Stanowisko IEA SHC Technology w sprawie ciepła słonecznego w procesach przemysłowych (SHIP)

Raport analizuje aktualny stan i potencjał rozwoju rynku ciepła słonecznego dla procesów przemysłowych (SHIP), wskazując działania potrzebne do optymalnego wykorzystania tego źródła ciepła. Tekst adresowany jest głównie do decydentów, ekspertów i osób wpływających na politykę energetyczną w tym obszarze.

Energia słoneczna jako źródło ciepła zyskuje na znaczeniu, wspierając systemy ogrzewania budynków oraz sieci ciepłownicze i pozwalając na ogrzewanie wody użytkowej.

---

Wprowadzenie i znaczenie

Energia słoneczna dla procesów przemysłowych (SHIP) posiada ogromny potencjał w procesie dekarbonizacji przemysłu, stanowiąc odpowiedź na znaczące zapotrzebowanie na ciepło o niskich i średnich temperaturach w sektorze przemysłowym. Ten obszar obejmuje aż 12% całkowitego zużycia energii końcowej na świecie. Duża część energii potrzebnej w przemyśle jest wykorzystywana do produkcji ciepła i chłodu w temperaturach sięgających do 400°C, zasilanych głównie przez paliwa kopalne.

Technologie opracowane w ramach projektu SHIP są gotowe do wprowadzenia na rynek, co pozwoli znacząco zmniejszyć emisję CO₂ w tych obszarach, wykorzystując zarówno nieskoncentrowane kolektory słoneczne (do 150°C), jak i kolektory skoncentrowane (do 400°C). Choć istnieją prace nad zastosowaniami energii słonecznej w jeszcze wyższych temperaturach, nie są one przedmiotem tego opracowania.

Rys. 1: Zapotrzebowanie całkowite na energię końcową, udział w zapotrzebowaniu na ciepło, poziomy temperatury oraz aktualne nośniki energii dla przemysłu na świecie.
www.solar-payback.com/wp-content/uploads/2017/07/potential1.jpg 

SHIP to system zaopatrzenia w ciepło, który charakteryzuje się prostotą i łatwością integracji z innymi technologiami, co zostało potwierdzone przez setki udanych implementacji na całym świecie. Dzięki inteligentnemu projektowi koncepcyjnemu, obejmującemu odpowiednią technologię magazynowania ciepła, ciepło słoneczne może być dostarczane przez całą dobę, siedem dni w tygodniu, nawet w okresach o niskim poziomie promieniowania słonecznego lub jego braku.

Dotychczasowe działania mające na celu dekarbonizację dostaw ciepła skupiały się głównie na elektryfikacji i nowoczesnej bioenergii. Jednak niedawne zakłócenia w dostawach energii elektrycznej wykazały, że konieczna jest dywersyfikacja nośników energii oraz stosowanych technologii, aby zapewnić niezawodne dostawy energii po przewidywalnych i stabilnych cenach. Wykorzystanie ciepła słonecznego pozwala krajom, społecznościom i firmom zwiększyć niezależność oraz stabilizować koszty dostaw energii na przyszłe dziesięciolecia.

Branża SHIP opiera się na zrównoważonym, solidnym i niezawodnym łańcuchu dostaw, co czyni ją atrakcyjną ze względu na niską zależność od metali ziem rzadkich i materiałów krytycznych. Wysokie wskaźniki recyklingu podstawowych materiałów, metali i szkła sprawiają, że technologia ta jest bardzo korzystna dla obiegu zamkniętego. Możliwość łatwego skalowania do potrzeb użytkowników końcowych z niewielkimi ograniczeniami została potwierdzona przez udane implementacje na całym świecie.

Oczywiste jest, że dostarczanie ciepła bez emisji w niskich i średnich temperaturach ma ogromne znaczenie, a SHIP odgrywa kluczową rolę w tej dziedzinie. Wiele przedsiębiorstw przemysłowych poszukuje zrównoważonych rozwiązań, co tworzy popyt na tę technologię. Badania porównawcze (IRENA (2020) Koszty wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych w 2020 r.) różnych rynków wykazują, że typowe redukcje kosztów wynikające z wczesnego rozwoju rynku i korzyści skali mają również zastosowanie do systemów SHIP. Niemniej jednak technologia ta nadal jest na początku swojej drogi.

Całkowity potencjał techniczny SHIP znacznie przewyższa obecne moce produkcyjne. Bardziej intensywne wdrażanie spowoduje znaczną redukcję kosztów projektu i dalsze zwiększenie konkurencyjności cenowej na kluczowych rynkach. Podsumowując, SHIP to technologia gotowa do wejścia na rynek, co potwierdzają ponad 1000 udanych implementacji na całym świecie, które odpowiadają ogromnemu potencjałowi rynkowemu.

Stan obecny

Technologie SHIP stoją już u progu rynku i są dostępne dla zakresów temperatur od niskich do średnich, sięgających nawet 400°C. Na całym globie działa około 70 dostawców oferujących kompleksowe rozwiązania, którzy projektują, instalują i utrzymują systemy SHIP, opierając się na solidnym i niezawodnym łańcuchu dostaw.

W coraz większej liczbie przypadków dostawcy technologii SHIP nawiązują kontrakty na dostarczanie ciepła. W takich modelach specjalistyczne "Przedsiębiorstwa Usług Energetycznych" (ESCO) oferują kompleksowe rozwiązania i usługi z zakresu energii słonecznej dla klientów przemysłowych. Obejmują one projektowanie, finansowanie, instalację, konserwację i eksploatację energooszczędnych technologii, a także sprzedaż ciepła po ustalonej cenie przez określony czas umowy.

W ostatnich latach obserwowany jest dynamiczny wzrost rynku technologii SHIP. W 2022 roku na całym świecie zainstalowano 84 nowe instalacje o łącznej powierzchni kolektorów słonecznych wynoszącej 39 600 m² (co równa się mocy zainstalowanej na poziomie 27,8 MWth). Dane te zostały udokumentowane w internetowej bazie danych dotyczącej technologii SHIP - AEE INTEC (2023) Baza danych SHIP ship-plants.info.

Aktualnie w bazie danych SHIP znajduje się 494 systemów SHIP zainstalowanych na całym świecie, których łączna powierzchnia kolektorów wynosi 1 072 000 m². Badanie rynku (Solarpayback (2023) Coroczne badania wśród firm wymienionych na Mapie Świata Dostawców SHIP), w którym firmy zajmujące się energią słoneczną zostały zapytane o zainstalowane przez nie powierzchnię kolektorów w ramach rynku SHIP, wykazało, że do końca 2022 roku zgłoszono 1 089 zainstalowanych systemów, których łączna powierzchnia kolektorów wynosiła 1 220 000 m² (co równa się 856 MW). Spośród nich 114 systemów zostało zainstalowanych w samym tylko 2022 roku.
Źródła wykazują zgodność pod względem całkowitej powierzchni kolektorów i potencjału wytworzonego ciepła, ale niekoniecznie pod względem liczby systemów. Wynika to głównie z tego, że baza danych SHIP często pomija mniejsze systemy, co prowadzi do niepełnych informacji na temat liczby zainstalowanych systemów.

Rys. 2: Udokumentowana roczna instalacja systemów SHIP w latach 2000–2022 zawarta w bazie danych www.ship-plants.info

Powyższy wykres przedstawia rozwój rynku udokumentowanych systemów SHIP w latach 2000-2022 pod względem liczby systemów instalowanych rocznie oraz całkowitej powierzchni kolektorów instalowanych rocznie. W analizie okresu od 2013 do 2022 roku można zauważyć, że mimo pewnych wahań, zwłaszcza w latach 2020-2022, roczny rynek pozostaje stosunkowo stabilny, ze średnią około 40 000 m² powierzchni kolektorów instalowanych rocznie (co odpowiada 28 MWth). Chociaż niektóre instalacje są klasyfikowane pod względem mocy w MW, nie obserwuje się wyraźnej tendencji w kierunku większych instalacji. Należy zauważyć, że rzeczywista liczba instalacji może być wyższa, ponieważ nie wszystkie, zwłaszcza te mniejsze, są udokumentowane.

Aby dokładnie ocenić pozycję rynkową SHIP, należy spojrzeć na liczbę instalacji SHIP w kontekście całkowitego zapotrzebowania na energię w przemyśle. W oparciu o całkowite światowe roczne zużycie energii końcowej w przemyśle w 2020 roku (ok. 33 000 TWh), udział ogrzewania odnawialnego wyniósł 0,1% zgodnie z raportem Renewable 2023 Global Status Report.

Przyjmując, że jednostkowe dostarczanie użytecznego ciepła słonecznego wynosi około 550 kWh/m²/rok, instalacje SHIP obecnie przyczyniają się do produkcji około 0,6 TWh lub 0,0020% całkowitego zużycia energii końcowej w przemyśle światowym. Należy jednak pamiętać, że tylko część tego zapotrzebowania może być zastąpiona przez SHIP. Niemniej jednak potencjał tej technologii pozostaje nadal ogromny.

Rys. 3: REN21 (2023) Renewable 2023 Global Status Report – Odnawialne źródła energii w zapotrzebowaniu na energię

Obecnie niewielki udział ciepła ze źródeł odnawialnych można tłumaczyć przede wszystkim niskimi kosztami ciepła pochodzącego z paliw kopalnych oraz brakiem wymogu wykorzystywania ciepła odnawialnego w przemyśle. W rezultacie systemy SHIP są implementowane tylko wtedy, gdy istnieje krótkoterminowa korzyść ekonomiczna. Średni koszt ciepła (LCOH) generowanego przez zainstalowane systemy SHIP wynosi obecnie od 30 do 70 €/MWh, głównie w zależności od temperatury, profilu obciążenia oraz skali instalacji. Ostatnie badania sugerują, że koszty instalacji w Europie zmniejszyły się znacznie w latach 2014–2020, głównie dzięki korzyściom skali. Przewidywane są dalsze obniżki kosztów, które wynikną z szybszego rozwoju tej technologii, napędzanego dynamicznym wzrostem rynku.

Oczekuje się, że koszty wszystkich typów systemów SHIP ulegną redukcji, z największym wpływem na technologie osiągające wyższe temperatury. Ponadto, zwiększenie skali instalacji (powyżej 500 m²) korzystnie wpływa na ogólne koszty systemu, co pośrednio przekłada się na mniejsze instalacje o powierzchni poniżej 500 m².

Jedną z głównych przeszkód w podejmowaniu decyzji inwestycyjnych dotyczących systemów SHIP jest ich długoterminowy charakter, który może nie spełniać oczekiwań dotyczących szybkich okresów zwrotu inwestycji krótszych niż trzy lata. Niemniej jednak, elektrownie SHIP przyczyniają się do zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego i zapewniają przedsiębiorstwom przemysłowym długoterminową, przewidywalną stabilność niskich cen, co może mieć kluczowe znaczenie dla ich długoterminowej strategii biznesowej.

Potencjał

Potencjał rynkowy

Całkowite zapotrzebowanie na ciepło technologiczne na świecie, oszacowane na około 46 000 TWh w 2021 roku (źródło: MAE (2022), World Energy Outlook 2022, IEA, Paryż), stanowi punkt odniesienia dla potencjalnych badań w ramach zadania 49 IEA SHC. Wykorzystując parametry, takie jak nasłonecznienie roczne wynoszące 1 200 kWh/(m²rok) oraz wydajność roczna wynosząca 40%, można obliczyć konserwatywny potencjał udziału SHIP na poziomie co najmniej 4%, co przekłada się na około 1 850 TWh. Oznacza to potrzebę zainstalowania powierzchni kolektorów o łącznej powierzchni ponad 3 900 mln m² (2 730 GW) lub dokonania inwestycji o wartości około 1 900 mld euro.
W porównaniu z obecnym poziomem rynkowym, który wynosi około 30 MW/rok zainstalowanej mocy SHIP rocznie, potencjał technologii SHIP pozostaje prawie niewykorzystany. Istnieje zatem znaczna przestrzeń do rozwoju i zwiększenia udziału SHIP w globalnym zapotrzebowaniu na ciepło technologiczne.

W ostatnim czasie nastąpił rozwój w sektorach takich jak produkcja żywności i napojów, produkcja maszyn, przemysł wydobywczy i tekstylny. Niemniej istnieje ogromny potencjał dla wszystkich gałęzi przemysłu, gdzie procesy operacyjne wymagają temperatur do 400°C lub działają systemy zasilania z potrzebą (wstępnego) podgrzewania. Analiza setek profili obciążenia cieplnego przemysłu wyraźnie pokazuje, że zapotrzebowanie na ciepło przemysłowe zależy od warunków otoczenia do ogrzewania hal produkcyjnych. Niemniej jednak prawie wszystkie sektory posiadają stałe zapotrzebowanie na ciepło technologiczne przez cały rok. Nawet latem, kiedy dostarczanie ciepła słonecznego osiąga szczyt. Odpowiednio zaprojektowane systemy osiągają uzysk ciepła z energii słonecznej przekraczający 50%, a w połączeniu z innymi odnawialnymi źródłami ciepła mogą działać w pełni bez paliw kopalnych.

W przeciwieństwie do rozwiązań opartych na paliwach kopalnych, energia odnawialna i technologie SHIP wnoszą szczególnie wysoką regionalną wartość dodaną poprzez tworzenie zielonych miejsc pracy. Niestety inwestorom i przedsiębiorstwom nadal brakuje wiedzy na temat systemów SHIP i ich potencjału.

Redukcja kosztów

W czasie, gdy ceny energii dynamicznie rosną i podlegają znacznym wahaniom zależnym od globalnych wydarzeń, zainstalowany system SHIP może zapewnić energię w 100% wolną od emisji CO₂ po stałych kosztach przez co najmniej 20 lat. Przy udanych wdrożeniach udowodniono, że konkurencyjne koszty energii (LCOH) w zakresie od 30 do 70 €/MWh są osiągalne w sprzyjających warunkach.

Systemy finansowania publicznego z dotacjami inwestycyjnymi mogą zwiększyć opłacalność instalacji w przypadkach, gdy koszty inwestycji są wysokie, oraz mogą pomóc w przyspieszeniu penetracji rynku. Pomimo wolnego tempa rozwoju rynku w przeszłości, w ciągu ostatniej dekady w kilku krajach zaobserwowano znaczący spadek kosztów energii ze źródeł odnawialnych, osiągając redukcję kosztów instalacji o 20–55% (IRENA (2020) Koszty wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych w 2020 roku).

Ten efekt, oparty na korzyściach skali, może uruchomić samorozwijającą się dynamikę. Wzrost wiedzy dotyczący dużych elektrowni słonecznych może prowadzić do obniżenia kosztów wszystkich systemów grzewczych opartych na energii słonecznej, pod warunkiem odpowiednio dużej powierzchni kolektorów. Wniosek jest jasny: energia słoneczna może stać się kluczową technologią w transformacji przemysłowego ogrzewania, pomagając przedsiębiorstwom zmniejszyć zależność od kosztów ciepła pochodzącego z innych źródeł energii.

Rola SHIP w strategiach dekarbonizacji

W obliczu rosnących potrzeb dekarbonizacji procesów przemysłowych, istnieje popyt na rozwiązania bezemisyjne, które mogą dostarczyć ciepło niezbędne do działania. Przemysł pilnie potrzebuje szybkich rozwiązań, aby wyeliminować emisje CO₂ w swoich systemach energetycznych, które obecnie opierają się głównie na paliwach kopalnych. Coraz większe znaczenie przybierają cele dotyczące zmian klimatycznych, co staje się głównym motywem dla przyjęcia technologii energii odnawialnej, szczególnie w kontekście wzrastających kosztów paliw kopalnych i energii elektrycznej. Choć bezpośrednia elektryfikacja oraz paliwa syntetyczne są brane pod uwagę w przypadku wysokich temperatur przekraczających 400°C, oczekuje się, że te nośniki energii mogą okazać się zbyt rzadkie i kosztowne dla aplikacji o niższym zapotrzebowaniu na ciepło, zwłaszcza gdy dostępne będą lepsze alternatywy.

W przeszłości technologie odnawialne konkurencję zaczynały jako samodzielne systemy, ale teraz obserwujemy zmianę kierunku w stronę systemów hybrydowych, gdzie integruje się różne źródła energii (takie jak SHIP, ciepło odpadowe, pompy ciepła, fotowoltaika, PVT, energia geotermalna oraz magazyny). W tym kontekście SHIP oferuje wiele korzyści dla systemów hybrydowych, w tym niskie koszty produkcji ciepła, korzystne wymagania dotyczące powierzchni instalacji i zintegrowane rozwiązania w zakresie magazynowania energii cieplnej. Technologia SHIP wyróżnia się jako kluczowy element kompleksowego rozwiązania grzewczego ze względu na niskie zapotrzebowanie na surowce krytyczne i wysokie wskaźniki recyklingu.

Duże magazyny ciepła pełnią kluczową rolę zarówno w samodzielnych systemach SHIP, jak i w systemach hybrydowych. Pozwalają one na dostosowanie profili podaży i popytu, co stanowi fundament dla efektywnego wykorzystania energii słonecznej. Magazynowanie energii umożliwia zwiększenie udziału energii słonecznej w całkowitym zaopatrzeniu w energię w sposób ekonomiczny, przenosząc dostarczanie ciepła uzyskiwanego z energii słonecznej na okresy o niskim nasłonecznieniu. Dzięki temu systemy te mogą być bardziej niezawodne i elastyczne, co przyczynia się do optymalnego wykorzystania odnawialnych źródeł energii.

Systemy SHIP cechują się elastyczną konstrukcją i mogą być łatwo zintegrowane z większością istniejących przemysłowych systemów zaopatrzenia w ciepło. Aby osiągnąć maksymalny wpływ, należy zintegrować system SHIP po stronie zasilania systemu wytwarzania ciepła w przedsiębiorstwie, uwzględniając przy tym specyficzne warunki, takie jak profil obciążenia, poziom temperatury i dostępność przestrzeni. Istnieją różne koncepcje integracji obejmujące różne branże, procesy i systemy zaopatrzenia w ciepło (Wytyczne dotyczące integracji, Zadanie B 2, Zadanie Aktualizacji Konsultacyjnej MAE nr 49, 2015 r.). Przykładowo, niemiecka norma VDI 3988 „słoneczne ciepło technologiczne” oferuje prostą, ale niezawodną metodologię do szybkiej pierwszej oceny projektu systemu SHIP, koncentrując się na zapotrzebowaniu na ciepło latem.

Jeśli dostępna jest większa przestrzeń, można zwiększyć powierzchnię kolektora słonecznego w celu wykorzystania ekonomii skali i zwiększenia frakcji wykorzystania energii słonecznej. Systemy SHIP wykazują znacznie wyższą sprawność konwersji energii słonecznej na ciepło w porównaniu z wytwarzaniem ciepła za pomocą grzejników oporowych zasilanych z instalacji fotowoltaicznych (PV). Wymagana powierzchnia instalacji dla systemu fotowoltaicznego jest ok. 2 do 3 razy większa niż dla instalacji SHIP. Ta przewaga systemowa ma szczególne znaczenie w zastosowaniach przemysłowych. W przypadku zastosowań niskotemperaturowych, ten efekt jest kompensowany przez wykorzystanie systemów PV z pompami ciepła.

Wymagane działania

W trakcie licznych dyskusji na spotkaniach ekspertów w ramach zadania 64 SHC zidentyfikowano szereg wyzwań oraz środków mających na celu zwiększenie wykorzystania ciepła słonecznego na rynku w procesach przemysłowych.

Wyzwanie	Konieczne działania	Działanie skierowane do
Ramy gospodarcze	SHIP jest inwestycją długoterminową, co może stanowić wyzwanie ze względu na sprzeczność z krótkoterminowymi horyzontami planowania w przemyśle. Aby wspierać rozwój i wdrażanie tej technologii, niezbędne są odpowiednie krajowe mechanizmy wsparcia: Długoterminowe i klarowne cele dotyczące redukcji emisji, ograniczenia stosowania paliw kopalnych oraz zwiększenia udziału ciepła odnawialnego w sektorze przemysłowym. Wprowadzenie znacznych cen uprawnień do emisji CO₂. Programy dotacji na inwestycje strategiczne (CAPEX) dla technologii SHIP, aby wspierać efekty krzywej uczenia się. Publiczne lub prywatne mechanizmy gwarancyjne wprowadzone w celu zmniejszenia ryzyka związanego z rentownością i zdolnością systemów ESCO oraz zmniejszenie kosztu kapitału do momentu, gdy rynek się ustabilizuje. Wsparcie studiów wykonalności w skali mocy liczonej w MW (najlepsze praktyki w Austrii).	Polityka, decydenci
Świadomość społeczna	Podnoszenie świadomości na temat roli SHIP w zapewnianiu niezawodnych dostaw ciepła bez emisji CO₂ po przewidywalnych kosztach niezależnych od rynków energii, a także o dużym udziale lokalnym. Zapewnienie bieżących informacji o firmach, stowarzyszeniach branżowych i polityce. Współpraca z renomowanymi firmami zajmującymi się inżynierią przemysłową aby umożliwić umieszczenie SHIP w ich standardowym portfolio  uwzględnienie integracji SHIP jako jednej z domyślnych technologii dekarbonizacji w badaniach, publikacjach i dyskusjach politycznych, aby przyczynić się do promocji tej technologii jako domyślnego, skutecznego środka walki ze zmianami klimatycznymi.	Firmy zajmujące się inżynierią przemysłową, przemysł wykorzystujący kolektory do wspierania ciepła procesowego w przemyśle (SHIP), badania i rozwój
Budowanie potencjału	Współpraca z firmami specjalizującymi się w inżynierii przemysłowej. Rozpowszechnienie szkoleń dla menedżerów ds. energii, inżynierów, projektantów i instalatorów, aby przyczynić się do stymulowania wzrostu rynku, zwłaszcza na wschodzących rynkach.	Badania i rozwój, SHIP
Narzędzia do planowania	Wsparcie dla dostępnego na rynku oprogramowania do planowania hybrydowych systemów SHIP, obejmującego pompy ciepła, kolektory słoneczne, kolektory skoncentrowane, systemy parowe oraz integrację z procesami przemysłowymi Weryfikacja narzędzi poprzez analizę danych operacyjnych oraz uwzględnienie wymogu raportowania danych dotyczących wydajności może pomóc w walidacji narzędzi i zmniejszeniu ryzyka związanego z ich stosowaniem.	Badania i rozwój, SHIP
Modułowość oraz standaryzacja konstrukcji	Standaryzacja rozwiązań typu plug-and-play dla SHIP oraz łatwa integracja i połączenie z innymi technologiami.	R&D, SHIP
Rozwiązania dla hybrydowych systemów grzewczych	Prace prowadzone przez SHC TCP mogą stanowić podstawę do ustanowienia oficjalnych wytycznych projektowych oraz opracowania szczegółowych wytycznych projektowych.	R&D, SHIP
Infrastruktura wysokiej jakości	Monitoring naukowy finansowanych dużych systemów i transfer wyciągniętych wniosków know-how. Opracowanie prostego systemu do wykrywania usterek.	Polityka, firmy zajmujące się energią słoneczną, badania i rozwój
Cięcia kosztów	Stałe wsparcie dla stosowanych prac badawczo-rozwojowych, aby zredukować koszty. Wykorzystanie efektu Think Big - tempa uczenia się oraz skalowania dla dużych projektów.	Badania i rozwój, firmy zajmujące się energią słoneczną, polityka, w tym agencje finansujące

 

Źródło: Raport pod agendą Międzynarodowej Agencji Energetycznej IEA – SHC „Energia słoneczna do procesów przemysłowych (SHIP)”, Styczeń 2024, opracowanie polskie SPIUG

Przeczytaj także:

• Ogrzewanie elektryczne - w jaki sposób zmniejszyć koszty ogrzewania?
• Panele fotowoltaiczne – czy użytkownik musi bać się pożaru?

Zapraszamy także do obejrzenia filmu
"Energia słoneczna"