Ciepłownictwo to ważny dla polskiej gospodarki dział energetyki zapewniający dostawy ciepła do scentralizowanych systemów ciepłowniczych, które pokrywają średnio 72% zapotrzebowania na ciepło w polskich miastach.
Kilkanaście milionów obywateli naszego kraju korzysta z ciepła pochodzącego z sieci ciepłowniczych, wytwarzanego przez źródła energetyki zawodowej i przemysłowej oraz w ciepłowniach komunalnych. W Europie z systemów ciepłowniczych korzysta ponad 100 milionów mieszkańców.
O systemach ciepłowniczych
Ciepłownictwo dawniej zwane ogrzewaniem „zdalaczynnym” to technologia zaopatrywania w ciepło odbiorców z centralnych źródeł, jakimi są ciepłownie i elektrociepłownie. Gorąca woda lub para wodna przesyłana jest za pośrednictwem sieci ciepłowniczych do odbiorców. Niezbędnym elementem sieci ciepłowniczej jest węzeł ciepłowniczy będący przeważnie własnością odbiorcy. W systemie ciepłowniczym mamy zatem trzy elementy składowe systemu: źródła ciepła, sieci ciepłownicze i węzły ciepłownicze. W aglomeracjach miejskich przy dużej gęstości zapotrzebowania na ciepło jest to najbardziej racjonalny i ekonomiczny sposób zapewnienia dostawy ciepła dla mieszkańców. Ciepło z elektrociepłowni i dużych źródeł jest tańsze od ciepła produkowanego w indywidualnych kotłowniach małej mocy. Źródła ciepła pracujące na rzecz systemu ciepłowniczego charakteryzują się wyższymi sprawnościami produkcji ciepła około 85%. W przypadku elektrociepłowni sprawność wytwarzania energii cieplnej i elektryczności przekracza 90%. Należy również zwrócić uwagę na większą niezawodność w produkcji ciepła (kilka jednostek kotłowych). Istotnym czynnikiem jest cena za ciepło systemowe. Każdy towar produkowany w ilości hurtowej musi być tańszy od produktu wytwarzanego w niewielkiej ilości. Udział paliwa, jakim jest węgiel kamienny do produkcji ciepła sieciowego, jest wysoki i przekracza obecnie 75%. Zużycie gazu ziemnego (7%) i oleju opałowego (7%) utrzymuje się na stałym poziomie ze względu na wysoką cenę tych paliw. Systematycznie rośnie jednak zużycie biomasy i jej udział w bilansie paliw osiągnie w 2011 r. ponad 6%. Udział spalanych odpadów komunalnych jest w skali kraju pomijalnie mały. W roku 2011 wyprodukowano około 240 TJ ciepła. Węgiel bardzo powoli będzie wypierany przez gaz ziemny oraz biopaliwa.
Ciepłownia Wola w Warszawie
Fot. K. Wiśniewska
Trochę historii
Pierwowzorem dla eksploatowanych obecnie systemów ciepłowniczych były instalacje grzewcze z czasów greckich i rzymskich. Już wtedy używano ciepła zawartego w wodzie do ogrzewania i kąpieli. Wykorzystywano również w tym celu źródła geotermalne. Pierwsze nowożytne systemy ogrzewań wodnych powstały w Anglii w XVIII wieku. Ogrzewano w ten sposób pojedyncze obiekty, a także fabryki (1790 r.). Pierwsze polskie scentralizowane systemy „zdalaczynne” ogrzewające kilka budynków wybudowano na przełomie XIX i XX wieku w kompleksie budynków obecnej Politechniki Warszawskiej (1899–1901) i w Szpitalu Dzieciątka Jezus (1897–1901) w Warszawie. Dostarczały one parę grzejną do wszystkich budynków tych instytucji. Odbiorniki ciepła – grzejniki – zasilane były parą w sposób bezpośredni. Postęp w ogrzewaniu budynków z jednej strony oraz problemy z eksploatacją systemów parowych z drugiej spowodował, że dla bezpieczeństwa zaczęto stosować wymienniki para/woda, w których czynnikiem grzejnym była woda.
Rozwój systemów ciepłowniczych nastąpił po II wojnie światowej. Jednym z pierwszych miast w Polsce, w którym powstał system ciepłowniczy, była Warszawa. Realizację inwestycji rozpoczęto od przebudowy elektrowni kondensacyjnej na Powiślu na elektrociepłownię o mocy cieplnej 232 MW. Pierwszą magistralę łączącą EC Powiśle z Pałacem Kultury i Nauki uruchomiono w grudniu w 1953 r. W 1956 r. prawobrzeżną Warszawę zaczęła zaopatrywać w ciepło elektrociepłownia Żerań. Była to pierwsza elektrociepłownia w Polsce, której głównym zadaniem było zaopatrywanie miasta w ciepło.
Z upływem lat wielkość systemów ciepłowniczych wymusiła stosowanie wyższych parametrów w sieci oraz budowę węzłów bezpośrednich z urządzeniami redukcyjnymi. Dalsza rozbudowa spowodowała, że taka technologia systemu ciepłowniczego nie sprawdzała się w eksploatacji. Zaczęto wówczas stosować regulację hydrauliczną poprzez kryzowanie systemu. Jednocześnie rezygnowano z układów bezpośrednich na rzecz układów pośrednich (wymiennikowych), gdyż zakłócenia w pracy sieci ciepłowniczej przenoszone były na instalacje wewnątrz budynków, a awarie instalacji wewnętrznych na prace sieci. Wraz ze wzrostem produkcji ciepła zwiększały się również moce zainstalowane w źródłach ciepła. W latach 60. we wszystkich większych polskich miastach rozpoczęto eksploatację systemów ciepłowniczych z wykorzystaniem budowanych nowych elektrociepłowni.
Statystyka polskiego ciepłownictwa
Według aktualnych danych statystycznych w Polsce w ostatnim roku wyprodukowano 434 PJ ciepła, z tego 62% w skojarzeniu z energią elektryczną (270 PJ).Porównując ciepło oddane do sieci (315 PJ) i ciepło zakupione przez odbiorców (277 PJ), można stwierdzić, że straty ciepła wynoszą 12,2%. Jest to wynik dosyć dobry, chociaż w niektórych krajach europejskich średnie straty są na poziomie 9–10%. Zgodnie ze sprawozdaniem Prezesa URE długość sieci ciepłowniczych w Polsce wynosi 19 400 km, a osiągalna moc cieplna 59,1 GW.Jest to zdecydowanie więcej niż moc zainstalowana w polskich elektrowniach. Największym odbiorcą ciepła sieciowego jest sektor gospodarki komunalnej, który zużywa ponad 60% produkowanego ciepła, na drugim miejscu plasuje się przemysł około 30% oraz usługi 10%.
Prognozy zapotrzebowania na ciepło do roku 2030 przewidują, że przez następne lata zapotrzebowanie utrzyma się na obecnym poziomie, a jego spadki będą rekompensowane przyłączeniami do systemów ciepłowniczych nowych odbiorców. Na wielkość zmian w zapotrzebowaniu na ciepło użytkowe w Pol-sce wpływ będą miały dwa zjawiska. Z jednej strony zwiększenie produkcji przemysłowej oraz podniesienie standardu życia mieszkańców spowodują zwiększenie zapotrzebowania na energię.
Najważniejszym czynnikiem rzutują-cym na zapotrzebowanie na ciepło jest liczba ogrzewanych budynków, jednocześnie istotny jest również standard energetyczny, który wpływa na zapotrzebowanie na ciepło dla budynku. Zgodnie z polskimi przepisami wskaźnik jednostkowego zapotrzebowania na ciepło powinien wynosić 100 kWh/(m2 rok) dla budynków jednorodzinnych oraz 90 kWh/(m2 rok) dla budynków wielorodzinnych. Należy się jednak liczyć, że w najbliższej przyszłości wskaźnik ten spadnie do 60 kWh/(m2 rok).Niewykluczone jest jednak bardziej radykalne jego obniżenie. W Polsce wdrażane są dyrektywy europejskie w sprawie efektywności oraz charakterystyki energetycznej budynków. Być może po roku 2020 wznoszone będą tylko obiekty pasywne energetycznie. Wskaźnik zapotrzebowania na ciepło w ciągu roku nie będzie zatem większy niż 15 kWh/m2. Istniejące budynki, które nie zostały jeszcze poddane procesowi termomodernizacji, będą sukcesywnie ocieplane, co spowoduje ograniczenia zapotrzebowania na ciepło.
W sektorze przemysłu możliwa jest również znaczna redukcja zapotrzebowania na ciepło. Wskaźnikiem określającym efektywność energetyczną w przemyśle w skali kraju jest energochłonność w kilogramach oleju ekwiwalentnego na 1000 euro PKB. Porównanie tempa zmian w europejskich krajach wysoko rozwiniętych ze zmianami w Polsce pomoże wskazać na rząd możliwej redukcji zużycia energii w najbliższych 15 latach. I tak na przykład 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 kgoe/1000 euro. W tym samym czasie w Polsce spadek ten był znacznie większy i wyniósł ponad 60%, ale energochłonność w naszym kraju jest jeszcze wyższa niż średnia UE (202,5 – UE, 360 – Polska). Wśród krajów Unii Europejskiej najlepszym przykładem do naśladowania jest Dania ze zużyciem 105 kgoe/1000 euro PKB.
W najbliższych 10–15 latach w Polsce możliwa jest dalsza redukcja wskaźnika energochłonności do poziomu 300 kgoe, 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, w której przewiduje się, że w okresie dziewięciu lat zużycie energii spadnie o 9%. Uzyskanie takiej redukcji zużycia energii nie będzie możliwe bez ograniczenia zużycia ciepła na cele komunalno-bytowe oraz produkcji przemysłowej.
Tendencję tę potwierdza spadek produkcji i sprzedaży ciepła, jaki zanotowano w okresie ostatnich 10 lat. I tak produkcja ciepła w roku 2002 wyniosła 467,5 PJ, aby w 2011 r. obniżyć się do poziomu 392 PJ. Prawdopodobnie w następnych latach nastąpi jednak niewielki, ale spadek zapotrzebowania na ciepło.
Elektrownia Bełchatów
© konik60 – Fotolia.com
Kierunki rozwoju i zagrożenia
Co dalej z systemami ciepłowniczymi, czy będą się rozwijały? W perspektywie kilkudziesięciu lat nastąpi rozwój istniejących systemów ciepłowniczych w miastach. Podłączeni zostaną nowi odbiorcy, chociaż należy się liczyć z tym, że potrzeby cieplne nowych budynków będą znacznie niższe niż w budynkach obecnie eksploatowanych. Rozbudowa systemu ciepłowniczego poprzedzona zostanie wykonaniem szczegółowych analiz ekonomiczno-technicznych.
W przypadku kiedy inwestycja rozbudowy sieci będzie nieopłacalna na obszarach o zwartej zabudowie, powstaną lokalne systemy ciepłownicze zasilane ze źródeł trójgeneracyjnych, co pozwoli na poprawę komfortu życia mieszkańców, a jednocześnie może obniżyć koszty dostawy ciepła. W dłuższej perspektywie (50–100 lat) w budynkach niskoenergetycznych lub pasywnych jedynym źródłem energii będzie elektryczność, a potrzeby energetyczne osiągną bardzo niski poziom.
Zadaniem na dzisiaj dla ciepłownictwa jest modernizacja źródeł ciepła przez wymianę starych, wyeksploatowanych urządzeń, których zaawansowany wiek skutkuje niską efektywnością produkcji ciepła i wysokim poziomem emisji zanieczyszczeń. Według danych stowarzyszenia Euroheat and Power w 2009 r.emisja dwutlenku węgla w polskim ciepłownictwie wynosiła 103 Mg/TJ w porównaniu do 39–56 Mg/TJ w krajach takich jak Dania i Finlandia.Z podstawowych działań, które mogą poprawić sprawność produkcji ciepła, można wymienić:
– stosowanie paliwa, na jakie kocioł został zaprojektowany,
– właściwy rozdział powietrza pierwotnego na strefy,
– wykorzystanie systemu automatycznej regulacji procesu spalania z uwzględnieniem wskazań analizatorów spalin,
– zapewnienie szczelności komory spalania,
– właściwa eksploatacja kotła,
– usuwanie zanieczyszczeń z powierzchni ogrzewalnych kotłów,
– regulacja temperatury gazów spalinowych opuszczających kocioł.
Istotnym elementem polityki energetycznej Polski jest powiększenie produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu z ciepłem. Promowanie wysokosprawnej skojarzonej gospodarki cieplno-elektrycznej w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe stanowi priorytet dla wspólnoty europejskiej i niesie ze sobą potencjalne korzyści związane z oszczędzaniem energii pierwotnej. Polska dzięki rozbudowanemu systemowi scentralizowanych systemów ciepłowniczych jest w szczególny sposób predysponowana do rozwoju kogeneracji. Ambitny cel, jaki został postawiony w polityce energetycznej Polski do roku 2030, zakładający podwojenie wytwarzania elektryczności w kogeneracji, jest realny. Pozwoliłoby to w znaczący sposób zmniejszyć emisję dwutlenku węgla oraz poprawić bezpieczeństwo elektroenergetyczne kraju. Duże źródła produkujące ciepło na potrzeby systemów ciepłowniczych wyposażone są z reguły w wysokosprawne urządzenia ograniczające emisję produktów spalania do atmosfery. Emisja zanieczyszczeń z małych lokalnych, rozproszonych źródeł spalających gorsze rodzaje paliw jest wyższa niż ze źródeł scentralizowanych. Dzięki relatywnie dużym systemom ciepłowniczym możliwe jest wprowadzenie jednostek wytwórczych o odpowiednio dużych mocach, a więc i mniejszych kosztach jednostkowych.
Jednocześnie należy stwierdzić, że dotychczasowe ceny ciepła są niskie, nie ma społecznych warunków na ich wzrost, a tym samym inwestycje kogeneracyjne bez dodatkowego wsparcia nie zapewniają zwrotu z kapitału. W wielu przypadkach (np. instalacje zasilane gazem) koszty operacyjne przekraczają przychody możliwe do uzyskania ze sprzedaży ciepła i energii elektrycznej. Niemożliwy jest zatem rozwój kogeneracji bez systemu wsparcia. Podwyższenie sprawności źródeł ciepła można uzyskać na drodze modernizacji istniejących obiektów lub wymianie wyeksploatowanych kotłów na nowe.
Zgodnie z polityką energetyczną państwa preferowane powinny być układy skojarzone pracujące na paliwach gazowych. Obecnie stosowany system wsparcia produkcji energii elektrycznej w skojarzeniu z ciepłem na podstawie świadectwa pochodzenia jest w zawieszeniu, ale prawdopodobnie będzie przedłużony na następne lata. W tym obszarze konieczna jest konsekwentna i wybiegająca w przyszłość na wiele lat polityka państwa wspierająca kogenerację. Według ogólnoświatowych trendów przewidziany jest wzrost wykorzystania energii odnawialnej. W celu poprawienia efektywności pracy źródła układy tego typu należy wyposażyć w zasobniki ciepła. W kilku polskich przedsiębiorstwach ciepłowniczych takie zasobniki już pracują.
W przedsiębiorstwach ciepłowniczych istnieją duże możliwości poprawy efektywności energetycznej w pracy systemu. Modernizacja lub wymiana starych ciepłociągów wykonanych w tak zwanej technologii kanałowej pozwoli na obniżenie strat ciepła i ograniczenie ubytków wody sieciowej w systemie. Dalsze możliwości poprawy dają specjalnie przygotowane dla systemów ciepłowniczych programy obliczeń hydraulicznych, które pozwalają na optymalizację parametrów ich pracy, ciągły monitoring oraz regulację temperatury, a także ciśnień w źródle ciepła i sieci w trybie on line.
Większość węzłów w systemach ciepłowniczych to węzły stare z lat 70. i 80. ubiegłego wieku. Znaczącą ich część poddano jednak modernizacji. W tym obszarze bardzo dużo zostało zrobione w okresie ostatnich 10–15 lat. Można stwierdzić, że stan techniczny węzłów ciepłowniczych w skali całego kraju jest dobry. Zależnie od systemu ciepłowniczego wymiennikowe węzły ciepłownicze to ponad 95–99% wszystkich eksploatowanych węzłów. Węzły grupowe są systematycznie wymieniane na węzły indywidualne. W zależności od systemu obejmują one od 1 do niekiedy 30% wszystkich węzłów. Kryterium to dotyczy zarówno ilości, jak i mocy eksploatowanych węzłów. Praktycznie zlikwidowane zostały węzły zasilane w sposób bezpośredni ze źródła ciepła. Większość węzłów w budynkach wyposażonych jest w układy automatycznej regulacji, w tym regulacji temperatury, tzw. regulacja pogodowa. W wielu przedsiębiorstwach wprowadzono radiowe odczyty z liczników ciepła, co również umożliwia na bieżąco kontrolę parametrów cieplnych i wczesne wykrycie sytuacji awaryjnych.
Na pewno w ciągu najbliższych kilku lat w wielu polskich miastach ciepło produkowane będzie również w spalarniach odpadów komunalnych, co jest zdecydowanie bardziej korzystne dla środowiska niż spalanie śmieci w źródłach indywidualnych. Powstające i projektowane instalacje do termicznej utylizacji odpadów komunalnych wyposażone są w wiele urządzeń do oczyszczania spalin, a emitowane spaliny zawierają zdecydowanie mniej zanieczyszczeń niż te ze źródeł ciepłowniczych, nie mówiąc już o indywidualnych źródłach ciepła, w których spalane są odpady wszelkiego rodzaju. Emisja zanieczyszczeń z tak zwanych źródeł niskiej emisji (emisja komunikacyjna oraz emisja pochodzącą z lokalnych kotłowni węglowych i indywidualnych palenisk domowych opalanych węglem) wielokrotnie przekracza dopuszczalne normy, do jakich muszą się dostosować zarówno spalarnie odpadów, jak i źródła ciepłownicze.
Oprócz zwiększenia produkcji ciepła w kogeneracji możliwe jest również produkowanie ciepła na potrzeby chłodzenia (district cooling) z wykorzystaniem chłodniczych urządzeń absorpcyjnych. Jest to niewątpliwie szansą dla przedsiębiorstw ciepłowniczych na zwiększenie produkcji i sprzedaży ciepła.
Zagrożeniem dla rozwoju systemów ciepłowniczych mogą być podwyżki cen ciepła i spadek liczby odbiorców ciepła sieciowego, spowodowane koniecznością zakupu uprawnień związanych z emisją dwutlenku węgla. Ilość niezbędnych do kupienia uprawnień będzie systematycznie wzrastała, tak aby w roku 2023 osiągnąć wartość 100%. Kolejnym wyzwaniem dla przedsiębiorstw ciepłowniczych będzie ograniczenie emisji zanieczyszczeń ze źródeł spalania. W zasadzie już od 2020 r. wystąpi konieczność poniesienia dodatkowych kosztów na modernizację instalacji spalania, tak aby spełniała ona wymagania dyrektywy IED (industrial emission directive) związanej z emisją zanieczyszczeń gazowych (SO2, NOx, CO) oraz pyłu do atmosfery. Czyste środowisko, w tym czyste powietrze, wymagać będzie poniesienia kosztów przez odbiorców ciepła. Rozwiązania ograniczające emisję zanieczyszczeń do atmosfery są powszechnie znane. Najbardziej efektywnym działaniem jest zwiększenie sprawności wytwarzania ciepła. Do usuwania zanieczyszczeń pyłowych ze spalin służą wszelkiego rodzaju cyklony lub multicyklony, w dużych źródłach elektrofiltry. Ale nowe wymagane standardy emisji pyłów wymuszą nowe rozwiązania, które zapewnią emisję pyłów nie większą niż 30 mg/m3.
Powszechnie stosowane będą układy hybrydowe składające się z kilku urządzeń, takich jak multicyklon oraz filtr workowy. Ciepłownie będą wyposażone w instalacje do odsiarczania spalin, głównie z wykorzystaniem związków wapnia i magnezu. Konieczny będzie również montaż katalitycznych urządzeń służących do redukcji emisji tlenków azotu. Zalecane będzie także stosowanie jako paliwa węgla kamiennego o małej zawartości siarki.
Dzisiejszy obraz polskiego ciepłownictwa ukształtowany został w wyniku reformy ustroju naszego kraju realizowanej na początku lat 90. ubiegłego stulecia. Obowiązek zapewnienia usług zaopatrzenia w ciepło przesunięto z poziomu państwa na samorząd terytorialny stopnia podstawowego, czyli gminy. Majątek ciepłowniczy znalazł właściciela, który zaczął o niego dbać i był zobligowany ustawą – Prawo energetyczne zapewnić dostawy ciepła przy jednocześnie ekonomicznie uzasadnionej jego cenie. Wraz z transformacją ustrojową ciepłownictwo zrobiło też ogromny skok technologiczny i techniczny. Ale wzrastający poziom wymagań odbiorców i konieczność wypełnienia standardów emisji stawiają przed tą branżą kolejne wyzwania.
Reasumując, kondycja techniczna systemów ciepłowniczych jest dobra, ale konieczne jest dostosowanie ich do coraz ostrzejszych standardów środowiskowych, co wiąże się poniesieniem dodatkowych nakładów finansowych i podniesieniem ceny ciepła. Nie wszyscy odbiorcy mają możliwość zmiany dostawcy ciepła. A zima przychodzi co roku.
prof. nadzw. dr hab. inż. Krzysztof Wojdyga
Politechnika Warszawska, Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazowniczych
