Przemysł a efektywność energetyczna w ciepłownictwie i chłodnictwie.
Możliwości i korzyści płynące z integracji przemysłowych źródeł ciepła i chłodu z systemami ciepłowniczymi i chłodniczymi.
Systemy ciepłownictwa i chłodnictwa dystrybucyjnego odgrywają istotną rolę w zaspokajaniu globalnego zapotrzebowania na ciepło i chłód. W 2023 roku produkcja ciepła w systemach dystrybucyjnych odpowiadała za około 10% globalnego końcowego zapotrzebowania na ciepło w budynkach i przemyśle.
Systemy te posiadają ogromny potencjał w zakresie efektywnej i opłacalnej produkcji energii oraz integracji na dużą skalę niskoemisyjnych źródeł energii. Niemniej jednak, potencjał dekarbonizacji ciepłownictwa dystrybucyjnego pozostaje w dużej mierze niewykorzystany, ponieważ paliwa kopalne wciąż stanowią znaczną część dostaw do sieci dystrybucyjnych na całym świecie (około 90% całkowitej produkcji ciepła).
W kontekście transformacji energetycznej, przemysł jawi się jako istotne źródło zarówno ciepła, jak i chłodu odpadowego. Scenariusz Net Zero Emissions by 2050 (NZE) wymaga integracji wtórnych źródeł ciepła, takich jak ciepło odpadowe z przemysłu. Podobnie, procesy przemysłowe, takie jak transport i magazynowanie paliw gazowych w formie kriogenicznej cieczy, generują atrakcyjne źródła zimnej energii termicznej, która często jest marnowana. Przykładem może być ciepło odpadowe z zakładów przetwórstwa stali oraz zimna energia uwalniana podczas regazyfikacji skroplonych paliw.
Celem niniejszego artykułu jest zbadanie możliwości i korzyści płynących z integracji przemysłowych źródeł ciepła i chłodu z systemami ciepłowniczymi i chłodniczymi. Analiza ta obejmuje potencjał zwiększenia efektywności energetycznej, redukcji emisji oraz osiągnięcia oszczędności kosztów poprzez wykorzystanie tych niewykorzystanych zasobów energii.
Przemysł jako źródło ciepła odpadowego
Scenariusz Net Zero Emissions by 2050 (NZE) stawia wyraźny wymóg podjęcia znacząco większych wysiłków w celu szybkiej poprawy efektywności energetycznej produkcji oraz istniejących sieci ciepłowniczych i chłodniczych, a także ich przestawienia na odnawialne źródła ciepła. Jednym z kluczowych priorytetów tego scenariusza jest integracja wtórnych źródeł ciepła, w tym ciepła odpadowego z przemysłu.
Przemysł, w tym zakłady przetwórstwa stali, jest istotnym generatorem ciepła odpadowego. Integracja ciepła odpadowego z przemysłu, pozwala na wykorzystanie potencjału ciepła, które w przeciwnym razie zostałoby utracone.
Oprócz zakładów przetwórstwa stali, inne sektory przemysłu również generują znaczące ilości ciepła odpadowego. Przykładami mogą być między innymi centra danych, tunele metra, elektrolizery oraz elektrownie jądrowe. Wykorzystanie ciepła odpadowego z tych różnorodnych źródeł przemysłowych stanowi znaczącą szansę na zwiększenie efektywności energetycznej systemów ciepłowniczych i chłodniczych oraz przyczynienie się do osiągnięcia celów dekarbonizacji.
Wykorzystanie chłodu odpadowego z procesów przemysłowych
Znaczącym, lecz często niewykorzystanym źródłem energii jest chłód odpadowy generowany w różnych procesach przemysłowych. Szczególnie interesującym przykładem jest transport i magazynowanie paliw gazowych w formie kriogenicznej cieczy. Metoda ta umożliwia transport paliw innymi środkami niż rurociągi, takimi jak statki, a same kriogeniczne źródła energii stanowią atrakcyjne źródło zimnej energii termicznej ze względu na ich bardzo niską temperaturę.
Na terminalach odbiorczych paliwa poddawane są procesowi regazyfikacji, czyli są podgrzewane do temperatury otoczenia i dostarczane do odbiorców końcowych. W większości terminali regazyfikacyjnych na całym świecie zimna energia termiczna uwalniana podczas tego procesu jest zwykle marnowana.
Jednak istnieje możliwość odzyskania i wykorzystania chłodu jako produktu ubocznego w wielu zastosowaniach przemysłowych. Przykładem wdrożonego rozwiązania jest projekt w Barcelonie, gdzie prywatna firma energetyczna zajmująca się systemami ciepłownictwa i chłodnictwa dystrybucyjnego rozpoczęła wdrażanie rozwiązania odzyskiwania chłodu resztkowego. Dzięki temu projektowi możliwe będzie wytwarzanie 131 GWh lokalnej, przystępnej cenowo i przyjaznej dla środowiska energii rocznie.
To rozwiązanie pozwala na odzyskanie energii emitowanej podczas konwencjonalnego procesu regazyfikacji w temperaturze minus 160°C w celu dostarczenia jej do sieci w postaci gazu o temperaturze około -2°C / 0°C. Wykorzystując energię z chłodu resztkowego, będzie ona zrecyklingowana i ponownie wprowadzana do miejskiej sieci chłodniczej, łącząc infrastrukturę publiczną (Palacio de Congresos) i Mercabarnę, główne centrum dystrybucji żywności w regionie, zlokalizowane na terenie portu.
Wdrożenie tego systemu w Barcelonie przyczynia się do uniknięcia emisji związanych z produkcją energii, która byłaby konieczna w przypadku braku odzyskanej energii, co stanowi ponad 42 000 ton unikniętego CO2 rocznie.
Korzyści integracji przemysłu z systemami dystrybucyjnymi ciepła i chłodu
Integracja przemysłu z systemami ciepłownictwa i chłodnictwa dystrybucyjnego przynosi korzyści ekonomiczne i środowiskowe. Wykorzystanie ciepła odpadowego oraz chłodu resztkowego, np. z regazyfikacji gazów, zwiększa efektywność energetyczną i ogranicza potrzebę pierwotnej produkcji energii, co sprzyja lepszemu wykorzystaniu zasobów.
Obniżenie kosztów operacyjnych to jedna z kluczowych zalet integracji z systemami chłodnictwa i ciepłownictwa dystrybucyjnego. Centralizacja produkcji chłodu umożliwia redukcję kosztów dzięki efektowi skali oraz efektywniejszemu zarządzaniu systemami. Skoncentrowana infrastruktura obniża nakłady na serwis i eksploatację oraz eliminuje potrzebę stosowania indywidualnych instalacji chłodniczych. Z kolei wykorzystanie ciepła odpadowego z procesów przemysłowych pozwala na ograniczenie zużycia paliw pierwotnych, co przekłada się na niższe koszty wytwarzania ciepła w systemach dystrybucyjnych.
Z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju, integracja przemysłu z systemami dystrybucyjnymi ma kluczowe znaczenie. Wykorzystanie ciepła i chłodu odpadowego prowadzi do redukcji emisji gazów cieplarnianych. We wspomnianym projekcie w Barcelonie odzyskiwanie chłodu resztkowego pozwala uniknąć produkcji ponad 42 000 ton CO2 rocznie.
Co więcej, systemy dystrybucyjne chłodzenia są bardziej energooszczędne w porównaniu do tradycyjnych systemów klimatyzacji, zużywając od 35 do 20 procent mniej energii elektrycznej.
Integracja przemysłu z systemami dystrybucyjnymi wspiera łączenie sektorów (sector coupling). Synergia między efektywnością energetyczną budynków a systemami ciepłownictwa i chłodnictwa dystrybucyjnego stwarza okazję do zwiększenia ogólnej efektywności systemu energetycznego na znacznie wyższym poziomie. Na przykład, poprawa efektywności energetycznej budynków w połączeniu z nisko temperaturowymi systemami ciepłowniczymi opartymi na odnawialnych źródłach energii może znacząco zmniejszyć zapotrzebowanie na energię.
Warto również zauważyć, że systemy chłodnictwa dystrybucyjnego charakteryzują się większą niezawodnością w porównaniu do indywidualnych systemów chłodzenia. W obliczu ekstremalnych zjawisk pogodowych lub klęsk żywiołowych mogą one zapewnić bardziej stabilne i odporne rozwiązania chłodnicze, minimalizując przerwy w dostawie.
Net Zero Emissions by 2050 (NZE)
Integracja przemysłu z systemami ciepłownictwa i chłodnictwa dystrybucyjnego, mimo obiecujących korzyści, wiąże się również z wyzwaniami, które należy przezwyciężyć, aby w pełni wykorzystać jej potencjał.
Jednym z kluczowych wyzwań jest obecna dominacja paliw kopalnych w systemach ciepłowniczych, która stanowi około 90% całkowitej produkcji ciepła na świecie. Przełamanie tej zależności i dekarbonizacja tych systemów wymaga znacznych inwestycji i skoordynowanych działań.
Scenariusz Net Zero Emissions by 2050 (NZE) podkreśla potrzebę szybkiej poprawy efektywności energetycznej produkcji i istniejących sieci, a także ich przestawienia na odnawialne źródła ciepła, takie jak bioenergia, energia słoneczna, pompy ciepła na dużą skalę i energia geotermalna.
Integracja wtórnych źródeł ciepła, takich jak ciepło odpadowe z przemysłu, centrów danych, tuneli metra, elektrolizerów i elektrowni jądrowych, również stanowi wyzwanie logistyczne i infrastrukturalne, wymagające odpowiednich inwestycji w magazynowanie ciepła i rozwój wysokowydajnej infrastruktury w obszarach o dużym zapotrzebowaniu na ciepło.
Systemy chłodnictwa dystrybucyjnego zużywają od 20% do 35% mniej energii elektrycznej niż tradycyjne układy klimatyzacji, jednak ich upowszechnienie wymaga przełamania barier inwestycyjnych i wykazania długofalowych korzyści ekonomicznych. Jednocześnie niewykorzystany chłód odpadowy, m.in. z regazyfikacji paliw gazowych, stanowi istotny potencjał energetyczny. Jego efektywne zagospodarowanie wymaga wdrożenia zaawansowanych technologii i zintegrowanego podejścia planistycznego.
Integracja przemysłu z systemami dystrybucyjnymi otwiera również znaczące perspektywy. Wykorzystanie ciepła odpadowego z przemysłu oraz odzyskiwanie chłodu resztkowego stanowią realną szansę na zmniejszenie zapotrzebowania na paliwa kopalne i redukcję emisji gazów cieplarnianych.
Przykład projektu w Barcelonie, gdzie odzyskiwanie chłodu resztkowego z regazyfikacji pozwoli na wytworzenie 131 GWh lokalnej, przystępnej cenowo i przyjaznej dla środowiska energii rocznie oraz uniknięcie ponad 42 000 ton CO2 rocznie, ilustruje konkretne korzyści z takiego podejścia.
Perspektywą jest również wzrost efektywności energetycznej dzięki centralizacji generacji chłodu, co umożliwia osiągnięcie korzyści skali i lepszą optymalizację systemów. Systemy chłodnictwa dystrybucyjnego charakteryzują się łatwością rozbudowy oraz możliwością integracji odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna, wiatrowa i geotermalna.. Co więcej, wspierają one łączenie sektorów (sector coupling), co stwarza okazję do zwiększenia ogólnej efektywności systemu energetycznego.
Podsumowując, integracja przemysłowych źródeł ciepła i chłodu z systemami dystrybucyjnymi oferuje znaczące perspektywy w zakresie zwiększenia efektywności energetycznej, redukcji kosztów, poprawy zrównoważenia środowiskowego i zwiększenia niezawodności systemów energetycznych.
Wykorzystanie potencjału ciepła i chłodu odpadowego jest kluczowym krokiem w kierunku bardziej zrównoważonego i efektywnego systemu energetycznego.
źródła:
Romanas Savickas - The Copenhagen Centre on Energy Efficiency
Net Zero Emissions by 2050 (NZE)