Czy pompy ciepła będą niedługo dominującą technologia grzewczą?

Wprowadzenie

Ostatnio jesteśmy zasypywania analizami przygotowywanymi przez renomowane instytucje o rozwoju rynku pomp ciepła. Pompy ciepła wskazywane są jako „kluczowa technologia” w dekarbonizacji budynków w Europie przez raporty MAE (IEA - Net Zero by 2050, The Future of Heat Pumps), IPCC, czy też analizy z zakresu pomp ciepła firmy McKinsey [5][3][10].

O pompach ciepła napisano także w rozporządzeniu REPowerEU. Mowa jest o „kluczowej roli pomp ciepła”. Zapowiedziano duże zwiększenie wykorzystywania i produkcji pomp ciepła. Z powodu wojny wywołanej przez Rosję, władze Unii Europejskiej zaproponowały zarys planu uniezależnienia Europy od rosyjskich paliw kopalnych. Kluczem do porzucenia paliw importowanych z Rosji ma być właśnie podwojenie w Europie rocznej sprzedaży pomp ciepła w ciągu najbliższych 5 lat. Na te zapowiedzi reagują już producenci którzy deklarują wzrost produkcji pomp ciepła (tabela poniżej) [3][5][7][8].

Rys. 1. Jakie praktyczne przełożenie na pompy ciepła mają propozycje KE w ramach REPowerEU – reakcja producentów pomp ciepła [3]

O pompach ciepłą mówi się także w USA. W czerwcu 2022 r. prezydent Bidena wskazał również pompy ciepła jako „jedną z pięciu kluczowych i krytycznych technologii w zakresie bezpieczeństwa energetycznego” – program “lend-lease” [3].

Podsumowując rok 2022 w Polsce można powiedzieć, że był on rokiem pomp ciepła. Tak samo było za naszymi granicami. Nowy rząd Niemiec stawia na pompy ciepła (6 mln szt. do 2030 roku), 65% udziału OZE oraz zakaz kotłów gazowych (w zakresie tego zakazu - wydaje się to nierealne, ale zobaczymy).

Rys. 2. Udział ciepła z pomp ciepła w budynkach mieszkalnych w krajach OECD w 2050 r. [3][5]

Czy montaż 6 milionów pomp ciepła do 2030 roku w Europie jest możliwy?. Wg IEA cel 2050 to nawet 1,8 miliarda pomp ciepła – jedna pompa ciepła na każdego z pięciu mieszkańców naszej planety. Czyli 2/3 indywidualnych urządzeń grzewczych w 2050 r. (kraje OECD). Robi to wszystko ogromne wrażenie, ale czy jest realne?

Rynek pomp ciepła w Polsce

Przez ostatnie dwa lata obserwujemy skokowy wzrost zainteresowania pompami ciepła do ogrzewania domów. Zgodnie z prognozą PORT PC, w 2022 r. sprzedaż pomp ciepła może osiągnąć niemal 200 tys. sztuk. Ta liczba oznacza tysiące nowych użytkowników pomp ciepła, którzy poprzednio w większości korzystali z innych urządzeń grzewczych - np. kotłów [6].  

Rys. 3. Sprzedaż pomp ciepłą w Polsce w latach 2010-2020 wg PORT PC [6]

Warto sobie zdawać sprawę ze pompy ciepłą to nie tylko domy jednorodzinne, czy wielorodzinne. W Europie i w Polsce coraz częściej nie tylko mówi się, ale również realizuje poważne projekty nad wykorzystaniem pomp ciepła w systemach ciepłowniczych [9].

Mowa tutaj o wykorzystaniu wielkoskalowych pomp ciepła o mocy rzędu 30-40 MW. Takie urządzenia wykorzystują  jednak dużo energii elektrycznej. Należy liczyć na to, że w Polsce powszechnie dostępna będzie zielona energia z elektrowni wiatrowych (odblokowanie nieszczęsnej ustawy 10h) i PV, co przyczyni się do wzrostu rentowności projektów opartych o duże pompy ciepła.

Z siecią ciepłowniczą w Polsce liczącą 22 tys. km i zasilającą około 15 mln odbiorców Polska znajduje się obok Niemiec wśród największych rynków ciepła systemowego w Europie. Polskie ciepłownictwo opiera się niestety w ok. 80% na paliwach kopalnych, a dominującym paliwem jest węgiel. Ponadto, tylko jedna piąta systemów ciepłowniczych w Polsce spełnia kryteria systemu efektywnego, wymagane prawem UE do tego, by sięgnąć po unijne dofinansowanie (brak izolacji, duże straty itd.). Inwestycje są konieczne, by zmniejszyć koszty i nie stracić odbiorców, tylko powiększyć ich grono. Inaczej coraz częściej będziemy słyszeć o odłączających się blokach mieszkalnych z sieci ciepłowniczych [15].

Rys. 4. Największa wielkoskalowa pompa ciepła w Europie Środkowej działa we Wiedniu od marca 2019 r. W elektrowni Wien Simmering dzięki ciepłu odpadowemu z elektrowni jest wykorzystywane do zaopatrywania 25 000 gospodarstw domowych w ciepło z sieci bez emisji CO2 [14]

Koniecznie trzeba iść śladem innych państw. W Niemczech na rozwój zielonego ciepła będą przeznaczane miliardy euro. Komisja Europejska zatwierdziła program dofinansowania w tym zakresie o budżecie prawie 3 mld euro. Dofinansowanie do 40% kosztów inwestycji będzie można dostać m.in. na integrację w sieciach ciepłowniczych ciepła odpadowego i wielkoskalowych pomp ciepła. Już trzy lata temu Federalne Ministerstwo Gospodarki i Energii w Niemczech wybrało demonstracyjne projekty dotyczące instalacji pomp ciepła u producentów energii w Berlinie, Stuttgarcie, Mannheim i Rosenheim, z wykorzystaniem lokalnych źródeł, np. z wody rzecznej lub niskotemperaturowego ciepła odpadowego. Podobne działania podjęło równie w NCBiR w Polsce [3][4][5][8][13][14].

Czy starczy energii elektrycznej na setki tysięcy pomp ciepał w Polsce w zimie?

Niektórzy, gdy słyszą ze pomp ciepłą będzie bardzo dużo to w zasadzie sami generujemy sobie ogromny problem ponieważ będziemy mieli ogromne skoki zapotrzebowania na energie elektryczną w ziemie spowodowane pracą pomp ciepłą podczas mrozów. Czy na pewno? Często słyszymy zdanie, że gdybyśmy wszyscy na raz włączyli czajniki elektryczne lub suszarki albo nastawili pranie, łączny pobór mocy tych urządzeń przekroczyłby 30 GW (gigawatów), doprowadzając Polskę do blackoutu. Tymczasem rekord zapotrzebowania na moc w naszym kraju (wliczając przemysł, biurowce, markety itd.) nigdy nie przekroczył 28 GW. Średni pobór mocy przez gospodarstwa domowe wynosi zaledwie 3,5 GW, a w szczycie nie przekracza 7 GW, chociaż ich przyłącza pozwoliłyby na pobór 100 GW [4].

Decyduje o tym współczynnik jednoczesności, a więc fakt, że nigdy wszyscy na raz nie potrzebujemy gotować, prać, tankować, ani ładować aut. A już na pewno nie z maksymalną mocą w tym samym momencie. 

Rys. 5. Prognoza zapotrzebowania na moc w Polsce w 2032 roku [4]

Co musi się stać aby spełniły się zakładane cele?

Aby możliwe było zrealizowanie zakładanych celów co do rynku pomp ciepła muszą być spełnione następujące wydaje się bardzo ważne warunki [1][2][8]:

1. Uproszczenie procedur i technik montażowych. W najbliższej przyszłości, ale także w bardziej odległej przyszłości, prostota i szybkość montażu pompy ciepła będzie bardzo ważna. Inaczej nie będzie miał nam kto tych pomp zamontować! W Niemczech widać ogromne problemy z dostępnością instalatorów pomp ciepła. Na pompę ciepła oczekuje się blisko rok! Koszt montażu jest kilkukrotnie wyższy niż w Polsce. Przyszłość to urządzenia typu „all in one”. Ekipa montażowa w tym przypadku nie musi mieć wysokich kompetencji. Nie jest zmuszona do skomplikowanego montażu. Cały system jest zarządzany i monitorowanmy zdalnie.

2. Unifikacja typów i rodzaju urządzeń. To bardzo ważne zagadnienie. Rynek pomp ciepła jest bardzo rozbudowany. Są firmy, które maja w swoim portfolio kilkadziesiąt typoszeregów pomp ciepła. To niezwykle przydatne dla doboru idealnie pasującej dla wybranego obiektu pampy ciepła jednak dla instalatorów to poważny problem. Czasem brakuje kompetencji i czasu aby po prostu „nauczyć się” montażu tak wielu systemów - Jeśli każdy z nich ma swoja specyfikę i wymagania. Poszukiwana jest oczywista cecha pomp ciepła: „modułowość”, która oznacza możliwość wykorzystania jednego urządzenia w wielu zastosowaniach, takich jak nowe i stare budynki, budynki termodernizowane, a także wielorodzinne.

3. Niska/konkurencyjna cena. To cecha która wraz z efektem skali rynku na pewno nastąpi. Wysokie koszty inwestycyjne związane z zakupem pompy ciepła będą stanowiły ograniczenie wzrostu rynku ,ale bardzo szybko będzie się to zmieniać.

4. Kompatybilność z systemem elektroenergetycznym. Pompy ciepła mogą znacznie wspomóc stabilizację systemu elektroenergetycznego. One nie są zagrożeniem dla systemu elektroenergetycznego ale wręcz mogą mu pomóc! Będzie to możliwe jeżeli urządzenia te będą działały z wykorzystaniem systemów typu Smart Grid.

Podsumowanie

Wszystko założenia będą zrealizowane jeśli… Przede wszystkim jeśli w Polsce będą efektywnie wykorzystywane programy „Moje Ciepło” i „Mój Prąd”, które przecież w swoim założeniu prowadzą do standardu zeroemisyjnego budynku (ZEB). W Polsce ciepło i energia elektryczna produkowana powinna być na miejscu bez emisji CO2. Produkcja energii elektrycznej z PV powinna bilansować rocznie zużycie energii z pompy ciepła. Budynek powinien spełniać spełnia wymogi ZEB. W 2023 EP będzie mniejszy niż 55 kWh/[m2 rok]).

Wg decydentów EU systemy fotowoltaiczne powinny, jeśli to możliwe, być instalowane na każdym nowym dachu, a przynajmniej na każdym komercyjnym, a każdy nowy system grzewczy powinien być zasilany co najmniej w 65% energią odnawialną. To duże wyzwanie, ale żyjemy teraz w takich a nie innych czasach.

Nigdy się już nie powtórzy taka sytuacja jak obecnie. Aby zrealizować przewidywania pokazane na wykresach w tym artykule potrzebne są porozumienia na poziomie krajowym oraz EU. Potrzebne jest pilne porozumienie między rządem a branżą producentów urządzeń grzewczych i branżą instalacyjną w zakresie produkcji urządzeń pomp ciepła i innych urządzeń OZE w ogrzewaniu budynków. Oprócz dedykowanego programu badań i rozwoju (R&D) potrzebne wsparcie wdrażania produkcji pomp ciepła. Ze względu na skalę produkcji potrzebne jest silne wsparcie wspólnych projektów polskich producentów urządzeń grzewczych (i w zakresie R&D ale i wdrożeń).

Źródła

1. Mania T., Kawa J.: Inżynieria instalacji pomp ciepła. Monografia pod redakcją A. Mrozińskiego. Wydawnictwo Grafpol. Bydgoszcz 2016

2. Mirowski A.: Podręcznik dobrych praktyk w zakresie doboru i wykorzystania odnawialnych źródeł energii oraz likwidacji niskiej emisji. Wydawnictwo ARL MIROWSKI. Kraków 2015

3. Lachman P.: Odpowiedź producentów urządzeń grzewczych w UE na zapowiedzi REPowerEUw kwestii pomp ciepła. Seminarium PORT PC pt.: Produkcja pomp ciepła i urządzeń OZE w Polsce – szanse i zagrożenia w świetle REPowerEU, 25 października 2022r. - https://portpc.pl/pdf/20221025REPowerEU/2._Pawel_Lachman_-_Odpowiedz_producentow_urzadzen_grzewczych_w_UE_na_REPowerEU.pdf (dostęp - 12.2022r.)

4. https://wysokienapiecie.pl/80309-ladowanie-milionow-aut-elektrycznych/ (dostęp - 12.2022r.)

5. https://iea.blob.core.windows.net/assets/612ff947-b579-4486-9f56-f207db273429/NetZeroby2050-ARoadmapfortheGlobalEnergySector_Polish.pdf

6. https://globenergia.pl/7-grzechow-eksploatacji-pompy-ciepla-w-duze-mrozy-czego-nie-robic/?fbclid=IwAR2FQ1GUohCCffygoMU7u0zv_DcyZ0mmU9h5O1Td8X3jGtPjGN1dLHhw-OM

7. https://www.irena.org/Publications/2022/Nov/Renewable-solutions-in-end-uses-Heat-pump-costs-and-markets (dostęp – 12.2022r.)

8. https://globenergia.pl/jaka-powinna-byc-pompa-ciepla-przyszlosci-przede-wszystkim-tansza/ (dostęp – 12.2022r.)

9. https://wysokienapiecie.pl/75628-pompy-ciepla-maja-wielka-przyszlosc-takze-w-miejskich-sieciach/ (dostęp – 12.2022r.)

10. https://termomodernizacja.pl/przyszlosc-pomp-ciepla-czyli-wielkie-nadzieje-i-oczekiwania/ (dostęp – 12.2022r.)

11. https://www.bankier.pl/wiadomosc/Pompy-ciepla-maja-wielka-przyszlosc-Takze-w-miejskich-sieciach-8410663.html (dostęp – 12.2022r.)

12. https://muratordom.pl/instalacje/pompy-ciepla/wzrost-popularnosci-pomp-ciepla-odpowiedzia-na-kryzys-raport-miedzynarodowej-agencji-energetycznej-aa-RATU-2Scp-Xz8s.html (dostęp – 12.2022r.)

13. https://www.ise.fraunhofer.de/de/forschungsprojekte/reallabor-grosswaermepumpen.html (dostęp – 12.2022r.)

14. https://www.wienenergie.at/ueber-uns/meilensteine/2019-die-starkste-grosswarmepumpe-mitteleuropas/ (dostęp – 12.2022r.)

15. https://noizz.pl/ekologia/ten-blok-odlaczyl-sie-od-cieplowni-rachunki-spadly-o-90-proc/xjzb3p7 (dostęp – 12.2022r.)