Mapa drogowa ciepłownictwa w Europie do 2050 roku

Transkrypt

1 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 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. 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 ( ) nowych miejsc pracy, zwiększenie efektywności energetycznej, ograniczenie importu energii i emisji do środowiska, polepszenie warunków pracy infrastruktury sieciowej - dzięki wykorzystaniu nieskomplikowanych i wypróbowanych technologii. 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

2 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 ( ) 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.

3 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

4 Program badawczy Cytowany raport [1] o charakterze pre feasibility study zakłada ambitne, ale realistyczne przyrosty dla ogrzewnictwa scentralizowanego w 27 krajach UE do roku 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 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.

5 Rys.2. Lokalizacje 414 spalarni odpadów w EU 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 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 Z informacji Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA,

6 Rys.3. Zidentyfikowane zasoby geotermalne temperatur wód na głębokości 2000 m. Źródło: Komisja Europejska, Atlas zasobów geotermalnych w Europie. Publikacja EUR 17811, Luksemburg [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

7 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

8 % całkowitego zużycia paliw kopalnych i o 17 % - emisji GHGs w porównaniu z wartościami do roku Emitentów dwutlenku węgla w krajach EU 27 przedstawiono na rys.5. Rys.5. Emitenci dwutlenku węgla w EU 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 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,

9 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.

10 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 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 ( ). 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

11 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.

12 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 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 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.