Power-to-Heat jest już dojrzałą technologią – dostępną na rynku i konkurencyjną. Co więcej, wywiera ona wpływ na sektor energetyczny.
Wiele dyskusji w ciągu ostatniego roku koncentrowało się na energii elektrycznej wytwarzanej z gazu (PTG), a w szczególności na energii elektrycznej wytwarzanej z wodoru czy metanu. Podczas gdy potencjał tych technologii w zakresie przechodzenia na energię elektryczną jest nadal godny pochwały, ich powszechne wykorzystanie nie jest przewidywane w najbliższej dekadzie.
Często w ramach szerszej dyskusji na temat elektryfikacji budynków i ogrzewania pomieszczeń, “power-to-heat” (czasami w skrócie P2H lub PTH) po prostu definiuje proces, w którym wytworzona moc jest wykorzystywana do ogrzewania i chłodzenia, zazwyczaj za pomocą pomp ciepła lub kotłów. Późniejszy nacisk na P2H zazwyczaj jednak łączy w sobie również wykorzystanie energii odnawialnej, inteligentne zarządzanie obciążeniem i systemy magazynowania ciepła, a termin ten jest coraz częściej używany do określenia elastycznego połączenia sektorów energii elektrycznej i cieplnej.
Powodem tego, jak wyjaśnia Międzynarodowa Agencja Energii (IEA), jest fakt, że w 2019 r. ciepło stanowiło połowę światowego zużycia energii końcowej, ale tylko 10% zostało wyprodukowane z wykorzystaniem “nowoczesnej energii odnawialnej” (co wyklucza tradycyjne wykorzystanie biomasy). Według Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej (IRENA), w Stanach Zjednoczonych ponad 60% rocznego zapotrzebowania na ogrzewanie i chłodzenie było zaspokajane ze źródeł opartych na paliwach kopalnych, takich jak gaz ziemny, propan i olej opałowy (2018 r.), a w Europie około 75% rocznego zapotrzebowania na ogrzewanie i chłodzenie było zaspokajane przez paliwa kopalne (2019 r.), podczas gdy tylko 19% było wytwarzane z energii odnawialnej. Zatem gdy część ogrzewania i praktycznie całe chłodzenie są elektryczne, odnawialne P2H odnosi się do wykorzystania energii odnawialnej do generowania uzasadnionego ekonomicznie zapotrzebowania na ogrzewanie lub chłodzenie budynków czy procesów przemysłowych.
Jest to zazwyczaj osiągane za pomocą kotłów elektrycznych, które wykorzystują energię do ogrzewania wody, która jest następnie cyrkulowana przez rury lub rozprowadzana za pomocą klimakonwektorów w celu zapewnienia ogrzewania pomieszczeń, lub przechowywana w zbiornikach ciepłej wody do późniejszego wykorzystania. Pompy ciepła, z drugiej strony, opierają się na 160-letniej koncepcji, która wykorzystuje energię elektryczną “do przekazywania ciepła z otaczających źródeł ciepła (powietrze, woda, ziemia) do budynków”.
Pompy ciepła
Ponieważ pompy ciepła mogą spełniać zarówno wymagania związane z ogrzewaniem, jak i chłodzeniem – nietypowo, zużywając około 66% do 80% energii w otaczającym powietrzu, wodzie lub ziemi, a mniej niż 20% do 33% energii elektrycznej do napędzania procesu – są one powszechnie postrzegane jako odgrywające kluczową rolę w elektryfikacji budynków i sektorów przemysłu. Na przykład europejska platforma technologiczna i innowacyjna w zakresie ogrzewania i chłodzenia z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii (RHC) przewiduje, że ogrzewanie i chłodzenie w 100% oparte na odnawialnych źródłach energii będzie możliwe na kontynencie do 2050 r., jeżeli nastąpi silna integracja z sektorem energetycznym przy wykorzystaniu pomp ciepła i magazynowania energii cieplnej, a także szerokie rozpowszechnienie inteligentnych systemów energetycznych.
Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) zwiększone wykorzystanie pomp cieplnych już trwa. W 2019 r. prawie 20 milionów gospodarstw domowych zakupiło pompy ciepła, w porównaniu z 14 milionami w 2010 r., choć większość tego wzrostu wynikała z wyższej sprzedaży jednostek odwracalnych, które mogą również zapewnić klimatyzację, co odzwierciedla rosnące zapotrzebowanie na chłodzenie. W Europie w ciągu ostatnich dwóch lat sprzedaż pomp ciepła wzrosła o 25 %, przy czym duża liczba sprzedanych powietrznych pomp ciepła, ale większy wzrost sprzedaży wodnych podgrzewaczy wody z pompą ciepła. Firmy zajmujące się badaniem rynku są również szczególnie bystre na rozwijającym się rynku pomp ciepła. Na przykład Allied Market Research przewiduje, że globalna wielkość rynku pomp ciepła, który w 2018 r. został wyceniony na 55,2 miliarda dolarów, podwoi się do 99,6 miliarda dolarów do 2026 roku.
Powab pomp ciepła jako krytycznego komponentu P2H polega na ich wysokiej efektywności, zauważa RHC. “Jedna jednostka energii elektrycznej może dostarczyć od trzech do pięciu jednostek ciepła (w bardzo specyficznych projektach możliwe jest nawet sześć do siedmiu jednostek). Jednocześnie system taki zapewnia dodatkowe dwie do czterech jednostek chłodzenia, co umożliwia osiągnięcie ogólnej wydajności [ogrzewania i chłodzenia] od pięciu do ośmiu”, wyjaśnia. “W bardziej praktycznym ujęciu, wymiana kotła na kocioł kopalny z pompą ciepła oszczędza około 50% energii pierwotnej, podczas gdy wymiana na elektryczny system ogrzewania bezpośredniego z pompą ciepła uwalnia 2/3 do 3/4 wykorzystywanej energii końcowej/prymarnej”.
Pomimo oczywistych korzyści w zakresie efektywności energetycznej, IEA sugeruje, że szersze zastosowanie pomp ciepła może wymagać masowego wzrostu produkcji energii elektrycznej, co stanowi nowe obciążenie dla niektórych, już i tak energooszczędnych, starzejących się sieci na całym świecie. “Na przykład, gdyby ogrzewanie we wszystkich budynkach w Europie zostało przestawione na energię elektryczną za pomocą pomp cieplnych, szczytowe zimowe zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrosłoby o ponad 60 %” – prognozuje IEA w bardzo optymistycznym scenariuszu “Future is Electric” na rok 2018.
Power-to-Heat już kształtuje sektor energetyczny
Wciąż jednak, jak wskazują badania, P2H zaczyna wykazywać wymierne korzyści dla strategii transformacji energetycznej. IRENA zauważa, że dzieje się to na dwóch szerokich skalach. Jedną z nich są scentralizowane systemy grzewcze, takie jak “sieci ciepłownicze lub chłodnicze”, w których duże kotły elektryczne i pompy ciepła są zasilane energią bezpośrednio z sieci głównej, lub poprzez elektrociepłownie. Drugi przypadek dotyczy systemów zdecentralizowanego ogrzewania, na przykład w przemyśle, w których do ogrzewania lub chłodzenia wykorzystuje się małe pompy cieplne lub kotły elektryczne zasilane z sieci lub bezpośrednio, na przykład z dachowych baterii słonecznych, baterii zausznych i innych systemów magazynowania.
Umiarkowane ograniczanie zużycia energii odnawialnej. W miarę rozwoju odnawialnych źródeł energii, wspieranych przez zachęty i wartość rynkową, P2H zaczyna dostarczać nowy mechanizm wykorzystania nadwyżki mocy w celu zaspokojenia potrzeb w zakresie ogrzewania. Kraje europejskie dostarczają niezliczonych przykładów. Na przykład szwedzkie przedsiębiorstwo energetyczne Vattenfall w listopadzie 2018 r. rozpoczęło eksploatację kotła elektrycznego w Hamburgu, który wykorzystuje nadwyżkę energii wiatru do wytwarzania ciepła w okresach szczytowego obciążenia. We wrześniu 2019 roku przedsiębiorstwo to podłączyło również 120-MW obiekt P2H do sieci ciepłowniczej w swojej elektrowni Reuter West w Berlinie. Firma podała, że trzy kotły elektrodowe w elektrowni, każdy o pojemności 22 000 litrów, podgrzewają wodę do 130C z wykorzystaniem energii elektrycznej i pozwoliły jej na wycofanie z eksploatacji bloku węglowego na tym terenie.
Tymczasem, w ramach projektu Heat Smart Orkney finansowanego przez rząd szkocki, planowany projekt P2H w zakresie energii wiatrowej dostarczy gospodarstwom domowym energooszczędne urządzenia grzewcze, które będą pobierać nadmiar energii wytwarzanej przez należącą do gminy turbinę wiatrową. Chiny, które zmagały się z nadwyżkami energii słonecznej i wiatrowej, również mają ciekawe projekty. Autonomiczny Region Mongolii Wewnętrznej, który pod koniec 2014 r. zainstalował około 22,3 GW energii wiatrowej, rozpocznie w tym roku eksploatację projektu wykorzystania nadwyżek w kotłach elektrycznych o łącznej mocy 50 MWth do dostarczania ciepła dla systemu ciepłowniczego.
Wprowadzenie elastyczności w zakresie zmiany obciążenia. Wdrożono również kilka projektów mających na celu zapewnienie elastyczności po stronie popytu za pomocą pomp ciepła. Projekt EcoGrid EU, prowadzony przez konsorcjum firm energetycznych i technologicznych z krajów skandynawskich, zakończył na przykład w czerwcu 2019 roku trzyletnią demonstrację innowacyjnego systemu inteligentnych sieci energetycznych, który zintegrował 28 000 klientów na wyspie Bornholm w Danii. W ramach projektu wykazano, że taryfy czasowe i sygnały cenowe w czasie rzeczywistym są przydatne do aktywowania elastycznego zużycia, a P2H może oferować znaczny potencjał oszczędności przy obciążeniu szczytowym.
W międzyczasie szwedzka firma EctoGrid opracowała technologię łączenia strumieni cieplnych wielu budynków, które wykorzystują pompy ciepła i urządzenia chłodzące do dostarczania lub odbierania energii cieplnej z sieci. System wykorzystuje system zarządzania oparty na chmurze i obiecuje zmniejszyć zapotrzebowanie na energię dla systemów grzewczych o 78%.
Zapewnienie magazynowania energii na dużą skalę. RHC zauważa, że w połączeniu z magazynowaniem energii cieplnej można zwiększyć zdolność PTG do korygowania niedopasowania podaży i popytu na ciepło. Dzięki temu możliwe jest optymalne wykorzystanie kombinacji różnych źródeł odnawialnych w ciągu jednego dnia, a nawet roku. Sugeruje on, że potencjał ten może zostać wykorzystany w kilku “najnowocześniejszych” technologiach, w tym w technologiach magazynowania ciepła jawnego (SHS), magazynowania ciepła utajonego (LHS), magazynowania ciepła termo-chemicznego (TCS) oraz magazynowania energii cieplnej pod ziemią (UTES).
Jednym z interesujących przykładów jest lądowanie w wąwozach, demonstracja techniczna, która wykorzystuje energię słoneczną i sezonowe UTES dla systemu ciepłowniczego. Projekt zaopatruje społeczność mieszkaniową 52 domów w Albercie w Kanadzie, które latem przechwytują energię słoneczną i magazynują ją pod ziemią za pomocą termicznego magazynu otworowego. W okresie zimowym ciepło jest pozyskiwane z magazynów i rozprowadzane do każdego domu. Niemiecki koncern energetyczny RWE w międzyczasie bada możliwości budowy elektrociepłowni w elektrowni węglowej w reńskim regionie wydobycia węgla brunatnego, gdzie nadwyżka energii wiatru zostanie wykorzystana do podgrzania płynnej soli nawet do 560C.
Wirtualna energia cieplna i elektryczna
Wielu dostawców technologii już dziś oferuje różne rozwiązania “inteligentnego ogrzewania akumulacyjnego”, które pozwalają ogrzewaniu elektrycznemu reagować na warunki sieciowe poprzez akumulację energii podczas jej obfitych dostaw. “Te inteligentne ogrzewacze akumulacyjne mogą być zdalnie sterowane przez agregaty zarówno w celu [optymalizacji] kosztów ogrzewania dla odbiorców, jak i świadczenia usług bilansowania sieci dla sieci krajowej” – sugeruje IRENA. W Wielkiej Brytanii, na przykład, dostawca energii OVO Energy i dostawca rozwiązań energetycznych VCharge opracowali rozwiązanie umożliwiające agregację inteligentnych systemów grzewczych wykorzystywanych w prawie 1,5 mln domów w kraju. Agregacja ta reprezentuje łączną moc szczytową 12 GW. W międzyczasie w Szwajcarii rozwiązania Tiko połączyły ponad 10.000 elektrycznych pomp ciepła i kotłów ciepłej wody użytkowej. Elementy te są stale monitorowane, a ich zużycie energii elektrycznej jest kontrolowane w celu zapewnienia elastycznych usług dla krajowej sieci energetycznej.
Rozproszona energia elektryczna. W regionach, które nie posiadają liczników energii netto lub rozliczeń netto, samowystarczalność i zużycie ciepła wytwarzanego z nadwyżek energii, na przykład z dachowych instalacji słonecznych, zaczyna zyskiwać na atrakcyjności, mówi IRENA. “Ponadto, w godzinach szczytu produkcji energii słonecznej, operator systemu dystrybucyjnego może nie być w stanie wchłonąć całej produkcji ze źródeł rozproszonych. W takich przypadkach pompy ciepła pomagają zmaksymalizować własne zużycie energii, przekształcając lokalnie wytwarzaną energię elektryczną w ciepło lub chłodzenie pomieszczeń” – dodaje. Jeden z powiązanych przykładów pochodzi z amerykańskiej firmy Kraft Foods, która wykorzystuje pompy ciepła w swoim zakładzie w Iowa do zmodernizowania 2,1 MW ciepła odpadowego ze swojego systemu chłodzenia do ogrzewania wody. SolarChill, partnerstwo między europejskimi organizacjami technicznymi a szeregiem międzynarodowych organizacji rozwojowych, pracuje w międzyczasie nad projektem instalacji chłodziarek zasilanych energią słoneczną do zastosowań medycznych w regionach o zawodnych źródłach zasilania.
IRENA sugeruje, że więcej takich przykładów zostanie wprowadzonych w miarę dalszego spadku kosztów energii odnawialnej i poprawy efektywności P2H. Opowiada się jednak również za “znaczącym naciskiem” ze strony decydentów politycznych na te technologie, wzywając ich do rozważenia ograniczenia stosowania kotłów na paliwa kopalne oraz do wprowadzenia wymogów, aby nowe budynki uwzględniały odnawialne źródła energii.
Źródło: PowerMag
Fot. Pixabay
