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
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
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
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
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 2005 48,51% 13,55% węgiel kamienny węgiel brunatny ropa naftowa 5,25% 13,03% 19,66% gaz ziemny inne 5
kwh/m2 350 Zużycie ciepła i energii elektrycznej na potrzeby grzewcze z uwzględnieniem warunków klimatycznych 300 250 200 150 Finlandia Luksemburg Łotwa Estoni Austria Polska Belgia Szwecja Norwegia Niemcy Czechy Szwajcaria Wielka Brytania Francja Litwa Dania 100 Bułgaria Włochy Grecja 50 Hiszpania Portugalia 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 temperatura oc 6
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
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 100 105 strata względna % ilość ciepła TWh 73,7 50 0 52,2 32,7 7,64,45 7,9 8,3 5,6 8,8 8,9 9,1 40,6 32,5 27,8 19,2 23 20 19,7 21 12 13 14 14,8 8,8 10,6 3,4 6,2 8
2003q03 2003q04 2004q01 2004q02 2004q03 2004q04 2005q01 2005q02 2005q03 2005q04 2006q01 2006q02 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. 12000 10000 EU (25 państw) Czechy Dania 8000 6000 4000 2000 0 Niemcy Hiszpania Francja Austria Polska Wielka Brytania Kwartały lat Wartość PKB w przeliczeniu na mieszkańca w wybranych krajach UE 9
1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 kgtoe/1000 euro 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 Zużycie energii w przemyśle [1000 ton oleju ekwiwalentnego] 70000 60000 Czechy Zużycie energii finalnej przez przemysł w wybranych krajach UE 50000 40000 30000 20000 10000 0 Dania Niemcy Hiszpania Francja Austria Polska Szwecja Wielka Brytania Lata 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Czechy Niemcy Grecja Hiszpania Ireland Polska Portugalia USA Japonia Wskaźnik energochłonności dla wybranych państw Unii Europejskiej, USA i Japonii w latach 1993-2004. lata 10
Średnia zapotrzebowania na energię finalną dla 27 krajów obecnie członków UE w latach 1993 2006 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 10 15 latach możliwa jest dalsza redukcja wskaźnika energochłonności do poziomu 400-500 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
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 1979-88 -- 340 kwh/m 2 a, przed 1970 -- 170 kwh/m 2 a, po 1996 -- 160 kwh/m 2 a, niskoenergetyczne -- 30-40 kwh/m 2 a, pasywne -- 10-15 kwh/m 2 a, po termomodernizacji -- 110-140 kwh/m 2 a, dla ogółu budynków -- 160 kwh/m 2 a, aktualne wymagania -- 90 100 kwh/m 2 a. 12
q [ kwh/m2 a 41% 300 11,5% 250 200 FINLANDIA Polska 150 100 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 lata Spadek jednostkowej energochłonności budynków w Finlandii i Polsce 13
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 1985 1992 a w następnie spada ponownie do poziomu 40 PJ. 14
moc [MW] PJ/rok Produkcja ciepła w EC na potrzeby WSC 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0,00 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 lata 1954-0,33 PJ 1985-55 PJ 2005-40 PJ Warszawa Zapotrzebowanie na moc cieplną w WS C w latach 1954-2020 10000 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 Rzeczywist a moc cieplna Prognoza z roku 1979 Prognoza z roku 2005 Prognoza z roku 1986 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 lata 15
PJ/rok Produkcja ciepła w systemach ciepłowniczych w Polsce 2500 2000 1500 Rzeczywista produkcja ciepła Prognoza z roku 1986 1000 500 0 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 lata Likwidacja (upadek) nierentownych energożernych zakładów, Proces termomodernizacji 16
Stan ciepłownictwa polskiego 2009r. Zgodnie z URE : Moc zainstalowana 59 790 MW Moc osiągalna - 58 200 MW Długość rurociągów - 19 300 km Produkcja ciepła - 397 PJ (421-2005) Z tego w skojarzeniu - 253 PJ (277) Ciepło zakupione przez odbiorców - 239 PJ (295) Straty ciepła - 11,4 % 17
Udział paliw zużytych przez sektor ciepłowniczy w latach 2001-2009 [%] Paliwo Węgiel kamienny i brunatny 2001 2003 2005 2009 90,2 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
PJ/rok Sektor gospodarki 2002 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Przemysł + Budownictwo 57 77 111 123 134 154 172 Rolnictwo 1 1 1 2 2 2 2 Usługi komercyjne i publiczne 32 27 35 45 60 64 72 Gospodarstwa domowe 200 190 207 227 250 255 269 Ogółem 298 299 354 396 434 473 513 500 Prognoza zużycia ciepła w latach 2003-2025 Metodyka IAEA Główny czynnik PKB przeceniono W zbyt małym stopniu uwzględniono efektywność energetyczną 450 400 350 300 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 lata Polityka energetyczna z 2005 19
PJ 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 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 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 lata prognozz na podstawie trendu 2001-2008 prognoz na podstawie trendu 2005-2008 Liniowy (prognozz na podstawie trendu 2001-2008) Liniowy (prognoz na podstawie trendu 2005-2008) 20
Powierzchnia użytkowa budynków mieszkalnych 944,1 mln m 2 (GUS - 2009). Szacuje się, że rocznie przybywać będzie około 15 mln m 2 powierzchni użytkowe Zgodnie z danymi GUS średnia powierzchnia użytkowa mieszkań 2008-107m 2 2030-120 m 2 wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło 90-100 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 2030. 21
zapotzrebowanie ciepła [PJ] zapotrzebowanie [PJ] 300 250 200 150 100 50 Gospodarstwa domowe 0 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 lata Prognoza zapotrzebowania na ciepło sieciowe 300 go-dom go-dom+efekt go-dom+efekt+emisje 250 200 150 100 50 0 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 lata 22
[PJ] Prognoza zapotzrebowania na ciepło sieciowe do roku 2030 500 400 300 200 100 0 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 scenariusz z nowymi budynkami scenariusz z nowymi budynkamiefektywność scenariusz z nowymi budynkamiefektywność-emisje polityka energetyczna lata 23
Typ producenta 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Przemysł 116.3 119.2 122,2 125,2 128,4 131,6 Usługi 114.4 120,1 126,1 132,4 139,1 146,0 Gospodarstwa domowe 239.2 232,5 223,9 243,2 255,9 251,7 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
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
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
DK NL FIN L PL D A P E I B S UK EST F GR IRL % 60 50 40 Udział produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu w wybranych krajach europejskich 58 38 36 30 20 18 16 10 11 10 10 9 8 6 6 6 4 3 2 2 0 państwa 27
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
paliwo 100 29
[TWh] 28 26 24 22 20 18 16 14 12 1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 30
20% 19% 18% 17% 16% 15% 14% 13% 12% 11% 10% 31
1980 1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 550 525 500 475 450 425 400 375 350 325 300 275 250 225 200 PJ lata Produkcja ciepła w tym w skojarzeniu 32
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
Podwojenie produkcji = to dodatkowe 25 TWh Czas wykorzystania mocy zainstalowanej ok. 5 000-6 000 godzin Konieczna do wybudowania moc: ok. 5 000 MW Przykładowa struktura: Technologia Moc Potrzebne dofinansowanie EC bio 1 000 MW 90 % EC węgiel 2 000 MW 50 % EC gaz 2 000 MW 70% 34
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
Potencjał techniczny wariant węglowy 18 17 16 15 14 13 12 11 10 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 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
Potencjał techniczny wariant gazowy 25 20 15 10 5 0 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 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
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
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 - 130 zł/mwh Świadectwo białe - efektywność energetyczna - projekt Świadectwo błękitne - superefektywna generacja - koncepcja Świadectwo pomarańczowe węgiel zero emisyjny - koncepcja 39
Uczelniane Centrum Badawcze Energetyki i Ochrony Środowiska Dziękuję za uwagę 40