Nadmiar ciepła, będący często produktem ubocznym procesów przemysłowych, stanowi niewykorzystany zasób energetyczny o ogromnym potencjale. W kontekście globalnych wysiłków na rzecz zrównoważonego rozwoju i efektywności energetycznej, systemy ciepłownicze wspierane przez cyfryzację mogą odegrać kluczową rolę w transformacji energetycznej.
Czy nadmiar ciepła jest niewykorzystanym źródłem energii na świecie?
Wspomniany nadmiar ciepła, często uważany za zmarnowaną energię, jest nieuniknionym produktem ubocznym większości procesów przemysłowych i komercyjnych. To przemysłowe ciepło odpadowe wynika z takich operacji, jak:
- produkcja,
- wytwarzanie energii,
- produkcja chemiczna,
- różne procesy obróbki.
W tych branżach energia jest przekształcana lub wykorzystywana do wykonywania określonych zadań, ale nie cała energia jest wykorzystywana. Jej znaczna część ucieka jako ciepło odpadowe, nie służąc żadnemu produktywnemu celowi. Dzisiaj, od fabryk po centra danych, supermarkety, systemy metra i oczyszczalnie ścieków wytwarzają znaczne ilości nadmiaru ciepła.
Aby w pełni zrozumieć koncepcję nadmiaru ciepła, należy odwołać się do praw termodynamiki. Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, na przykład podczas konwersji energii za pomocą silnika cieplnego, nieuchronnie powstaje ciepło odpadowe.
Zasada ta podkreśla, że żaden proces konwersji energii nie może osiągnąć doskonałej wydajności, a część energii uwalniana jest w procesie w postaci ciepła.
Nadmiar ciepła w procesach przemysłowych
Różne działania przemysłowe generują duże ilości ciepła odpadowego. Na przykład układy chłodzenia lub mechanizmy wydechowe często uwalniają to nadmiarowe ciepło do środowiska bez żadnego pożytecznego celu. Pomimo że jest uważane za „odpady”, ciepło to nadal zawiera znaczną ilość energii, którą można wykorzystać. Ponieważ przemysły coraz częściej dostrzegają potencjalną wartość tego ciepła odpadowego, wiele z nich zwróciło się w kierunku systemów odzysku ciepła odpadowego. Systemy te wychwytują i ponownie wykorzystują ciepło w celu zwiększenia efektywności energetycznej, obniżenia kosztów operacyjnych i zmniejszenia śladu węglowego.
Potrzeba efektywności energetycznej i wykorzystania ciepła odpadowego
W obliczu rosnącej świadomości zmian klimatycznych osiągnięcie emisji netto zerowych stało się pilnym priorytetem. Jednakże, nawet pomimo gwałtownego wzrostu cen energii po napięciach geopolitycznych, takich jak konflikt rosyjsko-ukraiński, oraz trwającej niepewności co do dostaw energii, jesteśmy daleko od osiągnięcia średniorocznej poprawy wydajności o 4%.
Tylko w Unii Europejskiej nadmiar ciepła stanowi około 2,86 TWh/rok, co odpowiada prawie całkowitemu zapotrzebowaniu UE na ciepło i ciepłą wodę w budynkach mieszkalnych i komercyjnych.[1] To podkreśla ogromny, niewykorzystany potencjał ciepła odpadowego, które można wykorzystać do różnych celów.
Ponowne wykorzystanie ciepła odpadowego za pomocą zaawansowanych technologii
Dobrą wiadomością jest to, że ta zmarnowana energia jest daleka od bezużyteczności. Można zastosować szereg sprawdzonych technologii, takich jak pompy ciepła i sprężarki parowe, do odzyskiwania i redystrybucji nadmiaru ciepła. Na przykład ciepło odpadowe można wykorzystać do zapewnienia ciepłej wody lub ogrzewania fabryk lub, poprzez systemy ciepłownicze, dostarczać energię do sąsiednich domów, takich jak te podłączone do oczyszczalni ścieków.
Pompy ciepła, które są urządzeniami zasilanymi elektrycznie zdolnymi do przenoszenia ciepła z jednego miejsca do drugiego, są w tym zakresie szczególnie skuteczne. Systemy te mogą być stosowane w różnych warunkach. Na przykład mogą wychwytywać ciepło z wydechu pieców przemysłowych lub z ogrzanej wody w systemach chłodzenia centrów danych, a następnie przekierowywać to ciepło do systemów grzewczych pobliskich budynków. Technologia ta ma ogromny potencjał nie tylko w obecnych zastosowaniach, ale także w przyszłych systemach energetycznych. W miarę przechodzenia na bardziej zrównoważone rozwiązania energetyczne, technologie Power-to-X – obiekty zdolne do generowania dużych ilości nadmiaru ciepła – staną się bardziej rozpowszechnione. To ciepło można skutecznie wykorzystać, zwłaszcza gdy ma niską temperaturę, poprzez zastosowanie pomp ciepła.
Wizja przyszłości
Możliwość wychwytywania i wykorzystywania nadmiaru ciepła na dużą skalę stwarza ogromne możliwości poprawy efektywności energetycznej i osiągnięcia celów zrównoważonego rozwoju. Pompy ciepła, systemy ciepłownicze i technologie odzysku ciepła odpadowego są integralną częścią przejścia na przyszłość niskoemisyjną. Wykorzystując potencjał tej wcześniej odrzucanej energii, zarówno przemysł, jak i społeczności mogą znacznie zmniejszyć swoje uzależnienie od tradycyjnych, bardziej energochłonnych systemów. Podejście to nie tylko przyczynia się do redukcji emisji dwutlenku węgla, ale także przyczynia się do zrównoważonego rozwoju gospodarczego i środowiskowego sektora energetycznego.
Podsumowując, chociaż nadmiar ciepła był historycznie postrzegany jako produkt odpadowy, stanowi klucz do bardziej wydajnej i zrównoważonej przyszłości energetycznej. Dzięki zaawansowanym technologiom, takim jak pompy ciepła i sprężarki parowe, to ciepło odpadowe może zostać przekierowane i ponownie wykorzystane, co pomoże rozwiązać niektóre z najpilniejszych wyzwań naszych czasów. Połączenie tych technologii wraz z rosnącym naciskiem na digitalizację i optymalizację energetyczną może zrewolucjonizować sposób myślenia o produkcji, dystrybucji i konsumpcji energii.
System ciepłowniczy
Ciepłownictwo to sieć izolowanych rur, które transportują ciepło ze źródła energii centralnej, zapewniając ogrzewanie pomieszczeń i ciepłą wodę do budynków podłączonych do systemu. Najbardziej zaawansowana forma ciepłownictwa, znana jako 4. generacja ciepłownictwa (4DHC), działa w niższych temperaturach, co skutkuje zmniejszeniem strat ciepła przez rury, poprawą efektywności energetycznej i możliwością włączenia szerszego zakresu źródeł ciepła.
Jedną z kluczowych zalet ciepłownictwa jest możliwość integracji wielu lokalnie dostępnych, odnawialnych i niskoemisyjnych źródeł ciepła. Ta decentralizacja zapewnia, że system nie jest uzależniony od jednego źródła ciepła, oferując bardziej niezawodną, ciągłą i ekonomiczną usługę. Ponadto systemy ciepłownicze mogą odzyskiwać i ponownie wykorzystywać ciepło odpadowe generowane w procesach takich jak produkcja energii elektrycznej czy działalność przemysłowa, wykorzystując to nadmiarowe ciepło do ogrzewania domów i przedsiębiorstw na danym obszarze.
Najczęściej cytowanym przykładem ciepłownictwa jest Kopenhaga, gdzie 98% budynków w mieście jest obsługiwanych przez sieci ciepłownicze.[2]
Ciepłownictwo odgrywa znaczącą rolę w zaspokajaniu potrzeb grzewczych w całej Europie, gdzie działa ponad 10 000 sieci. Łącznie sieci te stanowią około 8% całkowitego zapotrzebowania na ciepło na kontynencie. [4] Jednak wpływ ciepłownictwa jest jeszcze bardziej widoczny w niektórych regionach. W krajach Europy Wschodniej i Północnej, w tym w Łotwie, Danii, Polsce i Szwecji, systemy ciepłownicze zaopatrują w energię ponad 60% populacji. Kraje te przyjęły ciepłownictwo ze względu na jego wydajność, zdolność do integracji źródeł energii odnawialnej i potencjał redukcji emisji dwutlenku węgla, czyniąc je kluczowym elementem ich wysiłków na rzecz dekarbonizacji sektora grzewczego. Szerokie zastosowanie ciepłownictwa w tych regionach podkreśla jego skuteczność jako rozwiązania dla zrównoważonego i niezawodnego dystrybucji energii.
Ciepłownictwo w historii
W całej historii dobrze udokumentowano, że w czasach rzymskich gorące źródła geotermalne były wykorzystywane do ogrzewania domów, łaźni i szklarni. Jeden z najwcześniejszych zaplanowanych projektów ogrzewania geotermalnego można prześledzić do XIV wieku we francuskiej wiosce Chaudes-Aigues w Cantal, gdzie woda geotermalna była rozprowadzana przez drewniane rury. Co ciekawe, system ten działa do dziś. Jednak pierwszy oficjalny komercyjny system ciepłownictwa został wprowadzony w 1877 roku w Nowym Jorku przez inżyniera Birdsiella Holly’ego. W ciągu zaledwie trzech lat system rozszerzył się na obszar 5 kilometrów, obejmując również ogrzewanie fabryk. Obecnie Nowy Jork nadal może pochwalić się największym systemem ciepłowniczym w Stanach Zjednoczonych, zapewniając ciepło dla budynków mieszkalnych, kuchni restauracji, pralni, a nawet systemów chłodzenia absorpcyjnego.
W 1903 roku Kopenhaga w Danii uruchomiła pierwszą elektrociepłownię, produkującą parę, która następnie była wykorzystywana do ciepłownictwa, co stanowiło znaczący krok w kierunku wykorzystania energii odnawialnej do miejskich rozwiązań grzewczych.[3]
1 grudnia 1903 roku rozpoczęła działalność elektrociepłownia w Kopenhadze, wytwarzająca ciepło w postaci pary. Ciepło to zostało następnie wykorzystane do zaopatrzenia w energię kilku nowo wybudowanych budynków, w tym szpitala, budynku miejskiego, sierocińca i domu dla ubogich. To innowacyjne wykorzystanie pary pochodzącej ze spalania odpadów do celów ciepłowniczych stanowiło ważny krok w kierunku integracji zrównoważonych rozwiązań energetycznych w infrastrukturze miejskiej.
Trendy w ciepłownictwie
Sektor ciepłownictwa przechodzi obecnie znaczącą transformację, na którą wpływa kilka kluczowych trendów kształtujących sposób pozyskiwania, dystrybucji i konsumpcji energii. Te zmiany odzwierciedlają szerszą zmianę kierunku zrównoważonego rozwoju, bezpieczeństwa energetycznego i efektywności w odpowiedzi zarówno na globalne wyzwania, jak i postęp technologiczny.
1) Przejście od systemów jednoźródłowych do wielu źródłowych
Jednym z najważniejszych trendów w sektorze ciepłownictwa jest przejście od systemów jednoźródłowych do wielu źródłowych systemów energetycznych. Zmiana ta została przyspieszona przez potrzebę bezpieczeństwa energetycznego, zwłaszcza w następstwie kryzysów geopolitycznych, takich jak konflikt na Ukrainie. Wydarzenia te podkreśliły ryzyko polega na jednym źródle energii, takim jak import gazu z Rosji, czyniąc niezależność energetyczną krytycznym priorytetem dla wielu krajów. Systemy źródłowe obejmują obecnie różnorodną mieszankę rozwiązań energetycznych, w tym energię odnawialną, digitalizację energii i poprawę efektywności energetycznej, zapewniając bardziej odporne i zrównoważone łańcuchy dostaw energii.
2) Przesunięcie w kierunku dekarbonizacji
Drugim trendem napędzającym zmiany w ciepłownictwie jest globalna zmiana w kierunku dekarbonizacji. W miarę jak kraje i przemysł pracują nad osiągnięciem swoich celów klimatycznych i redukcją emisji dwutlenku węgla, sektor ciepłownictwa przechodzi znaczącą transformację. Przesunięcie to prowadzi do szerokiego wdrażania niskoemisyjnych technologii i zwiększonej integracji odnawialnych źródeł energii w systemach ciepłowniczych. Dekarbonizacja nie jest tylko celem politycznym, ale kluczowym motorem innowacji i inwestycji w sektorze energetycznym, stymulując nowe rozwiązania w zakresie produkcji, dystrybucji i konsumpcji energii.
3) Elektryfikacja sektora grzewczego
Trzeci główny trend dotyczy elektryfikacji sektora grzewczego, która odgrywa kluczową rolę w umożliwieniu ponownego wykorzystania ciepła odpadowego. To przejście jest niezbędne do zwiększenia wydajności systemów ciepłowniczych, ponieważ umożliwia integrację ciepła odpadowego z procesów przemysłowych, centrów danych i innych źródeł. Krytycznym warunkiem osiągnięcia tego celu jest obniżenie temperatury w sieci ciepłowniczej. Poprzez obniżenie temperatury pracy systemy ciepłownicze mogą bardziej efektywnie wychwytywać i wykorzystywać ciepło odpadowe, przyczyniając się do ogólnych oszczędności energii i wspierając szerszy cel redukcji emisji dwutlenku węgla.
Te trzy trendy — przejście na systemy wielu źródłowe, napędzanie dekarbonizacji i elektryfikacja sektora grzewczego — nie tylko transformują systemy ciepłownicze, ale także odzwierciedlają głębszą zmianę w globalnych strategiach energetycznych. W miarę jak kraje dążą do zapewnienia zrównoważonej, odpornej i niskoemisyjnej przyszłości energetycznej, ewolucja ciepłownictwa okazuje się niezbędnym elementem tej transformacji. Zdolność do wykorzystania ciepła odpadowego, integracji energii odnawialnej i poprawy efektywności energetycznej będzie kluczowa dla osiągnięcia celów energetycznych przyszłości.
Rola digitalizacji w optymalizacji systemów ciepłowniczych
Wraz ze wzrostem złożoności systemów ciepłowniczych potrzeba optymalizacji całego systemu nigdy nie była bardziej krytyczna. Ręczna optymalizacja poszczególnych segmentów sieci jest nie tylko nieefektywna, ale często niepraktyczna. Rodzi to ważne pytanie: jakie są namacalne korzyści z digitalizacji w tym kontekście?
Korzyści z digitalizacji w sektorze ciepłowniczym
Digitalizacja ma kluczowe znaczenie dla rozwiązania obecnych wyzwań sektora energetycznego, w tym niedoboru wykwalifikowanej kadry, dywersyfikacji planowania ogrzewania i złożoności projektowania sieci. Systemy ciepłownicze, które są niezbędne do dekarbonizacji sektorów ogrzewania i chłodzenia, wymagają zaawansowanych rozwiązań do skutecznej integracji odnawialnych źródeł energii i ciepła odpadowego. Aby umożliwić tę transformację, podstawowym warunkiem jest bezproblemowa łączność wszystkich istotnych danych — obejmujących dystrybucję popytu, produkcję energii, prognozy pogody i inne krytyczne parametry. Poprzez zbieranie i analizę tych danych można uzyskać cenne informacje, umożliwiając zastosowanie zaawansowanych technologii, takich jak uczenie maszynowe, do zwiększenia wydajności operacyjnej.
W miarę jak systemy produkcyjne stają się bardziej złożone, a odnawialne źródła energii wykazują coraz większą sztywność, digitalizacja zapewnia elastyczność niezbędną do utrzymania płynnej pracy. Nowoczesne systemy ciepłownicze są znacznie bardziej złożone niż ich poprzednicy, obecnie integrując różnorodne odnawialne źródła energii, systemy odzysku ciepła odpadowego i duże pompy ciepła. Systemy te często łączą wiele mniejszych źródeł — pięć lub więcej — w sieć, zwiększając złożoność operacyjną. W takim środowisku digitalizacja i zaawansowane uczenie maszynowe odgrywają kluczową rolę w skutecznym zarządzaniu tymi złożonościami.
Optymalizacja magazynowania ciepła i zwiększenie wydajności systemu
Systemy ciepłownicze mają również duży potencjał w zakresie sprzężenia sektorowego, szczególnie poprzez efektywne wykorzystanie magazynów ciepła. Na przykład nadwyżki zielonej energii elektrycznej można efektywnie przekształcić w ciepłą wodę, zmniejszając tym samym straty i optymalizując zużycie energii. Ponadto digitalizacja odgrywa kluczową rolę w projektowaniu, optymalizacji i rozbudowie sieci energetycznych, w szczególności poprzez umożliwienie dostosowań temperatury i ciśnienia w czasie rzeczywistym. Ta zdolność ułatwia bezproblemową integrację odnawialnych źródeł energii i ciepła odpadowego, jednocześnie obniżając temperatury sieci. Niższe temperatury zmniejszają straty ciepła, poprawiając wydajność systemu i zwiększając współczynnik wydajności (COP).
Technologie sieciowe oparte na uczeniu maszynowym mogą wykorzystywać historyczne profile obciążenia, dane dotyczące zapotrzebowania i warunki pogodowe do określenia optymalnej równowagi między temperaturą a przepływem w danym momencie. W przypadku poszczególnych budynków sztuczna inteligencja (AI) może ocenić charakterystyki energetyczne i określić najbardziej wydajną temperaturę wtórnego zasilania, w zależności od warunków wewnętrznych i zewnętrznych. To prowadzi do poprawy komfortu użytkowników i optymalizacji efektywności energetycznej, zmniejszając całkowite zapotrzebowanie i koszty operacyjne.
Ułatwianie elastyczności obciążenia dla integracji odnawialnych źródeł energii
Kolejną istotną zaletą digitalizacji jest jej zdolność do zapewnienia elastyczności obciążenia, która jest niezbędna do integracji odnawialnych źródeł energii i ciepła odpadowego. Poprzez włączenie elastyczności obciążenia zarówno w procesy produkcji, jak i dystrybucji, zużycie energii może być zoptymalizowane poprzez wykorzystanie budynków jako magazynów ciepła. Ta zdolność umożliwia przesunięcie obciążenia, co pomaga łagodzić szczyty energetyczne w okresach dużego zapotrzebowania, takich jak poranki. Poprzez bardziej efektywne równoważenie zapotrzebowania, digitalizacja umożliwia bardziej elastyczny i odporny system energetyczny, wspierając szerszą integrację odnawialnych źródeł energii i zmniejszając zależność od systemów rezerwowych opartych na paliwach kopalnych.
Podsumowując, digitalizacja stanowi rdzeń transformacji zachodzącej w sektorze ciepłowniczym. Dzięki zaawansowanej łączności danych, uczeniu maszynowemu i optymalizacji w czasie rzeczywistym technologie cyfrowe zwiększają:
- wydajność operacyjną,
- poprawiają elastyczność systemu,
- umożliwiają integrację odnawialnych źródeł energii i ciepła odpadowego.
W miarę dalszej ewolucji systemów energetycznych digitalizacja będzie niezbędna do odblokowania nowych wydajności, optymalizacji wykorzystania energii i wspierania przejścia na zrównoważoną, niskoemisyjną przyszłość.
Źródła
[1] https://www.whyenergyefficiency.com/solutions/allsolutions/the-worlds-largest-
untapped-energy-source-excess-heat P8
[2] https://guidetodistrictheating.eu/about/what-is-district-heating/
[3] https://kojenturk.org/tr/bolgesel-isitma-nedir-7
[4] https://vb.nweurope.eu/media/11053/case-to-energy-consumers_web.pdf P7
Autor: MSc. Eng. FATİH KARACA
09.01. 2025, Warsaw
