Magazyny ciepła – niewykorzystane korzyści dla systemów ciepłowniczych i elektroenergetycznych

Międzynarodowa Agencja Energii Odnawialnej (IRENA) opublikowała raport „Termiczne magazyny energii” o niezwykłych możliwościach wykorzystania  magazynowania energii w formie ciepła, zarówno w systemach ciepłowniczych i jak i elektroenergetycznych. Technologia jest komercyjnie dostępna, czysta i tania, i aż się prosi aby wykorzystać ją w polskich systemach ciepłowniczych i szerzej w Krajowym Systemie Energetycznym (KSE), które są wyjątkowo mało elastyczne z uwagi na to, że bazują na kotłach na paliwa stałe i jednocześnie z niespotykaną rezerwą podchodzą do źródeł pogodowozależnych. 

Magazyny ciepła lub termiczne magazyny energii (TES) zapewniają elastyczność, która  pozwala na znacznie szersze i tańsze wprowadzanie pogodowozależnych OZE (energia słoneczna i wiatrowa) do systemów energetycznych. TES ograniczają potrzebę nadmiernie kosztownych nakładów na wzmocnienie sieci energetycznych, pomagają zrównoważyć sezonowe zapotrzebowanie i wspierają przechodzenie na najtańsze OZE, bez których polska energetyka stanie się niekonkurencyjna. TES, a zwłaszcza te z zasobnikami wody naziemnymi (TTES) i podziemnymi (UTES), mają o rzędy wielkości niższe koszty i dłuższe okresy magazynowania niż wszystkie inne rodzaje magazynów. Ale z jakiś powodów są (a przynajmniej dotychczas były) omijane szerokim łukiem przez ustawodawcę i traktowane z  rezerwą przez regulatora.  

Jest szansa na zmianę podejścia, ale czy potrafimy to wykorzystać jeżeli energetyce (tzw. zawodowej) chodzi o zachowanie status quo (starych przyzwyczajeń)  i raczej o droższą niż tańszą energię? TES pojawiły się w przejętej właśnie przez rząd polityce energetycznej (PEP’2040), ale zasadniczo tyko w części dotyczącej ciepłownictwa systemowego. Nie ma odniesień np. do ciepłownictwa indywidualnego (gdzie już widać problem z nadwyżkami energii z instalacji prosumenckich i w każdym domu przydałyby się bojlery do dogrzewania cwu energią z PV) oraz do możliwości poprawy bilansowania mocy (i lepszego wykorzystania mocy OZE) w krajowym systemie elektroenergetycznym.  

PEP’2040 w tzw. celu szczegółowym 7– „Rozwój ciepłownictwa i kogeneracji” proponuje działania na rzecz popularyzacji magazynów ciepła. Ich zastosowanie „(…) pozwala na zmagazynowanie ciepła wytworzonego w dolinach zapotrzebowania, a następnie wykorzystanie go w okresach zwiększonego zapotrzebowania, co usprawnia działanie systemów ciepłowniczych. To rozwiązanie pozwala także na wykorzystanie nadwyżek energii elektrycznej wytworzonych przez niesterowalne OZE do podgrzania czynnika grzewczego”. Szerzej o TES jest napisane w Strategicznej ocenie oddziaływania dokumentu (PEP) na środowisko, a w szczególności na  powietrze i klimat. -„Magazyny ciepła pozwalają na bardziej efektywne wykorzystanie zasobów energii odnawialnej pogodowo zależnej, co powodować będzie zmniejszenie emisji zanieczyszczeń do powietrza z innych źródeł wytwarzających energię elektryczna i ciepło, w tym z węgla i gazu oraz na (…) zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych w wyniku zastępowania energii ze źródeł kopalnych energią odnawialną”.

PEP wspomina tylko o „popularyzacji” (a nie np. wsparciu), ale przewidziano jednak 128 mln zł na budowę magazynów ciepła w latach 2021-2025. Stanowić to ma tylko 0,7% nakładów na modernizacji ciepłownictwa, ale dobre i to. Czy jednak takie „miękkie” zapisy mogą spowodować bardziej racjonalne, systemowe podejście do tej technologii?

Na razie nie widać efektów z dwu zasadniczych powodów. Pierwszy dotyczy  „silosowego” podejścia, które utrudnia tzw. integrację sektorów ciepła i energii elektrycznej, i mimochodem sprowadza się (w dobie „Zielonego ładu”(!) do promowania kogeneracji na paliwach kopalnych. Kogeneracja nie pasuje nie tylko do dążenia UE do neutralności  klimatycznej, ale też do nieelastycznych w Polsce systemów ciepłowniczych i elektroenergetycznych. Drugi powód problemów z wdrażaniem magazynów ciepła w Polsce dotyczy organicznej zdolności do myślenia systemowego w zakresie zdolności do integracji różnych rozwiązań. Część energetyków i polityków w niechęci do OZE dotknięta jest syndromem „Strasznych mieszczan w wierszu Tuwima, którzy „(…) widzą wszystko oddzielnie, że dom... że Stasiek... że koń... że drzewo...”. Chcą dokładać jeden magazyn do jednego pogodowozależnego źródła energii (jeszcze niedawno mówili o "gazówkach") , aby na siłę uczynić OZE zdolnymi do produkcji energii w źródłach węglowych przez minimum 40-60% godzin ciągu roku (bez zwracania uwagi, że np. zapotrzebowanie na energię nie jest stałe i wymaga elastyczności). Nikt inny na świecie na taką skalę tak nie myśli, bo z takiego podejścia wynikają tylko nieuzasadnione koszty dla odbiorców energii i wzrost emisji, niestety.

Powyższe tezy można było potwierdzić zarówno w dotychczasowej legislacji (klastry energii o nieodgadnionych założeniach) jak i w programach dla energetyki (usilne i oczywiście nieskuteczne wspieranie źródeł drogich o niskim potencjale). Jak nawet pojawiało się poparcie dla magazynów energii to (paradoks) razem z poparciem dla  źródeł "stabilnych" biogazu, energii wodnej i geotermalnej (które same magazynów nie potrzebują) razem z rynkiem mocy (wsparcie dla "stabilnych" paliw kopalnych) i jednoczesnym blokowaniem energetyki wiatrowej (gdzie tworzą się modele biznesowe na magazyny). Od niedawna programy i przepisy prawa są wzbogacane obecnie o elementy magazynowania energii razem z próbami promowania źródeł pogodowozależnych (to dobry znak), ale czy wystarczająco szybko?  

W 2019 roku  pojawił się ciekawy program NFOŚiGW „Ciepło powiatowe”, który po raz pierwszy dostrzegł rolę magazynów ciepła. Program pojawił się rok po ekspertyzie IEO „Ciepło z OZE”, gdzie przedstawiono założenia do ustanowienia programu wsparcia dla ciepłownictwa w zakresie budowy, modernizacji i rozwoju systemów ciepłowniczych współpracujących z OZE  i magazynami ciepła.  W zamyśle pierwotnym magazyny ciepła miały służyć całemu miejskiemu systemowi ciepłowniczemu (też nieelastycznym kotłom węglowym i jeszcze bardziej nieelastycznej kogeneracji) i miały być koniecznym warunkiem wsparcia dla ciepła z OZE (aby przekroczyć efekt skali).

Choć trzeba docenić sam program „Ciepło powiatowe” do którego wprowadzono jako koszt kwalifikowany (a nawet punktowany w ocenie wniosków – 2 punkty na 75), to warto zauważyć, że warunkiem udzielenia wsparcia na magazyn energii jest zintegrowanie go ze źródłem energii, które będzie realizowane równolegle w ramach projektu, a nie z systemem. To utrudnia racjonalne podejście i niepotrzebnie podnosi koszty. Nb. pozytywnie w „Programie” należy ocenić wyłączenie ze  wsparcia w formie dotacji projektów realizujących wyłącznie instalacje fotowoltaiczne i wiatrowe bez magazynu energii.

Po stronie legislacji ciągle nie jest wcale lepiej . Prawo energetyczne definiuje magazyn energii wyłącznie jako  instalację służącą do przechowywania energii, przyłączoną do sieci, mającą zdolność do dostawy energii elektrycznej do sieci. Definicja magazynu energii w ustawie o OZE  jest nieco szersza - za magazyn energii uznaje wyodrębnione urządzenie do przechowywania energii w dowolnej postaci, niepowodujących emisji będących obciążeniem dla środowiska, w sposób pozwalający co najmniej na jej częściowe odzyskanie. Ale już systemy wsparcia, np. aukcje na instalacje hybrydowe dotyczą tylko elektrycznych magazynów bateryjnych. Z kolei w definicji instalacji OZE jest mowa o „zespole z magazynem energii, w tym magazynem biogazu rolniczego”, ale nie z magazynem ciepła.

Takie zawężone ujęcie tematu magazynowanie oznacza tylko koszty. Studium Centrum Badawczego JRC Komisji Europejskiej pt. „Integration of the power and heating sector” pokazuje przepaść pomiędzy magazynami bateryjnymi typu “Tesla” i innymi formami magazynowanie energii, a magazynami w ciepła,  w szczególności TES (TTES to "magazynowanie w wodzie, UTES to magazyny typu PIT):

Poza kosztami na MWh liczy się też to, że magazyny energii elektrycznej magazynują w krótkim okresie (minuty i godzinny), a ich żywotność  jest bardzo ograniczona, podczas gdy magazyny ciepła  mogą magazynować w okresach tygodniowych (TTES) lub sezonowych, a nawet rocznych (UTES).

Próbą poprawy przez ustawodawcę sytuacji z magazynowaniem energii jest rządowy projekt ustawy o zmianie ustawy  Prawo energetyczne (druk sejmowy nr 808 z 2020-12-03). Za pozytywną zmianę w podejściu do problemu należy uznać postulat wprowadzenia uprawnienia do posiadania magazynów energii elektrycznej i zarządzania nimi przez OSP i OSD (odejście od myślenia "jedno źródło-jeden magazyn"), a nie obciążanie kosztami magazynowania wyłącznie każdego ze źródeł OZE „case by case”. Ale znowu magazyny energii są traktowane wybiórczo i w systemie wsparcia z opłaty OZE zwolniono tylko magazynowanie energii elektrycznej, a nie ciepła.  

Inaczej do problemu podchodzi np. energetyka w USA. Poza  tradycyjnymi elektrowniami szczytowo-pompowymi, które także  stanowią ciągle 95 procent zdolności magazynowych, drugą wg DOE i SANDIA najbardziej rozpowszechnioną technologią są magazyny ciepła (choć w USA nie ma rozpowszechnionych systemów ciepłowniczych i, co za tym idzie, wysokiego potencjału magazynowania w cieple), a dopiero potem  magazyny bateryjne.

Agencja IRENA pisze, że zdolność do magazynowania energii w dużych, sezonowych magazynach ciepła wzrośnie trzykrotnie do 2030 roku – z 234 GWh w 2019 r. do ponad 800 GWh 10 lat później. Mało jest krajów na świecie które mogłyby tak zyskać na rozwoju magazynów ciepła jak Polska. Wystarczy tylko pomyśleć systemowo i wokół szeroko rozumianych magazynów ciepła (sezonowe i prosumenckie, krótko- i długoterminowe) stworzyć kotwicę dla ekosystemu innowacji (polskie firmy dostarczają i mogą dostarczać coraz lepsze technologie) i ekosystemu biznesowego oraz dla zielonej transformacji.