W związku z postępującą dekarbonizacją, sektor ciepłownictwa systemowego przechodzi radykalne zmiany. Taka transformacja niesie ze sobą zarówno wyzwania, jak i szanse. Wärtsilä Energy zbadała, w jaki sposób nowe modele biznesowe mogą przynieść korzyści operatorom systemów ciepłowniczych i konsumentom, jednocześnie pozytywnie wpływając na systemy elektroenergetyczne. Przyjrzano się przykładom z Niemiec, Danii oraz Polski.

Sektor energetyczny przechodzi transformację. Rosnący udział niestabilnych odnawialnych źródeł energii w systemach elektroenergetycznych rodzi pytanie o wdrożenie odpowiednich rozwiązań bilansujących zmienność generacji z wiatru i słońca. Ciepłownictwo systemowe ma potencjał, by stać się największym źródłem elastyczności dla systemów elektroenergetycznych, jednocześnie czerpiąc korzyści ze zmienności cen na rynkach energii elektrycznej oraz usług systemowych. To zjawisko nazywane jest sector couplingiem.

– Współpraca sektorów energii elektrycznej i ciepłownictwa zakłada, że systemy ciepłownicze będą wykorzystywać nadwyżki energii odnawialnej do produkcji zielonego ciepła, a także będą mogły oddawać energię bilansującą z powrotem do sieci. Takie podejście stwarza możliwości tworzenia finansowo opłacalnych modeli biznesowych – mówi Igor Petryk, Dyrektor ds. Rozwoju Rynku w Wärtsilä Energy. 

Znaczenie elastyczności technologicznej w sektorze energetycznym

Wybór odpowiednich technologii ma jednak kluczowe znaczenie dla powodzenia każdego modelu, a brak identyfikacji rozwiązań odpornych na zmiany w przyszłości może kosztować miliardy. Gdy niemiecki koncern energetyczny uruchomił dwa duże bloki w Bawarii w 2011 roku, turbiny gazowe CCGT były najlepszą dostępną technologią, odpowiadającą ówczesnemu profilowi pracy. Kilka lat później odnawialne źródła energii zmieniły rynek energii elektrycznej w Niemczech, a wysoka zmienność cen zaczęła wypierać mało elastyczne moce. W 2015 r. trzy i pół roku po rozpoczęciu pracy przez elektrownię właściciele zdecydowali się na zamknięcie bloków z powodu „braku perspektyw ekonomicznych”. Ruch ten oznaczał około miliarda euro straty. Ten przykład podkreśla znaczenie uwzględniania dynamiki rynku oraz potencjału szybkich zmian w sektorze energetycznym. Ale w jaki sposób koncerny energetyczne mogą zabezpieczyć się przed niekorzystnymi scenariuszami?

Znaczenie modelowania systemów elektroenergetycznych i analizy scenariuszy 

Wyniki modelowania przeprowadzonego przez Wärtsilä Energy jednoznacznie pokazały, że budowa całkowicie zdekarbonizowanego systemu opartego wyłącznie na OZE i magazynach energii jest droższa niż alternatywne podejście dwuetapowe, dlatego kluczową rolę przy dekarbonizacji odgrywać będą technologie bilansujące – silnikowe elektrownie i elektrociepłownie gazowe oraz magazyny energii, które optymalizują wykorzystanie odnawialnych źródeł energii. 

– W pierwszym etapie rozbudowa OZE jest wspierana przez wdrożenie najbardziej elastycznych technologii bilansujących. Pozwala to osiągnąć około 75-80% dekarbonizacji energetyki – szybko i efektywnie kosztowo. Aby całkowicie zdekarbonizować produkcję energii elektrycznej, w drugim etapie można wdrożyć technologię Power-to-X, która przekształca nadwyżki energii odnawialnej w paliwa neutralne pod względem emisji CO₂, możliwe do wykorzystania w elektrowniach i elektrociepłowniach gazowych. Podejście dwuetapowe jest efektywne kosztowo i odporne na zmiany w przyszłości: technologie wybrane na podstawie obiektywnego modelowania komputerowego zapewniają najniższy koszt produkcji energii elektrycznej, jednocześnie gwarantując ich przydatność w systemach wykorzystywanych w nadchodzących latach. Tymczasem te same elektrociepłownie gazowe mogą również produkować ciepło dla miast i w ten sposób wracamy do tematu łączenia sektorów – mówi Igor Petryk. 

Modelowanie systemów elektroenergetycznych za pomocą zaawansowanego oprogramowania to potężne narzędzie do analizy potencjalnych scenariuszy. Firma Wärtsilä Energy przeprowadziła modelowanie ponad 190 systemów energetycznych, aby znaleźć kosztowo optymalną ścieżkę dojścia do systemów w pełni zdekarbonizowanych.

Od teorii do praktyki: Skagen, Dania 

W Skagen (Dania) korzyści płynące z łączenia sektorów zostały już przetestowane i potwierdzone. Tamtejszy system ciepłowniczy skutecznie integruje różne technologie, w tym silniki tłokowe, pompy ciepła i kotły elektryczne. System działa elastycznie – kupuje energię elektryczną, gdy ceny są niskie i produkuje ją, gdy ceny są wysokie, maksymalizując tym samym zyski i obniżając taryfy za ciepło. 

Takie operacje pomagają jednocześnie w bilansowaniu sieci elektroenergetycznej. Niskie ceny energii elektrycznej oznaczają nadmiar energii odnawialnej, natomiast wysokie ceny wskazują na jej niedobór w systemie. System ciepłowniczy w Skagen pomaga stabilizować te wahania. 

Przykłady modelowania w Polsce

Podobne modelowanie systemu elektroenergetycznego przeprowadzono w Grudziądzu, aby przeanalizować możliwe ścieżki dekarbonizacji ciepła i określić optymalny miks technologiczny zastępujący węgiel. Proces ten polegał na wspólnej optymalizacji produkcji ciepła i energii elektrycznej przy jednoczesnym zapewnieniu pokrycia zapotrzebowania na ciepło. Zoptymalizowane portfolio technologii, które miało zastąpić kocioł węglowy, obejmował elastyczną elektrociepłownię z silnikami tłokowymi (CHP), magazyn ciepła, pompę ciepła, kocioł elektryczny oraz kocioł gazowy. Inwestycja w ten miks pozwoliłaby na redukcję emisji o 42%, obniżenie taryf za ciepło o 20% oraz osiągnięcie wewnętrznej stopy zwrotu (IRR) na poziomie 10%. 

– Odnawialne źródła energii będą definiować przyszłość naszych systemów energetycznych, a technologie elastyczne okażą się niezbędne w systemach opartych na wysokim udziale OZE. Ciepłownictwo systemowe może stać się największym źródłem elastyczności dla systemów elektroenergetycznych, wspierając integrację odnawialnych źródeł energii, dekarbonizację ciepła oraz bezpieczeństwo dostaw ciepła. Aby zapewnić skuteczne i ekonomicznie opłacalne łączenie sektorów, należy wdrażać naprawdę elastyczne technologie ciepłownicze. To optymalna ścieżka ku zrównoważonej przyszłości energetycznej – podkreśla przedstawiciel Wärtsilä Energy.