Jak skutecznie zaplanować transformację energetyczną miasta w zgodzie z polityką klimatyczną UE i lokalnymi uwarunkowaniami? Artykuł „System Zefir jako narzędzie transformacji samorządów” pokazuje, w jaki sposób zaawansowany model optymalizacyjny wspiera samorządy w podejmowaniu decyzji inwestycyjnych, redukcji emisji i tworzeniu spójnych planów energetycznych opartych na danych.

Streszczenie. “Zefir dla samorządów” jest jednym z narzędzi opartych na autorskich modelu optymalizacyjnym Zefir, którego celem jest optymalizacja doboru technologii źródeł energii dla założonych celów (np. redukcja emisji CO2, NOx, SOx). Model uwzględnia charakterystyki zapotrzebowania na różne źródła energii w rozdzielczości godzinowej (CW + CWU, EE) oraz uwzględnia koszty inwestycyjne, operacyjne i zmienne dla różnych technologii, w tym z uwzględnieniem dynamicznych cen prądu i prognoz cen uprawnień do emisji EU ETS1 i ETS2.   

Wstęp

Polityka klimatyczna UE (Europejski Zielony Ład oraz Fala Renowacji) stanowi szansę dla Polski na jednoczesne przeciwdziałanie zmianom klimatycznym i równoległe rozwiązanie problemu jakości powietrza. Obecnie przyjęta strategia Unii Europejskiej (Europe Green New Deal) dąży do osiągnięcia neutralności klimatycznej do 2050 roku - stawia to wyzwania, ale również i szansę dla obszaru m.in. energetyki, budownictwa oraz transportu w Polsce. Systematyczna i wielkoskalowa modernizacja budynków stanowi główną oś działań UE związanych ze zmianami klimatu i zanieczyszczeniem środowiska.

      Aby osiągnąć sukces w transformacji energetycznej miast, niezbędne są nowoczesne narzędzia uwzględniające aktualne polityki klimatyczne oraz uwarunkowania lokalne. Planowanie musi być spójne, a narzędzia decyzyjne powinny uwzględniać zarówno cele globalne, jak i indywidualne cechy poszczególnych społeczności. Narzędzie „Zefir dla samorządów” ma realizować tę politykę. Od momentu powstania w 2019 zostało zaaplikowane dla 15 miast w tym największych miast w Polsce wskazując ścieżki transformacji i stanowiąc podwaliny decyzji inwestycyjnych samorządów. Zefir to system obliczeniowy reagujący na pakiet zmiennych gospodarczych i uwarunkowań lokalnych pozwalający zaplanować inwestycje prowadzące do efektywnej ekonomicznie transformacji źródeł energii elektrycznej, ciepła, chłodu, gazu w budynkach. Wyniki dostarczone przez system stanowią jednolitą podstawę, na której można budować w sposób spójny zarówno dokumenty inwestycyjne, jak i strategiczne. Ponadto, system docelowo będzie mógł stanowić podstawę do zakładanego objęcia 100% gmin planami energetycznymi (wskaźnik PEP2040 do 2030 r.).

Przegląd narzędzi zbliżonych

      Na rynku dostępnych jest wiele narzędzi do modelowania systemów energetycznych, np. OSEMoSYS [1], Plexos [2], Thermos [3], DER-CAM [4] czy PyPSA [5] o zróżnicowanym zakresie funkcjonalności. Zgodnie z wiedzą autorów żadne jednak z nich nie pozwala formułować zadania optymalizacyjnego przy uwzględnieniu kluczowego z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego samorządu połączenia technologii w koszyki technologiczne – pakiety technologii budynkowych pozwalających w efektywny sposób zapewniać realizację potrzeb energetycznych różnych rodzajów (np. ciepło, energia elektryczna). Rozpatrywanie takich koszyków pozwala uchwycić efekt synergii między poszczególnymi technologiami osadzając je w odpowiednim kontekście. Przykładowo instalacja pompy ciepła ogrzewającej budynek bez zabiegów termomodernizacyjnych wymaga znacznego przewymiarowania mającego negatywne skutki dla systemu elektroenergetycznego oraz generującego możliwe do uniknięcia koszty. Podobnie tzw. płytka termomodernizacja, obejmująca uszczelnienie i ocieplenie budynku bez zapewnienia aktywnej wentylacji z odzyskiem ciepła przynosi ograniczone oszczędności energii w sytuacji, gdy osoby przebywające w budynku w zimie muszą otwierać okna w celu redukcji stężenia dwutlenku węgla w pomieszczeniach.

Opis funkcjonalności narzędzia

Samo narzędzie Zefir działa dwuetapowo.

Etap 1 - wirtualny model techniczno-ekonomiczny gminy – cyfrowa mapa.

Do wyznaczenia ścieżki transformacji niezbędnym i krytycznym elementem jest precyzyjny wirtualny model techniczno-ekonomiczny gminy obejmujący modelowanie indywidualnych budynków. Dokładność tego modelu wprost determinuje dokładność całej symulacji i optymalizacji. W celu przygotowania planu transformacji dla każdej gminy w Polsce konieczne jest, aby system potrafił maksymalnie zautomatyzować procesy przygotowywania danych wejściowych. Opracowane procedury realizują następujące cele:

      - wykorzystanie rejestrów publicznych w tym bazy CEEB, EGIB, KIUT, BDOT;

      - ocena klasy energetycznej obiektu w oparciu o procedury wizji lokalnych;

Etap 2 - wyznaczenie harmonogramu inwestycji.

Po wybraniu gminy Użytkownik przystępuje do zdefiniowania scenariuszy, które obejmują m.in. i) zdefiniowanie możliwych przyszłych technologii dostępnych na potrzeby pokrycia zapotrzebowania w wybranym obszarze, dostępności paliw, szeregu założeń makroekonomicznych takich jak ceny paliw czy koszt emisji, etc. Użytkownik identyfikuje następnie cele klimatyczno-środowiskowe, które powinien spełniać oczekiwany harmonogram inwestycyjny – np. poziom redukcji niskich emisji, czy też emisji CO2. Następnie uruchamiany jest proces obliczeniowy wyznaczający najtańszy harmonogram inwestycyjny przy zadanych celach klimatyczno-środowiskowych. Analizować można wynik całościowy (sumaryczny miks całego miasta / gminy) lub też wynik na poziomie systemowym np. źródła systemowe takie jak ciepłownie miejskie czy istniejące / nowo powstałe źródła na obrzeżach, etc. Obliczenia wykonywane są przy pomocy zaawansowanych narzędzi algorytmicznych. Do ich wykonania niezbędna jest infrastruktura obliczeniowa o dużej mocy. Wynik końcowy jest prezentowany za pomocą interfejsów graficznych przyjaznych użytkownikowi, których treść może równocześnie stanowić wkład do dokumentów strategicznych samorządów. Użytkownik po wykonaniu analiz może dokonać korekt w założeniach i ponowić obliczenia.

Przeprowadzone badanie

    Wykonano analizę scenariuszową dla 5 miast: Krakowa, Łodzi, Rzeszowa, Warszawy i Wrocławia. Centralnym elementem analizy było rozwiązanie zadania optymalizacyjnego – minimalizacji sumy wszystkich wydatków związanych z działaniem systemu energetycznego miasta (obejmującego sektor elektroenergetyczny, ciepłownictwo, ogrzewnictwo i dostarczanie chłodu) zarówno na poziomie całego miasta jak i pojedynczych budynków. Rozważono 3 scenariusze różniące się od siebie założeniami dotyczącymi modernizacji ciepłownictwa oraz tempem termomodernizacji:
•    Scenariusz 1 – Referencyjny – utrzymanie ciepłownictwa wysokotemperaturowego opartego o spalanie paliw kopalnych. Brak dodatkowych inwestycji w ciepłownictwie poza już zaplanowanymi (odejście od węgla na rzecz gazu). Brak (pomijalne) zabiegi termomodernizacyjne.
•    Scenariusz 2 – Ciepłownictwo zelektryfikowane i niskotemperaturowe – przejście na sieć ciepłowniczą ze znacznie obniżonym parametrem temperaturowym. Tempo termomodernizacji – 4% zasobu budynkowego rocznie.
•    Scenariusz 3 – Nierealistyczny benchmark, dopuszczający masowe odłączania się budynków od sieci – lokalna produkcja ciepła przy użyciu pomp ciepła powietrznych skutkująca de facto wygaszeniem ciepłownictwa. Tempo termomodernizacji – 4% zasobu budynkowego rocznie.

W sektorze elektroenergetycznym uwzględniono wprowadzenie taryf dynamicznych (bez cen ujemnych). W sektorze chłodniczym przyjęto założenie o przyrastającym liniowo zapotrzebowaniu na przestrzeni 20 lat. 
    W celu uniknięcia wyzwań związanych z modernizacją infrastruktury ciepłowniczej przyjęto, że wraz z obniżeniem parametru temperaturowego na budynkach zainstalowane zostaną dodatkowe urządzenia zwiększające dostarczane ciepło lokalnie – pompy ciepła typu booster przyjmujące jako dolne źródło sieć ciepłowniczą. Założono również możliwość odwrotnego transferu ciepła przez wspomniane urządzenia w lecie – pozwala to z jednej strony na zaspokojenie rosnącej potrzeby chłodu a z drugiej strony lokalną produkcję CWU oraz sezonowe magazynowania tak pozyskanego ciepła.
    Przyjęto 35-letni horyzont badania. Aby zredukować złożoność zadania optymalizacyjnego przyjęto agregację 5-letnią oraz reprezentację roku poprzez 4-tygodniową syntetyczną próbkę godzinową (po jednym tygodniu na porę roku, łącznie 672 godziny).

Wyniki


Tabela 1. przedstawia podsumowanie sumarycznych wyników kosztowych. We wszystkich miastach otrzymano wyniki podobne jakościowo. Scenariusz 1 jest zdecydowanie najbardziej kosztowny głównie ze względu na wysokie koszty emisji ETS. Różnica między Scenariuszem 2 i 3 jest już znacznie mniejsza.
    Rozwiązanie zadania optymalizacyjnego zawiera również szczegółowe dane dotyczące wymiarów technologii energetycznych instalowanych w poszczególnych latach zarówno na lokalnym jak i globalnym poziomie. Dostępna jest również szacowana roczna produkcja energii elektrycznej oraz ciepła, kosztów emisji czy pracy urządzeń w rozdzielczości godzinowej na wybranej próbce godzinowej.

Wnioski 

    Zefir stanowi unikalne narzędzie do programowania lokalnej polityki transformacji. Otrzymane wyniki stanowią podstawę do analizy zarówno stanu obecnego jak i planowania inwestycji w przyszłości przez co mogą stanowić wkład do dokumentów strategicznych takich jak „Założenia do planów Zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną oraz paliwa gazowe” czy też wymagane Dyrektywą EED „Lokalne plany dotyczące ogrzewania i chłodzenia” (dla gmin powyżej 45 000 osób). Potencjalnie może być udostępniony publicznie wszystkim samorządom w Polsce.

Artykuł opracowany w wyniku realizacji projektu „ZefirLib -narzędzie „open-source” do planowania transformacji energetycznej” finansowanego ze środków Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego w ramach programu "Nauka dla Społeczeństwa" (Umowa nr Nds-II/SN/0073/2023/01).

Autorzy: mgr Tomasz Chmiel, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail:  Tomasz.Chmiel@pse.pl; dr Maksymilian Grab, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Maksymilian.Grab@pse.pl; mgr inż. Artem Kartashov, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Artem.Kartashov@idea.edu.pl, , mgr Maciej Krakowiak, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Maciej.Krakowiak@pse.pl;  Maciej Mazurek, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Maciej.Mazurek@pse.pl; prof. dr hab. inż. Józef Paska, PSE.S.A., E-mail: Józef.Paska@pse.pl; mgr inż. Karol Pilot, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, E-mail: Karol.Pilot@idea.edu.pl, dr Grzegorz Plewa, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Grzegorz.Plewa@pse.pl; Agnieszka Sobolewska, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: agnieszka.sobolewska@pse.pl; mgr Michał Szymczuk, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Michał.Szymczuk@pse.pl; Sławomir Walkowiak, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Sławomir.Walkowiak@pse.pl; dr inż. Karol Wawrzyniak, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Karol.Wawrzyniak@pse.pl.

Literatura:

[1]  Platforma modelowania systemów zaopatrzenia w energie, https://osemosys.readthedocs.io/en/latest/index.html

[2]  Platforma symulacji rynku energii elektrycznej. https://www.energyexemplar.com/plexos  

[3]  Narzędzie do planowania sieci ciepłowniczych. https://www.thermos-project.eu/home/  

[4]  Narzędzie optymalizacyjne inwestycji w rozproszone zasoby energii. https://gridintegration.lbl.gov/der-cam  

[5]  Model analiz energetycznych i środowiskowych. https://iea-etsap.org/index.php/etsap-tools/model-generators/times

Publikacja dofinansowana ze środków budżetu państwa w ramach programu Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego pod nazwą „Nauka dla Społeczeństwa II” nr projektu NdS-II/SN/0073/2023/01 kwota dofinansowania 1 500 000 zł całkowita wartość projektu 1 500 000 zł.