Ewolucja systemów ciepłowniczych

Retrospekcja

Ciepłownictwo - idea• Wykorzystanie lokalnych zasobów paliwa lub ciepła, które

w innym przypadku zostałyby zmarnowane, w celu zaspokojenia zapotrzebowania lokalnych klientów na ogrzewanie, poprzez zastosowanie sieci dystrybucji ciepła

• Tradycyjne, zasoby nadmiaru ciepła powstają w procesach kogeneracyjnych, jako ciepło odpadowe, czy w procesach przemysłowych

• Specyfika polska – akcent na „zasoby paliwa”, stąd ciepłownie

• W ostatnich dziesięcioleciach do globalnych systemów ciepłowniczych wprowadzono część odnawialnego ciepła ze źródeł geotermalnych, kolektorów słonecznych (PV) i z biomasy. Połączenie systemów odzysku ciepła i ciepła odnawialnego stanowi obecnie główny cel systemów ciepłowniczych.

DH - charakterystyka• Podstawowa zaleta - niższe koszty ogrzewania, gdy

międzynarodowe ceny paliw są wysokie, • Niższe skutki dla środowiska lub klimatu są wyceniane przez

internalizację kosztów szkód zewnętrznych do krajowych podatków lub opłat.

• Koszty dystrybucji ciepła są niskie w gęstych obszarach miejskich o skoncentrowanym zapotrzebowaniu na ciepło.

• Podstawowa wada – niższa konkurencyjność przy niskich międzynarodowych cenach paliw

• Wysokie koszty dystrybucji na obszarach podmiejskich i wiejskich o mniejszym zapotrzebowaniu na ciepło.

Historia – wyjaśnia i pozwala zrozumieć• Średniowieczny pionierski system istniał w Chaude-Aigues we

Francji już w 1334 r. i dystrybuując gorącą wodę ze źródła geotermalnego do niektórych budynków we wsi

• Lockport i Nowy Jork w latach 70. i 80. XIX wieku• Pierwsze europejskie systemy komercyjne - w Niemczech w

latach 20. XX wieku.• Planowane gospodarki Związku Sowieckiego i Chin wprowadziły

ogrzewanie miejskie odpowiednio w latach 30. i 50. XX wieku.• Obecnie największe DH: Moskwa, Petersburg, Pekin, Nowy Jork,

Kijów, Seul, Warszawa, Berlin, Hamburg, Helsinki, Sztokholm, Kopenhaga, Paryż, Praga, Sofia, Bukareszt, Wiedeń i Mediolan

Dostawy ciepła w różnych regionach i krajach w 2014 r. w odniesieniu do kategorii użytkowników

Szacunkowe proporcje całkowitego zużycia ciepła w budynkach mieszkalnych i usługowych na świecie i w obecnej Unii Europejskiej w 2014 r.

Ciepło oznacza komercyjne dostawy ciepła (ogrzewanie miejskie)

Wykorzystanie lokalnego ogrzewania w budynkach jest nadal średnio niskie. Jednak wysokie wskaźniki wykonania wynoszące około 50% i więcej występują w Islandii, Danii, Szwecji, Finlandii, Estonii, Łotwie, Litwie, Polsce, Rosji i północnych Chinach.

Całkowite zaopatrzenie w ciepło w Unii Europejskiej jest prawie stałe od 1990 r.

Wniosek jest taki, że międzynarodowy sektor ciepłowniczy ma raczej stabilne dostawy ciepła.

• Na arenie międzynarodowej wykorzystanie elektrociepłowni było najsilniejszym argumentem za wprowadzeniem systemów ciepłowniczych. W ten sposób nieuniknione straty ciepła z elektrowni cieplnych można poddać recyklingowi do innych celów cieplnych. Mówiąc prosto, ciepło należy wykorzystać dwukrotnie

• Można również zastosować małe elektrociepłownie

• Nie są one tak wydajne jak duże elektrociepłownie, ale nie wymagają rozbudowanych sieci dystrybucji ciepła.

Umiejscowienie DH funkcjonujących w Polsce.

Szanse zmian i ich kierunek.

Z czego wyszły DH• Para była nośnikiem ciepła w pierwszej generacji, podczas gdy woda była nośnikiem ciepła w następnych

generacjach.• Większość systemów pierwszej generacji zamieniono na systemy

– wodne lub – zamknięto,

• Para wodna jest obecnie uważana za nieefektywny nośnik ciepła • straty ciepła • Koszty utrzymania.

Jednak para jest nadal wykorzystywana jako nośnik ciepła w systemie Manhattan w Nowym Jorku i systemie centralnym w Paryżu.

• Druga generacja – lata dwudziestych XX wieku, – niemieccy inżynierowie zidentyfikowali wodę jako bardziej wydajny nośnik ciepła. – uważana za najlepszą dostępną technologię aż do lat 70. XX wieku, kiedy inżynierowie duńscy, szwedzcy i fińscy

zaczęli rozszerzać zastosowanie systemów ciepłowniczych.

• Rozwój DH wymusiła trzecią generację– technologia z prefabrykowanymi rurami i podstacjami wraz z niższymi temperaturami dystrybucji.

Kierunek przemian• Wszystkie te trzy generacje opierały się na wykorzystaniu paliw kopalnych, a połączony budynek miał

wysokie zapotrzebowanie na ciepło.• Ogólne zmiany i oczekiwanie mniejszej emisji kopalnego dwutlenku węgla wymaga ulepszonej generacji.• Ten nowy system energetyczny będzie miał inne warunki dostaw i użytkowania z

– bardziej zmiennymi odnawialnymi źródłami energii, – mniejszą liczbą elektrowni cieplnych – budynkami klientów o niższym zapotrzebowaniu na ciepło.

• Główną cechą czwartej generacji jest to, że ciepło będzie rozprowadzane w niższych temperaturach niż stosowane w trzeciej generacji.

• Obecne systemy ciepłownicze stosują technologie drugiej i trzeciej generacji z szeroką gamą stosowanych poziomów temperatur.

• Całkowitą długość trasy rurociągów dystrybucyjnych można oszacować na około 600 000 km na świecie i około 200 000 km w Unii Europejskiej.

• Różne stosowane– poziomy temperatur, – standardy izolacji– liniowe gęstości ciepła (sprzedaż ciepła na długość trasy)

powodują nieuniknione straty w dystrybucji ciepła między 5 a 35%.

Działanie• W Europie większość klientów jest podłączona za pomocą węzłów

ciepłowniczych do pierwotnych sieci dystrybucyjnych dostarczających ciepło o tej samej temperaturze zasilania wszystkim klientom.

• Jednak sieci wtórne o niższych temperaturach dystrybucji są czasami podłączone do sieci pierwotnej przez podstację grupową. Te sieci wtórne są bardziej powszechne w Rosji i Chinach.

• Funkcjonowanie systemu jest ostatecznie oparte na tym, że ciepło jest rozprowadzane przez iloczyn przepływu i różnicy temperatur między rurami zasilającymi i powrotnymi.

• Układy sterowania zapotrzebowaniem i przepływem ciepła znajdują się w każdym systemie grzewczym i podstacji (węźle) klienta, a dostawca ciepła odpowiada za scentralizowane systemy kontroli różnicy ciśnień i temperatury zasilania.

Wymienniki ciepła jako standard• Zastosowanie wymienników ciepła jest

motywowane jako oddzielenie odpowiedzialności, a także separację ciśnienia w sieciach o znacznych wahaniach wysokości.

• Wymienniki ciepła zapewniają jednak nieco wyższe poziomy temperatury w sieci, aby zapewnić różnicę temperatur w celu uzyskania wymiany ciepła w wymiennikach ciepła.

Przyszłość• Przyszłe warunki dla ciepłownictwa wyglądać obiecująco, • Obecna technologia ciepłownictwa musi również zostać ulepszona –

konkurencja,• Obecna trzecia generacja DH została opracowana dla paliw kopalnych i

budynków o wysokich wymaganiach cieplnych,• Technologia następnej czwartej generacji musi uwzględniać inne cechy

charakterystyczne odnawialnych źródeł energii i budynków o niskim zapotrzebowaniu na ciepło,

• Nowe systemy należy budować zgodnie z tą nową technologią ciepłowniczą, a istniejące systemy należy przekształcić w nadchodzących dziesięcioleciach. Głównym wyzwaniem będzie zapewnienie ciepła o niskiej temperaturze w istniejących budynkach.

Ciepłownictwo w Polsce • Definicja – nie mylić z ogrzewnictwem (choć celem jest ogrzewanie).

Tylko prawidłowe wersja umożliwia zrozumienie działania.

• Przykład – czy jest to prawda ?

Ciepłownictwo definiujemy szeroko – zarówno jako ciepłownictwo systemowe, obejmujące systemy ciepłownicze wraz z źródłami wytwarzania, jak i ciepłownictwo niesystemowe, czyli indywidualne instalacje grzewcze w gospodarstwach domowych.

• Transformacja, przemiana parametrów.

Ciepłownictwo w Polsce

Nośniki energii – budynki mieszkalne

Stan obecny wpływa na przyszłośćok. 3,5 mln budynków (2015 r.)

Nowe rozwiązania, ale budynki stare i nowe.Efektywność energetyczna zaczyna mieć znaczenie dopiero od lat 90tych XX w.

Determinanty

4,6 mln osób, czyli 12% mieszkańców Polski, jest ubogich energetycznie.

Kogeneracja• duża• rozproszona

Tylko 66 % ciepłasystemowegopowstaje wkogeneracji

Paliwa – trudność będąca źródłem

Podstawa polskiego ciepłownictwa: … uległby zmarnowaniu …

Dotychczasowe wysiłki (inwestycje)• Ciepłownictwo skierowało wysiłki na ograniczenie emisji gazów

(SOx, NOx)• Nie było wymagań ograniczania CO2 – poniesione wydatki

(kredyty) nie odpowiadają aktualnym wymaganiom• Koszty emisji CO2 rosną • Nowe inwestycje ograniczające CO2 wymagają środków, a

zdolności (w tym zdolność kredytowa) są mocno ograniczone• Obecne zasady ustalania taryf nie dają możliwości gromadzenia

środków (a jeśli będzie taka możliwość, to oznacza wzrost cen dla odbiorców)

Nowe uwarunkowania są zupełnie inne

• Sieci ciepłownicze wchodzą na nowe obszary

• Termomodernizacja obniża zapotrzebowanie

• Nowe budynkimają wysoką ochronę cieplną

Ciepłownictwo a konkurencja• Ciepło z węgla staje się coraz mniej

konkurencyjna (Coronavirus, wojna cenowa 2020, rewolucja łupkowa 2017-2020)

• Produkcja ciepła nie daje zysku. Zyskownepozostaje dystrybucja i przesyłanie

• Przedsiębiorstwa ciepłownicze próbują zarabiać na dodatkowych usługach oraz na handlu emisjami CO2