Dekarbonizacja dostaw energii cieplnej
W porównaniu z dostawami energii elektrycznej, istnieje znacznie większa presja na działania w sektorze grzewczym, ponieważ obecnie ponad 80% dostaw energii cieplnej w Niemczech nadal opiera się na paliwach kopalnych (1). Skupiamy się tutaj na istniejących budynkach. Miejskie planowanie zaopatrzenia w ciepło („Kommunale Wärmeplanung“ KWP) jest głównym instrumentem służącym do identyfikacji lokalnie dostępnych odnawialnych źródeł energii (OZE) do ewentualnego (scentralizowanego) wykorzystania oraz do opracowania strategii transformacji cieplnej z określonym katalogiem środków. W wyniku KWP można zlokalizować obszary przydatności sieci ciepłowniczej, a także obszary, dla których sensowne jest indywidualne zaopatrzenie budynków w energię odnawialną. Ustawa federalna w sprawie KWP obowiązuje od stycznia 2024 r. Gminne plany ogrzewania mają być dostępne dla wszystkich gmin w Niemczech do połowy 2028 r., a do połowy 2026 r. dla gmin liczących ponad 100 000 mieszkańców (2). Przykład Nadrenii Północnej-Westfalii: W tym przypadku wdrożenie jest wspierane przez ustawę krajową przyjętą pod koniec 2024 r., która jest wspierana przez szeroką bazę polityczną. W porównaniu ze wszystkimi innymi krajami związkowymi odsetek gmin, które rozpoczęły proces kogeneracji, jest najwyższy i wynosi ponad 70% (3).
Dobre powody przemawiające za sieciami ciepłowniczymi
Pompy ciepła będą w przyszłości dominującym systemem ogrzewania budynków indywidualnych. W gęsto zabudowanych obszarach, połączone rozwiązania wykorzystujące sieci ciepłownicze często oferują korzyści. Odnawialne źródła energii, takie jak ciepło rzeczne lub nieuniknione ciepło odpadowe z handlu i przemysłu, a także energia słoneczna, mogą być wykorzystywane w sposób ekonomiczny. W przyszłości głównymi generatorami ciepła będą duże pompy ciepła (rysunek 1). Ponadto wykorzystanie biomasy (stałej) oferuje potencjał regionalny.
Programy finansowania budowy i rozbudowy sieci ciepłowniczych
Budowa i rozbudowa infrastruktury sieci ciepłowniczych wiąże się z wysokimi nakładami inwestycyjnymi. Na szczeblu federalnym istnieją trzy odpowiednie programy wsparcia finansowego.
a) KWKG (Kraft-Wärme-Kopplungsgesetz)
Ustawa o skojarzonym wytwarzaniu ciepła i energii elektrycznej
b) BEW (Bundesförderung effiziente Wärmenetze)
Federalna dotacja na wydajne sieci grzewcze
c) BEG (Bundesförderung für effiziente Gebäude)
Federalna dotacja na efektywne budynki
Niezawodne warunki ramowe są niezbędne do osiągnięcia tego celu. Obejmuje to w szczególności wystarczające finansowanie federalnego subsydiowania wydajnych sieci grzewczych („Bundesförderung effiziente Wärmenetze“ BEW), które jest niezależne od budżetu federalnego. Istnieje potrzeba działania ze strony polityków w nowym okresie legislacyjnym.
Nadejdzie fala ekspansji
Na podstawie KWP można oczekiwać, że w wielu miastach i gminach zostaną zbudowane nowe sieci ciepłownicze lub istniejące sieci zostaną rozbudowane. Wstępne plany ogrzewania ukończone już w 2024 r. wskazują na ten potencjał. Weźmy na przykład Eschwege w północnej Hesji: wyniki kogeneracji są dostępne dla małego miasta liczącego około 20 000 mieszkańców w powiecie Werra-Meißner od kwietnia 2024 r. (4). Zgodnie z docelowym scenariuszem dostaw ciepła w 2045 r., 38% zapotrzebowania miasta na ciepło mogłoby zostać pokryte przez nową sieć ciepłowniczą, która zasadniczo byłaby zasilana przez dużą pompę ciepła z zielonym ciepłem (rys. 2). 50% byłoby następnie dostarczane decentralnie przez pompy ciepła powietrze-woda, 2% przez pompy ciepła solanka-woda, a pozostała część przez kotły na pelety drzewne w połączeniu z energią słoneczną. Dla porównania: W oparciu o istniejącą strukturę sieci gazowej, około 80% końcowego zapotrzebowania na energię w Eschwege jest nadal pokrywane przez paliwa kopalne oparte na gazie ziemnym. Według KWP, ekonomicznie konkurencyjne koszty produkcji ciepła dla obszarów rozbudowy sieci ciepłowniczej wynoszą od 140 do 149 EUR/MWh (netto z dotacją). Biorąc pod uwagę dotację BEG, koszty zdecentralizowanego zaopatrzenia małych budynków indywidualnych o mocy grzewczej 10 kW mieszczą się w przedziale od 210 do 250 EUR/MWh (netto z dotacją). Przykład Eschwege w imponujący sposób pokazuje zatem techniczny i ekonomiczny potencjał rozbudowy miejskich lokalnych sieci ciepłowniczych.
Wyzwania i odpowiedzialność
Transformacja zaopatrzenia w ciepło w kierunku neutralności klimatycznej jest zadaniem na pokolenia. Odpowiedzialność za wdrożenie spoczywa na miastach i gminach, w oparciu o ustawę o planowaniu zaopatrzenia w ciepło. Sukces zależy między innymi od zapewnienia wystarczających zasobów i zaangażowania ludności poprzez dobrą komunikację, public relations i przejrzystość. Bez akceptacji nie będzie udanego wdrożenia. W odniesieniu do budowy lokalnych sieci ciepłowniczych, odpowiedzialne są lokalne zakłady komunalne, a także inni dostawcy energii i wykonawcy. To właśnie tutaj leży lub musi być dalej rozwijana wiedza specjalistyczna. Ponadto do budowy i rozbudowy infrastruktury ciepłowniczej wymagana jest duża wiedza inżynierska w zakresie planowania, a także zdolności w zakresie inżynierii lądowej i budowy rurociągów. Przeszkodą jest wszechobecny niedobór wykwalifikowanej siły roboczej, zarówno na poziomie gminnym, jak i w zakładach komunalnych i u dostawców usług inżynieryjnych. Środki, które mogą pomóc uprościć lub przyspieszyć ten proces, są szeroko poszukiwane.
Możliwości przyspieszonej rozbudowy sieci
Nie ma alternatywy dla budowy i rozbudowy sieci ciepłowniczych z rur z płaszczem z tworzywa sztucznego ("Kunststoffmantelrohrleitungen" KMR), tj. ze sztywnymi stalowymi rurami medialnymi, dla dużych linii transportowych i głównych linii dystrybucyjnych ze względu na wymaganą zdolność transportową (przekroje rur) oraz czasami wysokie wymagania dotyczące temperatury i ciśnienia w sieciach zasilających. Poza tym jednak, tam gdzie pozwalają na to wymagania techniczne, wymagana jest otwartość na nowe lub alternatywne rozwiązania techniczne.
W przypadku wdrożeń operacyjnych, absolutną korzyścią jest możliwość włączenia dodatkowych (nowych) przepustowości w oparciu o elastyczne systemy rur polimerowych ("polymerer Rohrsysteme" PMR). Dotyczy to na przykład firm inżynieryjnych nieposiadających specjalistycznej wiedzy na temat budowy KMR (np. wymaganej wiedzy specjalistycznej i certyfikatów w zakresie spawania stali) lub pracowników zakładów komunalnych. Zalety PMR zaczynają się od procesu planowania, który jest prostszy i szybszy. Dzięki samokompensującemu się charakterowi rurociągów nie jest wymagana statyka rur ani kolana kompensacyjne (rys. 3). Elastyczność rur z tworzyw sztucznych dostępnych w postaci wiązek pierścieniowych może być wykorzystana w korzystny sposób podczas trasowania, np. podczas omijania przeszkód, takich jak rury kanalizacyjne lub studzienki (rys. 4). Z drugiej strony, w przypadku sztywnych rur stalowych wymagane są specjalnie wyprodukowane kształtki, np. w przypadku pionowego przesunięcia na trasie, co stanowi czynnik kosztotwórczy (rys. 5).
W PMR podwójna rura jest powszechnie stosowana do wymiaru d63/202 (specyfikacja ze wzmocnioną izolacją) jako elastyczny system o standardowej długości zwoju pierścienia do 75 metrów. Rury podwójne są preferowane zwłaszcza podczas pracy w sieci ze względu na średnio o ok. 1/3 niższe straty ciepła w porównaniu z rurami pojedynczymi. Systemy jednorurowe generalnie dominują w KMR. Budowa systemów dwururowych jest bardzo trudna pod względem konstrukcyjnym, między innymi w odniesieniu do produkcji szwów spawalniczych na połączeniach. I odwrotnie: jeśli istnieje możliwość zmiany technologii z pojedynczych rur KMR na podwójne rury PMR, przewaga kosztowa jest również połączona z przewagą wydajności ze względu na zmniejszenie strat ciepła. Dokonując porównania, należy zauważyć, że przewaga kosztowa rur PMR nad KMR nie wynika (przede wszystkim) z domniemanej oszczędności kosztów materiałowych. Redukcja kosztów wynika raczej z ogólnego uwzględnienia i włączenia różnej liczby komponentów oraz wysiłku związanego z niezbędnymi etapami przetwarzania, a w szczególności z dodatkowych oszczędności w zakresie inżynierii lądowej i wodnej.
Technologia połączeń stosowana w PMR, system wciskania tulei przesuwnych, jest łatwa w obróbce, niezwykle wytrzymała, a przede wszystkim bezpieczna (rys. 6). Podsumowując, sieć (sekcja) PMR może być zrealizowana znacznie szybciej. Wniosek pośredni: Jeśli jest to odpowiednie z technicznego punktu widzenia i przynosi zauważalne korzyści ekonomiczne, systemy PMR i kombinacja KMR + PMR powinny być konsekwentnie stosowane w przyszłości, tj. należy wykorzystywać to, co najlepsze z obu światów. W odniesieniu do konkretnych projektów należy dokonać podstawowego rozróżnienia między trzema kategoriami:
a) Odizolowane sieci
Pierwsze ukończone miejskie plany ciepłownicze pokazują, że zdecentralizowane obszary przydatności sieci ciepłowniczych (dzielnice) są również identyfikowane z dala od większych miejskich (częściowych) sieci, gdzie elastyczne systemy rur polimerowych mogą być stosowane ze względu na rozmiar i całkowitą moc cieplną (oraz wymagane przekroje rur wynikające z tego), a także maksymalne wymagania dotyczące temperatury i ciśnienia. Systemy rur polimerowych są już powszechnie i z powodzeniem instalowane w nowo budowanych dzielnicach i dowiodły swojej wartości w praktyce poprzez oszczędność kosztów i znacznie krótszy czas budowy (5, 6).
b) Sieci wtórne
Odsprzężenie hydrauliczne umożliwia obniżenie temperatur i poziomów ciśnienia w sieci, co jest warunkiem wstępnym zmiany materiału z KMR na PMR w sieci wtórnej (rys. 7).
Szczególnie tam, gdzie sieci ciepłownicze już istnieją i są rozbudowywane, sieci wtórne PMR oferują znaczny potencjał redukcji kosztów i przyspieszenia wdrożenia.
c) Sieci hybrydowe
Jeśli wymagania techniczne dla całej rozważanej sieci są spełnione w odniesieniu do maksymalnej temperatury roboczej i poziomu ciśnienia, można utworzyć sieć hybrydową. Projekt komponentu PMR nie jest ograniczony do linii przyłączeniowych domu, ale zazwyczaj obejmuje podrozdzielnice, np. na poszczególnych odcinkach dróg. To, który maksymalny wymiar jest ekonomicznie korzystny dla PMR w porównaniu z KMR, zależy od wielu warunków brzegowych. W indywidualnych przypadkach duże wymiary rur PMR są również preferowane, jeśli trasa ma na przykład dłuższe odcinki z wieloma zmianami kierunku i ewentualnie skokami pionowymi, co wymagałoby dużej liczby kształtek i elementów montażowych w przypadku KMR. Przejście z KMR na PMR można zrealizować na przykład za pomocą równoległego odgałęzienia przy użyciu uniwersalnie spawalnych kształtek przejściowych, które są dociskane z jednej strony do rur polimerowych.
Praktyczne przykłady sieci hybrydowych i wtórnych
Sieci hybrydowe i wtórne nie są nowym wynalazkiem. Istnieje już wiele pomyślnie wdrożonych projektów, które mogą stanowić przykład na przyszłość. SOLARCOMPLEX AG, na przykład, ma dobre doświadczenia z kilkoma sieciami hybrydowymi, które zostały zaplanowane i zbudowane w regionie Jeziora Bodeńskiego i w południowym Schwarzwaldzie w ciągu ostatnich 10 lat. Inne projekty, w których zastosowano system rur polimerowych RAUTHERMEX firmy REHAU w połączeniu z KMR, obejmują projekty w Sebnitz koło Drezna i Herbrechtingen/Baden-Württemberg.
W Adelsdorf, gminie liczącej około 9 500 mieszkańców, położonej 40 kilometrów na północny zachód od Norymbergi, z wielkim zaangażowaniem dąży się do ochrony klimatu poprzez tworzenie i rozbudowę sieci hybrydowej (rysunki 8 i 9). Pierwsze doświadczenia z dostawami ciepła podłączonymi do sieci zostały zdobyte już w 2007 roku przy budowie i eksploatacji wyspowej sieci ciepłowniczej. Niezbędne utworzenie struktur miejskich nastąpiło w 2022 r. wraz z założeniem Gemeindewerke Adelsdorf. Obecnie istnieje jasna mapa drogowa zastąpienia zdecentralizowanych indywidualnych systemów grzewczych zasilanych paliwami kopalnymi dostarczaniem zielonego ciepła (rys. 10). Dla przedsiębiorstw mieszkaniowych i właścicieli budynków oznacza to bezpieczeństwo w odniesieniu do spełnienia wymogów prawnych zgodnie z ustawą o energii w budynkach. Adelsdorf jest przykładem tego, w jaki sposób można wdrożyć niezbędną dekarbonizację dostaw ciepła w małych i średnich gminach.
Na zachodnim skraju Stralsundu w Meklemburgii-Pomorzu Przednim powstaje obszar inwestycyjny B-Plan 39, obejmujący łącznie 11 bloków mieszkalnych i 94 domy jednorodzinne. SWS realizuje w Stralsundzie jasną strategię polegającą na przekształceniu istniejącej infrastruktury sieci ciepłowniczej poprzez sukcesywną integrację dodatkowych odnawialnych źródeł ciepła i rozbudowę sieci w celu zastąpienia zdecentralizowanych kopalnych generatorów ciepła. SWS po raz pierwszy wykorzystuje tworzywa sztuczne w B-Plan 39 i polega na doświadczeniu REHAU oraz certyfikowanym systemie RAUTHERMEX PMR (rys. 11). Budowa sieci rozpoczęła się wiosną 2023 r., a pierwsze budynki są zasilane od końca 2024 r. Sieć wtórna jest zasilana z sąsiedniej sieci ciepłowniczej KMR.
Wnioski i perspektywy
Przyspieszona rozbudowa infrastruktury sieci ciepłowniczej wymaga wdrożenia dodatkowych zdolności - zwłaszcza w zakresie specjalistycznego planowania i realizacji budowy. Dla firm inżynieryjnych, które obecnie (ponownie) rozpoczynają działalność w tym segmencie, perspektywy biznesowe są niezwykle pozytywne. Dla firm zajmujących się inżynierią lądową i budową rurociągów, szkolenia w zakresie przetwarzania systemów rur polimerowych stają się coraz ważniejsze. Jest to napędzane przez klientów, np. zakłady komunalne, którzy coraz częściej dostrzegają potencjał PMR. Elastyczne systemy rur polimerowych mogą w znacznym stopniu przyczynić się do przyspieszenia dekarbonizacji dostaw ciepła poza izolowanymi sieciami, gdy są stosowane w sieciach wtórnych i hybrydowych. Doświadczenie pokazuje, że dzięki zmianie materiału lub połączeniu KMR + PMR można zaoszczędzić do ok. 1/3 kosztów inwestycji w stosunku do części PMR, a czas budowy można znacznie skrócić. Warunkiem trwałego sukcesu w integracji PMR, nawet w większych sieciach, jest zgodność z gwarantowanymi właściwościami oraz skupienie się na trwałości i zapewnieniu jakości całego systemu składającego się z rurociągów, technologii łączenia rur i rękawów do izolacji dodatkowej.
O autorze:
Dipl.-Ing. (FH) Olaf Kruse
Product Engineer & Project Manager Local Heating
REHAU Industries SE & Co. KG
Kontakt:
REHAU Industries SE & Co KG
Ytterbium 4
91058 Erlangen
Phone: +49 9131 92-5346
Email: Olaf.Kruse@rehau.com
gebaeudetechnik.rehau.de
Olaf Kruse pracuje w branży dostaw energii od 1995 roku, początkowo w zakresie doradztwa i planowania, specjalizując się w systemach geotermalnych. W 2004 roku przeszedł do firmy REHAU specjalizującej się w polimerach, gdzie odpowiadał za rozwój produktów w zakresie systemów solarnych i systemów podgrzewania wody pitnej. Od 2013 roku wnosi swoje bogate doświadczenie jako inżynier produktu i kierownik projektu do lokalnych projektów grzewczych w całych Niemczech.