Mapa drogowa dla rynku magazynów
ciepła w Polsce
Transformacja systemu energetycznego zgodnie z Porozumieniem Paryskim i unijnym pakietem klimatycznym
FiT-for-55 wraz ze strategią "sector coupling" wymaga szybkiego wzrostu wykorzystania
OZE we wszystkich sektorach końcowego zużycia energii. Ten fakt zwiększa zapotrzebowanie na
magazynowanie energii w różnych postaciach, w tym w cieple, oraz tworzy możliwości zwiększenia
i asymilacji energii elektrycznej z OZE w efekcie elektryfikacji i głębokiej integracji sektorów energii
elektrycznej, ciepła i transportu.
Również w dokonującej się transformacji energetycznej w Polsce zaczęto dostrzegać możliwości, jakie
daje magazynowanie energii w cieple. Najpierw dostrzeżono potencjał magazynowania w formie
ciepła nadwyżek energii z OZE w sektorze prosumenckim (program "Mój Prąd" od 2022 roku), następnie
w ciepłownictwie (np. program "OZE – Odnawialne Źródło Energii dla Ciepłownictwa", 2024).
Magazyny ciepła w ciepłownictwie i budownictwie wielorodzinnym pojawiły już w 2021 roku w KPO
i w programie "Ciepłownia przyszłości" (2021).
Ostatnio, wraz z ograniczeniami pracy w systemie elektroenergetycznym źródeł wiatrowych i słonecznych,
magazynowanie energii elektrycznej w cieple coraz częściej rozważane jest w planach stabilizacji sieci energetycznych
w okresach nadpodaży energii elektrycznej generowanej przez OZE. Tego typu podejście zostało
dostrzeżone w nowym planie PSE rozwoju sieci do 2034 roku, gdzie rozważane są nowe narzędzia wzrostu
elastyczności systemu elektroenergetycznego i ograniczania skali redukcji pogodozależnych OZE dzięki integracji
sektorów elektroenergetyki i ciepłownictwa.
Technologie sprzęgania sektorów energii elektrycznej i ciepła, wsparte technologiami magazynowania energii
cieplnej (Thermal Energy Storage – TES) mogą zatem pomóc w zakresie dalszego zwiększania udziału
energii odnawialnej i wzrostu jej wykorzystania w ciepłownictwie systemowym, ogrzewnictwie i w przemyśle.
Przytoczone powyżej fakty skłoniły autorów raportu do podjęcia dyskusji z branżą ciepłownictwa i ogrzewnictwa
oraz operatorem sieci przesyłowej na temat obecnego stanu magazynowania energii w postaci ciepła
w Polsce, analizie dostępnych technologii i możliwości ich wdrożenia w poszczególnych segmentach gospodarki
do roku 2030. Zaznaczyć należy przy tym, że dotychczas w Polsce nie istnieje opracowanie ujmujące
aspekty magazynowania ciepła komplementarnie. W opracowanym przez IEO raporcie autorzy we współpracy
z branżą (ankietowanie) i ekspertami przedstawiają dominujące obecnie technologie: magazynowanie ciepła
krótkoterminowe i długoterminowe (w tym sezonowe) oraz niskotemperaturowe i wysokotemperaturowe
(w szczególności w kontekście zmian na rynku energii elektrycznej).
W raporcie dokonano oceny potencjału rozwoju magazynów o pojemności 200–400 litrów wobec rozwoju
prosumeryzmu (ograniczenia źródeł prosumenckich) i elektryfikacji ogrzewnictwa (taryfy dynamiczne dla gospodarstw
domowych). Uwzględniono problem częstszych wyłączeń źródeł prosumenckich PV oraz korzyści
z magazynów ciepła dobowego i weekendowego. Uwzględniono też magazyny 1000–10000 litrów w sektorze
usług (commercial) i spółdzielni mieszkaniowych oraz magazyny z przemianą fazową (kompaktowość i stabilizacja
temperatury odbioru ciepła).
Niezwykle istotnym aspektem poruszonym w przedstawionej pracy jest magazynowanie ciepła w ciepłownictwie
systemowym. Ten segment posiada wg autorów największy potencjał wykorzystania magazynów ciepła
przy uzyskaniu synergii w zakresie największych generacji pogodozależnych źródeł OZE i zapotrzebowaniu
na ciepło w systemach grzewczych. W szczególności analizowano potencjał magazynów sezonowych ciepła
ziemnych (o pojemności 30–100 tys. m3) oraz magazynów stalowych (10–30 tys. m3) do świadczenia usług
systemowych.
Trzecim segmentem o ogromnym potencjale z punktu widzenia magazynowania ciepła jest przemysł i energetyka.
Te dwa sektory wykorzystują najczęściej w procesach technologicznych ciepło wysokoparametrowe,
np. w postaci pary technologicznej z zagwarantowaniem nieprzerwanej pracy przez całą dobę. Potrzeby
tych segmentów są olbrzymie, jednak technologie, które będą w stanie magazynować energię w postaci
ciepła o wysokich parametrach temperaturowych, są w Polsce dopiero w fazach koncepcji testów (np. konwersja bloków węglowych na energię elektryczną z OZE) i na ich komercyjne wdrożenia będzie trzeba
poczekać do 2030 roku.
Bez wątpienia segment magazynowania energii w postaci ciepła będzie się dynamicznie rozwijał. Nie będzie
to jednak możliwe bez uporządkowania strony prawnej. Ustawodawca stosunkowo późno przewidział
rosnące znaczenie tego segmentu, np. wprowadzając do prawa definicję magazynów ciepła (jako magazynów
nieodwracalnych – "Power-to-X" w przeciwieństwie do dostrzeżonych wcześniej magazynów odwracalnych
typu "Power-to-Power") dopiero w 2023 roku (wtedy wdrażając z opóźnieniem dyrektywy unijne z 2019
roku). Magazyny ciepła nie są jeszcze szeroko eksponowane zarówno w projektach strategii dla ciepłownictwa,
jak i polityki energetycznej PEP2040.
Nie w pełni i nie powszechnie dostrzeżono wyjątkowe korzyści, jakie technologie magazynowania ciepła
oferują, w tym pomoc w oddzieleniu bieżącego zapotrzebowania na ciepło od natychmiastowej produkcji
energii z OZE i dostępności energii z konwencjonalnych źródeł wytwórczych. Wynika z tego elastyczność
pozwalająca na znacznie większą absorpcję energii z pogodozależnych źródeł odnawialnych. Wielorakie
technologie TES zmniejszają zapotrzebowanie na kosztowne wzmocnienia sieci, pomagają zrównoważyć
popyt na nośniki energii w cyklach godzinnym, dobowym, tygodniowym i sezonowym oraz wspierają przejście
na system energetyczny oparty głównie na odnawialnych źródłach energii.
W Polsce na potrzeby grzewcze spalane jest rocznie 24 mln to węgla i 4,5 mld m3 g azu, z c zego i ndywidualne
gospodarstwa domowe zużywają 12 mln ton węgla przy zapotrzebowaniu 850–950 PJ/rok, z czego
150–200 PJ/rok w przemyśle. Tymczasem zarówno ogrzewnictwo indywidualne, jak i ciepłownictwo systemowe
stoją przed wyzwaniem związanym z realizacją celów wynikających z przyjętego Europejskiego Zielonego
Ładu i wymaganą redukcją emisji CO2 o 5 5% do 2 050 r oku oraz k onkretnymi wymogami n a 2030
(wzrostu udziałów energii z OZE w ramach dyrektywy budynkowej i dyrektywy OZE). Przyjęty cel redukcyjny
i związany z nim wzrost cen uprawnień do emisji CO2 oraz wymóg wzrostu udziałów OZE (jedyny
sektor w całej energetyce mający w tym zakresie konkretne zobowiązania na 2030 rok) ma fundamentalne
znaczenie dla modernizacji sektora ciepłowniczego i technologii wykorzystywanych w procesie transformacji
ciepłownictwa. Wszystkie te działania znalazły swój wyraz w kilku najnowszych unijnych dyrektywach
ETS, REDIII, EED, IED oraz MCP.
Powyższe wyzwania powodują, że zarówno ciepło systemowe, jak i ogrzewnictwo indywidualne muszą sprostać
zwiększeniu udziału OZE w produkcji energii końcowej. Z kolei wzrost liczby zainstalowanych instalacji
prosumenckich, budowa nowych farm wiatrowych oraz dużych instalacji (farm) fotowoltaicznych utrzyma
tendencję wzrostową w najbliższych latach, co wobec niedoinwestowanych sieci dystrybucyjnych i z powodów
bilansowych (moc pogodozależnych OZE w określonych godzinach przekracza zapotrzebowanie) będzie
przyczyną okresowych ograniczeń produkcji. Można to już wyraźnie obserwować od II kwartału 2023 roku.
Sektor ciepłowniczy ma olbrzymi potencjał jako odbiorca energii elektrycznej i jest niewykorzystanym buforem
na nadwyżki energii z OZE. Ciepło w strukturze zużycia energii finalnej brutto w 2020 roku stanowiło
53% (przy 20% energii elektrycznej) (metodyka Eurostat) i to obrazuje, jak duży potencjał ma łączenia
sektorów w Polsce – tabela.
Wobec szybkiego wzrostu mocy OZE odpowiedzią na nadwyżki energii elektrycznej staje się zatem łączenie
sektorów poprzez elektrogrzewnictwo oparte na nadwyżkach energii elektrycznej z OZE (tzw. greenPower-to-
-Heat), które za pośrednictwem bojlerów i ogrzewaczy rezystancyjnych elektrycznych, kotłów elektrodowych
czy pomp ciepła pozwala na konwersję energii elektrycznej w ciepło. Na wykresie poniżej zobrazowano potencjał
ciepłownictwa do przejmowania generacji pogodozależnej OZE w efekcie postępującej elektryfikacji.
Wysokosprawne (sprawność rzędu 99,9%) i relatywnie tanie kotły elektrodowe czy pompy ciepła mogą pracować
skutecznie jedynie z różnymi typami magazynów ciepła. W ujęciu prosumenckim są to zasobniki ciepła
(bufory), natomiast w ciepłownictwie będą to magazyny dobowe (również jako uzupełnienie kogeneracji).
W zastosowaniach ciepłowniczych są to przede wszystkim wielkoskalowe sezonowe magazyny ciepła
pozwalające na magazynowanie nadwyżek energii elektrycznej z OZE, ale również ciepła z OZE (kolektory
słoneczne, geotermia), ciepła odpadowego czy nadwyżki ciepła z instalacji biomasowych i konwencjonalnych
w dużych ciepłowniach i nowoczesnych elektrociepłowniach.
Autorzy raportu przeprowadzili ankiety wśród przedsiębiorstw ciepłowniczych, na podstawie których stwierdzono,
że 100% ankietowanych zamierza oprzeć rozwój systemu ciepłowniczego na magazynowaniu ciepła
oraz odnawialnych źródłach energii. Te deklaracje znalazły swoje odzwierciedlenie w preferowanych technologiach
dotyczących źródeł ciepła. 54% spośród ankietowanych przedsiębiorstw wyraziło zainteresowanie
inwestycjami w dobowe magazyny ciepła, a 46% w sezonowe. Spośród technologii OZE największym
zainteresowaniem cieszyły się kotły biomasowe (39%), technologia P2H (24%) oraz kolektory słoneczne
(22%). Przedsiębiorstwa te stawiają na dywersyfikację źródeł w procesie dążenia do osiągnięcia statusu
efektywności energetycznej, ale zawsze wspólnym mianownikiem pozostaje magazyn ciepła – dobowy lub
w większości magazyn sezonowy.
Dziś już wiadomo, że nie można osobno rozpatrywać systemów elektroenergetycznych i ciepłowniczych.
Istotą dalszej efektywnej dekarbonizacji zatem staje się "sector coupling" oraz magazynowanie energii. Bez
wątpienia magazyny energii cieplnej (ciepła) mogą sprzyjać i przyśpieszać integrację sektorów (sector coupling)
w zakresie produkcji energii elektrycznej i jej przesyłu oraz ogrzewnictwa, ciepłownictwa i chłodzenia
z wykorzystaniem inteligentnych systemów zarządzania energią.
Badając potencjał ciepłownictwa do absorpcji generacji OZE, dokonano analiz sumarycznego profilu ciepłowniczego
dla Polski (łącznie CO i CWU dla ogrzewnictwa i ciepłownictwa) i profilu generacji pogodozależnych
OZE na 2030 rok.
Wyraźna nadwyżka generacji OZE nad ciepłownictwem w okresie kwiecień–wrzesień, a więc poza sezonem
grzewczym, stanowi o olbrzymim i rosnącym potencjale magazynowania ciepła.
Z przeprowadzonych przez IEO badań szacuje się, że potencjał magazynowania ciepła w sektorze ciepłowniczym
wynosi 57,4 GWh/dobę, a przy uwzględnieniu ograniczeń technicznych i dostępności terenu
realny potencjał to 6651 GWh/rok. Warto zaznaczyć, że największy potencjał posiadają przedsiębiorstwa
ciepłownicze o mocy 10–50 MW, których w Polsce jest aż 178. Z jednej strony zatem dzięki zastosowaniu
magazynów ciepła możliwe jest osiągnięcie systemu efektywnego energetycznie, ale, co równie ważne,
umożliwienie lokalnej konsumpcji nadwyżek generowanych przez źródła OZE bez nadmiernego obciążania
sieci energetycznych. Rynek inwestycji w tym sektorze w Polsce związany z samymi magazynami
ciepła, na jaki wskazuje ww. potencjał, to 24,5 mld zł, a dla samych ciepłowni o mocy w przedziale
10–50 MW to 7,5 mld zł.
W raporcie oszacowany został też potencjał magazynów ciepła na 2030 rok w ogrzewnictwie, obejmujący
m.in. 6,6 mln buforów ciepła służących zaopatrzeniu gospodarstw domowych w ciepłą wodę użytkową,
zdolnych zmagazynować w cyklach dobowych blisko 4,2 TWh energii elektrycznej, zasadniczo nadwyżek
energii z OZE rocznie o wartości inwestycji ponad 30 mld zł. Na tym etapie nie uwzględniano potencjału
wykorzystania magnezów ciepła na potrzeby ogrzewania. Przyjęto, że bardziej masowe inwestycje w magazynowanie
ciepła do ogrzewania domów będą miały miejsce dopiero po 2030 roku.
Jest to znaczący potencjał w skali Europy i świata. Globalny rynek magazynów ciepła może potroić się do
2030 roku. Oznacza to wzrost pojemności TES z 234 gigawatogodzin (GWh) w roku 2019 do ponad 800
GWh w ciągu dekady. Wg International Renewable Energy Agency inwestycje w aplikacje TES osiągną od 13
do 28 miliardów USD w tym samym okresie. Polska ma w tym obszarze potencjał i może stać się (podobnie
jak w fotowoltaice) jednym ze światowych liderów w magazynowaniu ciepła z OZE. Wielkość krajowego
rynku rośnie wraz z oczekiwanym szybkim tempem rozwoju OZE do 2030 roku (przy ograniczonej elastyczności
systemu energetycznego) i z trwającymi wystarczająco długo inwestycjami w kogenerację (efektem
wcześniejszych inwestycji w paliwa kopalne jest nadmiarowe ciepło do zagospodarowania w okresie letnim).
Obecna sytuacja związana z dynamicznymi zmianami, jakie mają miejsce na rynku, związana z cenami
energii i paliw, włączeniami źródeł OZE jak i koniecznością przyśpieszonej dekarbonizacji ciepłownictwa,
będzie motorem napędzającym dynamiczny rozwój magazynów ciepła. Technologie magazynowania ciepła
są dostępne, ale podążanie za potrzebami rynku wymaga szeregu działań legislacyjnych zarówno w obszarze
definicji magazynów ciepła i urządzeń towarzyszących (kotły elektrodowe), jak i definicji ciepła z OZE,
taryf elektroogrzewniczych i taryfowania wieloźródłowych zeroemisyjnych ciepłowni z kilkoma OZE i magazynami
ciepła, przyspieszenia procesów inwestycyjnych i formalno-prawnych, odpowiedniego ukierunkowania
systemów wsparcia (obowiązek zakupu magazynów energii przez prosumenta i rozpatrywanie magazynów
ciepła jako elementu wsparcia dla pracy całego systemu ciepłowniczego obejmującego zarówno OZE
jak i konwencjonalne, ale nieelastyczne źródła ciepła).
Wyniki raportu są kanwą do wypracowania stanowiska branży i ekspertów dla administracji państwowej,
włączonej już wcześniej w prace nad raportem. Dalsze prace nad rekomendacjami na podstawie wniosków
z Raportu będą prowadzone m.in. ramach działalności Zespołu ds. Magazynowania Ciepła przy PIME.
źródło: EC BREC Instytut Energetyki Odnawialnej
|
