PROGNOZY ZAPOTRZEBOWANIA NA CIEPŁO NA TERENACH O MAŁYM STOPNIU ZURBANIZOWANIA

Transkrypt

1 PROGNOZY ZAPOTRZEBOWANIA NA CIEPŁO NA TERENACH O MAŁYM STOPNIU ZURBANIZOWANIA Autor: Jan C. Stępień ( Rynek Energii nr 6/2007) Słowa kluczowe: zapotrzebowanie na ciepło, zuŝycie paliw, prognozy energetyczne, rynek energii Streszczenie. W artykule przedstawiono zapotrzebowanie na ciepło grzewcze i na przygotowanie ciepłej wody uŝytkowej w stanie obecnym na pięciu terenach o małym stopniu zurbanizowania. Są to tereny obejmujące małe miasta oraz wsie, w których nie istnieją scentralizowane źródła ciepła ani sieci ciepłownicze. Przedstawiono równieŝ wariantową prognozę zapotrzebowania na ciepło oraz strukturę zuŝywanych paliw, w perspektywie 2025 roku. Przedstawione wyniki badań stanowią podstawy do określenia zmian zapotrzebowania na ciepło zuŝywane na potrzeby ogrzewcze i przygotowania ciepłej wody uŝytkowej oraz dają podstawy do określenia struktury rynku paliw na terenach o małym stopniu zurbanizowania. 1. CHARAKTERYSTYKA ANALIZOWANYCH TERENÓW BADAŃ Większość analiz i publikacji dotyczących rynków ciepła dotyczy duŝych aglomeracji miejskich, w których istnieją systemy ciepłownicze składające się z scentralizowanych źródeł ciepła i sieci cieplnych. NaleŜy jednak mieć na uwadze, Ŝe 38,6% ludności kraju zamieszkuje na obszarach wiejskich, o małym stopniu zurbanizowania [1,2,3], na których nie jest moŝliwe zasilanie w ciepło budynków z scentralizowanych systemów ciepłowniczych. Jednocześnie naleŝy zauwaŝyć, Ŝe udział zuŝycia finalnego energii w roku 2005, w gospodarstwach domowych wynosił 33%, w rolnictwie 7% a w usługach 12%, czyli 52% całkowitego finalnego zuŝycia energii w Polsce [3]. Na terenach, o których mowa, znajdują się odbiorcy ciepła z małych miast, osad oraz wsi. Jest to więc grupa odbiorców ciepła i paliw, która stanowi znaczący udział w krajowym rynku energii i z tego względu jest istotne badanie perspektywy zuŝycia energii tych odbiorców. Do analizy przyjęto odbiorców zlokalizowanych na pięciu terenach o podobnej charakterystyce strukturalnej pod względem demograficznym i gospodarczym. Na terenach tych nie ma scentralizowanych źródeł ciepła, jak równieŝ brak jest sieci ciepłowniczych. Budynki indywidualne ogrzewane są tradycyjnymi piecami lub z indywidualnych kotłowni na paliwo stałe - węgiel, koks, miał lub drewno. Budynki uŝyteczności publicznej ogrzewane są z indywidualnych kotłowni opalanych paliwem stałym bądź olejem opałowym. Analizowane tereny mają charakter rolniczy oraz usługowo-przetwórczy. Na tych terenach znajdują się małe zakłady przetwórcze. Nie ma tam zlokalizowanych zakładów przemysłowych. Powierzchnie terenów zawierają się w zakresie (68-194) km 2, zamieszkuje na nich od 7,4 do 14,2 tys. mieszkańców [8]. Są to wielkości charakterystyczne dla gmin zlokalizowanych w południowej i środkowej części kraju [1].

2 W tabeli 1 przedstawiono charakterystykę ogólną analizowanych terenów. 2. ZAPOTRZEBOWANIE NA CIEPŁO - STAN OBECNY Na badanych terenach nie moŝna wyróŝnić obszarów o jednorodnej zabudowie mieszkaniowej. Zazwyczaj zwiększona koncentracja zabudowy występuje na obszarze, w którym znajduje się główny ośrodek administracyjny (siedziba gminy). Jest to jednak głównie zabudowa jednorodzinna z nielicznymi budynkami wielorodzinnymi. Na podstawie struktury sposobów ogrzewania obiektów [7,8], w rozpatrywanych terenach, wyznaczone zostało zuŝycie poszczególnych nośników energii. Przy obliczaniu uwzględniono sprawności źródeł ciepła o następujących wartościach [7]: - kotły węglowe kotłowni centralnych 65%, - piece i trzony kuchenne węglowe 30%, - trzony kuchenne gazowe 70%, - kotły węglowe 55%, - kotły spalające drewno 50%. Do obliczeń przyjęto następujące wartości opałowe poszczególnych nośników energii: - wartość opałową węgla przyjęto 20 MJ/kg, - wartość opałową gazu ciekłego przeliczono na poziom 42 MJ/Nm 3, - wartość opałową drewna przyjęto 15 MJ/kg, - wartość opałową oleju opałowego przyjęto równą 42 MJ/kg. W tabeli 2 zestawiono wartości mocy cieplnych oraz roczne wartości ciepła zuŝywanego na potrzeby grzewcze oraz wytwarzania ciepłej wody uŝytkowej.

3 Najistotniejszym problemem, z punktu widzenia prowadzonych tutaj rozwaŝań, nie jest analiza ilości zuŝywanych nośników energii lecz udziału zawartej w nich energii zuŝytej na potrzeby całkowitego pokrycia zapotrzebowania na ciepło. W tabeli 3 przedstawiono procentowe udziały charakteryzujące strukturę zuŝycia nośników energii w analizowanych terenach wyznaczone w stosunku do zuŝycia na poziomie 2005 roku, przedstawionego w tabeli 2. Wartości liczbowe zamieszczone w tabeli 3 zilustrowano na rys. 1. Jak widać z przestawionych wyników największy udział w zaspokajaniu potrzeb energetycznych ma węgiel i energia elektryczna. Na uwagę zasługuje teŝ stosunkowo duŝy udział drewna, jako paliwa, na niektórych terenach. Wysoki udział energii elektrycznej, jako nośnika energii, dla ogrzewania pomieszczeń a przede wszystkim przygotowania ciepłej wody uŝytkowej, spowodowany jest stosunkowo niskimi nakładami inwestycyjnymi wykonania instalacji grzewczej i zazwyczaj jest to jedyna obecnie alternatywa wykonania instalacji ciepłej wody uŝytkowej [7].

4 3. PROGNOZY ZAPOTRZEBOWANIA NA CIEPŁO DO 2025 ROKU Przyszłościowe zapotrzebowanie na ciepło, na danym terenie, uwarunkowane jest liczbą mieszkańców oraz zmianami budownictwa mieszkaniowego, zarówno pod względem wielkości jak i jakości. Ogólne prognozy demograficzne dla Polski [1,2], przewidują w dalszym ciągu większą migrację ludności wiejskiej do miast. Prognozy demograficzne dla analizowanych terenów, oparto o szczegółowe prognozy opracowane przez Główny Urząd Statystyczny (GUS) [1,2], oraz dane z Wojewódzkiego Urzędu Statystycznego jak równieŝ dane udostępnione przez odpowiednie urzędy gmin w postaci studiów uwarunkowań i kierunków zagospodarowania przestrzennego, strategii rozwoju analizowanych terenów oraz miejscowych planów zagospodarowania przestrzennego [5,6]. Z ogólnych danych GUS wynika, Ŝe tereny wiejskie ulegają stopniowemu wyludnieniu, przy czym w ostatnich latach obserwuje się tendencje odwrotną w pobliŝu duŝych aglomeracji miejskich. Podobne trendy moŝna zaobserwować w przypadku analizowanych terenów. Wyniki z tabeli 4 zilustrowano na rys. 2.

5 W tabeli 4 zamieszczono przewidywane zmiany liczby mieszkańców i warunków mieszkaniowych w rozpatrywanych terenach, w perspektywie roku Zmiany te ujęto procentowo w stosunku do wartości z roku Jak wynika z danych zamieszczonych w tabeli 4 liczba mieszkańców na rozpatrywanych terenach nieznacznie maleje. Nie jest to proporcjonalne do przewidywanych zmian liczby mieszkań i ich powierzchni uŝytkowej, które związane są z polepszaniem standardów mieszkaniowych ludności. Jednym z podstawowych kierunków uŝytkowania energii jest jej oszczędzanie. Realizację tego celu, w odniesieniu zaspokajania potrzeb na wytworzenie ciepła na potrzeby grzewcze i przygotowanie ciepłej wody uŝytkowej moŝna osiągnąć za pomocą dwóch zasadniczych kierunków - zmniejszenia strat cieplnych do otoczenia i zwiększenia sprawności przemian energetycznych. W obliczeniach uwzględniono obydwa te aspekty, w róŝnym stopniu, dokonując analiz wariantowych zapotrzebowania na moc i ciepło grzewcze. We wszystkich wariantach przyjęto warunki klimatyczne dla obszaru Polski środkowej. Przy ocenie perspektywicznego zapotrzebowania ciepła na potrzeby grzewcze i przygotowania ciepłej wody uŝytkowej rozpatrzono trzy warianty, które opierają się na innych załoŝeniach. Wariant pierwszy, nazywany wariantem odniesienia, oparty jest na załoŝeniu, Ŝe nie nastąpi modernizacja istniejących zasobów mieszkaniowych polegająca na termo renowacji i zmniejszeniu strat ciepła grzewczego do otoczenia, a w związku z tym zmniejszenie mocy i wartości ciepła grzewczego. Nowe budynki będą jednak wykonywane zgodnie z aktualnymi normatywami i wymogami dotyczącymi przewodności cieplnej przegród budowlanych [5,6]. Wariant drugi opiera się na załoŝeniu, Ŝe wszystkie zasoby mieszkaniowe będą podlegały termorenowacji, w wyniku czego zapotrzebowanie na moc i ciepło grzewcze zmniejszy się najbardziej. Ten wariant, ze względu na wartość oszczędności w zapotrzebowaniu na ciepło został nazwany wariantem maksimum. W wariancie trzecim zakłada się arbitralnie osiągnięcie 50% potencjalnych oszczędności jakie mogłyby powstać w wyniku prac termorenowacyjnych wszystkich zasobów mieszkaniowych.

6 Pozostałe załoŝenia pozostają bez zmian. We wszystkich analizowanych wariantach ujęte zostały prognozowane zmiany demograficzne oraz zmiany zasobów mieszkaniowych, które są przedmiotem prognoz dla danych terenów [1,2,8]. W tabelach 5, 6 i 7 oraz na rys. 2, 3 i 4 przedstawiono wyniki przeprowadzonych symulacji.

7 Z przeprowadzonych analiz wynika, Ŝe w przypadku wariantu odniesienia, we wszystkich prawie przypadkach wzrastają moce i ciepło na potrzeby grzewcze i przygotowanie ciepłej wody uŝytkowej. Wyjątek stanowi teren IV, w którym ma wystąpić znaczący odpływ ludności. Inaczej zuŝycie ciepła przedstawia się w przypadku wariantu maksimum. W tym przypadku, w wyniku przewidywanych prac termoreno-wacyjnych, moŝna uzyskać obniŝenie mocy i wartości ciepła na potrzeby grzewcze nawet do poziomu 60% obecnych wartości. Moce i wartości ciepła przeznaczonego na przygotowanie ciepłej wody uŝytkowej zmieniają się nieznacznie, wraz ze zmianami liczby mieszkańców. Porównanie tych wariantów pokazuje zakres oszczędności jaki moŝna uzyskać przez zastosowanie prac

8 termorenowacyjnych dla istniejących zasobów mieszkaniowych. W wariancie minimum wartości mocy i zuŝycie ciepła na potrzeby grzewcze jest o ok. 20% niŝsze niŝ w przypadku wariantu odniesienia i ok. 20% wyŝsze niŝ w przypadku wariantu maksimum. Koszty termorenowacji budynków mieszkalnych pokrywane będą przez ich właścicieli. Zasadnicze kierunki wspierania przedsięwzięć termorenowacyjnych określają odpowiednie przepisy prawne [4,9]. NaleŜy zauwaŝyć, Ŝe koszty termorenowacji są duŝe. Z przeprowadzonych analiz [8] wynika, Ŝe średni koszt termorenowacji jednorodzinnego budynku mieszkalnego o powierzchni 100 m", na poziomie cen z roku 2005, wynosił ok zł, a prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych (SPBT) jest równy 14,4 lat. W związku z tym część właścicieli budynków mieszkalnych nie przeprowadzi zabiegów termorenowacyjnych swoich budynków. Trudno jest oceniać obecnie, który z przedstawionych wariantów będzie mógł być realizowany. Wpływ na to będzie miała przede wszystkim sytuacja gospodarcza. 4. PERSPEKTYWICZNA STRUKTURA ZUśYCIA NOŚNIKÓW ENERGII W ostatniej dekadzie nastąpił znaczący postęp w rozwoju i wdraŝaniu projektów wykorzystujących odnawialne źródła energii. Coraz częściej przy realizacji nowych inwestycji mieszkaniowych wykorzystuje się kolektory słoneczne i pompy ciepła do przygotowania ciepłej wody uŝytkowej i na potrzeby grzewcze. Dla ogrzewania budynków administracyjnych i uŝyteczności publicznej powstają lokalne kotłownie opalane słomą lub roślinami energetycznymi pochodzącymi ze specjalnie dla tego celu utrzymywanych plantacji. Rozwój odnawialnych źródeł energii uwarunkowany jest wieloma czynnikami, przede wszystkim ekonomicznymi, których omawianie przekracza ramy tego opracowania. Trzeba jednak stwierdzić, Ŝe udział energii odnawialnych, na potrzeby zaopatrzenia w ciepło, będzie stale rósł i naleŝy go uwzględniać w bilansach cieplnych. Na strukturę zuŝycia paliw, na danym terenie, bardzo duŝy wpływ ma moŝliwość zastosowania gazu ziemnego jako paliwa. Na rozpatrywanych terenach jedynie teren IV jest obecnie gazyfikowany, natomiast na terenie II nie jest przewidywana budowa sieci gazowej w rozpatrywanym okresie. MoŜliwość wykorzystania gazu ziemnego jako paliwa zuŝywanego na potrzeby grzewcze i przygotowania ciepłej wody uŝytkowej jest bardzo atrakcyjna i związana jest ze zmianą istniejących lokalnych kotłowni węglowych na gazowe, zmianą pieców węglowych, w budynkach jednorodzinnych, na kotły gazowe, co powoduje osiąganie sprawności eksploatacyjnej w kotłach kondensacyjnych przekraczającej 95% i znaczne oszczędności zuŝycia paliw i energii [7]. Na podstawie dokonanych bilansów ciepła wykonano wariantowe obliczenia zuŝycia paliw. Oprócz zmian zuŝycia ciepła, w poszczególnych wariantach, uwzględniono dodatkowe czynniki związane z rozwojem infrastruktury technicznej. I tak, w wariancie odniesienia uwzględniono mały udział gazu ziemnego w bilansach paliw, tylko w tym przypadku, w którym program gazyfikacji jest realizowany. W wariancie maksimum ujęta została

9 gazyfikacja wszystkich terenów (oprócz II). W tym wariancie przewiduje się duŝy spadek udziału węgla na korzyść gazu. Wariant minimalny uwzględnia udział gazu na średnim poziomie ok. 30%, w zaleŝności od terenu. Udział odnawialnych źródeł energii (OZE) przewiduje się na poziomie kilkunastu procentów, przede wszystkim w odniesieniu do nowych budynków. Na uwagę zasługuje wyeliminowanie drewna jako paliwa do ogrzewania i przygotowania ciepłej wody uŝytkowej, w takiej postaci, w jakiej wykorzystywane jest obecnie. Drewno, w postaci roślin energetycznych, będzie wykorzystywane w instalacjach, które zaliczone zostały do odnawialnych źródeł energii. W tabelach 8, 9 i 10 oraz na rysunkach 6, 7 i 8 przedstawiono strukturę zuŝycia paliw, dla poszczególnych wariantów, w odniesieniu do całkowitego zuŝycia energii.

10

11 5. PODSUMOWANIE W obecnym stanie, na terenach o małym stopniu zurbanizowania, najwaŝniejszym nośnikiem energii zuŝywanej na wytworzenie ciepła grzewczego i przygotowanie ciepłej wody uŝytkowej jest węgiel. Udział węgla w całkowitym zuŝyciu nośników energii zawiera się w przedziale od 68,4% do 81,2%. Na rozpatrywanych terenach przewiduje się niewielkie zmiany demograficzne i zasobów mieszkaniowych, które determinują zuŝycie ciepła. Jedynie w przypadku rejonu IV następuje jego znaczące wyludnienie, natomiast na terenie II, który graniczy z duŝą aglomeracją miejską, następuje znaczący wzrost powierzchni uŝytkowej mieszkań w związku z nową zabudową związaną ze wzrostem komfortu budynków. Znaczące zmniejszenie zuŝycia energii, do poziomu od 69,1% do 87,5%, moŝliwe jest do uzyskania w przypadku termorenowacji istniejących zasobów mieszkaniowych i zastosowaniu nowoczesnych metod wytwarzania ciepła, głównie w oparciu o gaz ziemny. Perspektywiczna struktura zuŝycia nośników energii jest ściśle uwarunkowana gazyfikacją rozpatrywanych terenów. W przypadku szerokiego zastosowania gazu jako paliwa, o udziale od 26% do 60% udział węgla zmniejszy się od 33% do 50%, w zaleŝności od terenu. LITERATURA [1] Główny Urząd Statystyczny. Ludność. Stan i struktura w przekroju terytorialnym. GUS. Warszawa [2] Główny Urząd Statystyczny. Prognoza demograficzna na lata GUS. Warszawa [3] Główny Urząd Statystyczny. Rocznik Statystyczny Rzeczpospolitej Polskiej. GUS. Warszawa [4] Nowelizacja Ustawy o wspieraniu przedsięwzięć termomodernizacyjnych z dnia 21 VI 2001 r., Dziennik Ustaw nr 76 z 2001 r., poz [5] Rozporządzenie Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa z dnia 14 XII 1994 r w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dziennik Ustaw nr 10 z 1995 r., poz. 46. [6] Rozporządzenie Ministra Spraw Wewnętrznych i Administracji z dnia 30 IX 1997 r w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie. Dziennik Ustaw nr 132 z 1997 r., poz [7] Stępień J.C., Tytko J.: Analiza porównawcza kosztów wytwarzania ciepła w róŝnych systemach grzewczych. Rynek Energii 97 nr 4, s [8] Świętokrzyska Agencja Rozwoju Regionalnego S.A. ZałoŜenia do planów zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe Gmin Województwa Świętokrzyskiego [9] Ustawa o wspieraniu przedsięwzięć termomodernizacyjnych z dnia 18 XII 1998 r., Dziennik Ustaw nr 162 z 1998 r., poz

12 FORECAST OF HEAT DEMANDS IN THE LOW URBANIZED AREAS Key words: heat demand, fuel consumption, power forecast, energy market Summary. Present demand for heat and preparation of usable hot water in five Iow urbanized areas have been presented in the paper. The areas comprise little towns and villages, where the centralized heat sources or heat distribution networks do not exist. The variant forecast of the heat demand and of the used fuel structure in the prospect of the year 2025 has been also presented. The presented results constitute the basis for determining the changes in the heat demands and for the preparation of the usable hot water and make the foundations to determine the fuel market structure in the Iow urbanized areas. Jan C. Stępień, dr hab. inŝ. prof. nadzw. Politechniki Świętokrzyskiej, Politechnika Świętokrzyska, Katedra Podstaw Energetyki, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego nr 7, Kielce,