Sezon na magazyny ciepła? Mogą one rozwiązać bolączki ciepłowni

Mariusz Twardawa
Instytut Energetyki Odnawialnej © Prawa zastrzeżone

TŚ: Magazyny ciepła mogą znaleźć zastosowanie w ciepłownictwie, energetyce i przemyśle... Który z tych obszarów ma największy potencjał, by zwiększyć efektywność energetyczną w ujęciu ogólnokrajowym?

MT: To bardzo szeroki temat, zwróciłbym więc przede wszystkim uwagę na to, jakie są rozwojowe nisze. Po pierwsze: nisza prosumencka, gdzie jest potencjał zarówno dla magazynów energii elektrycznej, jak i magazynów ciepła. I dość sporo magazynów już jest zainstalowanych (patrz: ramka). Tendencję napędza program Mój Prąd (od ub. roku dofinansowujący magazyny energii). Pod kątem magazynowania ciepła to przestrzeń rozwoju rynku buforów ciepłej wody (inteligentnych bojlerów), a więc magazynów krótkoterminowych pozwalających wykorzystać chwilowe nadwyżki energii elektrycznej (np. z instalacji fotowoltaicznej) do podgrzania c.w.u. Co więcej, dzięki automatycznym układom zarządzania energią elektryczną, będzie można decydować czy warto przekazać energię do sieci, czy ją zmagazynować w cieple. Na poziomie prosumenckim takie systemy będą miały przełożenie ekonomiczne (nawet w formie decyzji na bieżąco, on-line) – one już działają i będą rozwijane. Na niedawnej prezentacji dla Związku Banków Polskich wskazywaliśmy, że z punktu widzenia opłacalności inwestycji zdecydowaną przewagę nad magazynami bateryjnymi wykazują magazyny ciepła, choć oczywiście energia elektryczna jest bardziej uniwersalna pod kątem zastosowań.

Drugi obszar krytyczny to ciepłownictwo, które boryka się z wieloma problemami. Stoi w obliczu transformacji, także wobec ETS-2, który na pewno dotknie mniejsze ciepłownie o mocach 1-20 MW. Poza systemem ETS-1 o mocach powyżej 20 MW, obejmujące ok. 400 podmiotów, dodatkowe koszty na źródła ciepła o mocy do 50 MW nakłada dyrektywa MCP - ok. 200 podmiotów, co na pewno się przełoży na taryfy i ceny ciepła. Nie wyobrażam sobie transformacji ciepłownictwa bez sezonowych magazynów ciepła. Dlaczego? Ponieważ stanowią swoisty hub dla wieloźródłowych instalacji. Możemy go traktować jako element integrujący kogenerację gazową, ciepło odpadowe, czy główne źródło kojarzone z tym rodzajem magazynów - kolektory słoneczne oraz pozwalająca na racjonalne zagospodarowanie nadwyżki ciepła z ww. źródeł, a także z farm wiatrowych i fotowoltaicznych w technologii power-to-heat. Mam tu na myśli magazynowanie ciepła wytworzonego w kotłach elektrodowych, gdy mamy nadwyżki lub cena powoduje, że sprzedaż energii jest nieatrakcyjna – wtedy można podjąć decyzję o wytworzeniu ciepła i je zmagazynować.
W takich złożonych systemach, magazynowanie energii to serce układu, które będzie decydowało o elastyczności wykorzystania ciepła. Magazyny sezonowe mają najmniejsze koszty jednostkowe spośród dostępnych rozwiązań dedykowanych magazynowaniuc ciepła. W odniesieniu do jednostki mocy i wprost pojemności są 10-krotnie tańsze niż magazyny stalowe, krótkoterminowe. Nota bene, te drugie, krótkoterminowe, są już w 9 polskich elektrociepłowniach (pojemność do 30 tys. m3) i radzą sobie świetnie we współpracy z kogeneracją. I z pewnością będą się pojawiały kolejne, ale nie stanowią remedium na bolączki ciepłowni wieloźródłowych i nieelastycznego systemu energetycznego z dużym udziałem energii słonecznej.

Czytaj też: Magazyny drugiego sortu, czyli dlaczego nie magazynujemy ciepła?

TŚ: Czy mamy już w Polsce przykłady magazynów sezonowych?

MT: Na ten moment nie. Korzystamy z doświadczeń duńskich, skandynawskich i rynku niemieckiego, gdzie powstaje ich coraz więcej. Jedyna krajowa instalacja to mały, demonstracyjny magazyn realizowany dla NCBiR w Lidzbarku Warmińskim, gdzie jednak maksymalna temperatura to 60˚C. W dedykowanym, większym zbiorniku i pojemności rzędu 150-200 tys. m3, możemy zmagazynować wodę do temperatury 90˚C i przenieść ciepło z okresu nadpodaży energii w lecie na porę jesienną i część pory zimowej.

TŚ: Czyli to pozwoli opóźnić włączanie produkcji ciepła w sezonie grzewczym?

MT: Magazyny zasilane nadwyżkami energii z OZE, ciepła odpadowego czy kogeneracji nie spowodują, że nie będzie trzeba uruchamiać konwencjonalnych kotłów, np. źródeł gazowych. Będzie można jednak je traktować jako źródła szczytowe, gdy woda z magazynu będzie potrzebowała „dogrzania” do odpowiednich poziomów. W starych sieciach jest ciągle wysoki parametr temperaturowy: 130 ˚C/70 ˚C, który zależy od temperatury zewnętrznej. Zakres 130 ˚C jest potrzebny wtedy,  gdy na zewnątrz jest -20 ˚C. Natomiast patrząc na przykład obecnych temperatur, w lutym br. widzimy, że zimowe temperatury zewnętrzne stają się na tyle wysokie, że temperatury wody sieciowej oscylują wokół 100˚C. Wzrasta więc możliwość wykorzystania energii zgromadzonej w magazynie. Trudno dokładnie wskazać procentowo jaki udział sezonu grzewczego będzie w stanie zaspokoić magazyn, bo zależy to od wielu czynników: jego wielkości, mocy źródeł, tego w jakim stopniu magazyn jest naładowany... jednak na przykładzie symulacji TRYNSYS przeprowadzonych przez IEO w kilku kotłowniach możemy potwierdzić, że dogrzewanie konwencjonalne zaczyna się dopiero w styczniu lub w lutym.

Najistotniejsze jest jednak to, że każdą energię zgromadzoną w magazynie możemy wykorzystać, a źródła szczytowe, gazowe - czy też „nieszczęsne” węglowe - mogą pomóc w podniesieniu temperatury do odpowiedniego poziomu. Nie zakładamy, że od razu doprowadzimy do całkowitego wyeliminowania węgla w ciepłowniach. Rozsądnym jest podejście stopniowe, od 50% udziału OZE w miksie po pewnym czasie, w mniejszych ciepłowniach od 2030 roku, dochodząc do całkowitej eliminacji paliw kopalnych. Sytuacja finansowa przedsiębiorstw ciepłowniczych jest na tyle niekorzystna, że nie są one w stanie udźwignąć dziś modernizacji, która pozwoliłaby osiągnąć 80-90% OZE. Choć oczywiście zależy to od dotacji i programów wsparcia, które będą ogłaszane.

TŚ: Co jeszcze skłania ciepłownie do myślenia o magazynach ciepła?

MT: Większość programów wsparcia ma w swoich regulaminach albo obligatoryjny warunek magazynów ciepła, albo są one zalecane, mając wpływ na punktację przy przyznawaniu dotacji. Jest więc świadomość roli magazynów ciepła, a przedsiębiorstwa energetyki cieplnej muszą się liczyć z obligo posiadania magazynu. Jakiego? To już wybór danego PEC. W mojej optyce, ze źródłami hybrydowymi najbardziej korelują  magazyny sezonowe.

Czytaj też: Przed modernizacją ciepłownictwa skonsultuj się z cyfrowym bliźniakiem

TŚ: Szkopuł w tym, że magazyny sezonowe potrzebują sporego terenu, co może stanowić barierę. Czy część barier natury przestrzennej będzie można wyeliminować w związku z powszechną rewizją planów zagospodarowania przestrzennego?

MT: Rzeczywiście jest tak, że niejednokrotnie miasto/gmina nie dysponuje odpowiednio dużym terenem potrzebnym do budowy magazynu sezonowego. Dlatego już teraz zachęcamy samorządy, by  przy rewizji miejscowych planów zagospodarowania zabezpieczyły tereny gminne w możliwie bliskim sąsiedztwie ciepłowni, by potencjalnie wykorzystać je w przyszłości (nawet jeśli dziś nie ma w planach magazynu!).

TŚ: Czy są jakieś sposoby na optymalizację wykorzystania przestrzeni?

MT: Sezonowy magazyn ciepła zawsze zajmuje dość dużą powierzchnię rzędu 10 tys. m2, ale są rozwiązania pozwalające na zabudowę magazynu panelami fotowoltaicznymi (co równocześnie powiększa CAPEX). Jeszcze większa przestrzeń pod inwestycje jest potrzebna, jeśli taki magazyn działa z kolektorami czy kotłem elektrodowym z farmą fotowoltaiczną. Co jednak ważne: im bardziej uda się skupić wokół jednego terenu, tym mniejsze straty energii i środków (np. na poprowadzenie ciepłociągu).

Już dziś współpracujemy z inwestorami/samorządami w 10 lokalizacjach, w których mają powstać takie magazyny. Firmy wykazują coraz większe zainteresowanie tematem. Zachętę stanowią  programy dotacyjne, w szczególności NFOŚiGW.

TŚ: Czy poziom możliwych dotacji będzie jednak wystarczający dla ciepłowni o opłakanej kondycji finansowej? W zielonych inwestycjach często mówi się o potrzebie uzyskania gwarancji państwowych (np. Banku Gospodarstwa Krajowego).

MT: Sprawozdania spółek ciepłowniczych jasno pokazują, że wiele z nich jest w bardzo kiepskiej sytuacji finansowej. Tutaj potrzebne byłyby np. kredyty z gwarancjami. Niezbędna jest również odpowiednia struktura finansowa, pozwalająca na zabezpieczenie inwestycji. Czy będzie to BGK, czy Agencja Rozwoju Przemysłu, czy inne fundusze - to drugorzędne.

Czytaj też: Sukces dekarbonizacji gospodarki w Polsce wymaga magazynów ciepła i chłodu

TŚ: Jakie czynniki sprawiają, że zainteresowanie rośnie? Czy możemy wskazać wzorcowe przykłady?

MT: Poza wspomnianymi już korzyściami technicznymi, źródłem inspiracji są projekty zagraniczne. Dania, która właściwie odeszła od paliw kopalnych w ciepłownictwie, z powodzeniem stosuje magazyny sezonowe. Ostatni został wykonany w Vojens (200 tys. m3) zapewniając pokrycie blisko 50% rocznego zapotrzebowania na ciepło, co przekłada się na ponad 2 tysiące domów i obiektów użyteczności publicznej. Wszystkie systemy, które w Danii wykorzystują wieloźródłowość - w tym pompy ciepła - korzystają z magazynów sezonowych. O tym, że to jest przyszłość, świadczą też wielorakie projekty badawcze, realizowane przez duże konsorcja firm zachodnich.

TŚ: Na styczniowym wydarzeniu IEO i PIME, padło stwierdzenie, że magazyny ciepła mogą być drugą szansą dla elektrowni węglowych. Jak to rozumieć?

MT: O ile ciepłownie potrzebują skali temperaturowej do ok. 100'C, to już energetyka zawodowa czy przemysł, potrzebują wysokich temperatur. Zaczynając od energetyki zawodowej - elektrownie konwencjonalne do napędu turbiny wykorzystują parę, a ciepło musi być zmagazynowane tak, by móc „wrócić” z tymi parametrami pary i napędzać turbiny. Mówimy zatem o innej generacji magazynów ciepła, gdzie możemy przechować ciepło z przemianą fazową lub wykorzystując kawerny. Nota bene, niedawno w Finlandii uruchomiono projekt wykorzystujący stare magazyny paliwowe do magazynowania ciepła. W bardzo dużym uproszczeniu: to ciepło jest zamienione na parę, która pozwala napędzać turbiny. Czyli magazynując ciepło z zielonej energii, eliminujemy w pewien sposób układ spalania węgla i wykorzystujemy starą część elektrowni, wytwarzając parę z tego zielonego ciepła.
Jeśli chodzi o przemysł, mamy oczywiście zapotrzebowanie nie tyle na energię grzewczą, co ciepło czy parę technologiczną. Przemysł jest bardzo świadomy technologicznie i środowiskowo - dlatego dąży do sprostania wymaganiom wynikającym z polityk ESG z dużym akcentem na zazielenienie procesów technologicznych. Tu z pomocą przychodzą parowe kotły elektrodowe, ale bolączką jest wymagana przez przemysł dyspozycyjność tych źródeł (przy zapotrzebowaniu przez całą dobę), na którą wpływają pogodozależne źródła zasilania. Tu znów kłaniają się wysoko temperaturowe magazyny cieplne. Co jednak ważne, dziś nie możemy rozważać układów cieplnych w oderwaniu od zarządzania całością instalacji z uwzględnieniem energii elektrycznej. Automatyka powinna wspomagać nas w decyzjach, jakie gospodarowanie energią jest w danej chwili najbardziej opłacalne.

Czytaj też: Dekarbonizacja w 11 lat. Co rekomenduje Rada BEiK

TŚ: Jakie gałęzie przemysłu są  najbardziej zainteresowane magazynami ciepła?

MT: Bezsprzecznie przemysł energochłonny, a także przemysł ciężki. Wysokotemperaturowe magazyny mogą sprawdzić się również w przemyśle chemicznym (CIECH, Orlen, Boryszew), gdzie potrzeba pary technologicznej, będącej dużym kosztem. Podobnie z wszelkiego rodzaju przedsiębiorstwami, zajmującymi się przetwórstwem w branży spożywczej.

TŚ: IEO pracuje nad „Mapą drogową dla rynku magazynów ciepła”. W jaki sposób będzie nawiązywać do Polityki Energetycznej Polski do 2040 czy też Krajowego Planu na Rzecz Energii i Klimatu, które mają być poddane wkrótce rewizji?

MT: Takie odniesienia będą konieczne. To, co z perspektywy prawnej powinno się zmienić, to choćby kontrowersyjny zapis dotyczący definicji magazynu energii. Dodatkowo, myślę, że warto zająć się kwestią wysokości podatku od nieruchomości, który może stanowić wg naszych wyliczeń bardzo wysoki koszt całego przedsięwzięcia, o ile przyjmie się niekorzystną interpretację przepisów. Miałem niedawno okazję procedować i uzyskać pierwszą w Polsce decyzję środowiskową wydaną dla  magazynu ciepła. Wynika z niej, że wysokość podatku od nieruchomości dla magazynu, traktowanego w całości  jako urządzenie techniczne związane z gruntem, może stawiać całą inwestycję pod dużym znakiem zapytania, przenosząc ją na granicę opłacalności. Wynosi ona zwykle 2% rocznie kosztu budowy obiektu na trwałe związanego z gruntem, co przy budowlach o wielomilionowej wartości, z jaką mamy w tym przypadku do czynienia, powoduje znaczące obciążenia. Tego typu rekomendacje znajdą się w Mapie, która ma być swoistą Biblią magazynowania ciepła i odpowiedzią na braki informacyjne na linii inwestor-wykonawca oraz stanowić przegląd dostępnych technologii.

Rozmawiała Marta Wierzbowska-Kujda
Redaktor naczelna, sozolog

Więcej treści dotyczących samorządów w zakładce Teraz Samorząd.