Integracja ciepłownictwa i kogeneracji z KSE, przykłady duńskie 22.10.2015 Anders Dyrelund, senior market manager, Rambøll Energy Denmark Wiktor Kozłowski, Dyrektor Techniczny, Ramboll Polska
RAMBOLL NA ŚWIECIE 2
SMART CITY Biomasa dla EC Słoma dla EC Farma wiatrowa Biurowiec Blok mieszkalny Dostawa biomasy Oczyszczalnia ścieków wytwarzająca biogaz Kolektor słoneczny + akumulator Budynek poza siecią, PV Budownictwo podmiejskie, pompa ciepła, PV, wiatrak Wielopaliwowa EC (gaz, słoma, biomasa, odpady komunalne), akumulator Ciepłownia / źródło chłodu +akumulator chłodu Nadwyżka energii z przemysłu 3
ROZWIĄZANIA SMART ENERGY Międzynarodowe sieci elektroenergetyczne Międzynarodowe sieci gazowe Sieci cieplne dla całych miast Lokalne układy chłodu sieciowego 100% budynków przyłączona do MSC Instalacje budynkowe zintegrowane z MSC Ogrzewanie niskotemperaturowe Wysoko temperaturowy chłód 4
SMART CITY 1. Koncepcja SMART CITY ma na celu stworzenie efektywnej oraz elastycznej współpracy pomiędzy systemami energetycznymi SYNERGIA MIĘDZYSYSTEMOWA - w mieście poprzez współpracę między różnymi systemami energetycznymi można wypracować efektywniejszy sposób pokrywania potrzeb socjalnobytowych w porównaniu z pojedynczym budynkiem, ODLEGŁA PERSPEKTYWA - planowanie inwestycji wymaga nie tylko skupienia się na obecnie zagospodarowanych obszarach, ale również uwzględnieniu przyszłej rozbudowy miasta ASPEKT SPOŁECZNY - inwestycje powinny być analizowane z uwzględnieniem aspektu społecznoekonomicznego, tzn. biorąc pod uwagę czynniki ekonomiczne, społeczne oraz środowiskowe INTELIGENTNE INWESTYCJE stosowanie rozwiązań prostych i charakteryzujących się najwyższą opłacalnością 2. Współpraca między systemami energetycznymi ma na celu m.in.: dostosowanie systemu do zróżnicowanego w czasie zapotrzebowania na energię wykorzystanie potencjału do magazynowania energii wykorzystanie zmienności dobowej i sezonowej kosztów wytwarzania energii 5
CENA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 6
INFORMACJE OGÓLNE 1. W 2012 r. funkcjonowało 466 przedsiębiorstw posiadających koncesje na działalność związaną z zaopatrzeniem w ciepło (URE) 2. 22% wszystkich koncesjonowanych przedsiębiorstw wytwarzało ciepło w kogeneracji (URE) 3. Ciepło w kogeneracji stanowiło ponad 60% ciepła wyprodukowanego w koncesjonowanych przedsiębiorstwach (URE) 4. Miejskie sieci ciepłownicze pokrywają ponad 60% zapotrzebowania na ciepło w obszarach miejskich (IGCP) 5. Warszawski system ciepłowniczy pokrywa 80% potrzeb stolicy (Dalkia Warszawa) 6. W 2012 r. zużycie węgla do produkcji ciepła wytworzonego poza procesem kogeneracji w przedsiębiorstwach koncesjonowanych wynosiło ok. 5 mln ton (URE) 7. W 2012 r. zużycie węgla kamiennego w kotłach ciepłowniczych energetyki zawodowej, ciepłowniach zawodowych i niezawodowych oraz w gospodarstwach domowych wynosiło ok. 15 mln ton (GUS ) 8. Emisje z kotłów ciepłowniczych energetyki zawodowej, ciepłowni zawodowych i niezawodowych, przy założeniu zainstalowania układu odpylania: SO2 45 tys. ton/a NOX 15,5 tys. ton/a pył 6,5 tys. ton/a CO2 12 750 tys. ton/a Potencjał kogeneracji gazowej do 2030 r. 1. Ciepłownie - mała i średnia kogeneracja 7 tys. 35 tys. TJ ciepła 2 tys. 10 tys. GWh en. el. 500 2 500 mln m3 gazu, 1,5 7 mln ton CO2 (emisja uniknięta) 2. Odbiorcy końcowi - mikrokogeneracja 0-15 tys. TJ ciepła 0 1,5 tys. GWh en. el. 0 650 mln m3 gazu, 0 3 mln ton CO2 (emisja uniknięta) 7
MIASTA SZANSA NA OSZCZĘDNE ROZWIĄZANIA W ZAKRESIE SPRAWNOŚCI ENERGETYCZNEJ I ENERGII ODNAWIALNEJ Rozwój miast Możliwości rozwoju miejskich sieci ciepłowniczych i chłodu sieciowego MSC warunkiem wydajnej energetycznie i kosztowo integracji energii odnawialnej (energia wiatru, energia słoneczna, biomasowa, geotermalna) Efektywne energetycznie niskoparametrowe instalacje w budynkach istotną częścią rozwoju miejskiej infrastruktury sieci cieplnych 8
PROGNOZA ZAPOTRZEBOWANIA NA CIEPŁO Jest duży potencjał możliwości zwiększenia udziału ciepłownictwa - Warszawa około 80% - udział może być jeszcze większy. Zapotrzebowanie na ciepło w budownictwie - dalsza termomodernizacja, rewitalizacja, rosnący udział nowego budownictwa, malejący wskaźnik zużycia ciepła dla budynków wielorodzinnych: 110-300 kwh/(m 2 *rok) - istniejące budynki, 95 kwh/(m 2 *rok) - nowe budynki, 85 kwh/(m 2 *rok) lata 2017-2020, 75 kwh/(m 2 *rok) lata 2021-2025 Szansą może być chłód sieciowy Zapotrzebowanie ciepła z systemu ciepłowniczego wzrośnie albo spadnie zależy od: konkurencyjności, uwarunkowań prawnych i formalnych, marketingu, akceptacji społecznej dla ciepłownictwa itd. 9
PODSTAWY MODELU DUŃSKIEGO Długoterminowa polityka energetyczna uzgodniona na poziomie parlamentarnym Optymalizacja w celu najniższego kosztu dla społeczeństwa przy uwzględnieniu kosztów środowiskowych Gminy biorą odpowiedzialność za infrastrukturę, aby kreować korzyść społeczeństwu i przemysłowi Gminy współpracują i organizują spółdzielnie, które są właścicielami i eksploatują duże instalacje (np.ec, EfW, sieci itd.) Konsumenci współpracują w celu tworzenia spółdzielni Właściciele budynków współpracują w celu tworzenia stowarzyszeń wspólnot mieszkaniowych i spółdzielni mieszkaniowych Powyższe daje podstawy do: Efektywności energetycznej w długiej perspektywie Efektywność na poziomie instytucjonalnym (wypracowanie rozwiązania z najniższym kosztem dla społeczeństwa) Efektywnego finasowania (najniższy koszt finasowania) Beneficjenci Konsumenci energii Społeczeństwo jako całość (w tym kreowanie zdolności eksportowej przemysłu duńskiego) 10
Net heat demand in TWh Curve: Average net heat demand in kwh/m2 ZAPOTRZEBOWANIE NA CIEPŁO (DANIA) 70 Net heat demand Modest development 200 180 60 Historical Projection 160 50 140 40 120 100 30 80 20 60 10 0 New buildings Existing buildings Average per unit 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 40 20 0 11
Floor area in million m2 Curve: CO2-emission kg. per MWh heating at end-user POWIERZCHNIA OGRZEWANA 700 600 Historical Heat supply of the building stock Modest development Projection 450 400 350 500 300 400 250 300 200 100 Individuel solar heating Individuel heat pump Individuel biomass Individuel electric heating Individuel gas boilers Individuel oil boilers Small scale district heating District heating CO2-emission total 200 150 100 50 0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 0 12
Heat Production in TWh Curve: share of CHP ZAPOTRZEBOWANIE NA CIEPŁO I STRUKTURA WYTWARZANIA 70 60 50 40 District heating load dispatch Modest development Historical Projection Boilers, fossil fuels Boilers, biomass Large-scale solar heating Geothermal Electric boiler Large heat pumps Biogas CHP, engine Biomass CHP, steam turb. Dec. CHP natural gas Central CHP, fossil fuels Waste-to-energy CHP Industrial surplus heat Share of CHP 100% 90% 80% 70% 60% 50% 30 40% 20 30% 20% 10 10% 0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 0% 13
MWh Resource per MWh heating to end-user Curve: CO2-emission kg. per MWh heating to end-users STRUKTURA POKRYCIA ZAPOTRZEBOWANIA NA CIEPŁO 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 Resources for district heating Modest development Historical Projection Large-scale solar Geothermal heat Electricity, boilers Electricity, large heat pumps Waste Biomass boilers Biomass CHP Biogas Natural gas Coal Oil CO2-emission 450 400 350 300 250 200 0,6 150 0,4 100 0,2 50 0,0 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 0 14
KOGENERACJA 15
SYSTEM AKUMULACJI CIEPŁA 16
SYSTEM AKUMULACJI CIEPŁA 450 400 350 Przykładowy tydzień letni pracy EC Lublin Wariant 20 000 m3 2500 2000 450 400 350 Przykładowy tydzień letni pracy EC Lublin Wariant 40 000 m3 2500 2000 Moc [MW] 300 250 200 150 100 1500 1000 500 Naładowanie akumulatora [MWh] Moc [MW] 300 250 200 150 100 1500 1000 500 Naładowanie akumulatora [MWh] 50 0 50 0 0 1 25 49 73 97 121 145-50 Czas [h] Moc cieplna BGP Zapotrzebowanie na ciepło Moc elektryczna bloku Ładowanie/Rozładowywanie akumulatora Naładowanie akumulatora -500 0 1 25 49 73 97 121 145-50 Czas [h] Moc cieplna BGP Zapotrzebowanie na ciepło Moc elektryczna bloku Ładowanie/Rozładowywanie akumulatora Naładowanie akumulatora -500 Pojemność zbiornika m 3 40 000 20 000 13 000 MWh 2 300 1 200 760 Minimalny czas rozładowania/ładowania akumulatora h 12 8 5,5 Przepływ maksymalny m 3 /h 3300 2500 2400 Średnice rurociągów łączących mm DN700 DN600 DN600 Maksymalny efekt ładowania i rozładowania(moc cieplna UAC) MW 200 150 140 17
SYSTEM CHŁODU SYSTEMOWEGO Z AKUMULATOREM CHŁODU Zredukowanie fluktuacji mocy do poziomu 80%? Akumulator chłodu (dla dobowej zmienności ) obniża moc do poziomu 70%? CAPEX agregatów chłodniczych spada do 50-90% Optymalizacja zużycia energii elektrycznej przy wykorzystaniu akumulatora chłodu Właściwa lokalizacja agregatów chłodniczych na planie miasta Wykorzystanie ciepła z agregatów chłodniczych na potrzeby ciepłownicze Wykorzystanie akumulatora gruntowego do magazynowania ciepła i chłodu (sezonowo) Wykorzystanie pompy ciepła do wytwarzania chłodu i ciepła Wykorzystanie agregatów chłodniczych absorpcyjnych i zagospodarowanie nadwyżek ciepła Wykorzystanie agregatów chłodniczych absorpcyjnych obniża chwilowe zużycie energii elektrycznej Dostawa komfortu cieplnego do budynku (ciepło i chłód) Zmniejszenie kubatury pomieszczeń serwisowej w budynkach (piwnica/poddasze) Wykorzystanie instalacji klimatyzacji i ogrzewania podłogowego do ogrzewania alternatywnie chłodzenia Synergie ciepłownictwa i chłodu systemowego 18
MAGAZYNOWANIE ENERGII CIEPLNEJ W WARSTWACH WODONOŚNYCH / W PODZIEMNYCH ZBIORNIKACH WODNYCH Sezonowe magazynowanie chłodu Sezonowe magazynowanie ciepła Pompa ciepła wykorzystywana na potrzeby szczytowo-rezerwowe do chłodzenia latem Pompa ciepła generuje ciepło zimą 19
PRZYKŁAD CHŁODU SYSTEMOWEGO CARLSBERG Głównie nowe budynki 600.000 m 2 powierzchni razem 350.000 m 2 potrzebuje chłodu 20
OPTYMALNE OGRZEWANIE NISKOTEMPERATUROWE I CHŁÓD WYSOKOTEMPERATUROWY Para Woda przegrzana 160 Woda 110 Woda 95 Lód Zimna woda 4 Zimna woda 10 Zimna woda 20 Max. temp. zasilania wody na cele grzewcze dla budynku 60 o C Max. temp. wody powrotnej z budynku 35 o C Min. temp. zasilania wody do chłodzenia dla budynku 10 o C / 20 o C Max. temp. obliczeniowa zasilania wody z sieci ciepłowniczej 95 o C Normalna temperatura pracy MSC 65 o C- 80 o C Normalna temperatura pracy sieci chłodu 4 o C - 10 o C 21
NOWOCZESNE BUDYNKI MOGĄ BYĆ WYPOSAŻONE W SZEREG INDYWIDUALNYCH URZĄDZEŃ GRZEWCZYCH/CHŁODZĄCYCH Wszystkie urządzenia zasilane są zimą przez sieć ciepłej wody użytkowej Wszystkie urządzenia zasilane są latem przez sieć zimnej wody użytkowej Ciepła woda w kranie dostępna jest przez cały rok Gorąca woda dla utrzymania wilgotności Ciepła i zimna woda użytkowa produkowane są centralnie: MSC i chłód sieciowy, bezpośrednio lub przez wymienniki 22
AKUMULATORY CIEPŁA I GRUNTOWE ZBIORNIKI CIEPŁA Największe zbiorniki akumulacyjne ciepła w Danii: 70.000 m 3, 95 o C, Odense 3 x 24.000 m 3, 120 o C 200.000 m 3, 85 o C, Vojens 120.000 m 3, 85 o C, Gram Szereg projektów aktualnie w fazie projektowania lub realizacji. 23
WIRTUALNY MAGAZYN ENERGII ELEKTRYCZNEJ(1) Magazynowanie energii elektrycznej jest drogie Rozwiązanie alternatywne: Zastąpienie wielu małych pomp ciepła pracujących dla celów grzewczych i chłodniczych bez zasobników - przez Zintegrowany system obejmujący: Systemy ciepłownicze i chłodnicze Duże pompy ciepła pracujących dla celów grzewczych i chłodniczych (uniknięcie nagłych wzrostów zapotrzebowania en. El.) Kotły elektryczne ( pracujące przy niskich cenach, z szybka regulacyjnością) EC z szybką regulacyjnością Akumulator ciepła Akumulator chłodu 24
WIRTUALNY MAGAZYN ENERGII ELEKTRYCZNEJ (2) 25
DZIĘKUJEMY ZA UWAGĘ www.ramboll.com Anders Dyrelund http://blog.ramboll.com/urbanenergysolutions/ Wiktor Kozłowski wik@ramboll.com