Prof.dr hab. inż. Jacek Malko

dr inż. Henryk Wojciechowski, doc.

Instytut Energoelektryki

Politechniki Wrocławskiej

Mapa drogowa ciepłownictwa w Europie do 2050 roku

Wprowadzenie

Dokument „HEAT ROADMAP EUROPE 2050. First pre-study for EU27”, kreślący

wizję najbliższych czterech dziesięcioleci dla sektora ciepłownictwa w Europie ( Autorzy

David Connolly, Brian Vad Mathiesen, Poul Alberg Østergaard, Bernd Møller, Steffen

Nielsen, Henrik Lund, Daniel Trier, Urban Persson, Daniel Nilsson & Sven Werner )

sporządzony został dla Euroheat & Power w Brukseli w uniwersytetach Aalborg i

Halmstad. Raport opublikowano w maju 2012 roku.

Oszczędność na kosztach

Rozwój ciepłownictwa scentralizowanego (District Heating – DH) w Europie,

zmniejsza znacząco koszty systemu zaopatrzenia w energię, gdyż lokalny recykling ciepła i

wykorzystania zasobów odnawialnych (OZE) prowadzi do ograniczenia kosztownego

importu energii i zwiększenia efektywności w sektorach ciepła i energii elektrycznej.

Przewiduje się z tego tytułu osiągnięcie korzyści rzędu 14 mld Euro w roku docelowym planu

działania (2050). Oznacza to relatywne ograniczenie kosztów o 11 %. Czas zwrotu w

W największym skrócie korzyści z realizacji przedstawionego planu działania do roku 2050 są dla krajów unijnych następujące :

• oszczędność 14 mld Euro rocznie, • zredukowanie kosztów ogrzewania o 11 % , • stworzenie (200 000 – 220 000) nowych miejsc pracy, • zwiększenie efektywności energetycznej, • ograniczenie importu energii i emisji do środowiska, • polepszenie warunków pracy infrastruktury sieciowej

- dzięki wykorzystaniu nieskomplikowanych i wypróbowanych technologii.

kategoriach ekonomiczno-społecznych ocenia się na (2 – 3) lata przy technicznym warunku

prowadzenia ciepłociągów rozdzielczych w gruncie by ograniczyć straty ciepła. Dodatkowo

oczekuje się korzyści w sposobach rozliczania należności za dostawę ciepła, ale nie oceniano

tego czynnika w kategoriach ilościowych.

Więcej miejsc pracy

Rozbudowa DH skutkuje pojawieniem się nowych miejsc pracy, gdyż inwestycje

zastępują import paliw kopalnych do Europy. Lokalne inwestowanie w recykling ciepła, OZE

i rozbudowę struktur sieciowych powinno przysporzyć (200 – 220) tys. miejsc pracy.

Redukcja emisji

Ponieważ paliwa kopalne zostają zastępowane zasobami lokalnymi, ograniczenie

dostaw energii pierwotnej w postaci paliw kopalnych ograniczy również emisje gazów

cieplarnianych (GHGs - Greenhouse Gases) wynikające z świadczenia usług dla wszystkich

użytkowników, połączonych z siecią DH. Korzyści z tego tytułu ocenia się na (13 – 17) %.

Bezpieczeństwo energetyczne

Ograniczenie importu energii prowadzi również do zwiększenia bezpieczeństwa

dostaw i polepsza bilans handlowy państw, rozwijających programy DH

Bardziej inteligentne systemy energetyczne

Scentralizowane ciepłownictwo zapewnia również większą penetrację technologii

wytwarzania energii elektrycznej o cechach nieciągłości („intermittent”) – wiatrowych i

solarnych. Przy większym udziale OZE wielkiego znaczenia nabierają inteligentne systemy

energetyczne („smart”), gdyż w bilansowaniu strony popytowej i podażowej mogą

uczestniczyć wszystkie sektory gospodarki. Jednym z wypróbowanych i elastycznych

partnerów są systemy ogrzewania scentralizowanego, umożliwiające dwukierunkowe

przepływy mocy bilansujących dzięki łączeniu grzejników elektrycznych i pomp ciepła o

dużej mocy z układami zasobników ciepła, zdolnych do magazynowania nadmiarowej

generacji energii elektrycznej, podczas gdy źródła kogeneracyjne aktywnie wspomagają

systemy dostaw elektryczności w warunkach deficytu mocy elektrycznej w systemie .

Rozbudowa istniejącej infrastruktury

Dziś 60 milionów obywateli krajów członkowskich UE korzysta ze scentralizowanych

systemów grzewczych. Ale miasta, w których istniejeconajmniej jeden system DH mają 140

milionów mieszkańców, a ok. 57 % populacji mieszkańców UE mieszka w obszarach na

których działa przynajmniej jeden taki system. Na rys. 1 przedstawiono rozmieszczenie

scentralizowanych systemów zaopatrzenia w ciepło w 2428 miastach krajów UE z 2779

scentralizowanymi systemami ciepłowniczymi [3] i można zauważyć, ze dominują one we

wschodniej części UE. Tak więc rozwój i rozbudowa istniejącej infrastruktury DH może

przyczynić się do stworzenia bardziej zrównoważonego wzorca zaspokajania potrzeb

energetycznych.

Rys. 1. Scentralizowane systemy zaopatrzenia w ciepło miast powyżej 5000 mieszkańców w

UE. Źródło: Halmstad University DHC Database

Program badawczy

Cytowany raport [1] o charakterze „pre – feasibility study” zakłada ambitne, ale

realistyczne przyrosty dla ogrzewnictwa scentralizowanego w 27 krajach UE do roku 2050.

Zastosowana metodyka jest połączeniem modeli zapotrzebowania energii dla EU – 27 z

krokiem godzinowym oraz mapowania uwarunkowań lokalnych. Stwierdzono, że udział DH

w UE będzie wzrastał z wartością współczynnika wzrostu 2,1 do roku 2030 i 3,3 do roku

2050.

„Mapa drogowa” Komisji Europejskiej do roku 2050 [3] przewiduje jedynie bardzo

umiarkowany rozwój DH. Na skutek niewielkiej rozdzielczości geograficznej tradycyjne

modele energetyczne (oparte na krajowym, bilansowaniu energii) nie uwzględnia

specyficznych możliwości lokalnych i faworyzuje powtarzanie rozwiązań dostępnych

gdziekolwiek, co np. charakteryzuje systemy energii elektrycznej i gazu. Tradycyjne

instrumenty analiz energetycznych również operują z małą rozdzielczością czasowa. Ważne

jest, bystosować wysoką rozdzielczość dla uchwycenia dobowej zmienności w systemach

zaopatrzenia w energię dla weryfikacji rzeczywistej zmienności procesów zapotrzebowania i

generacji. Szczególnego znaczenia czynnik ten nabiera dla analiz dotyczących przyszłości, w

której oczekuje się wysokiej penetracji technologii o cechach zmienności (‘intermittent”).

Wykorzystywanie wielu zasobów

Celem mapowania warunków lokalnych jest identyfikacja regionów najbardziej

korzystnych („hot spots”) dla przyszłej rozbudowy systemów DH przez połączenie informacji

o potrzebach cieplnych z informacjami o dostępności lokalnych źródeł ciepła. Rozważanymi

uwarunkowaniami lokalnymi są zapotrzebowania ciepła dla obszarów zurbanizowanych,

wytwarzanie ciepła w źródłach scentralizowanych, dostępność biomasy i odpadów oraz

wykorzystanie zasobów solarnych i geotermalnych.

Niespełna połowa energii zawartej w odpadach komunalnych zostaje dziś

wykorzystywana do produkcji ciepła lub energii elektrycznej (rys. 2). Obecnie około 100 mln

Mg nie jest zagospodarowane i podlega lokowaniu na składowiskach. Istnieje zatem

konieczność budowy nowych obiektów energetycznych wykorzystania odpadów

komunalnych.

Rys.2. Lokalizacje 414 spalarni odpadów w EU - 27. Źródła: CEWEP, E-PRTR, ISWA

Niemal 25 % mieszkańców Europy mieszka w obszarach zurbanizowanych o możliwościach

wykorzystania ciepła geotermalnego poprzez systemy DH (rys.3 ). Z przeprowadzonych

analiz wynika, ze rynkowy udział ciepła geotermalnego w systemach DH w budownictwie

może być zwiększony do 30 % do roku 2030 i 50 % do roku 2050.

Kierunki rozwojowe

Punktem wyjścia jest istniejący system zaopatrzenia w energię EU – 27. Szczegółowe

wartości bilansu energetycznego krajów unijnych z roku 2009 wykorzystano dla prezentacji

poziomu odniesienia roku 2010. Z informacji Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA,

Rys.3. Zidentyfikowane zasoby geotermalne temperatur wód na głębokości 2000 m.

Źródło: Komisja Europejska, Atlas zasobów geotermalnych w Europie. Publikacja EUR 17811, Luksemburg 2002.

[5]) widoczne jest, że w roku 2009 systemy scentralizowanego zaopatrzenia w ciepło (DH)

zaspokajały ok. 12 % zapotrzebowania na ciepło w sektora mieszkalnictwa i usług.

Korzyści z realizacji celów rozwojowych przedstawiono dwuetapowo[owo. Krok

pierwszy określa dodatkowy potencjał poprawy efektywności energetycznej na drodze

kogeneracji (CHP), krok 2 ocenia dodatkowy potencjał zwiększonego wykorzystania

zasobów ciepła odpadowego w przemyśle, termicznej utylizacji odpadów, geotermii i

technologii solarnych. Rozwój technologii solarnych w Dani przedstawiono na rys.4.

Z danych dla kroku 1 wynika, iż rozwój DH i kogeneracji (CHP) winien istotnie

ograniczyć zapotrzebowanie paliw dla ogrzewania europejskich budynków. W porównaniu

z aktualną sytuacją działania te spowodują obniżenie zużycie energii pierwotnej w UE

o 7 %, obniżenie

Rys.4. Przegląd istniejących i planowanych pól kolektorów słonecznych podłączonych do systemów ciepłowniczych w Danii.

Źródło: PlanEnergi.

zużycia paliw kopalnych o 9 % oraz emisji gazów cieplarnianych (GHGs) o 13 % przy

zapewnieniu utrzymania dotychczasowego poziomu świadczonych usług energetycznych.

Zauważyć należy, że potencjał oszczędności paliw jest prawdopodobnie wyższy niż to

oszacowano w raporcie, gdyż występują dodatkowe warianty o potencjale wdrożeniowym

(np. ograniczenie ogrzewania elektrycznego).

Krok 2 wykazuje dalsze korzyści DH przez zwiększenie udziału technologii odpadów,

wykorzystanie geotermii i technologii solarnych do ogrzewania i zwiększenie zastosowań

ciepła odpadowego z przemysłu. Ponieważ te działania obejmują raczej konwersję paliwową

niż doskonalenie efektywności, powoduje to niewielkie obniżenie zużycia energii pierwotnej.

Jednakże udział paliw kopalnych jak też emisje ulegają znacznemu obniżeniu. Korzyści z

działań, podjętych w obydwu krokach daje łączny efekt dla EU – 27 w postaci redukcji o 13

% całkowitego zużycia paliw kopalnych i o 17 % - emisji GHGs w porównaniu z

wartościami do roku 2010. Emitentów dwutlenku węgla w krajach EU – 27 przedstawiono na

rys.5.

Rys.5. Emitenci dwutlenku węgla w EU - 27. Źródło: baza danych E-PRTR w EOG w Kopenhadze

Współdziałanie z innymi politykami Wspólnotowymi

Poza opisanymi korzyściami z rozwijania DH w obecnym systemie EU – 27

przeprowadzono analizy dla scenariusza odniesienia, zakładającego prowadzenie europejskiej

polityki energetycznej do roku 2050. Oceny oparto na scenariuszu Current Policy Initiative

(EUCPI). Scenariusz ten zakłada kontynuację („business as usal”) dotychczasowych działań.

Założone tendencje są następujące :

� Energetyka jądrowa zmniejsza początkowo swój udział, ale w roku 2050 odzyskuje

pozycje z roku 2010,

� Cele europejskiej polityki energetycznej z roku 2007 („3x20 do 2020”) zostają

zachowane,

� Następuje stopniowy wzrost średniej sprawności przetwarzania energii w europejskim

sektorze elektroenergetycznym,

� Obniża się zapotrzebowanie ciepła dla budynków, ale zwiększa znacząco w przemyśle

(rys.6).

Przeprowadzono symulacje dla scenariusza odniesienia Bieżące Inicjatywy Polityczne

CPI (Current Policy Initiatives) wykazały obniżenie zużycia energii dla budynków na

skutek oszczędności energii, ale jeżeli w tym samym czasie nastąpi rozwój DH, to

osiągnięta zostanie jeszcze większa oszczędność paliw i redukcja emisji dzięki synergii

efektywności i zwiększenia sprawności wytwarzania ciepła i energii elektrycznej.

Rys.6. Lokalizacje największych energochłonnych zakładów przemysłowych o znacznej ilości nadmiaru produkcji ciepła. Źródło: E-PRTR baza danych EEA w Kopenhadze.

Miejsca pracy i inwestycje

Wstępne analizy obejmowały również ocenę kosztów, wskazującą, że przy stosowaniu

cen paliw identycznych z danymi w [4] rozwój DH prowadzi do obniżenia całkowitych

kosztów ogrzewania budynków w krajach UE o około 14 mld Euro w roku 2050. Co

więcej inwestowanie w DH powoduje transfer środków od importu paliw kopalnych do

inwestowania w ciepłociągi DH, elektrociepłownie, geotermię, technologie solarne

(rys.7), wykorzystanie ciepła odpadowego w przemyśle oraz spalanie odpadów.

Oszacowania wskazują na powstanie zapotrzebowania (8 – 9) mln osobolat, co jest

równoważne ok. 220 tys. nowych miejsc pracy, ocenianych jako średnia wartość dla

przedziału 38 lat (2013 – 2050). Wartość rzeczywista może być nawet wyższa, gdyż

szacunki nie obejmują ani efektu mnożnikowego bezpośredniego zatrudnienia i wzrostu

konkurencyjności przemysłu europejskiego, ani też dodatkowych miejsc pracy w

innowacyjnych przemysłach nowych technologii.

Rys. 7. Roczne promieniowanie słoneczne w optymalnym zakresie padania promieni

Zalecenia

Ważne jest dotarcie do potencjalnych partnerów z informacjami o lokalnych

możliwościach ogrzewania scentralizowanego (DH). Metodyka, zastosowana w raporcie

[4], będąca kombinacja modelowania energetycznego i mapowania warunków lokalnych z

wysoka rozdzielczością geograficzną, jest podstawowym elementem analiz DH, gdyż

potencjał rozwojowy jest zależny od lokalnych zasobów ciepła (energii pierwotnej) i

zapotrzebowania.

Istnieje potrzeba rozpoznania i zdefiniowania stopnia szczegółowości analizy na

poziomie polityki energetycznej i bilansów energetycznych dla uwzględnienia specyfiki

lokalnej i uniknięcia skupienia się tylko na infrastrukturze podstawowej (energii

elektrycznej i gazu). Tylko wówczas istnieje możliwość wygenerowania wszystkich

dostępnych wariantów. Podobnie tradycyjne narzędzia powinny stosować wysoką

rozdzielczość czasową dla uwzględnienia zmienności dobowej w systemie zaopatrzenia w

energię i rzeczywistej zmienności procesów zaopatrzenia i wytwarzania. Jest to

szczególnie ważne w sytuacji przewidywanej wysokiej penetracji technologii OZE

produkcji nieciągłej („intermittent”). Przewidywana jest kontynuacja prac w celu

zwiększenia skuteczności stosowanego instrumentarium, zwłaszcza przez łączenie

modelowania energetycznego i lokalnego mapowania. Rozwijanie metodyki winno

prowadzić do internetowego narzędzia, zapewniającego uwzględnianie lokalnych

uwarunkowań dla każdego z regionów EU – 27.

Wnioski

Pierwsze rezultaty studium wstępnego HeatRoadmap Europe 2050 (HRE) wykazują

potencjalnie znacząca rolę, która może odegrać scentralizowane zaopatrzenie w ciepło w

przyszłościowym systemie energetycznym EU – 27. Wyniki te osiągnięto przy

wykorzystaniu szeregu niekorzystnych założeń. Np. przyszły system energetyczny

stosowany w analizach nie jest optymalizowany z punktu widzenia ogrzewnictwa

scentralizowanego: występuje wysoki udział energetyki nuklearnej pokrywającej

podstawę obciążenia elektroenergetycznego, przemysłowych instalacji kogeneracyjnych

oraz energetyki odnawialnej o nieciągłej pracy („intermittent”). Stąd też wyniki badań

wstępnych można traktować jako względnie uproszczone i raczej zachowawcze .

Literatura

[1] European Climatic Foundation : Roadmap 2050 – A practical guide to a prosperous low

carbon Europa, ECF. April 2010

[2] PricewaterhouseCoopers : 100 % renewable electricity. .. roadmap to 2050 for Europe

and Nord Africa. PWC, April 2010

[3]Komisja Europejska : Komunikat Komisji (…). Plan działania (…) do 2050 roku. KOM

(2011) 885, Bruksela, marzec 2011

[4] Euroheat & Power : Heat Roadmap Europe 2050, E&P Brussels, May 2012

[5] International Energy Agency: Energy Outlook 2011. IEA/OECD, Paris 2012

Mapa drogowa ciepłownictwa w Europie do 2050 roku

Streszczenie

W artykule przedstawiono wyniki badań, przeprowadzonych dla Europejskiego

Stowarzyszenia Operatorów “Euroheat and Power” w obszarze ciepłownictwa

scentralizowanego w horyzoncie 2050 (Mapa drogowa 2050). Raport został

opublikowany w maju 2012 roku i jest w części wynikiem prac badawczych Ośrodka

Badań Strategicznych, wspieranego przez Duńską Radę Badań Strategicznych.

ROAD MAP 2050 FOR EUROPEAN HEATING SYSTEMS

Summary

In this paper the results of analysis, performed European Association of Euroheat and Power

Operators in area of district heating in time horizon of year 2050 as a (Road Map for 2050) is

presented. Report was released in May of 2012. The work presented partly as a result of the

research activities of the strategic Research, which has received funding from The Danish

Council Strategic Research.