Innowacje NCBR dla zielonego ciepłownictwa

Dzięki innowacjom, które powstają pod skrzydłami Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, rachunki za ogrzewanie mogą znacząco zmaleć, a marnowanie ogromnych ilości ciepła zostanie zakończone. Nowoczesne ciepłownie, elektrociepłownie czy biogazownie, których prototypy przygotowują już wykonawcy, to nie tylko wymierne korzyści ekonomiczne i dla środowiska, lecz także większe bezpieczeństwo energetyczne Polski. Ich realizacja możliwa jest dzięki wsparciu Funduszy Europejskich w ramach Programu Inteligentny Rozwój

Nieszczelne okna, brak odpowiedniego ocieplenia, ale także tradycyjne kratki wentylacyjne sprawiają, że zimą nawet 60% ciepła wykorzystywanego do ogrzewania domów jest tracone. Termomodernizacje budynków, wymiana wentylacji grawitacyjnej na mechaniczną z odzyskiem ciepła i dostosowanie ilości energii cieplnej do rzeczywistych potrzeb należą więc do najlepszych sposobów na wsparcie modernizacji polskiego ciepłownictwa. Ale niezwykle ważne są też działania, które wykraczają poza myślenie o pojedynczym obiekcie.

Systemy i technologie obsługujące większy obszar posiadają znaczący potencjał, który dzięki odpowiednim innowacjom powinien zostać należycie wykorzystany. I to właśnie ten cel przyświeca przedsięwzięciom realizowanym w innowacyjnej formule zamówień publicznych, na które pozyskaliśmy wsparcie z Funduszy Europejskich – mówi dr Remigiusz Kopoczek, p.o. dyrektor Narodowego Centrum Badań i Rozwoju. – Wybraliśmy ścieżkę, dzięki której w wyniku prac badawczych prowadzonych przez wykonawców powstaną nie tylko koncepcje technologiczne, lecz także konkretne pełnoskalowe i rzeczywiście działające rozwiązania na miarę strategii Europejskiego Zielonego Ładu. Liczymy na to, że przez ich zwielokrotnienie uda się je upowszechnić na rynku – dodaje.

Innowacyjna elektrociepłownia…

„Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym” i „Ciepłownia Przyszłości, czyli system ciepłowniczy z OZE” to dwa dopełniające się nawzajem przedsięwzięcia badawcze, które pomogą w systemowej transformacji sektora ciepłowniczego w Polsce, wykorzystując odnawialne źródła energii.

Wykonawcy mieli za zadanie pokazać, że w lokalnym, wydzielonym systemie ciepłowniczym można osiągnąć udział OZE w wysokości przynajmniej 80%. Zdawaliśmy sobie sprawę, że to bardzo ambitne założenia. Jednak deklaracje we wnioskach znacznie przekraczały tę wartość. Ostatecznie w II etapie przedsięwzięcia „Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym” w Sokołowie Podlaskim powstanie nowatorski system, który będzie pracował z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii na poziomie bliskim 100% i dostarczał ciepło mieszkańcom w cenie porównywalnej do tradycyjnych systemów wykorzystujących paliwa kopalne. To właśnie oferowane parametry przesądziły o tym, że ta koncepcja została oceniona najwyżej – informuje Aneta Więcka z NCBR, kierownik projektu.

W przedsięwzięciu przyjęto kilka istotnych kryteriów. Przewidziana do modernizacji elektrociepłownia ma być oparta na paliwach kopalnych, moc systemu ma wynieść przynajmniej kilka megawatów, a obszar powierzchni ogrzewanej – co najmniej 15 tys. m2, przy czym najlepsi wykonawcy zakładają uzyskanie nawet 90 tys. m2. Nie chodzi więc o modernizację systemu ciepłowniczego dla dużego miasta, lecz dla mniejszego obszaru – np. kilku osiedli lub niedużej miejscowości. Rozwiązania mają być jednak skalowalne, czyli łatwe do wdrożenia także na większym obszarze.

Co istotne, zmodernizowany system będzie się opierać na odnawialnych źródłach energii, wykluczone jest natomiast spalanie biomasy z uwagi na obciążenie dla środowiska.

Zadanie jest bardziej wymagające. Dopuszczamy takie technologie, jak: pompy ciepła, kolektory słoneczne, panele fotowoltaiczne, biogaz, biometan, zielony wodór czy też magazyny sezonowe i dobowe – wylicza Aneta Więcka.

Ważnym elementem jest kogeneracja. Tradycyjnie uzyskuje się ją poprzez spalanie węgla i gazu, co pozwala na wytworzenie i energii cieplnej, i energii elektrycznej. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju chce jednak, by w tym przypadku kogenerację uzyskano dzięki OZE, np. biometanowi bądź zielonemu wodorowi.

…i innowacyjna ciepłownia OZE

W przedsięwzięciu „Ciepłownia Przyszłości, czyli system ciepłowniczy z OZE” prototypowa instalacja powstanie w Lidzbarku Warmińskim i również w blisko 100 proc. będzie oparta na technologiach wykorzystujących odnawialne źródła energii.

Całość ma być zintegrowana z magazynami ciepła. Główna różnica w porównaniu z elektrociepłownią polega na tym, że od wykonawców nie oczekuje się kogeneracji (której nie ma w większości polskich ciepłowni).

Ciepłownictwo kiedyś mogło być uznawane za obciążenie, ale dziś ciepłownie i elektrociepłownie to szansa. Warto zatem zadbać o to, by cały system był jak najbardziej przemyślany i nie dopuszczał do marnowania ciepła i energii elektrycznej – ocenia Maciej Martyniuk z NCBR, kierownik projektu.

Według niego ciepłownie i elektrociepłownie przyszłości nie tylko będą dostarczać ciepło, ale staną się także swego rodzaju centrum zarządzania energią i energetyką na danym obszarze.

Dzisiaj efektywność postrzegamy głównie poprzez programy krajowe, ale w pierwszej kolejności powinniśmy myśleć o niej w kontekście lokalnym i zastanawiać się, czy energia na danym obszarze jest racjonalnie wykorzystywana. Dlatego za jakiś czas ciepłownie powinny stać się ośrodkami dbającymi o efektywność energetyczną na konkretnym obszarze i być elementem pośrednim między krajowym systemem energetycznym a użytkownikiem – uważa Maciej Martyniuk.

Trzeba mieć przy tym na uwadze, że OZE w ciepłownictwie daje najwięcej pożytku wtedy, gdy energia jest nam potrzebna w mniejszym stopniu. Przykładem mogą być kolektory słoneczne i fotowoltaika, które sprawdzają się zwłaszcza latem, gdy zapotrzebowanie na ciepło jest znacznie mniejsze.

Ciepłownie powinny zajmować się nie tylko wyprodukowaniem energii, ale i jej zmagazynowaniem w różnych w formach, np. w gruncie lub wybranym medium wodnym. Pozwoli to zmniejszyć straty systemowe i wykorzystać ciepło wtedy, gdy jest na nie największe zapotrzebowanie – tłumaczy Maciej Martyniuk. – W Polsce istnieje ponad 500 systemów ciepłowniczych o mocy termicznej przynajmniej 1 MW. To oznacza, że większość powiatów dysponuje systemami ciepłowniczymi – i wszystkie one mogą zostać zmodernizowane. A wręcz muszą, bo w związku z wojną zabraknie węgla niskosiarkowego, który można byłoby spalać w kotłach, a z czasem unijne wymogi dotyczące emisyjności ciepłowni będą coraz ostrzejsze – dodaje.

Drogowskazy dla ciepłownictwa

Spalanie paliw kopalnych (zwłaszcza gazu) w celu wytworzenia ciepła oznacza większą zależność od importu surowców energetycznych. Do tego ciepłownie odpowiadają za około 22% krajowej emisji dwutlenku węgla, którego rosnące stężenie w atmosferze jest główną przyczyną zmiany klimatu. Rosnące koszty za emisje CO2 w ramach unijnego systemu EU ETS oznaczają zaś coraz większe obciążenie dla przedsiębiorstw ciepłowniczych i pogorszenie ich sytuacji finansowej.

Mało kto zdaje sobie sprawę, że zainstalowana w Polsce moc w ciepłownictwie systemowym i indywidualnym jest nawet trzy razy większa od zainstalowanej mocy elektrycznej. Samo ciepłownictwo systemowe obejmuje ponad 40% gospodarstw domowych i jest jednym z największych w Europie. Niestety, około 80% systemów nie jest efektywnych energetycznie. Oznacza to, że ogromne ilości ciepła są po prostu marnowane.

Żeby dostarczyć energię cieplną odbiorcom w przystępnej cenie i z myślą o ochronie klimatu, ciepłownictwo systemowe musi przejść gruntowną zmianę. Przedsięwzięcia NCBR powstały, aby to ułatwić.

Przygotowanie obu projektów było dla nas dużym wyzwaniem. Jednak już dialog techniczny z rynkiem i potencjalnymi wykonawcami pokazał, że nasze założenia są możliwe do zrealizowania. Mamy przecież pompy ciepła, są kolektory słoneczne, biogazownie, biometanownie. Znalazło to odzwierciedlenie w złożonych wnioskach. Innowacją w naszych przedsięwzięciach jest połączenie wszystkich elementów w całość – mówi Aneta Więcka, zaangażowana w oba przedsięwzięcia ciepłownicze.

Widzimy wszyscy, że era paliw kopalnych dobiega końca. Widzimy też, co dzieje się za naszą wschodnią granicą i że uznawanie gazu za paliwo przejściowe nie jest dobrym pomysłem. Dlatego warto jak najszybciej przeskoczyć etap paliwa przejściowego i przejść na OZE – dodaje.

Urząd Regulacji Energetyki jeszcze niedawno podawał, że uśredniony koszt ciepła dla różnych źródeł energii wynosi od 60-70 do 100 zł za gigadżula (obecnie ceny te rosną). Prototypowe rozwiązania, które powstaną w przedsięwzięciach NCBR, wspieranych przez Fundusze Europejskie w ramach Programu Inteligentny Rozwój, mają przynieść podobne kwoty. Mając jednak na uwadze, że zmodernizowane z myślą o OZE systemy nie będą już silnie narażone na wzrost opłat za emisje CO2 i znacząco wesprą działania na rzecz ochrony klimatu, korzyści są wymierne. A gdy ciepło będzie wytwarzane wraz z energią elektryczną – jeszcze większe.

Innowacyjna biogazownia

Jak już wspomniano, wśród odnawialnych źródeł energii w ciepłownictwie znaczący potencjał mają również biogaz i biometan. Narodowe Centrum Badań i Rozwoju postanowiło poszukać usprawnień technologicznych i w tym zakresie. Przedsięwzięcie „Innowacyjna biogazownia” ma pozwolić na wykorzystanie odpadów i produktów ubocznych rolnictwa oraz przetwórstwa rolno-spożywczego do produkcji biometanu.

Dzięki współpracy NCBR z Uniwersytetem Przyrodniczym w Poznaniu, partnerem strategicznym w tym przedsięwzięciu, pierwsza w Polsce biogazownia produkująca biometan, która nie będzie emitować uciążliwych zapachów, powstanie w Brodach w gminie Lwówek, w województwie wielkopolskim.

Jednym z największych problemów polskich biogazowni jest brak możliwości wytwarzania w nich biometanu, który później mógłby zostać wtłoczony do sieci gazowej lub być bezpośrednio paliwem dla maszyn rolniczych czy autobusów. Drugim aspektem utrudniającym rozwój tej technologii jest brak możliwości wykorzystywania różnego rodzaju substratów w jednej instalacji. Bardzo często przeciwko budowie nowych instalacji występują też mieszkańcy z okolic planowanych inwestycji, bo obawiają się nieprzyjemnych zapachów czy ruchu ciężarówek. Jak zaradzić tym problemom? Zaprojektować biogazownię uniwersalną – uważa dr Tomasz Rożek, popularyzator nauki i twórca strony „Nauka. To lubię”, który w ośmiu krótkich filmach przedstawia działania NCBR wpisujące się w strategię Europejskiego Zielonego Ładu, współfinansowane z Funduszy Europejskich.

W przedsięwzięciu przyjęto kilka kryteriów. To m.in. wydajność produkcji metanu i biometanu z tony suchej masy organicznej substratu, przy jednoczesnym zapewnieniu bezodorowości i stabilności produkcji biometanu w instalacji. Demonstrator będzie wytwarzał biometan m.in. z nawozów naturalnych takich jak obornik bydlęcy i kurzy czy gnojowica bydlęca, ale także odpadów z przemysłu rolno-spożywczego, takich jak odpadowa masa roślinna, wywar gorzelniany czy przeterminowane produkty spożywcze. Substraty te zostaną przefermentowane, a następnie uzyskane z nich biopaliwo, tj. biometan, będzie mogło zostać wprowadzone do sieci dystrybucyjnej gazowej lub sprężone (tj. bioCNG) lub skroplone (tj. bioLNG) i dostarczone do odbiorcy końcowego.

Ze względu na możliwość obniżenia kosztów ogrzewania, tego typu biogazownie są dla funkcjonowania systemu ciepłowniczego w Polsce niezwykle ważne – ocenia Miłosz Krzymiński z NCBR, kierownik projektu „Innowacyjna biogazownia”.

Kolejny plus to duży udział w ograniczaniu emisji gazów cieplarnianych. – Gdy wykorzystujemy gnojowicę bezpośrednio na polu, uwalniamy bardzo duże ilości metanu. Dużymi emitentami są również składowane na polach pryzmy obornika. Innowacyjne biogazownie pozwolą wykorzystać energetycznie gnojowicę, obornik i odpady z przemysłu rolno-spożywczego, a w efekcie zmniejszyć emisję gazów cieplarnianych. Biogaz bądź biometan wytworzony z substratów o charakterze odpadowym cechuje ujemny ślad węglowy – wyjaśnia Miłosz Krzymiński.

Choć w Europie istnieje około 19 tys. biogazowni, w Polsce jest ich tylko około 300. Jednocześnie importujemy około 13 mld m3 gazu ziemnego rocznie, który w większości – nawet 8 mld m3 – można według ekspertów zastąpić biometanem z samych odpadów rolnych (odpady komunalne dają potencjał wytworzenia kolejnych 4 mld m3 biometanu, ale w ich przypadku potrzebne są inne technologie).

Gdyby wykorzystać odpady z przemysłu rolno-spożywczego oraz komunalnego, można by uzyskać energię porównywalną do energii wyprodukowanej przez kilka reaktorów jądrowych – zauważa Tomasz Rożek, twórca strony „Nauka. To lubię”.

Wykorzystać efekt skali

Ważnym wymogiem wszystkich wymienionych przedsięwzięć jest ich skalowalność. Oznacza to, że choć demonstratory nie będą zbyt duże, zwiększenie ich skali ma być stosunkowo łatwe. Pozwoli to na masowe wprowadzanie innowacji stworzonych w NCBR przy wsparciu Funduszy Europejskich w ramach Programu Inteligentny Rozwój.

Narodowe Centrum Badań i Rozwoju prowadzi obecnie 9 inicjatyw badawczych wspierających realizację strategii Europejskiego Zielonego Ładu (European Green Deal). W duchu tej transformacji, dzięki zaangażowaniu środków z Funduszy Europejskich w ramach Programu Inteligentny Rozwój, Centrum realizuje przedsięwzięcia: „Ciepłownia Przyszłości, czyli system ciepłowniczy z OZE”, „Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym”, „Innowacyjna biogazownia”, „Budownictwo efektywne energetycznie i procesowo”, „Oczyszczalnia przyszłości”, „Magazynowanie energii elektrycznej”, „Magazynowanie Ciepła i Chłodu”, „Wentylacja dla szkół i domów” oraz „Technologie domowej retencji”. Projekty, nad którymi pracują wykonawcy, to szansa dla Polski na czystsze środowisko, zdrowsze społeczeństwo i nowoczesną, konkurencyjną gospodarkę.

Czytaj też: Sasin: Transformacja energetyczna powinna być rozłożona w czasie

NCBR/KG