Perspektywy rozwoju systemów ciepłowniczych

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
węgiel kamienny
48,51%
13,55%
węgiel brunatny
ropa naftowa
5,25%
13,03%
19,66%
gaz ziemny
inne
5
Zużycie ciepła i energii elektrycznej na potrzeby grzewcze z uwzględnieniem
warunków klimatycznych
350
300
Finlandia
Luksemburg
Łotwa
Estoni
Austria
Belgia
Polska
Niemcy
Szwecja
Wielka Brytania
Czechy
Francja
Norwegia
Szwajcaria
Litwa
Dania
kWh/m2
250
200
150
Włochy
Bułgaria
100
Grecja
Hiszpania Portugalia
50
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
Straty ciepła w systemach ciepłowniczych w krajach europejskich
strata względna %
ilość ciepła T Wh
105
100
73,7
52,2
50
40,6
32,7
7,64,45 8,3 5,6 8,8
8,9
7,9
9,1
12
13
3,4
14
19,2 23
14,8
6,2
20
8,8
32,5
19,7
27,8
21
10,6
Korea
Litwa
Dania
Bułgaria
Rumunia
Holandia
Czechy
Chorwacja
Polska
Szwecja
Słowacja
Finlandia
Islandia
0
Szwajcaria
produkcja ciepła TWh, strata %
150
8
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.
EU (25
państw)
Czechy
12000
PKB/mieszkańca [Euro/osobę]
10000
Dania
8000
Niemcy
Hiszpania
6000
Francja
4000
Austria
Polska
2000
2006q02
2006q01
2005q04
2005q03
2005q02
2005q01
2004q04
2004q03
2004q02
2004q01
2003q04
2003q03
0
Wielka
Brytania
Kwartały lat
Wartość PKB w przeliczeniu na mieszkańca w wybranych krajach UE
9
70000
Zużycie energii w przemyśle
[1000 ton oleju ekwiwalentnego]
60000
Zużycie energii finalnej przez
przemysł w wybranych krajach UE
Czechy
Dania
50000
Niemcy
40000
Hiszpania
Francja
30000
Austria
20000
Polska
Szwecja
10000
Wielka
Brytania
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
1993
0
Lata
1800
1600
Czechy
1400
Grecja
Hiszpania
1000
Ireland
800
Polska
600
Portugalia
USA
400
Japonia
200
Wskaźnik energochłonności dla
wybranych państw Unii
Europejskiej, USA i Japonii w
latach 1993 -2004.
2004
2003
2002
2001
2000
1999
1998
1997
1996
1995
1994
0
1993
kgtoe/1000 euro
Niemcy
1200
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 m2 powierzchni
użytkowej oznaczonego symbolem E.
lata 1979 - 88
przed 1970
po 1996
niskoenergetyczne
pasywne
po termomodernizacji
dla ogółu budynków
aktualne wymagania
-- 340 kWh/m2a,
-- 170 kWh/m2a,
-- 160 kWh/m2a,
-- 30-40 kWh/m2a,
-- 10-15 kWh/m2a ,
-- 110-140 kWh/m2a,
-- 160 kWh/m2a,
-- 90 – 100 kWh/m2a.
12
41%
11,5%
q [ kwh/m2 a
300
250
FINLANDIA
200
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
Produkcja ciepła w EC na potrzeby WSC
60,00
1954 - 0,33 PJ
1985 - 55 PJ
2005 - 40 PJ
PJ/rok
50,00
40,00
30,00
20,00
10,00
0,00
1950
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
lata
Warszawa
moc [MW]
Zapotrzebowanie na moc cieplną w WS C w latach 1954 - 2020
10000
Rzeczywist a moc cieplna
9000
Prognoza z roku 1979
8000
Prognoza z roku 2005
7000
Prognoza z roku 1986
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
1950
1960
1970
1980
1990
l ata
2000
2010
2020
2030
15
Produkcja ciepła w systemach ciepłowniczych w Polsce
2500
PJ/rok
2000
Rzeczywista produkcja ciepła
Prognoza z roku 1986
1500
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
Z tego w skojarzeniu
Ciepło zakupione przez odbiorców
Straty ciepła
- 397 PJ (421-2005)
- 253 PJ (277)
- 239 PJ (295)
- 11,4 %
17
Udział paliw zużytych przez sektor ciepłowniczy w latach 2001 -2009 [%]
2001
2003
2005
2009
Węgiel kamienny
i brunatny
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
Paliwo
18
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
450
PJ/rok
Metodyka – IAEA
Główny czynnik PKB
– przeceniono
W zbyt małym stopniu
uwzględniono efektywność
energetyczną
Prognoza zużycia ciepła w latach
2003 - 2025
400
350
300
2000
2005
2010
2015
lata
2020
2025
2030
Polityka energetyczna z 2005
19
Zużycie ciepła
[PJ]
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
2009
316,4
297,8
309,4
300,0
295,4
292,8
270,3
254,2
253,0
Prognoza zapotrzebowania na ciepło
400
PJ
350
300
prognozz na podstawie trendu
2001-2008
250
prognoz na podstawie trendu
2005-2008
200
150
Liniowy (prognozz na
podstawie trendu 2001-2008)
100
Liniowy (prognoz na podstawie
trendu 2005-2008)
50
0
1995
2000
2005 2010
2015
2020
2025 2030
2035
lata
20
Powierzchnia użytkowa budynków mieszkalnych 944,1 mln m2 (GUS 2009).
Szacuje się, że rocznie przybywać będzie około 15 mln m2 powierzchni
użytkowe
Zgodnie z danymi GUS średnia powierzchnia użytkowa
mieszkań
2008 - 107m2
2030 - 120 m2
wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło 90 - 100
kWh/m2 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/m2 rok w roku 2005 do 60 kWh/m2 rok w roku 2030.
21
250
200
150
Gospodarstwa domowe
100
50
0
2000
2005
2010
2015
2020
2025
2030
2035
lata
Prognoza zapotrzebowania na ciepło sieciowe
300
zapotzrebowanie ciepła [PJ]
zapotrzebowanie [PJ]
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
Prognoza zapotzrebowania na ciepło sieciowe do roku 2030
500
scenariusz z nowymi
budynkami
[PJ]
400
scenariusz z nowymi
budynkamiefektywność
scenariusz z nowymi
budynkamiefektywność-emisje
polityka energetyczna
300
200
100
0
2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035
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
Udział produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu w wybranych krajach
europejskich
60
58
50
38
36
%
40
30
6
6
6
4
3
2
2
IRL
8
GR
9
10
F
10
EST
10
UK
11
S
16
B
18
20
państwa
I
E
P
A
D
PL
L
FIN
NL
DK
0
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
19
80
19
82
19
84
19
86
19
88
19
90
19
92
19
94
19
96
19
98
20
00
20
02
20
04
20
06
20
08
[TWh]
28
26
24
22
20
18
16
14
12
30
20%
19%
18%
17%
16%
15%
14%
13%
12%
11%
10%
31
PJ
2008
2006
2004
2002
2000
1998
1996
1994
1992
1990
1988
1986
1984
1982
1980
550
525
500
475
450
425
400
375
350
325
300
275
250
225
200
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
EC bio
EC węgiel
EC gaz
Moc
1 000 MW
2 000 MW
2 000 MW
Potrzebne dofinansowanie
90 %
50 %
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
koszty[Geu]
Produkcja 25 TWh ee
Potencjał 65 TWh ee
2020
2025
PES[PJ*10]
65 TWh th
140 TWh th
2030
2035
CO2mln ton
Nowe moce 9,2 GW
36
Potencjał techniczny – wariant gazowy
25
20
15
10
5
0
2005
2010
2015
koszty[Geu]
Produkcja 25 TWh ee
Potencjał 100 TWh ee
2020
PES[PJ*10]
65 TWh th
140 TWh th
2025
2030
2035
CO2mln ton
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 –
Świadectwo czerwone - kogeneracja węglowa
Świadectwo żółte
- kogeneracja gazowa
Świadectwo białe
- efektywność energetyczna
Świadectwo błękitne - superefektywna generacja
Świadectwo pomarańczowe – węgiel zero emisyjny
240 zł/MWh
18 zł/MWh
130 zł/MWh
- projekt
- koncepcja
- koncepcja
39
Uczelniane Centrum Badawcze Energetyki i Ochrony Środowiska
Dziękuję za uwagę
40