większość narzędzi do przeprowadzenia tych przemian jest już dostępna.