Krajowy Plan na rzecz Energii i Klimatu (KPEiK, wersja ambitniejsza WAM z lipca 2025) jest pierwszym dokumentem rządowym, który traktuje magazyny energii jako pełnoprawny element miksu energetycznego. W szczególności dotyczy to magazynów ciepła. Analiza zakładanego w KPEiK rozwoju magazynów energii elektrycznych (BESS) i cieplnych (dobowych typu TTES lub sezonowych, np. PTES) prowadzi do ciekawych obserwacji.
W przypadku magazynów ciepła zastanawia brak wyraźnych wzmianek o tak potrzebnych magazynach sezonowych typu PTES (Pit Thermal Energy Storage), choć są to magazyny energii niezwykle tanie. Mogą przejmować duże ilości energii z OZE z okresu letniego i przechowywać ją z niewielkimi stratami dla dużych pojemności (10-15% to małe straty w relacji do ich zdolności długoterminowego magazynowania energii) na okres zimowy a to waśnie ten problem jest największą bolączką systemów ciepłowniczych. O ile magazyny dobowe TEST są dobrym rozwiązaniem dla kolektorów słonecznych czy wysokosprawnych silników kogeneracyjnych to największy problem w kontekście redysponowania mocy może póki co zostać rozwiązany tylko poprzez zastosowanie sezonowych magazynów ciepła. Po rozmowach z autorami KPEiK wnoszę, że przyczyną zmarginalizowania PTES mogą być niewłaściwie interpretowane wyniki projektu badawczego, o czym dalej.
Lektura KPEiK wskazuje, że magazynowanie sezonowe jest przez jego Autorów rozumiane głównie jako wielkoskalowe i długoterminowe magazynowanie energii w formie biometanu i wodoru. Dokument wskazuje, że to głównie magazyny paliw płynnych ma stanowić szansę zrównoważenia sezonowych zmian zapotrzebowania na energię elektryczną, ale nie w krótkim horyzoncie czasowym (jak się można domyślać, głównie ze względu wysokie koszty i ograniczenia techniczne). Autorzy KPEiK podkreślają, że przewyższają one techniczne możliwości magazynowania oferowane przez systemy bateryjne pracujące w krótkich, kilkugodzinowych cyklach, z czym niestety trzeba się zgodzić. Uważają, że biometan ma być także paliwem w ciepłownictwie systemowym, służącym do zasilania elektrociepłowni pracujących w funkcji źródeł szczytowych dla systemu elektroenergetycznego. Jest to ciekawa teza, choć póki co słabo udokumentowana.
W KPEiK znajdziemy też wiele ciekawych informacji oraz konkretnych założeń i prognoz dotyczących magazynów ciepła. Z kontekstu całego dokumentu wynika jednak, że chodzi raczej o magazyny dobowo-godzinowe w zastosowaniach nie tylko w ogrzewnictwie (to naturalne), ale też w ciepłownictwie (tak to zrozumiałem, choć nie jest to jedyna możliwa interpretacja). Autorzy słusznie piszą o szczególnym znaczeniu elektryfikacji systemów ciepłowniczych (P2H), integracji sektorów energii elektrycznej i ciepła (tzw. sector coupling), wspierającej bilansowanie systemu i efektywne wykorzystanie OZE, dzięki elastyczności ciepłownictwa. Nowy model dla ciepłownictwa w KPEiK zakłada przejście na technologie bezemisyjne, takie jak pompy ciepła oraz kotły elektrodowe zasilane energią z OZE. I m.in. dlatego ważnym elementem KPEiK jest rozwój magazynów ciepła, które pozwalają na skuteczne zarządzanie nadwyżkami energii i stabilizację pracy systemów ciepłowniczych.
Zgodnie z KPEiK rola magazynów ciepła ma rosnąć i na ich rozwój mają być skierowane istotne środki – tabela (dane zestawione na podstawie KPEiK, nakłady inwestycyjne dotyczą kolejnych pięciolatek, autorskie przeliczenie na jednostki).
Nie wiadomo jakie założenia za powyższą prognozą (bardziej scenariuszem) się kryją jeśli chodzi o konkretne rozwiązania technologiczne. KPEiK jest dokumentem strategicznym i nie podaje konkretnych rozwiązań, ale po wynikach modelowania (tabela) można próbować dociec do założeń.
Stosunkowo małe pojemności (potencjał techniczny magazynów ciepła typu PTES w ciepłownictwie jest 10-krotnie większy niż ich planowana w KPEiK pojemność na 2040 rok) oraz zestawienie ze sobą danych o pojemnościach i kosztach magazynów ciepłą wskazuje, że chodzi o magazyny ciepła dobowe typu TTES. Weryfikację powyższych danych przeprowadzono oparciu o wyniki analiz w raporcie IEO i PIME „Mapa drogowa dla rynku magazynów ciepła”, skąd zaczerpnąłem wskaźniki jednostkowe dotyczące np. średniej pojemności cieplnej dla magazynów budowanych w Polsce 1 m3 wody (60 kWh/m3), czy pojemności w odniesieniu do średniego czasu rozładowania (7 godzin). Wyniki przeliczenia danych z KPEiK w zakresie magazynów ciepła, z wykorzystanym danych rynkowych i przeliczeń jednostek przedstawia poniższa tabela.
Wyliczone koszty jednostkowe potwierdzają, że chodzi wyłącznie o magazyn ciepła TTES. Średnie koszty jednostkowe TTES wynoszą ok. 4.000 zł/m3. Autorzy KPEiK założyli dość wysokie koszty na 2025 (7000 zł/m3) i ich silny spadek w latach 2030-2040, ale bynajmniej nie z powodu założeń, że będą one zastępowane przez PTES ; -obecny koszt to 300 zł/m3. W świetle rozmów z Autorami KPEiK powodem pominięcia PTES były wyniki projektu zrealizowanego w ramach programu „Ciepłownia przyszłości” (tzw. zamówienie przedkomercyjne NCBR), które doprowadziły do wniosku, że … PTES są droższe od TTES.
Jaka mogła być przyczyna nieporozumienia pomiędzy referencyjnym projektem badawczo-wdrożeniowym a strategią KPEiK?
Konkurs „Ciepłownia przyszłości” wyłonił zwycięzcę – projekt w Lidzbarku Warmińskim. To urokliwe miasto znane jest z innowacji w ciepłownictwie, które jednak nie zawsze przekładają się na sukcesy komercyjne. Dekadę temu postawiło na geotermię z dotacjami, które pokazały że nie każda dotacja, nawet rzędu 100 mln zł ma sens. W przypadku ciepłowni przyszłości lokalna ciepłownia skorzystała z zamówień przedkomercyjnych z dotacjami rzędu 40 mln zł na pompy ciepła i zmultiplikowane magazyny ciepła. Idea ciepłowni przyszłości była sensowna, chodziło o pierwsze wdrożenie, które może być replikowane. W konkursie z 2021 brał udział IEO (wówczas w konsorcjum z Rafako Innovation) i pamiętam jak nam zależało na zademonstrowaniu PTES w Końskich. Koncepcje które trafiły do finału są dostępne na portalu rządowym. Aby PTES mógł mieć sens, konsorcjum IEO z Rafako zaproponowało odpowiednio duży demonstrator łączący elektryfikację (P2H) i kolektory słoneczne (7,6 MW przy 5,2 GWh zapotrzebowania na ciepło w enklawie systemu objętego demonstracją), aby PTES miał pojemność powyżej 50 tys.m3, bo wtedy ma swoje szczególne uzasadnienie.
W Lidzbarku, który został zwycięzcą konkursu zaproponowano – na małym, wydzielonym systemie o mocy 1,8 MW – mały magazyn PTES i pojemności zaledwie 15 tys m3, do którego dodano magazyn ciepła TES o pojemności 100 m3. Nie sposób również nie wspomnieć o parametrach samego magazynu PTES, który zaprojektowano na parametry magazynowanej wody o temperaturze nieprzekraczającej 70C, co oznacza, że pojemność cieplna która wynika z różnicy temperatury w magazynie. a temperaturą zasilania sieci nawet w okresie letnim jest właściwie pomijalna. Zarówno ten aspekt jak i poziom strat ciepła przy tak małej pojemności magazynu PTES jest niezgodne z jego ideą. Pomimo wyważonych już drzwi przez Skandynawów gdzie technologia jest znana i dopracowana można odnieść wrażenie, że „Polak potrafi lepiej”. Ponadto pojemności magazynowe zdublowano głęboki magazynem ciepła gruntowy -Borehole Thermal Energy Storage (BTES). Po dodaniu kosztownych pomp ciepła, koszt produkcji ciepła w całym systemie początkowo oszacowano na 216 zł/GJ (778 zł/MWh).
Niestety są to koszty 2 x wyższe od średnich kosztów ciepła systemowego, nieakceptowalne dla polskich PEC i samorządów oraz odbiorców ciepła, co wynika z zademonstrowania nadmiaru technologii, z których część (choć każda z nich jest ciekawym rozwiązaniem) w systemie były niepotrzebne. Nie ma dostępnych końcowych wyników badań systemu, ale w oparciu o dostępne dane można postawić tezę, że demonstracja się udała, ale program zamówień przedkomercyjnych nie zrealizował podstawowego celu – możliwości replikacji rozwiązania na zasadach rynkowych. Wyniki które dotarły do opinii publicznej i branży przyniosły efekt odwrotny od zamierzonego, zniechęcają do replikacji, struktura kosztów inwestycji wskazała niesłusznie na winnego wysokich kosztów ciepła, czyli na PTES.
Na czym mógł polegać błąd w założeniach koncepcji zrealizowanej w Lidzbarku Warmińskim jeśli chodzi o rolę PTES, który mógł doprowadzić do niewłaściwej interpretacji wyników w KPEiK? Łączne pojemności magazynów ciepła były za duże w stosunku do wielkości demonstratora (systemu ciepłowniczego), a PTES był za mały aby skorzystać z efektu skali- rysunek.
Nie bez znaczenia jest też dobór magazynów. TTES bardziej sprawdzają się w systemach do sterowania pracą nieelastycznych jednostek kogeneracyjnych (premie kogeneracyjne i gwarantowane) w funkcji cen energii elektrycznej (do pojemność rzędu 2-3 tys. m3), a PTES w przypadkach korzystania z nadwyżek energii słonecznej w okresie letnim i z kolektorów słonecznych, ale przy pojemnościach powyżej 30 tys. m3 - rysunek.
Powyższa analiza nie podważa sensowności prowadzenia badań naukowych i realizacji projektów demonstracyjnych, ale jest przestrogą przed wykorzystywaniem założeń tego typu projektów w praktyce biznesowej i przed prostym przenoszeniem wniosków (jeszcze nieugruntowanej wiedzy) z takich projektów do strategii firm, a tym bardziej strategii krajowych.
