Wielowariantowa analiza techniczno-ekonomiczna 
jako wstęp do optymalizacji systemów ciepłowniczych

Wstęp

Jednym z najważniejszych elementów polityki energetycznej w zakresie produkcji i dostaw ciepła, realizowanych na szczeblu regionalnym i lokalnym, jest rozwój scentralizowanych systemów ciepłowniczych opartych na źródłach kogeneracyjnych. Systemy te pozwalają na dostarczanie ciepła w sposób bardziej efektywny i ekologiczny niż kotłownie indywidualne. Przyczyniają się również do podnoszenia poziomu bezpieczeństwa energetycznego na obszarze, który obejmują zasięgiem swojego oddziaływania.

Obecny udział ciepła systemowego w krajowym systemie produkcji i dostaw ciepła klasyfikuje Polskę w czołówce europejskiej, jednak potencjał wykorzystania centralnych systemów ciepłowniczych wciąż jest duży. Z uwagi na wymogi unijnego i krajowego prawa w zakresie ochrony powietrza, odnawialnych źródeł energii i efektywności energetycznej, w polskim ciepłownictwie konieczne są inwestycje zarówno po stronie odbiorców, jak i wytwórców oraz dystrybutorów.
Aby maksymalnie wykorzystywać potencjał zawarty w już istniejących scentralizowanych systemach ciepłowniczych, należy świadomie planować inwestycje i modernizacje, które pozwolą zmniejszać koszty ich funkcjonowania, ale przede wszystkim zapewnią odbiorcom bezpieczeństwo dostaw ciepła.

Razem czy osobno

Zadanie planowania energetycznego w gminie zostało prawnie przypisane gminie w artykule 18 Ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 roku – Prawo energetyczne. Zgodnie z zapisami wspomnianej ustawy samorząd lokalny powinien posiadać i realizować lokalną politykę i strategię energetyczną. Na mocy tej ustawy samorząd jest zobowiązany do prowadzenia procesu planowania energetycznego.
Ustawa reguluje ponadto etapy i zakres planowania energetycznego przez procedurę tworzenia, opiniowania i uchwalania planów jako lokalnych dokumentów prawnych.
Na lokalnym rynku energii ważą się interesy: publiczny – organizacji i planowania zaopatrzenia w energię (ładu energetycznego) i komercyjny – przedsiębiorstw energetycznych ukierunkowanych na maksymalizację zysku ze swojej działalności. Dobrze jest jeżeli wyważenie tych interesów powstaje w duchu wzajemnego zrozumienia i w sposób kompromisowy, zaspokajając przez to potrzeby obu Stron. Temu najlepiej sprzyjać będzie forma platformy współpracy w tworzeniu i realizacji założeń oraz planu zaopatrzenia gminy w energię.
W tym obszarze można wyróżnić cztery główne pola współpracy i wzajemnego oddziaływania gmin i przedsiębiorstw energetycznych:

• diagnoza stanu istniejącego i prognoza zapotrzebowania na paliwa i energię,
• modernizacja i budowa źródeł energii i sieci energetycznych, ze szczególnym uwzględnieniem źródeł odnawialnych i kogeneracji,
• efektywne wykorzystanie wytworzonej energii,
• działania ukierunkowane na zdefiniowanie sposobów finansowania i opracowanie harmonogramów realizacji przedsięwzięć.

Pola współpracy powinny zapewnić pokrycie całej struktury planów gmin i przedsiębiorstw. Przedsiębiorstwa energetyczne są więc jednym z najważniejszych partnerów do współpracy przy zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego na obszarze gminy i opracowaniu założeń i planów w zakresie zaopatrzenie jej w energię.

W krajowych warunkach funkcjonowania systemów ciepłowniczych mamy do czynienia z dwoma wariantami własności poszczególnych elementów całego systemu ciepłowniczego, które decydują o podejmowanych przez przedsiębiorstwa ciepłownicze działaniach modernizacyjnych.
W pierwszym wariancie przedsiębiorstwo ciepłownicze zajmuje się tylko dystrybucją ciepła wytwarzanego w źródle lub źródłach, które stanowią odrębne (niepowiązane z nim finansowo) podmioty gospodarcze. Analiza działań modernizacyjnych jest wtedy prowadzona przez każdy z podmiotów niejako oddzielnie, z uwzględnianiem istotnych dla niego uwarunkowań rynkowych, jednakże nie może ona zostać przygotowana w oderwaniu od warunków pracy drugiego, powiązanego technicznie i technologicznie podmiotu.
W drugim wariancie przedsiębiorstwo ciepłownicze posiada zarówno jednostki wytwórcze zlokalizowane w jednym lub kilku źródłach, jak i sieci ciepłownicze, za pomocą których dystrybuuje ciepło do odbiorców.
W zależności od rozpatrywanego wariantu należy wziąć pod uwagę różne cele działań modernizacyjnych, które będą realizowane przez poszczególne podmioty – dystrybutora, wytwórcę lub przedsiębiorstwo łączące produkcję i dystrybucję w jednym podmiocie gospodarczym.

Planując procesy inwestycyjne i/lub modernizacje i chcąc optymalizować skutki podjętych działań w zakresie funkcjonowania przedsiębiorstwa ciepłowniczego dystrybuującego ciepło należy dokonać przede wszystkim analizy aktualnego rynku ciepła w celu sporządzenia prognozy zapotrzebowania na ciepło, a także ocenić istniejącą sieć ciepłowniczą i przygotować scenariusze dalszego rozwoju dostosowane do danej sytuacji rynkowej. W tym wariancie uwarunkowania dotyczące pracy źródła ciepła nie powinny zostać pominięte, ale mogą być ograniczone do szacunkowych analiz dostępności mocy cieplnej w źródle i pewności zasilania w ciepło w przyszłości. Bardzo istotne w tej sytuacji jest posiadanie przez dystrybutora ciepła wiarygodnych i pewnych informacji dotyczących uwarunkowań formalno-prawnych, w jakich będzie w przyszłości funkcjonować dostawca/wytwórca ciepła. W tym celu należy przeprowadzić analizę pracy sieci ciepłowniczej w różnych warunkach zasilania w ciepło, która powinna dać odpowiedź na pytanie dotyczące konieczności rozważenia poszukiwań innego dostawcy ciepła (co w większości systemów, zwłaszcza tych mniejszych, jest nierealne) lub budowy nowego źródła, które będzie odpowiadać wymogom środowiskowym oraz pozwoli na zachowanie ciągłości i bezpieczeństwa dostaw ciepła do odbiorców. Zwłaszcza w tym drugim przypadku zarówno przedsiębiorstwo ciepłownicze, jak i lokalny samorząd stają przed bardzo poważnym wyzwaniem warunkującym byt przedsiębiorstwa, który jednakże jest bezpośrednio powiązany z bezpieczeństwem dostaw ciepła dla lokalnej społeczności. Budowa nowego źródła wymaga podjęcia przemyślanych działań pod względem skali (mocy dyspozycyjnej) źródła, rodzaju zastosowanej technologii i musi być poparta zarówno szczegółową analizą techniczno-ekonomiczną, która uwzględni koszty inwestycyjne, eksploatacyjne oraz wskaże potencjalne źródła finansowania inwestycji. Tym bardziej, że w skali możliwości finansowych samorządu lokalnego koszty wybudowania nowego źródła będą bardzo istotnym czynnikiem warunkującym wybór technologii.

Nieco innym zakresem analiz powinno być zainteresowane przedsiębiorstwo tylko eksploatujące istniejące źródło ciepła. Założenia dotyczące rynku ciepła w przyszłości i potencjalnego rozwoju sieci ciepłowniczej stanowią w tym wariancie dane wejściowe do modelu analitycznego pracy źródła ciepła, które należy uzyskać od dystrybutora ciepła, chociażby w postaci prognoz mocy zamówionej i jej zmian w przyszłości. Pozwoli to na racjonalne planowanie remontów i/lub modernizacji źródeł istniejących i inwestycji w nowe źródła, co wymaga przeprowadzenia również analizy ekonomicznej planowanych zakupów i inwestycji w moce wytwórcze.
W tym wypadku przedsiębiorstwo posiadające źródło powinno przeanalizować również wariant modernizacji uwzględniający możliwość przejęcia (wykupienia) na własność sieci ciepłowniczych, dla których są dostawcą ciepła oraz korzyści i wady wynikające z tego przejęcia.

Najszerszy zakres analiz będzie obejmował planowanie działań inwestycyjnych i/lub modernizacyjnych w przypadku funkcjonowania przedsiębiorstwa ciepłowniczego równocześnie wytwarzającego i dystrybuującego ciepło. Poza wymienionymi powyżej analizami rynku ciepła, oceny istniejącej sieci ciepłowniczej oraz scenariuszy ich rozwoju koniczne jest uwzględnienie uwarunkowań dotyczących pracy źródła ciepła w przyszłości.

Z ekonomicznego punktu widzenia wytwórca ciepła będzie miał podstawy do podejmowania zasadnych działań modernizacyjnych lub zmierzających do odtworzenia mocy dyspozycyjnej źródła tylko w sytuacji, kiedy przedsiębiorstwo dystrybucyjne będzie skłonne podpisać co najmniej 10-letnią umowę na odbiór ciepła. Brak takiej umowy lub realnych perspektyw jej podpisania bardzo skutecznie hamuje i ogranicza lub wręcz przeciwdziała podejmowaniu jakichkolwiek działań modernizacyjnych, co w świetle nieuchronności upływu czasu działa na niekorzyść zarówno dystrybutora, jak i wytwórcy ciepła. Niestety mamy w kraju przykłady takich działań w zawieszeniu, które z biegiem czasu mogą nawet grozić brakiem możliwości zapewnienia dostaw ciepła do nieświadomych zagrożenia odbiorców.
Takie rozważania mają oczywiście sens tylko przy założeniu, że przedsiębiorstwo jest zainteresowane kontynuowaniem działalności w zakresie dostaw ciepła, a źródło jest tylko jednym z narzędzi służących do tego celu. W tym miejscu nie bez znaczenia jest również struktura właścicielska podmiotu. W sytuacji kiedy właścicielem sieci ciepłowniczych jest np. spółka miejska, niejako z urzędu jest ona zobowiązana do zapewnienia mieszkańcom dostaw m.in. ciepła, zgodnie z obowiązkami narzuconymi przez obowiązujące przepisy prawne. Nieco inaczej wygląda sytuacja, kiedy właścicielem sieci ciepłowniczych jest firma, której podstawową przesłanką jest osiąganie zysku dla swoich właścicieli. Powstaje w tej sytuacji bardzo istotne pytanie: czy takie przedsiębiorstwo będzie zainteresowane utrzymaniem dostaw ciepła do odbiorców, jeżeli jedynym kryterium pozostanie kryterium dbałości o wizerunek lub kryterium ludzkie (konieczność zaspokojenia potrzeb mieszkańców)? Wydaje się, że nawet jeżeli takie kryteria zostaną przyjęte za najważniejsze i uzasadniające funkcjonowanie przedsiębiorstwa, to w stosunkowo krótkim czasie udziałowcy podejmą działania w kierunku wzrostu ceny za dostarczane ciepło lub zakończą działalność, do której nie będą chcieli w nieskończoność dopłacać. Tak więc w perspektywie zaledwie kilku lat – biorąc pod uwagę przepisy prawne, które zaczną obowiązywać od 1 stycznia 2016 roku – część przedsiębiorstw dystrybucyjnych, a więc w efekcie końcowym pośrednio również gmin, stanie przed problemem zapewnienia ciągłości i bezpieczeństwa dostaw ciepła. Będzie to problem poważny, ze względu na skalę działań modernizacyjnych niezbędnych do podjęcia w szeroko pojętym krajowym systemie ciepłowniczym, które w prosty sposób przekładają się na wielkość środków finansowych niezbędnych do zainwestowania przede wszystkim w źródła.
Podsumowując, należy wyraźnie stwierdzić, że niezależnie od tego czy na problem zapewnienia dostaw ciepła spojrzymy z pozycji dystrybutora czy z pozycji wytwórcy, to w celu podjęcia świadomej i odpowiedzialnej decyzji w odniesieniu do zakresu modernizacji zarówno źródeł, jak i sieci należy się do nich odpowiednio przygotować. Należy wypracować i przeanalizować realne (również najbardziej niekorzystne) scenariusze pracy źródeł oraz ich współpracy z sieciami, np. w oparciu o wykaz zagadnień przedstawionych poniżej.

Co analizować i optymalizować

Poniżej przedstawiono zakres analiz, jakie należy przeprowadzić w celu właściwego określenia stanu początkowego w procesie modernizacji i rozwoju systemu ciepłowniczego na danym obszarze oraz pozwalających na wybór odpowiedniego – w danych warunkach – kierunku rozwoju systemu ciepłowniczego. Niniejsze rozważania są kompilacją doświadczeń, jakie na drodze realizacji prac w zakresie systemów ciepłowniczych pozwoliły na opracowanie wniosków i zaleceń pozwalających na uzyskanie kompletnego obrazu stanu rzeczy i wypracowania możliwych kierunków działań. W tym celu należy opracować:

• analizę rynku ciepła, która powinna wskazać kierunek zmian zapotrzebowania na ciepło na rozpatrywanym obszarze już objętym przez sieć lub potencjalnie możliwym do przyłączenia do sieci w przyszłości,
• analizę sieci, której wynikiem będzie lista działań modernizacyjnych i inwestycyjnych pozwalających na bezpieczną jej eksploatację w obecnych warunkach i ewentualny rozwój badanego systemu ciepłowniczego,
• analizę źródeł, której wynikiem będzie m.in. lista działań zapewniających bezpieczeństwo i pewność dostaw ciepła do współpracującego z nimi systemu ciepłowniczego,
• analizę ekonomiczną, która od strony kosztowej będzie uzasadniać wypracowane wcześniej warianty techniczne w obrębie sieci i źródeł,
• obliczenia tzw. efektu ekologicznego, czyli zmiany emisji zanieczyszczeń możliwych do uzyskania po wprowadzeniu w życie wytypowanych działań modernizacyjnych i inwestycyjnych.

Analiza rynku ciepła

W celu wyboru optymalnego rozwiązania zaopatrzenia w ciepło, uwzględniającego szereg uwarunkowań lokalnych, właściwych dla danej gminy, powinno się w pierwszej kolejności oszacować wielkość lokalnego rynku ciepła.
Studium rynku ciepła można wykonać zgodnie z etapami przedstawionymi na rysunku 1. Realizując rzetelnie poszczególne jego punkty, możliwe będzie uzyskanie odpowiedzi na pytanie dotyczące dalszego kierunku postępowania w zakresie gospodarki energetycznej gminy.

Rys. 1. Etapy opracowywania studium rynku ciepła

Przed przystąpieniem do szczegółowych analiz należy określić granice obszaru, którego analiza ma dotyczyć. Dla gminy naturalnym obszarem analizy rynku ciepła jest teren mieszczący się w jej granicach administracyjnych. Obszar ten dzieli się na mniejsze powierzchnie takie jak np. dzielnice oraz inne – ważne ze względu na obecność sieci ciepłowniczej (nie zawsze pokrywają się one w 100% z osiedlami). Z tego względu na potrzeby studium zaleca się utworzenie Energetycznych Jednostek Bilansowych (EJB) – jednostek terenowych gminy, których kryterium określenia granic jest istniejący i dominujący sposób zaopatrywania w ciepło oraz w miarę możliwości podobna zabudowa (na przykład zabudowa mieszkaniowa jednorodzinna, wielorodzinna, handel i usługi, przemysł itp.).
Gromadzenie wiedzy o historycznym i aktualnym zapotrzebowaniu na moc cieplną na terenie wszystkich wyznaczonych Jednostek Bilansowych jest bardzo ważne z punktu widzenia prognozowania oraz planowania struktury zaopatrzenia. Zgromadzenie rzetelnych danych z analizowanego obszaru umożliwi prawidłowe oszacowanie zapotrzebowania w uzasadnionym horyzoncie czasowym oraz pozwoli na opracowanie właściwych strategii zmian w strukturze źródeł zaopatrzenia w ciepło.
Podstawowymi i najbardziej wartościowymi źródłami danych dla potrzeb określenia wielkości rynku ciepła są archiwa przedsiębiorstw energetyki cieplnej wytwarzających, przesyłających i dystrybuujących ciepło na obszarze gminy (Jednostek Bilansowych).
Kolejnymi źródłami pomagającymi w pozyskaniu jak najbardziej kompletnych danych (niekoniecznie o dużym stopniu szczegółowości) są materiały dostępne w zakresie Narodowego Powszechnego Spisu Ludności i Mieszkań, a także Powszechnego Spisu Rolnego. Można z nich uzyskać informacje dotyczące poszczególnych gmin. Wprawdzie są to jedynie dane globalne odnoszące się do całej powierzchni gminy, niemniej jednak z punktu widzenia szacowania rynku ciepła stanowią one znaczące uzupełnienie w obszarach, w których dane uzyskane z podmiotów działających na terenie gminy okażą się niekompletne.
Kolejnym, ważnym krokiem jest zdobycie danych o zużyciu i strukturze energii oraz wielkości odniesienia (powierzchnia ogrzewana, wielkości produkcji i usług) użytkowników energii cieplnej. Wśród danych potrzebnych do określenia rynku ciepła i stworzenia prognozy jego wielkości w najbliższym horyzoncie czasowym należy wyróżnić:

• zużycie ciepła,
• zużycie nośników energii ogółem oraz z podziałem na obiekty (energia elektryczna, gaz ziemny, ciepło sieciowe, olej opałowy, gaz ciekły, paliwa stałe: węgiel, koks, paliwa płynne, biomasa),
• jednostkowe zużycie energii ogółem i z podziałem na obiekty,
• udział bezpośredniego zużycia paliw stałych w urządzeniach grzewczych,
• udział lokalnych źródeł energii w zaopatrzeniu gminy w energię,
• ceny poszczególnych nośników energii na terenie gminy,
• rok budowy budynków,
• informacje o przeprowadzonych termomodernizacjach.

Prognozowanie wielkości rynku ciepła w oparciu o sektor budownictwa mieszkaniowego należy uzupełnić wiedzą na temat głównych odbiorców ciepła zlokalizowanych na terenie danej gminy. Informacje takie można uzyskać za pomocą specjalnie przygotowanych w tym celu formularzy (ankiet), które powinny poszerzyć zakres analizy i zbudować obraz rynku ciepła na obszarze niepokrytym przez scentralizowany system ciepłowniczy, którego właściciel powinien być podstawowym i najważniejszym źródłem danych.

W celu uzyskania odpowiedniej jakości danych należy doprecyzować w ankietach format danych, o które występuje się do podmiotów. Należy mieć na uwadze cel takiego studium – określenie obecnych oraz przyszłych potrzeb cieplnych mieszkańców regionu. Do tego nie są bowiem konieczne dane o dużym stopniu szczegółowości, lecz zagregowane, dotyczące danego obszaru rynku (np. tereny obsługiwane przez spółdzielnie), ze szczególnym nakreśleniem planów związanych z działaniami istotnie wpływającymi na zapotrzebowanie na ciepło, np. przedsięwzięciami termomodernizacyjnymi. Bez tak sprecyzowanych planów, studium może okazać się niekompletne i przedstawi tylko historyczny trend kształtowania się zapotrzebowania na ciepło, bez trendu prognozowanego.

Planowanie studium rynku ciepła można wykonać w oparciu o poniższe scenariusze:

• scenariusz gospodarki pasywnej – brak zaangażowania w zapewnienie bezpieczeństwa dostaw energii, obniżanie cen energii, rozwój mieszkalnictwa, realizację programów zmniejszenia zużycia ciepła,
• scenariusz gospodarki aktywnej – zaangażowanie w rozwój przemysłu i usług, rozwój mieszkalnictwa, formułowanie cen ciepła, realizację programów racjonalizacji zużycia ciepła,
• scenariusz dotychczasowy – realizacja bieżących programów w przyszłości; taki scenariusz zbliżony może być do poprzednich scenariuszy,
• scenariusz rozwoju społeczno-ekologicznego – wysokie zaangażowanie w realizację celów polityki energetycznej, ekologicznej i społecznej, przyszły rozwój systemów zaopatrzenia w ciepło mający na uwadze niższe koszty realizacji.

Mając świadomość, że zaopatrzenie w ciepło ulega zmianom ilościowym i jakościowym, można przejść do właściwej części etapu prognozowania. Ustalenie trzech scenariuszy zmian zapotrzebowania na ciepło daje dobry pogląd na możliwą sytuację gminy w różnych okolicznościach rozwoju gospodarczego – zrównoważonego, wzrostu i spadku. Sporządzenie trzech scenariuszy dla gminy jest istotne, ponieważ daje pełniejszy pogląd na możliwe zmiany w najbliższym horyzoncie czasowym. W obliczu następujących na bieżąco zmian gmina jest na nie przygotowana, a dostosowanie się do aktualnych potrzeb jest łatwiejsze, ponieważ odpowiednie plany zostały przygotowane wcześniej.

Analiza sieci ciepłowniczych

Wykonanie analizy sieci ciepłowniczej ma na celu identyfikację oraz ocenę badanej sieci ciepłowniczej wraz z przygotowaniem scenariuszy dalszego jej rozwoju – jeżeli taka potrzeba została potwierdzona na podstawie analizy rynku, na terenie którego sieć ta jest zlokalizowana. W tym zakresie najlepiej jest opracować model matematyczny sieci ciepłowniczej pozwalający na przeanalizowanie dowolnych scenariuszy rozwoju badanego obszaru, związanych zarówno z rozwojem sieci (modernizacje magistral, przyłączenia nowych odbiorców), jak i jej źródeł zasilania (modernizacje ciepłowni, elektrociepłowni).
Głównymi celami analiz powinny być wzrost efektywnego zarządzania siecią ciepłowniczą na terenie badanego obszaru oraz doradztwo przy wyborze niezbędnych zadań inwestycyjnych prowadzących do zwiększenia sprawności produkcji i przesyłu ciepła oraz bezpieczeństwa dostaw ciepła i niezawodności systemu ciepłowniczego.

Ważnym elementem całej analizy jest zgromadzenie danych wejściowych pozwalających na jednoznaczną identyfikację badanej sieci w zakresie:

• inwentaryzacji rurociągów (średnic, długości, technologii wykonania i czasu eksploatacji izolacji termicznej, stanu technicznego rurociągów), z uwzględnieniem podziału na sieć magistralną i rozdzielczą,
• wzajemnego położenia węzłów ciepłowniczych w sieci (w tym wysokości położenia węzłów w stosunku do źródła, z którego są zasilane),
• umiejscowienia źródła lub źródeł ciepła oraz ich zdolności produkcyjnych,
• wymaganego ciśnienia zasilania i powrotu – ciśnienia dyspozycyjnego w każdym z węzłów ciepłowniczych sieci,
• wymaganego zapotrzebowania na ciepło u odbiorców,
• pracy układów pompowych na sieci ciepłowniczej (w tym energochłonności pompowni współpracującej z siecią).

Warto tutaj zwrócić uwagę na fakt, że w przypadku przedsiębiorstwa dystrybucyjnego ważna jest możliwa wielkość zmiany mocy osiągalnej w źródle lub źródłach w ciągu kilku najbliższych lat oraz wysokość kosztów zakupu ciepła w źródle. Pierwszy element decyduje o możliwości zapewnienia bezpieczeństwa dostaw ciepła, a drugi mówi o tym, ile to bezpieczeństwo będzie kosztować. Zmiana mocy osiągalnej w źródle jest bardzo istotnym elementem analizy, który w świetle zapowiadających się zmian w przepisach dotyczących limitów emisji zanieczyszczeń w krańcowych przypadkach będzie warunkował możliwość funkcjonowania przedsiębiorstwa dystrybucyjnego w ogóle.

Zebrane dane powinny stanowić bazę do opracowania modelu matematycznego sieci ciepłowniczej umożliwiającego symulację dowolnych, możliwych technicznie zmian w sieci. Model cieplno-przepływowy powinien składać się z dwóch wzajemnie uzupełniających się modułów:

• hydraulicznego – umożliwiającego obliczenie m.in. oporów hydraulicznych w układzie, ciśnień dyspozycyjnych, przepustowości rurociągów oraz uwzględniającego skutki przyłączania nowych odbiorców w różnych krytycznych punktach sieci oraz pracy kilku źródeł na zmienne obszary zasilania,
• cieplnego – umożliwiającego obliczenie parametrów wymaganych na źródle lub źródłach i w istotnych punktach sieci w sytuacji zmiany zapotrzebowania na ciepło (zarówno jego zwiększenia, jak i zmniejszenia), wyznaczenie strat ciepła w układzie w zależności od parametrów sieci powiązanych z warunkami atmosferycznymi oraz zmiany strat ciepła z tytułu modernizacji wybranych odcinków sieci.

Działające w systemach ciepłowniczych aplikacje GIS (Geographic Information System) zawierają rzeczywiste parametry techniczne dotyczące budowy sieci ciepłowniczych w zakresie ich topografii oraz charakterystyki węzłów, które to dane w stosunkowo łatwy sposób można wykorzystać do budowy opisywanego modelu. Wielkościami hydraulicznymi ograniczającymi model (wprowadzonymi jako warunki niezbędne do fizycznego funkcjonowania sieci) są wielkości wymaganych dyspozycji ciśnienia w węzłach ciepłowniczych. Tak zbudowany model hydrauliczny sieci należy poddać walidacji, bazując na rzeczywistych danych pomiarowych z modelowanego obszaru sieci. Do procesu walidacji niezbędne są także dane dotyczące źródła oraz węzłów ciepłowniczych, które w większości przypadków zawierają niezbędne układy pomiarowe (pomiar ciśnienia dyspozycyjnego). Dzięki wykorzystaniu do obliczeń metod statystycznych można określić stopień zgodności wartości generowanych przez model z rzeczywistą siecią ciepłowniczą.

W symulacjach hydraulicznych przyjmuje się następujące założenia:

• ciśnienie w układzie w żadnym punkcie układu nie może przekroczyć maksymalnego dopuszczalnego ciśnienia w rurociągu ciepłowniczym,
• ciśnienie w układzie nie może przekroczyć ciśnienia parowania w żadnym punkcie z zachowaniem odpowiedniego marginesu bezpieczeństwa (nadwyżki antykawitacyjnej),
• ciśnienie dyspozycyjne w węzłach nie może być mniejsze niż obecnie stosowane na końcówkach sieci.

Opisany model matematyczny sieci ciepłowniczej stanowi narzędzie obliczeniowe pozwalające na przeprowadzanie wielowariantowych symulacji dla różnych układów pracy sieci i parametrów powiązanych ze zmienną temperaturą zewnętrzną. W wyniku tych kalkulacji uzyskuje się takie dane jak:

• ciśnienia zasilania i powrotu we wszystkich punktach analizowanej sieci,
• ciśnienia dyspozycyjne u odbiorców,
• opory hydrauliczne na poszczególnych odcinkach sieci,
• rozpływy wody w magistralach i do poszczególnych odbiorców,
• wymagana wydajność układów pompowych w źródle,
• energochłonność układu pompowego,
• straty ciepła sumaryczne i w poszczególnych odcinkach sieci.

Analiza źródeł

W przypadku sieci współpracującej z jednym źródłem analiza powinna dotyczyć przede wszystkim dostępności źródła i zmian jego mocy dyspozycyjnej w świetle obowiązujących przepisów, zwłaszcza tych, które w perspektywie kilku najbliższych lat mogą znacząco ograniczyć zdolności produkcyjne, wymuszając odstawienie starych, ale jeszcze niewyeksploatowanych jednostek wytwórczych. Na podstawie analiz w tym zakresie ich wykonawca powinien przygotować bilans układu w poszczególnych latach – zapotrzebowanie na ciepło wynikające z mocy zamówionej przez odbiorców oraz moc dyspozycyjną (osiągalną) w źródle – który pozwoli zdefiniować nadwyżki lub niedobory mocy w systemie.
W dalszej kolejności należy przeanalizować sposób eksploatacji urządzeń wytwórczych i zaproponować taki układ pracy, który będzie pozwalał na najbardziej efektywne technicznie i ekonomicznie wykorzystywanie posiadanych zasobów.
Szerszy zakres analiz i możliwych do zaproponowania zmian będzie dotyczył przypadku, kiedy sieć ciepłownicza jest zasilana z kilku źródeł. Wówczas wiele zależy od sytuacji własnościowej dotyczącej przedmiotu analizy. Jeżeli do sieci ciepłowniczej przyłączone są źródła, które nie są powiązane z przedsiębiorstwem ciepłowniczym objętym analizą, wówczas o dalszym rozwoju sieci (przyłączanie nowych odbiorców) decydować będzie przede wszystkim argument ekonomiczny – cena GJ ciepła oferowana przez wytwórców. Łączna analiza pracy sieci i źródeł powinna dać odpowiedź na pytanie, czy można np. przesunąć granice zasilania danego źródła, aby dopasować obszar zasilany do wielkości mocy zamówionej lub zapewnić bezpieczeństwo dostaw ciepła w sytuacjach awaryjnych w przypadku ogólnym.
Jeżeli źródło lub źródła i sieci znajdują się w jednej grupie właścicielskiej powstaje możliwość dywersyfikacji dostaw ciepła w zależności od stanu technicznego źródeł (remont, wypadnięcie awaryjne lub konieczność wyłączenia np. ze względów środowiskowych, przejęcie obszaru na czas budowy nowego źródła), czyli praca źródeł na zmienne obszary zasilania. Pierwszoplanowym zadaniem będzie oczywiście dociążanie „swoich” źródeł kosztem źródeł obcych, z uwzględnieniem zdolności produkcyjnych i ograniczeń wynikających z umów z poszczególnymi podmiotami. Analiza taka wymusza oczywiście konieczność zbadania warunków pracy układów pompowych, które współpracują z sieciami i źródłem. Będzie to istotne nie tylko w przypadku „eksperymentowania” z obszarami zasilania. Otoczenie techniczne i założenia w zakresie rozwoju przyjmowane podczas projektowania i budowy większości sieci ciepłowniczych w Polsce w minionej epoce, zwłaszcza w dużych miastach i aglomeracjach, oraz działania związane z energooszczędnością podejmowane ze strony użytkowników (np. termomodernizacja) spowodowały, że znacząca większość eksploatowanych systemów jest przewymiarowana. Dodatkowo do tej pory układy były eksploatowane najczęściej przy współpracy z pompami o stałej wydajności. Prowadzone obecnie prace analityczne muszą uwzględniać powyższe uwarunkowania i skomentować wpływ zmiany warunków pracy na wskaźniki charakteryzujące pracę sieci w poszczególnych punktach, zwłaszcza tych tzw. krytycznych, które warunkują pewność dotrzymania wymaganych parametrów wody sieciowej. Jednym z wyników analiz powinny być wytyczne odnośnie pracy układu, np. po modernizacji pomp wody sieciowej, pozwalające odpowiedzieć na pytanie odnośnie konieczności zmian niezbędnych do wdrożenia wraz z określeniem założeń technicznych do przetargu na modernizację.

Analiza ekonomiczna

Ocena efektywności inwestycji jest procesem złożonym i wieloetapowym obejmującym szereg analiz i obliczeń. Poniżej szerzej opisano jeden z elementów procesu inwestycyjnego, jakim jest przygotowanie rachunku efektywności inwestycji. Z reguły opracowanie takiej oceny polega na przygotowaniu modelu ekonomicznego badanego przedsięwzięcia, np. z wykorzystaniem arkusza kalkulacyjnego.
Na rysunku 2 przedstawiono graficzną ilustrację modelu ekonomicznego, który w dużym uproszczeniu obrazuje poszczególne etapy obliczeniowe.

Rys. 2. Graficzna ilustracja modelu ekonomicznego przedsięwzięcia

Prawidłowo sporządzona ocena efektywności inwestycji, stanowiąca podstawę podjęcia decyzji inwestycyjnej, powinna obejmować co najmniej dwie analizy, tj.:

• analizę opłacalności inwestycji dostarczającą informacji o poziomie opłacalności badanej inwestycji;
• analizę ryzyka inwestycji koncentrującą się na zagadnieniach związanych z poziomem ryzyka obciążającego przedsięwzięcie inwestycyjne, którego realizacja na skutek wystąpienia pewnych niezależnych od nas zjawisk mogłaby zostać zakłócona.

Obie analizy są równie ważne, a ich łączne zastosowanie daje pełniejszy obraz efektywności ekonomicznej badanej inwestycji. Poniżej omówione zostały najistotniejsze kwestie dotyczące budowy modelu ekonomicznego służącego do badań efektywności projektów inwestycyjnych.

Na potrzeby oceny opłacalności niezbędne jest sporządzenie projekcji finansowej bazującej na rachunku przepływów pieniężnych (ang. cash flow). Analiza opłacalności dokonywana jest najczęściej przed podjęciem decyzji o realizacji projektu, a więc ma charakter prospektywny. Oznacza to, że rachunek efektywności oparty jest na wartościach prognozowanych. Prognozowane strumienie pieniężne uwzględniające zarówno przewidywane wydatki, jak i wpływy z inwestycji wyznacza się oddzielnie dla każdego cząstkowego okresu prognozy (najczęściej roku obliczeniowego), którym objęto projekcję finansową. Zgodnie z zasadą przyrostowości, do ich oszacowania powinny być brane pod uwagę tylko przepływy ściśle związane z inwestycją. Właściwe zestawienie przepływów pieniężnych jest podstawowym warunkiem poprawności przeprowadzonej oceny opłacalności inwestycji. Do oceny opłacalności inwestycji najczęściej wykorzystuje się określone mierniki finansowe, które w zależności od podejścia uwzględniania czynnika czasu klasyfikuje się w dwóch grupach metod:

• metody proste,
• metody dyskontowe.

Każdy proces inwestycyjny narażony jest na określone czynniki ryzyka, których zaistnienia nie sposób przewidzieć i wyeliminować. Inwestor może jednak zbadać wpływ wystąpienia pewnych niepożądanych zjawisk ekonomicznych na stabilność i wynik projektu. W tym celu nieodzownym narzędziem w ocenie efektywności inwestycji jest analiza ryzyka, która może być przeprowadzana za pomocą różnych technik. Najpopularniejsze z nich to analiza wrażliwości i analiza scenariuszowa. W niniejszym rozdziale zaakcentowano jednak istotę analizy wrażliwości, nie rozwijając przy tym problematyki analizy scenariuszowej, która z reguły stosowana jest wspomagająco przy analizie wrażliwości.
Pierwszym krokiem analizy wrażliwości jest identyfikacja czynników ryzyka. Kolejnym 
i najważniejszym etapem analizy jest badanie wpływu na projekt odchyleń zidentyfikowanych wcześniej czynników ryzyka od wartości prognozowanych, co w konsekwencji prowadzić będzie do odchylenia oszacowanego poziomu opłacalności inwestycji.

Do badania wrażliwości mierników opłacalności inwestycji najczęściej wykorzystuje się następujące zmienne:

• (wzrost/spadek) wielkości przychodów ze sprzedaży;
• (wzrost/spadek) wielkości kosztów operacyjnych;
• (wzrost/spadek) wielkości nakładów inwestycyjnych;
• (wzrost/spadek) stopy dyskontowej.

Analiza scenariuszy pozwala dokonać pomiaru ryzyka inwestycyjnego przy użyciu określonych wariantów scenariuszowych będących kombinacją kilku zmiennych modelu ekonomicznego. Wielkości i kierunki odchyleń zmiennych w tym przypadku zależeć będą od rodzaju scenariusza, w którym są uwzględnione. W najprostszym ujęciu konstruowane są trzy warianty scenariuszy:

• optymistyczny;
• bazowy;
• pesymistyczny.

U podstaw tej koncepcji analizy ryzyka leży założenie, iż jego pomiar jest możliwy poprzez oszacowanie rozproszenia możliwych wyników wokół danej wartości oczekiwanej. W tym celu konieczne jest ustalenie rozkładu prawdopodobieństwa dla poszczególnych wariantów scenariuszowych oraz oszacowanie za pomocą metod statystycznych wartości oczekiwanej, wariancji oraz odchylenia standardowego badanej zmiennej bazowej (np. NPV).

Podsumowanie

W artykule omówiono obszar podejmowanych działań modernizacyjnych z uwzględnieniem sytuacji własnościowej poszczególnych elementów całego systemu ciepłowniczego, która istotnie wpływa na obszar zainteresowań przedsiębiorstw ciepłowniczych – dystrybucyjnych i wytwórczych.
Należy wyraźnie stwierdzić, że niezależnie od tego czy na problem zapewnienia dostaw ciepła spojrzymy z pozycji dystrybutora czy z pozycji wytwórcy, to w celu podjęcia świadomej i odpowiedzialnej decyzji w odniesieniu do zakresu modernizacji (zarówno źródeł, jak i sieci) należy się do nich odpowiednio przygotować. W tym celu przedstawiono i omówiono zakres analiz koniecznych do przeprowadzenia w celu właściwego określenia stanu początkowego w procesie modernizacji i rozwoju systemu ciepłowniczego na danym obszarze oraz pozwalających na wybór odpowiedniego – w danych warunkach – kierunku rozwoju systemu ciepłowniczego.

Artykuł ukazał się w materiałach konferencyjnych „XVII Forum Ciepłowników Polskich” zorganizowanego przez Izbę Gospodarczą Ciepłownictwo Polskie w Międzyzdrojach w dniach 15–18 września 2013 r.