PERSPEKTYWY ROZWOJU SYSTEMÓW CIEPŁOWNICZYCH

Transkrypt

1 Uczelniane Centrum Badawcze Energetyki i Ochrony Środowiska PERSPEKTYWY ROZWOJU SYSTEMÓW CIEPŁOWNICZYCH Prof.nzw.dr hab. inż. Krzysztof Wojdyga Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych Wydział Inżynierii Środowiska Politechnika Warszawska 1

2 Ciepłownictwo ważna dla polskiej gospodarki branża zapewnia dostawy ciepła do scentralizowanych systemów ciepłowniczych, które pokrywają średnio 72% zapotrzebowania na ciepło w miastach. Kilkanaście milionów obywateli naszego kraju korzysta z ciepła pochodzącego z sieci ciepłowniczych, które wytwarzane jest przez źródła energetyki zawodowej i przemysłowej oraz w ciepłowniach komunalnych. W Europie z systemów ciepłowniczych korzysta ponad 100 milionów mieszkańców. 2

3 Obecny obraz polskiego ciepłownictwa ukształtowany został w wyniku reformy ustroju naszego kraju realizowanej na początku lat dziewięćdziesiątych ubiegłego stulecia. Obowiązek zapewnienia usług zaopatrzenia w ciepło został przesunięty z poziomu państwa na samorząd terytorialny stopnia podstawowego czyli gminy. Wraz z transformacją ustrojową ciepłownictwo zrobiło też ogromny skok technologiczny i techniczny. Ale podnoszący się poziom wymagań odbiorców i konieczność wypełnienia standardów emisji stawia przed tą branżą kolejne wyzwania. 3

4 Podwyższenie sprawności źródeł ciepła możliwe jest na drodze modernizacji istniejących obiektów lub wymianie wyeksploatowanych kotłów na nowe. Zgodnie z polityką energetyczna państwa preferowane powinny być układy skojarzone pracujące w oparciu o paliwa gazowe. W celu poprawienia efektywności pracy źródła układy takie należy wyposażyć w zasobniki ciepła. Zgodnie z trendami ogólnoświatowymi, przewidziany jest wzrost wykorzystania energii odnawialnej. 4

5 Struktura zużycia paliw w Polsce w 2005 roku ponad 4 - krotnie większym udziałem węgla (Polska - 62 %, UE -15 %), prawie 2 krotnie mniejszym zużycie gazu ziemnego i paliw ciekłych (Polska - 35%), UE - 63 %), brakiem energetyki jądrowej w Polsce, (w UE 16 %) w strukturze energii pierwotnej. Zużycie energii pierwotnej w roku ,51% 13,55% węgiel kamienny węgiel brunatny ropa naftowa 5,25% 13,03% 19,66% gaz ziemny inne 5

6 kwh/m2 350 Zużycie ciepła i energii elektrycznej na potrzeby grzewcze z uwzględnieniem warunków klimatycznych Finlandia Luksemburg Łotwa Estoni Austria Polska Belgia Szwecja Norwegia Niemcy Czechy Szwajcaria Wielka Brytania Francja Litwa Dania 100 Bułgaria Włochy Grecja 50 Hiszpania Portugalia temperatura oc 6

7 Państwo Udział ciepła systemowego Islandia 94 % Estonia 52 % Szwecja 50 % Polska 50 % Dania 46 % Finlandia 44 % Słowacja 40 % Austria 18 % Węgry 16 % Niemcy 13 % Holandia 3 % Wielka Brytania 3 % 7

8 Szwajcaria Islandia Finlandia Słowacja Szwecja Polska Chorwacja Czechy Holandia Rumunia Bułgaria Dania Litwa Korea produkcja ciepła TWh, strata % 150 Straty ciepła w systemach ciepłowniczych w krajach europejskich strata względna % ilość ciepła TWh 73, ,2 32,7 7,64,45 7,9 8,3 5,6 8,8 8,9 9,1 40,6 32,5 27,8 19, , ,8 8,8 10,6 3,4 6,2 8

9 2003q q q q q q q q q q q q02 PKB/mieszkańca [Euro/osobę] Na wielkość zapotrzebowania ciepło w Polsce będą miały wpływ dwa zjawiska: zwiększenie produkcji przemysłowej, podniesienie standardu życia mieszkańców - zwiększenie zapotrzebowania na energię, racjonalizacja zużycia energii i związana z tym głęboka redukcja zapotrzebowania EU (25 państw) Czechy Dania Niemcy Hiszpania Francja Austria Polska Wielka Brytania Kwartały lat Wartość PKB w przeliczeniu na mieszkańca w wybranych krajach UE 9

10 kgtoe/1000 euro Zużycie energii w przemyśle [1000 ton oleju ekwiwalentnego] Czechy Zużycie energii finalnej przez przemysł w wybranych krajach UE Dania Niemcy Hiszpania Francja Austria Polska Szwecja Wielka Brytania Lata Czechy Niemcy Grecja Hiszpania Ireland Polska Portugalia USA Japonia Wskaźnik energochłonności dla wybranych państw Unii Europejskiej, USA i Japonii w latach lata 10

11 Średnia zapotrzebowania na energię finalną dla 27 krajów obecnie członków UE w latach spadła o 15 % z 240 kgoe/1000 euro do 202,5 kgoe/1000 euro. W tym samym czasie w Polsce spadek ten był znacznie większy bo wyniósł ponad 60 % ale energochłonność w Polsce jest jeszcze 2,9 razy wyższa niż średnia UE ( 202,5 UE, 574 Polska). Wśród krajów Unii Europejskiej najlepszym przykładem do naśladowanie jest Dania ze zużyciem 118,1 kgoe/1000 euro PKB. W najbliższych latach możliwa jest dalsza redukcja wskaźnika energochłonności do poziomu kgoe. Daje to około 15 % redukcję zużycia energii finalnej. Czyli roczne zmniejszenie zużycia energii powinno wynosić 1 %. Założenie to jest zgodne z Dyrektywą Parlamentu Europejskiego i Rady 2006/32/WE w sprawie efektywności końcowego wykorzystania energii i usług energetycznych 11

12 Wielkość zużycia ciepła na cele grzewcze zależy bezpośrednio od standardu wykonania budynku, który może być opisany wskaźnikiem jednostkowego zużycia energii na cele ogrzewcze w trakcie sezonu grzewczego w przeliczeniu na m 2 powierzchni użytkowej oznaczonego symbolem E. lata kwh/m 2 a, przed kwh/m 2 a, po kwh/m 2 a, niskoenergetyczne kwh/m 2 a, pasywne kwh/m 2 a, po termomodernizacji kwh/m 2 a, dla ogółu budynków kwh/m 2 a, aktualne wymagania kwh/m 2 a. 12

13 q [ kwh/m2 a 41% ,5% FINLANDIA Polska lata Spadek jednostkowej energochłonności budynków w Finlandii i Polsce 13

14 Nie można sobie pozwolić na powtórzenie błędów z lat minionych. Prognozy z lat 60 XX wieku zakładały dynamiczny przyrost budownictwa mieszkaniowego i przemysłowego, który tworzył szczególnie korzystne warunki do racjonalnego zaopatrzenia w ciepło dużych aglomeracji miejskich. Dobrym przykładem takiego przewymiarowania jest tutaj warszawski system ciepłowniczy. Produkcja ciepła na potrzeby systemu ciepłowniczego wzrasta z 0,33 PJ w roku 1954 do ponad 40 PJ w końcu lat 70 XX wieku. Następnie rośnie jeszcze bardziej do wartości 50 PJ w latach a w następnie spada ponownie do poziomu 40 PJ. 14

15 moc [MW] PJ/rok Produkcja ciepła w EC na potrzeby WSC 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0, lata ,33 PJ PJ PJ Warszawa Zapotrzebowanie na moc cieplną w WS C w latach Rzeczywist a moc cieplna Prognoza z roku 1979 Prognoza z roku 2005 Prognoza z roku lata 15

16 PJ/rok Produkcja ciepła w systemach ciepłowniczych w Polsce Rzeczywista produkcja ciepła Prognoza z roku lata Likwidacja (upadek) nierentownych energożernych zakładów, Proces termomodernizacji 16

17 Stan ciepłownictwa polskiego 2009r. Zgodnie z URE : Moc zainstalowana MW Moc osiągalna MW Długość rurociągów km Produkcja ciepła PJ ( ) Z tego w skojarzeniu PJ (277) Ciepło zakupione przez odbiorców PJ (295) Straty ciepła - 11,4 % 17

18 Udział paliw zużytych przez sektor ciepłowniczy w latach [%] Paliwo Węgiel kamienny i brunatny ,2 83,6 79,4 77,0 Olej opałowy 2,4 5,1 7,8 7,6 Gaz ziemny 5,2 8,3 5,0 5,4 Paliwa odnawialne 2,2 2,5 3,9 6,3 Spalarnie śmieci - 0,5 0,5 0,8 Inne - - 3,4 2,9 18

19 PJ/rok Sektor gospodarki Przemysł + Budownictwo Rolnictwo Usługi komercyjne i publiczne Gospodarstwa domowe Ogółem Prognoza zużycia ciepła w latach Metodyka IAEA Główny czynnik PKB przeceniono W zbyt małym stopniu uwzględniono efektywność energetyczną lata Polityka energetyczna z

20 PJ Zużycie ciepła [PJ] 316,4 297,8 309,4 300,0 295,4 292,8 270,3 254,2 253,0 Prognoza zapotrzebowania na ciepło lata prognozz na podstawie trendu prognoz na podstawie trendu Liniowy (prognozz na podstawie trendu ) Liniowy (prognoz na podstawie trendu ) 20

21 Powierzchnia użytkowa budynków mieszkalnych 944,1 mln m 2 (GUS ). Szacuje się, że rocznie przybywać będzie około 15 mln m 2 powierzchni użytkowe Zgodnie z danymi GUS średnia powierzchnia użytkowa mieszkań m m 2 wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło kwh/m 2 rok Prowadzone badania wykazują, że tylko procent niewielki nowowznoszonych obiektów spełnia obecnie wymagania ochrony cieplnej budynków. W prognozie przyjęto założenie, że wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło będzie spadał od wartości 100 kwh/m 2 rok w roku 2005 do 60 kwh/m 2 rok w roku

22 zapotzrebowanie ciepła [PJ] zapotrzebowanie [PJ] Gospodarstwa domowe lata Prognoza zapotrzebowania na ciepło sieciowe 300 go-dom go-dom+efekt go-dom+efekt+emisje lata 22

23 [PJ] Prognoza zapotzrebowania na ciepło sieciowe do roku scenariusz z nowymi budynkami scenariusz z nowymi budynkamiefektywność scenariusz z nowymi budynkamiefektywność-emisje polityka energetyczna lata 23

24 Typ producenta Przemysł ,2 125,2 128,4 131,6 Usługi ,1 126,1 132,4 139,1 146,0 Gospodarstwa domowe ,5 223,9 243,2 255,9 251,7 Rolnictwo 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 Ogółem 490,0 491,8 492,2 511,8 543,4 549,3 Produkcja lokalna ciepła [PJ] 24

25 W warunkach polskiej gospodarki rozwój skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła należy uznać za jeden z najważniejszych sposobów wywiązania się z zobowiązań podjętych przez UE. Kogeneracja znajduje szczególna rolę w zmniejszeniu zużycia paliw kopalnych oraz ograniczaniu emisji CO2. Realizacja do roku 2020 tak zwanego program 3 x 20 przewidującego: redukcję emisji CO2 o 20%, wzrost udziału energii z odnawialnych źródeł do 20% (15 %), wzrost o 20% efektywności energetycznej Bez kogeneracji niemożliwa 25

26 11 styczna 2004 roku przyjęta została Dyrektywa 2004/8/UE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 11 lutego 2004r. w sprawie promowania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na wewnętrznym rynku energii oraz wnosząca poprawki do Dyrektywy 92/42/EWG. Dyrektywa ta nakłada na państwa członkowskie Unii Europejskiej obowiązek wspierania skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. W preambule do Dyrektywy stwierdzono miedzy innymi, że potencjał skojarzonej gospodarki cieplno-elektrycznej jako środek służący do oszczędzania energii jest obecnie niewystarczająco wykorzystywany we Wspólnocie. Promowanie wysokosprawnej skojarzonej gospodarki cieplnoelektrycznej w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe stanowi priorytet dla Wspólnoty i niesie ze sobą potencjalne korzyści wynikające ze skojarzenia związane z oszczędzaniem energii pierwotnej, unikaniem strat w sieci i zmniejszeniem emisji, w szczególności gazów cieplarnianych. 26

27 DK NL FIN L PL D A P E I B S UK EST F GR IRL % Udział produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu w wybranych krajach europejskich państwa 27

28 Wysokosprawna kogeneracja kogeneracja, która przynosi względną oszczędność paliwa (wskaźnik PES) 10% dla jednostek kogeneracyjnych o mocy elektrycznej powyżej 1 MW oraz PES > 0% dla jednostek o mocy równej lub mniejszej od 1 MW. 28

29 paliwo

30 [TWh]

31 20% 19% 18% 17% 16% 15% 14% 13% 12% 11% 10% 31

32 PJ lata Produkcja ciepła w tym w skojarzeniu 32

33 W Dyrektywie wymieniono technologie, których dotyczy ten dokument: a) turbina gazowo-parowa z odzyskiwaczami ciepła, b) turbina parowa przeciwprężna, c) turbina parowa upustowo-kondensacyjna, d) turbina gazowa z odzyskiwaczami ciepła, e) silnik spalinowy, f) mikroturbina, g) silnik Sterlinga, h) ogniwo paliwowe, i) silnik parowy, j) organiczny obieg Rankine a, 33

34 Podwojenie produkcji = to dodatkowe 25 TWh Czas wykorzystania mocy zainstalowanej ok godzin Konieczna do wybudowania moc: ok MW Przykładowa struktura: Technologia Moc Potrzebne dofinansowanie EC bio MW 90 % EC węgiel MW 50 % EC gaz MW 70% 34

35 Potencjał techniczny kogeneracji można ograniczyć do 5 kategorii zapotrzebowania na ciepło użytkowe: dodatkowy potencjał w ciepłej wodzie użytkowej, dodatkowy potencjał w energetyce zawodowej (w istniejących systemach) na potrzeby grzewcze budynków, dodatkowy potencjał w energetyce przemysłowej, dodatkowy potencjał w obiektach wielkokubaturowych ( EC indywidualne), dodatkowy potencjał w chłodzie. 35

36 Potencjał techniczny wariant węglowy koszty[geu] PES[PJ*10] CO2mln ton Produkcja 25 TWh ee Potencjał 65 TWh ee 65 TWh th 140 TWh th Nowe moce 9,2 GW 36

37 Potencjał techniczny wariant gazowy koszty[geu] PES[PJ*10] CO2mln ton Produkcja 25 TWh ee Potencjał 100 TWh ee 65 TWh th 140 TWh th Nowe moce 18,5 GW 37

38 Mechanizmy wsparcia kogeneracji 1. Dopłaty do energii elektrycznej 2. Dopłaty do inwestycji (fundusze strukturalne, NFOŚ) 3. Powyżej określonej mocy cieplnej konieczność wykazania, że kogeneracja nieopłacalna lub niemożliwa. 4. W planie zaopatrzenia obowiązek rozpatrzenia kogeneracji 5. Obowiązkowa kontrola realizacji planów zaopatrzenia 6. Gminny energetyk 7. Dla małych mocy bardzo uproszczona formuła koncesji. 8. Dla małych darmowe przyłącze? 9. Mechanizm sprzedaży na rynek lokalny 10. Rynek godzinowy energii elektrycznej (szczytowa droższa) 38

39 Kogeneracja - świadectwa pochodzenia (Guarantee of origin) Realizacja programu 3 x 20% niemożliwe będzie bez finansowego wsparcia. Takim wsparciem są świadectwa pochodzenia. Świadectwa pochodzenia dotycz głównie produkcji energii elektrycznej. Świadectwo zielone - ze źródeł odnawialnych 240 zł/mwh Świadectwo czerwone - kogeneracja węglowa - 18 zł/mwh Świadectwo żółte - kogeneracja gazowa zł/mwh Świadectwo białe - efektywność energetyczna - projekt Świadectwo błękitne - superefektywna generacja - koncepcja Świadectwo pomarańczowe węgiel zero emisyjny - koncepcja 39

40 Uczelniane Centrum Badawcze Energetyki i Ochrony Środowiska Dziękuję za uwagę 40