Wywiad z Prof. dr hab. inż. Robertem Sekretem1)
1) Wydział Infrastruktury i Środowiska
Politechnika Częstochowska
Jak Pan Profesor ocenia aktualny etap transformacji ciepłownictwa w Polsce na tle Europy?
Na tle Europy Polska wyróżnia się istotnym udziałem systemów ciepłowniczych w sektorze komunalnym. Naszym dużym atutem jest istniejąca infrastruktura ciepłownicza. Niestety, poza nielicznymi miejskimi systemami ciepłowniczymi, pozostajemy technologicznie opóźnieni w zakresie transformacji energetycznej. Dotyczy to w szczególności źródeł ciepła oraz dostosowania sieci ciepłowniczych do coraz wyższych standardów energetycznych odbiorców.
Czy tradycyjne systemy ciepłownicze mają jeszcze długoterminową przyszłość, czy czeka nas ich fundamentalna przebudowa?
Nie ma racjonalnej alternatywy dla miejskich systemów ciepłowniczych, czyli ciepłownictwa systemowego. Zapewnienie bezpieczeństwa dostaw ciepła wymusza konieczność nie tylko dalszej bieżącej eksploatacji, ale także rozwoju tych systemów. Standardowe odtwarzanie instalacji wytwórczych oraz klasyczna wymiana sieci kanałowych na preizolowane nie oznaczają już realnego rozwoju technologicznego ani postępu w dostosowywaniu obecnych systemów do aktualnych potrzeb. Transformacja energetyczna ciepłownictwa jest koniecznością, a nie opcją. W przypadku istniejących systemów ciepłowniczych oznacza to ewolucję w kierunku systemów czwartej generacji. Natomiast w przypadku nowych, lokalnych systemów ciepłowniczych oznacza to wdrażanie standardu piątej generacji. Rozwiązania oparte na lokalnych źródłach ciepła i lokalnych sieciach ciepłowniczych to systemy autonomiczne lub współpracujące z systemami miejskimi – obecnie preferowane m.in. dla osiedli mieszkaniowych i zakładów przemysłowych.
Jakie czynniki – technologiczne, ekonomiczne czy regulacyjne – w największym stopniu determinują tempo zmian?
Myślę, że znajdujemy się obecnie w dość specyficznym momencie, który powinien przynieść od dawna oczekiwany impuls dla transformacji energetycznej w ciepłownictwie. Zarówno czynniki technologiczne, takie jak przestarzała infrastruktura ciepłownicza, ekonomiczne – w tym dynamicznie rosnące i zmienne koszty nośników energii, rosnące ceny ciepła oraz koszty inwestycji – jak i regulacyjne, związane z coraz trudniejszym do uzasadnienia brakiem postępów w transformacji energetycznej, determinują konieczność zmian. Dotyczy to nie tylko ochrony środowiska i ekonomii, lecz także bezpieczeństwa dostaw ciepła do odbiorców. Na spotkaniach branżowych najczęściej podkreśla się zbyt długie i mało elastyczne procedury administracyjne, na przykład w przypadku przyłączania nowych rozproszonych źródeł energii, zagospodarowania taniej energii elektrycznej pozabilansowej czy niskotemperaturowego ciepła odpadowego. Problemem jest również brak możliwości stosowania dynamicznych taryf oraz niewystarczające wsparcie finansowe na etapie inwestycji, zwłaszcza dla małych i średnich systemów ciepłowniczych.
W jakim kierunku zmierza obniżanie parametrów pracy sieci ciepłowniczych i gdzie leży granica techniczna tej transformacji?
Obniżanie parametrów pracy sieci ciepłowniczych zmierza przede wszystkim do poprawy efektywności ekonomicznej oraz środowiskowo-energetycznej tych systemów. Im niższe temperatury w sieci ciepłowniczej, tym większe są możliwości: ograniczenia zużycia energii elektrycznej przez pompy ciepła, zwiększenia wykorzystania ciepła odpadowego i źródeł odnawialnych, poprawy odzysku ciepła w procesie kondensacji spalin w źródłach wyposażonych w kotły ciepłownicze, wzrostu produkcji energii elektrycznej w elektrociepłowniach, zwiększenia zdolności do magazynowania ciepła, ograniczenia strat przesyłu i dystrybucji, zastosowania rur z tworzyw sztucznych zamiast stalowych oraz wydłużenia żywotności przewodów ciepłowniczych. Granica techniczna, czyli minimalna temperatura zasilania i powrotu w systemie ciepłowniczym, nie jest jedną stałą wartością dla wszystkich systemów, jak zakładano przy projektowaniu wielu obecnie eksploatowanych układów. Wynika ona ze specyfiki danego systemu, w tym jego obecnej charakterystyki energetycznej, a także ze stopnia termomodernizacji po stronie odbiorców ciepła, czyli rzeczywistej charakterystyki energetycznej budynków.
Czy modernizacja istniejących sieci jest bardziej racjonalna niż budowa nowych, zdecentralizowanych źródeł ciepła?
Modernizacja istniejących sieci ciepłowniczych jest zazwyczaj korzystniejszym rozwiązaniem niż budowa nowych miejskich systemów ciepłowniczych, o ile modernizacja skierowana jest w kierunku systemu czwartej generacji. Na obszarach o niskiej gęstości mocy cieplnej zdecentralizowane rozwiązania są zwykle bardziej elastyczne i opłacalne.
Jakie technologie mają dziś największy potencjał w procesie modernizacji systemów ciepłowniczych?
Nie ma jednej technologii, którą można byłoby traktować jako uniwersalne rozwiązanie systemowe. Odpowiedzią na obecne wyzwania transformacji w ciepłownictwie jest hybrydyzacja systemów ciepłowniczych, która pozwala m.in. na maksymalizację wykorzystania lokalnych zasobów nośników energii pierwotnej. Hybrydowe układy z kogeneracją gazową, wielkoskalowymi pompami ciepła, kotłami elektrodowymi oraz kotłami na biomasę czy RDF należą dziś do najbardziej obiecujących rozwiązań ze względu na ekonomię, efektywność i uwarunkowania regulacyjne. Coraz częściej rozważa się również wykorzystanie technologii Power-to-Heat wraz z magazynami ciepła, które pozwalają zagospodarować nadwyżki energii elektrycznej z instalacji OZE. W niektórych częściach kraju analizuje się także możliwość wykorzystania źródeł geotermalnych.
Jak definiowałby Pan Profesor nowoczesny, hybrydowy system ciepłowniczy?
Nie ma jednej powszechnie przyjętej definicji hybrydowego systemu ciepłowniczego. Problematyka ta nadal pozostaje zagadnieniem rozwojowym, jednak można przyjąć, że jest to zintegrowany układ wytwarzania, przesyłu i dystrybucji ciepła, łączący co najmniej dwa różne źródła energii pierwotnej – odnawialne i konwencjonalne. Jeśli spojrzeć na to szerzej, system ciepłowniczy obejmuje źródło ciepła, przesył i dystrybucję ciepła oraz węzeł cieplny, z którego zasilani są odbiorcy. Obecnie struktura takiego systemu ma zazwyczaj charakter hierarchiczny, co oznacza, że przepływ ciepła odbywa się z jednego lub kilku centralnych źródeł do odbiorców. System hybrydowy zakłada natomiast możliwość wytwarzania ciepła nie tylko w źródłach centralnych, ale również w źródłach rozproszonych, współpracujących z klasycznym systemem ciepłowniczym. Takimi źródłami mogą być także instalacje wytwórcze zlokalizowane u samych odbiorców. W takim przypadku przepływ ciepła staje się dwukierunkowy, a sieć ciepłownicza pełni również funkcję krótkoterminowego akumulatora ciepła. Jednym z elementów takiego rozwiązania są tzw. hybrydowe węzły cieplne. Obecnie najbliżej temu modelowi jest ciepłownictwo czwartej generacji. Często układy hybrydowe są kojarzone z tzw. efektywnymi systemami ciepłowniczymi, choć w praktyce transformacja energetyczna w tym przypadku najczęściej dotyczy przede wszystkim źródła ciepła. Hybrydyzacja zapewnia elastyczność wobec wahań cen energii, redukcję emisji oraz wzrost bezpieczeństwa dostaw ciepła do odbiorcy.
Jakie są największe wyzwania przy integracji wielu źródeł ciepła w jednym systemie?
Integracja wielu źródeł ciepła w jednym systemie ciepłowniczym wiąże się z szeregiem istotnych wyzwań technicznych, ekonomicznych i regulacyjnych. Należą do nich przede wszystkim: zróżnicowanie parametrów pracy źródeł, konieczność skutecznego sterowania i koordynacji wielu jednostek wytwórczych, dostosowanie parametrów oraz modernizacja istniejącej sieci ciepłowniczej, zapewnienie niezawodności i bezpieczeństwa dostaw ciepła, wysokie koszty inwestycyjne i uwarunkowania regulacyjno-prawne, a także integracja z sektorem elektroenergetycznym.
Czy pompy ciepła mogą stać się jednym z filarów systemów ciepłowniczych w Polsce?
Pompy ciepła mogą stać się jednym z elementów miejskich systemów ciepłowniczych w Polsce, zwłaszcza w nowych lub modernizowanych układach. Trudno jednak uznać je za wiodące źródła ciepła w dużych miejskich systemach ciepłowniczych. Należy mieć świadomość, że ich zastosowanie wiąże się z koniecznością zapewnienia odpowiedniej mocy elektrycznej w systemie elektroenergetycznym, zwłaszcza w okresie zimowym, a także odpowiednich możliwości jej przesyłu lub zwiększenia lokalnego wytwarzania energii elektrycznej oraz efektywnego jej magazynowania. Najbardziej prawdopodobnym modelem dla Polski jest wykorzystanie pomp ciepła w systemach hybrydowych — jako jednego ze źródeł ciepła lub elementu poprawy efektywności energetycznej istniejących instalacji, na przykład poprzez wykorzystanie ciepła niskotemperaturowego. W ciepłownictwie lokalnym w nowych systemach piątej generacji o mocach do kilkunastu MW, instalacje pomp ciepła współpracujące z magazynem ciepła, pełniącym również funkcję źródła szczytowego, mogą stać się filarem systemu ciepłowniczego.
Jakie są ograniczenia ich stosowania w dużych systemach – techniczne i ekonomiczne?
Zastosowanie pomp ciepła w dużych systemach ciepłowniczych napotyka zarówno ograniczenia techniczne, jak i ekonomiczne. Z technicznego punktu widzenia główna bariera to wysokie temperatury zasilania i powrotu miejskich sieci ciepłowniczych. Z ekonomicznego punktu widzenia to wysoki koszt inwestycyjny wynikający m.in. z faktu niskiego standardu energetycznego systemów ciepłowniczych, tj. konieczności instalacji pomp ciepła o bardzo dużych mocach.
W jakich przypadkach integracja pomp ciepła z istniejącą infrastrukturą jest najbardziej efektywna?
Największą efektywność integracji pomp ciepła z istniejącą infrastrukturą ciepłowniczą osiąga się wtedy, gdy towarzyszy jej możliwość obniżenia temperatur zasilania i powrotu. Istotne korzyści przynosi również wykorzystanie dostępnych źródeł ciepła odpadowego oraz hybrydowa współpraca z innymi źródłami i magazynami ciepła.
Jaką rolę w transformacji ciepłownictwa odegra magazynowanie energii cieplnej?
Magazynowanie ciepła odegra jedną z kluczowych ról w transformacji ciepłownictwa. Jest ono niezbędnym elementem poprawy efektywności wykorzystania odnawialnych źródeł energii, zagospodarowania niezbilansowanej energii elektrycznej z instalacji OZE z wykorzystaniem technologii Power-to-Heat, a także lepszego wykorzystania ciepła z kogeneracji. Magazynowanie ciepła zwiększa jednocześnie elastyczność zarówno systemu ciepłowniczego, jak i elektroenergetycznego.
Czy technologie takie jak materiały zmiennofazowe mają realny potencjał wdrożeniowy?
Materiały wykorzystujące ciepło przemiany fazowej (PCM) mogą wspierać magazynowanie ciepła oraz integrację systemów cieplnych ze źródłami OZE i ciepła odpadowego, zwłaszcza że rozwiązania te wymagają mniejszej przestrzeni do zabudowy akumulatora/magazynu ciepła niż magazyny wykorzystujące jedynie pojemność cieplną materiału magazynującego. Jest to bardzo istotny aspekt w przypadku modernizacji istniejących systemów. Wysoki potencjał wdrożeniowy PCM dotyczy obecnie małych i średnich instalacji cieplnych oraz budynków. Uzyskiwane oszczędności są od kilkunastu to kilkudziesięciu procent. W ciepłownictwie systemowym potencjał wdrożeniowy jest niski. Stan ten wynika z braku dojrzałych rozwiązań dla obecnych wysokich parametrów sieci, trudności technologiczno‑ekonomicznego skalowania obecnych dojrzałych technologicznie rozwiązań z małej i średniej skali do bardzo dużych systemów ciepłownictwa systemowego. Dlatego też, magazynowanie z wykorzystaniem PCM dla ciepłownictwa systemowego jest nadal technologią wymagającą: dalszych prac rozwojowo-wdrożeniowych, standaryzacji i testów w skali rzeczywistej. Ciepłownictwo niskotemperaturowe czwartej generacji, a zwłaszcza piątej generacji, daje zdecydowanie większe szanse na wdrożenie tego typu magazynów ciepła.
Czy przyszłość należy do dużych magazynów systemowych czy raczej do rozwiązań rozproszonych?
Przyszłość należy zarówno do dużych, centralnych magazynów ciepła, jak i do mniejszych, rozproszonych rozwiązań w ciepłownictwie. Potrzeba operacyjnej integracji centralnych magazynów ciepła z elastycznymi magazynami rozproszonymi wynika z koncepcji systemów hybrydowych, w tym z zastosowania hybrydowych węzłów cieplnych. Kluczowe będzie ich wzajemne dopasowanie, a nie konkurowanie ze sobą, oraz uzasadnienie wyboru danego rozwiązania w oparciu o koszty ekonomiczne w całym cyklu jego życia dla konkretnego systemu ciepłowniczego.
Jak będzie wyglądał model systemu ciepłowniczego za 20–30 lat?
Nie jestem w stanie odpowiedzieć na to pytanie wprost. Gdybym cofnął się o 20–30 lat i w tamtym czasie przedstawił na spotkaniach specjalistów branży ciepłowniczej model ciepłownictwa oraz scenariusze transformacji, które dziś rozważamy, przypuszczam, że nie zostałbym potraktowany całkiem poważnie. Wracając jednak do pytania, uważam, że obecnie świadomość konieczności zmian w ciepłownictwie systemowym jest bardzo wysoka. Szczególnie interesującą ideą o dużym potencjale wdrożeniowym jest sector coupling, czyli synergiczne wykorzystanie zasobów i technologii ciepłownictwa, gazownictwa oraz elektroenergetyki w celu zwiększenia efektywności systemów i poprawy bezpieczeństwa energetycznego. To kierunek transformacji energetycznej, który pozwala uwzględnić polskie uwarunkowania gospodarcze, dynamikę rynku i oczekiwania społeczne, a także racjonalizować wysokie nakłady finansowe na transformację energetyczną. W przypadku lokalnych systemów ciepłowniczych, o których bardzo często się zapomina, mimo że stanowią istotną część sektora ciepła w Polsce, przyszłość należy do niskotemperaturowych oraz zero- i niskoemisyjnych systemów piątej generacji, współpracujących z budynkami o wysokim standardzie energetycznym. Myślę, że obszar ten, ze względu na swój duży potencjał wdrożeniowy i znaczną indywidualność, powinien być szczególnie interesujący dla obecnych studentów i absolwentów uczelni technicznych.
Jakie kompetencje będą kluczowe dla inżynierów i projektantów w nowej rzeczywistości energetycznej?
Uważam, że oprócz wiedzy technicznej dotyczącej technologii wspierających transformację energetyczną kluczowe stają się także umiejętności myślenia systemowego, analitycznego i projektowego. Myślenie systemowe pozwala dostrzegać szerszy kontekst funkcjonowania nowoczesnych układów energetycznych, myślenie analityczne umożliwia interpretację dużych zbiorów danych i wyciąganie trafnych wniosków, a myślenie projektowe sprzyja tworzeniu rozwiązań odpowiadających na rzeczywiste potrzeby użytkowników — ergonomicznych, intuicyjnych i atrakcyjnych rynkowo.
Serdecznie dziękujemy prof. Robertowi Sekretowi za rozmowę oraz podzielenie się ekspercką wiedzą i wielowymiarowym spojrzeniem na kierunki transformacji współczesnego ciepłownictwa. Wywiad pokazuje, że przyszłość sektora będzie oparta na systemach hybrydowych, integracji różnych nośników energii oraz rozwoju niskoemisyjnych i niskotemperaturowych układów ciepłowniczych. Szczególnie cenne są przedstawione przez Profesora refleksje dotyczące konieczności myślenia systemowego oraz roli innowacyjnych technologii w budowaniu bezpieczeństwa energetycznego. To ważny głos w dyskusji o przyszłości polskiego ciepłownictwa i wyzwaniach stojących przed kolejnym pokoleniem inżynierów.