Kolektory vs. fotowoltaika. Która technologia efektywniej zdekarbonizuje ciepłownictwo?
Ciepło słoneczne, czyli produkowane z użyciem kolektorów słonecznych, ma w znaczny sposób wspomóc starania na rzecz dekarbonizacji sektora ciepłownictwa. Organizacja Solar Heat Europe przekonuje, że hybryda systemu ciepłowniczego z kolektorami słonecznymi zapewni większą efektywność, niż synergia z fotowoltaiką. Niemniej jednak, połączenie systemu ciepłowniczego z kolektorami i fotowoltaiką jednocześnie jest jak najbardziej pożądanym rozwiązaniem.
Energia słoneczna może zapewnić ciepłą wodę oraz ogrzanie pomieszczeń klientów indywidualnych, ale także profesjonalnych użytkowników. To wszystko dzięki kolektorom słonecznym (ang. solar thermal), które zamieniają energię słoneczną bezpośrednio w ciepło. Obecnie na świecie jest ich ok. 115 milionów. Obecny potencjał kolektorów słonecznych ogranicza zjawisko emisji dwutlenku węgla (CO2) na poziomie 145,4 miliona ton.
Europejska organizacja branżowa Solar Heat Europe opublikowała raport „Solar Thermal Market Outlook 2022/2023”, który stanowi podsumowanie rozwoju rynku ciepłownictwa słonecznego na Starym Kontynencie. Jak się okazuje, ciepło w całej gospodarce pochłania połowę konsumowanej przez nas energii, której potrzebujemy. Oznacza to, że na potrzeby cieplne przeznaczamy więcej zasobów energetycznych niż na np. paliwo, transport czy energię elektryczną. Organizacja branżowa przekonuje, że nadanie większej uwagi ciepłu i jego zaletom dekarbonizacyjnym w gospodarce, przełoży się na zmniejszenie presji transformacji energetycznej na infrastrukturę sieciową oraz stworzenie równych szans dla wszystkich technologii rozwijanych w ramach tzw. sector coupling, czyli łączenia sektorów w procesie elektryfikacji.
Największym wyzwaniem jest ogrzewanie budynków w segmencie gospodarstw domowych, w szczególności zimą. Zgodnie z wyliczeniami organizacji REN 21, w 2021 r. 64,4% energii cieplnej konsumowanej w domach przeznaczamy na ogrzewanie przestrzeni. Na ogrzanie zimnej wody przeznaczamy 14,5% energii, 13,6% na oświetlenie, 6% na gotowanie, 1,1% na inne aktywności, a tylko 0,5% na chłodzenie (np. używając dwukierunkowe pompy ciepła). Liderami rynku pod względem mocy zainstalowanej w kolektorach słonecznych są Niemcy (15 470 MWth), Grecja (3808 MWth), Włochy (3708 MWth), Hiszpania (3053 MWth) oraz Austria (2568 MWth).
Pomimo tego, tylko 10% naszego ciepła na całym świecie jest generowane z OZE. Zgodnie z wyliczeniami, Europa dysponuje obecnie 40,5 GWth w ciepłownictwie słonecznym, co odpowiada 58 milionom m2 powierzchni kolektorów. Sam rynek wzrósł o 12% w latach 2021-2022. Tylko w 2022 r. przybyło 1,63 GWth (2,2 milionów m2 powierzchni kolektorów). Ponad 10 milionów dachów gospodarstw domowych w Europie jest wyposażonych w kolektory słoneczne. Nie powinniśmy też zapominać o potencjale magazynów ciepła, który wynosi obecnie 180GWh/a.
Zielone ciepło na celowniku UE
Unia Europejska dostrzegając problem znacznej emisyjności w sektorze ciepłownictwa oraz potrzebę zwiększenia efektywności produkcji i konsumpcji ciepła, wyznaczyła cele w dyrektywie w zakresie odnawialnych źródeł energii (RED). Całkowity udział źródeł OZE w 2030 r. ma wynieść już 42,5%, z nieobowiązkowym celem na poziomie 45%. Ponadto, wyznaczono wiążący cel udziału OZE w ogrzewnictwie i chłodnictwie. Państwa członkowskie muszą zwiększać wskaźnik udziału corocznie o co najmniej 0,8 punktu procentowego rocznie w latach 2021-2025) i o co najmniej 1,1 punktu procentowego rocznie (w latach 2026-2030).
Kolektory słoneczne mają większą wydajność w porównaniu do fotowoltaiki przeznaczonej do produkcji ciepła. Oznacza to, że systemy ciepłownicze domowe i zawodowe należy łączyć w hybrydy nie z fotowoltaiką, a kolektorami słonecznymi. Organizacja podaje, że aby uzyskać 3 MWh/a ciepła słonecznego w ciągu rok potrzebna jest instalacja kolektorów o łącznej powierzchni 6,4 m2 oraz instalacja fotowoltaiczna o powierzchni 15,4 m2.
Łańcuchy dostaw i local content
W przeciwieństwie do sektora fotowoltaiki, Europa nie jest znacznie uzależniona od importu technologii. Członkowie Solar Heat Europe – jak podkreślają - są dumni z silnej bazy produkcyjnej kolektorów słonecznych w Europie, która zaspokaja 90% popytu w UE, będąc jednocześnie eksporterem netto na całym świecie. Innowacje technologiczne zaowocowały różnymi sposobami wykorzystania energii słonecznej do zastosowań przemysłowych. Certyfikacja, w tym Solar Keymark, zapewnia pewność konsumentom i administracji wdrażając polityki transformacji gospodarki.
Co ciekawe, kolektory słoneczne to technologia idealnie wpisująca się w cele rozwoju gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ). 95% surowców w zużytych kolektorach nadaje się do recyklingu (miedź, szkło, stal nierdzewna, aluminium).
Fotowoltaikę połączyć z kolektorami słonecznymi
Przyszłością elektryfikacji ciepłownictwa ma być technologia hybrydowa (PVT), łącząca technologię fotowoltaiczną w synergii z kolektorami słonecznymi. Jak się okazuje, nie jest to najnowsze rozwiązanie, bowiem technologia PVT jest teraz jest stosowana w budynkach usługowych, w tym w hotelach, restauracjach, ośrodkach wypoczynkowych i domach spokojnej starości. Ma ona również zastosowanie w budownictwie mieszkaniowym. Według stanu na 2022 r., w Europie potencjał PVT sięga 950 155 m2 powierzchni instalacyjnej. Największym rynkiem jest Francja (40%). Na kolejnym miejscach uplasowały się Niemcy (10%), Holandia (7%), Hiszpania (2%), Włochy (1%), Szwajcaria (1%) oraz pozostałe kraje (1%). Największe przyrosty w latach 2017-2021 odnotowano we Włoszech – bo aż na poziomie 414%.
Przemysł też potrzebuje ciepła
Kolektory słoneczne dla procesów przemysłowych (SHIP) to systemy, które zapewniają ciepło przemysłowe. Kolektor podgrzewa płyn procesowy, a wymiennik ciepła przekazuje to ciepło w postaci gorącej wody, strumienia powietrza lub pary, a jednostki magazynujące są wykorzystywane w razie potrzeby. Jest to ważne rozwiązanie, gdyż przemysł odpowiada za 33% zapotrzebowania na energię globalnie. Z tego 75% jest przeznaczane na ciepło, najczęściej do procesów przemysłowych. Ogrzewanie procesów przemysłowych w 2016 r. doprowadziło do wyemitowania 7,5 GT metrycznych CO2. Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) podała, że tylko 9% całkowitego zużycia energii w przemyśle opierało się na źródłach OZE - 45% energii zapewnił węgiel, 30% - gaz ziemny, 15% - ropa naftowa. Zgodnie z szacunkami, w przemyśle odnotowano 1089 słonecznych systemów (dane obejmują powierzchnię kolektorów powyższej 50m2 lub powyżej kWth mocy cieplnej.). To odpowiada 1,22 milionom m2 kolektorów słonecznych (856 MWth). Tylko w 2022 r. przybyło 114 nowych systemów słonecznych (30 MWth).
Polska nie odbiega znacząco od europejskiej stawki
Polska jest jednym z europejskich liderów rozwoju fotowoltaiki, która obecnie jest znacznie zdominowana przez instalacje w gospodarstwach domowych. Nasz kraj znajduje się też w czołówce europejskiej stawki rynków ciepła słonecznego, bowiem na 6. miejscu pod względem mocy zainstalowanej (2354 MWth). Oznacza to wzrost o 6% w porównaniu do 2021 r. Tylko w 2022 r. przybyło ok. 210 m2 powierzchni kolektorów słonecznych. Obecnie w trakcie podróży po Polsce coraz częściej można spotkać kolektory słoneczne na dachach domów lub w ogrodach, co świadczy o rosnącej popularności rozwiązania. W ostatnim czasie pojawiły się też programy dotacyjne, który wspierają wdrażanie tego rozwiązania na własny użytek.
Przypomnijmy, że rozwój ciepłownictwa słonecznego jest zgodne z realizacją obowiązującej obecnie Polityki Energetycznej Polski do 2040 r. (PEP2040). Przewiduje ona wzrost udziału OZE we wszystkich sektorach i technologiach. W 2030 r. udział OZE w końcowym zużyciu energii brutto wyniesie co najmniej 23%, czyli nie mniej niż 32% w elektroenergetyce (głównie energetyka wiatrowa i PV), 28% w ciepłownictwie (wzrost 1,1 pp. r/r), oraz 14% w transporcie (z dużym wkładem elektromobilności).
- Jednocześnie celem jest, aby w 2030 r. co najmniej 85% spośród systemów ciepłowniczych lub chłodniczych, w których moc zamówiona przekracza 5 MW spełniało kryteria efektywnego energetycznie systemu ciepłowniczego. Przyczyni się do tego rozwój wysokosprawnej kogeneracji, uciepłownianie elektrowni, zwiększenie wykorzystania OZE i odpadów w ciepłownictwie systemowym, modernizacja i rozbudowa systemów dystrybucji ciepła i chłodu oraz popularyzacja magazynów ciepła i inteligentnych sieci – czytamy w strategii.
Europejskie perspektywy ciepła słonecznego do 2030 roku
Technologia słoneczna odegra znaczącą rolę w dekarbonizacji ciepłownictwa w Europie, wspierając nie tylko politykę transformacji energetycznej, ale też dając korzyści gospodarcze. Organizacja Solar Europe prognozuje, że do 2030 r. łączna moc w kolektorach słonecznych (40,5 GWth) zwiększy się trzykrotnie, bo aż do poziomu 140 GWth w 2030 r. Wartość sektora wzrośnie do 24,3 mld euro, który będzie zatrudniał ok. 250 tys. specjalistów. Instalacje pojawiają się w sumie na 21 milionów dachach budynków w Europie. Ten potencjał pozwoli na roczne ograniczenie emisji CO2 na poziomie 33,3 Mt CO2 oraz gazów cieplarnianych na 12,1 BCM. To także oszczędności energii cieplnej rzędu 125 TWhth. Moc magazynów ciepła wzrośnie do poziomu 750 GWh. Zgodnie z zapowiedziami, raport na temat rynku magazynów ciepła w Polsce obecnie przygotowuje Instytut Energetyki Odnawialnej (IEO), którego wyniki poznamy jeszcze w tym roku.
Źródło: Solar Thermal Market Outlook/PEP 2040
