Autor. Szymon Pająk, Daniel Roch ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Techniki Cieplnej

Transkrypt

1 Autor Szymon Pająk, Daniel Roch ENERGOPOMIAR Sp. z o.o. Zakład Techniki Cieplnej Do najważniejszych elementów polityki energetycznej w zakresie produkcji i dostaw ciepła, realizowanych na szczeblu regionalnym i lokalnym zalicza się rozwój scentralizowanych systemów ciepłowniczych opartych na źródłach kogeneracyjnych. Systemy te pozwalają na dostarczanie ciepła w sposób bardziej efektywny i ekologiczny niż kotłownie indywidualne. Przyczyniają się również do podnoszenia poziomu bezpieczeństwa energetycznego w regionie. Obecny udział ciepła systemowego klasyfikuje Polskę w czołówce europejskiej, jednak potencjał wykorzystania centralnych systemów ciepłowniczych wciąż jest duży. Z uwagi na wymogi unijnego i krajowego prawa w zakresie ochrony powietrza, odnawialnych źródeł energii i efektywności energetycznej, w polskim ciepłownictwie konieczne są inwestycje zarówno po stronie odbiorców, jak i wytwórców oraz dystrybutorów. Aby optymalnie wykorzystać potencjał ciepła systemowego, inwestycje i modernizacje należy odpowiednio zaplanować, a więc: dokonać analizy aktualnego rynku ciepła, sporządzić prognozy zapotrzebowania na ciepło, ocenić istniejącą sieć ciepłowniczą i źródła ciepła oraz przygotować scenariusze ich rozwoju. Opracowane w ten sposób studium rynku ciepła umożliwi podjęcie decyzji dotyczących działań inwestycyjnych zarówno w obszarze sieciowym, jak i źródeł ciepła, uwzględniając jednocześnie potrzeby szeroko pojętego odbiorcy. W artykule przedstawiono zakres dwóch analiz koniecznych do określenia stanu początkowego w procesie modernizacji i rozwoju systemu ciepłowniczego na danym obszarze oraz pozwalających na wybór odpowiedniego kierunku rozwoju. Studium rynku ciepła W celu wyboru optymalnego rozwiązania zaopatrzenia w ciepło, uwzględniającego szereg uwarunkowań lokalnych, właściwych dla danej gminy, pierwszym krokiem powinno być oszaco wanie wielkości lokalnego rynku ciepła. Studium rynku ciepła obejmuje historyczny trend kształtowania się zapotrzebowania na ciepło, jak i trend prognozowany. 1 / 5

2 Przed przystąpieniem do szczegółowych analiz należy określić granice obszaru, którego mają one dotyczyć. Dla gminy naturalnym obszarem analizy rynku ciepła jest teren mieszczący się w jej granicach administracyjnych. Obszar ten dzieli się na mniejsze powierzchnie z uwzględnieniem podziału na dzielnice oraz inne, ważne ze względu na obecność sieci ciepłowniczej (nie zawsze pokrywają się w 100% z osiedlami). Gromadzenie wiedzy o historycznym i aktualnym zapotrzebowaniu na moc cieplną na terenie wszystkich wyznaczonych jednostek bilansowych jest bardzo ważne z punktu widzenia prognozowania oraz planowania struktury zaopatrzenia. Zgromadzenie rzetelnych danych z analizowanego obszaru umożliwi prawidłowe oszacowanie zapotrzebowania w uzasadnionym horyzoncie czasowym oraz pozwoli na opracowanie właściwych strategii zmian w strukturze źródeł zaopatrzenia w ciepło.podstawowymi i najbardziej wartościowymi źródłami danych na potrzeby określenia wielkości rynku ciepła są archiwa przedsiębiorstw energetyki cieplnej wytwarzających, przesyłających i dystrybuujących ciepło na obszarze gminy (jednostek bilansowych). Do określenia rynku ciepła i zaprognozowania jego wielkości w najbliższym horyzoncie czasowym niezbędne są następujące dane: - zużycie energii cieplnej, - zużycie nośników energii ogółem oraz z podziałem na obiekty (energia elektryczna, gaz ziemny, ciepło sieciowe, olej opałowy, gaz ciekły, paliwa stałe: węgiel, koks, paliwa płynne, biomasa), - jednostkowe zużycie energii ogółem i z podziałem na obiekty,udział bezpośredniego zużycia paliw stałych w urządzeniach grzewczych,udział lokalnych źródeł energii w zaopatrzeniu gminy w energię, - ceny poszczególnych nośników energii na terenie gminy,rok budowy budynków,informacje o przeprowadzonych termomodernizacjach. Prognozowanie wielkości rynku ciepła w oparciu o sektor budownictwa mieszkaniowego należy uzupełnić wiedzą na temat głównych odbiorców ciepła zlokalizowanych na terenie danej gminy. Informacje takie można uzyskać za pomocą specjalnie przygotowanych w tym celu formularzy (ankiet), które powinny poszerzyć zakresu analizy i zbudować obrazu rynku ciepła na obszarze niepokrytym przez scentralizowany system ciepłowniczy. Studium rynku ciepła można wykonać w oparciu o poniższe scenariusze [1]: - scenariusz gospodarki pasywnej brak zaangażowania w: zapewnienie bezpieczeństwa dostaw energii, obniżanie cen energii, rozwój mieszkalnictwa, realizację programów zmniejszenia zużycia ciepła, - scenariusz gospodarki aktywnej zaangażowanie w: rozwój przemysłu i usług, rozwój mieszkalnictwa, formułowanie cen ciepła, realizację programów racjonalizacji zużycia ciepła, - scenariusz dotychczasowy realizacja bieżących programów w przyszłości; taki scenariusz zbliżony może być do poprzednich scenariuszy, - scenariusz rozwoju społeczno-ekologicznego wysokie zaangażowanie w realizację 2 / 5

3 celów polityki energetycznej, ekologicznej i społecznej, przyszły rozwój systemów zaopatrzenia w ciepło mający na uwadze niższe koszty realizacji. Ustalenie scenariuszy zmian zapotrzebowania daje pogląd na możliwą sytuację gminy w różnych okolicznościach wobec trendów: zrównoważonego, wzrostu i spadku. Studium analityczne sieci ciepłowniczych Studium analityczne sieci ciepłowniczej ma na celu identyfikację oraz ocenę badanej sieci ciepłowniczej wraz z przygotowaniem scenariuszy jej rozwoju jeżeli taka potrzeba została potwierdzona na podstawie analizy rynku. W ramach studium należy przygotować model matematyczny sieci ciepłowniczej pozwalający na przeanalizowanie dowolnych scenariuszy rozwoju badanego obszaru, związanych zarówno z rozwojem sieci (modernizacje magistral, przyłączenia nowych odbiorców), jak i jej źródeł zasilania (modernizacje ciepłowni, elektrociepłowni). Głównym celem studium jest wzrost efektywnego zarządzania siecią ciepłowniczą na terenie badanego obszaru oraz doradztwo przy wyborze niezbędnych zadań inwestycyjnych prowadzących do zwiększenia sprawności produkcji i przesyłu ciepła oraz zwiększenia niezawodności systemu ciepłowniczego. Opracowanie studium analitycznego sieci ciepłowniczej polega na identyfikacji analizowanej sieci w zakresie rurociągów i węzłów ciepłowniczych oraz ich wzajemnego położenia, a także położenia w stosunku do źródła (-eł) ciepła oraz zabudowanych w ich obrębie współpracujących z siecią układów pompowych. Powyższe dane powinny stanowić bazę do wykonania modelu matematycznego sieci ciepłowniczej, umożliwiającego symulację dowolnych, możliwych technicznie zmian w sieci. Cieplno-przepływowy model sieci powinien składać się z dwóch wewnętrznych modułów: hydraulicznego (umożliwiającego obliczenie oporów hydraulicznych w układzie) oraz cieplnego (umożliwiającego obliczenie strat ciepła w układzie). Dwa wewnętrzne moduły modelu współpracują ze sobą w zależności od zmiennych danych wejściowych (m.in. zmiennego zapotrzebowania na ciepło przez odbiorców) dla analizowanych scenariuszy pracy sieci, takich jak: zmienne obszary zasilania, przyłączenia nowych odbiorców, modernizacje sieci ciepłowniczej, modernizacje lub budowa nowych źródeł ciepła. Model hydrauliczny sieci powinien składać się z dwóch głównych elementów: modelu węzłów ciepłowniczych (odbiorców) oraz modelu rurociągów ciepłowniczych (magistralnych i rozdzielczych), a także siatki wzajemnych połączeń pomiędzy nimi. Model buduje się w oparciu o prawo zachowania masy, a modele połączeń w oparciu o zasadę zachowania energii. Modelowanie poszczególnych węzłów powinno być oparte o bilans energii według równania Bernouliego. Straty ciśnienia w każdym odcinku rurociągu powinno się obliczać z równania Darcy-Weisbacha [2] z uwzględnieniem oporów lokalnych. Model sieci ciepłowniczej powinien 3 / 5

4 zawierać algorytmy obliczające straty ciepła w sieciach ciepłowniczych. Sprawdzoną metodą szacowania tych strat są wytyczne dokumentu Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej pt. Szacowanie strat ciepła w wyniku realizacji projektu [3]. Model hydrauliczny sieci można poddać walidacji bazując na rzeczywistych danych pomiarowych z modelowanego obszaru sieci. Do procesu walidacji niezbędne są także dane dotyczące źródła oraz węzłów ciepłowniczych, które w większości przypadków zawierają niezbędne układy pomiarowe (pomiar ciśnienia dyspozycyjnego). Dzięki wykorzystaniu do obliczeń metod statystycznych można określić stopień zgodności wartości generowanych przez model z rzeczywistą siecią ciepłowniczą. W symulacjach hydraulicznych przyjmuje się założenia w zakresie maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia w rurociągu ciepłowniczym, a także ciśnienia dyspozycyjnego na końcówkach sieci. Opisany model matematyczny sieci ciepłowniczej stanowi narzędzie obliczeniowe pozwalające na przeprowadzanie wielowariantowych symulacji dla różnych układów pracy sieci i parametrów powiązanych ze zmienną temperaturą zewnętrzną. W wyniku kalkulacji uzyskuje się takie dane jak: - ciśnienia dyspozycyjne u odbiorców, - opory hydrauliczne na poszczególnych odcinkach sieci, - rozpływy wody w magistralach i do poszczególnych odbiorców, - wymaganą wydajność układów pompowych w źródle, - energochłonność układu pompowego, - straty ciepła w poszczególnych odcinkach sieci. Symulacje modelowe mogą być podstawą analizy energetyczno-ekonomicznej rozdziału obciążenia pomiędzy jednostkami wytwórczymi zlokalizowanymi w obrębie przedmiotowego obszaru ciepłowniczego oraz związanych obszarów zasilania. Pozwalają także na opracowanie optymalnej z technicznego punktu widzenia (parametry sprawnościowe i ekologiczne) konfiguracji pracy jednostek wytwórczych, służącej wytworzeniu wymaganej ilości ciepła. Model ten stanowić może także narzędzie do określenia możliwości pracy źródeł na zmienne obszary zasilania. Potrzeba taka może wynikać zarówno ze stanów awaryjnych, jak również z działań optymalizacyjnych związanych z osiągnięciem założonej funkcji celu w procesie optymalizacji całego systemu ciepłowniczego. Podsumowanie Kompleksowe podejście do rozwoju systemu ciepłowniczego opiera się na odpowiednim 4 / 5

5 rozeznaniu lokalnego rynku ciepła oraz rzetelnym planowaniu, popartym analizami techniczno-ekonomicznymi. Studium rynku ciepła oraz studium sieci powinno być rozszerzone o analizę źródeł ciepła, którego wynikiem będzie lista działań modernizacyjnych i inwestycyjnych pozwalających na rozwój badanego systemu ciepłowniczego.w dalszej części procesu określania kierunków rozwoju lokalnej lub regionalnej sieci ciepłowniczej konieczne jest również oszacowanie tzw. efektu ekologicznego, czyli zmian emisji zanieczyszczeń możliwych do uzyskania po wdrożeniu wytypowanych działań modernizacyjnych i inwestycyjnych. Należy dodać, że modelowe podejście do rozwoju rynku ciepła zakłada ponadto współpracę trzech stron, które zgodnie z Ustawą z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne powinny uczestniczyć w procesie planowania energetycznego w regionie, tj.: przedsiębiorstwa energetycznego (ciepłowniczego), gminy oraz samorządu województwa. Ich współpraca w zakresie ciepłownictwa może dotyczyć sporządzania diagnozy rynku i prognoz zapotrzebowania na paliwa i energię, modernizacji i budowy źródeł energii i sieci, wdrażania planów efektywnego wykorzystania energii i ciepła, realizacji kampanii informacyjnych i edukacyjnych promujących centralne systemy ciepła i ograniczanie tzw. niskiej emisji, pozyskiwania finansowania na przedsięwzięcia inwestycyjne i edukacyjne. Literatura: [1] Bieda J.: Jak planować zaopatrzenie w ciepło w gminie, w: Planowanie racjonalnego użytkowania energii w regionie i gminie, red. Pasierba S., Wydawnictwo FEWE, Katowice Kraków [2] Gryboś R.: Mechanika płynów, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [3] Załącznik do Regulaminu Konkursu nr 1/PO IiŚ/9.2/2009: Szacowanie strat ciepła w wyniku realizacji projektu, Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Artykuł ukazał się w Energetyce Cieplnej i Zawodowej nr 4/2013 pod tytułem Mieć plan na sieć. 5 / 5