Wpływ cen uprawnień do emisji CO2 na polski system wytwórczy analiza krótkoterminowa przy wykorzystaniu usługi ModWEEL

Transkrypt

1 Monika Orzechowska 1, Marcin Malec 2, Przemysław Kaszyński 3 IGSMiE PAN Wpływ cen uprawnień do emisji CO2 na polski system wytwórczy analiza krótkoterminowa przy wykorzystaniu usługi ModWEEL Wprowadzenie Istotę prezentowanego cyklu publikacji ( Krótkoterminowa analiza zmian struktury wytwórczej polskiego sektora elektroenergetycznego przy użyciu usługi ModWEEL [3], oraz Wpływ cen uprawnień do emisji CO2 na polski sektor wytwórczy analiza krótkoterminowa przy wykorzystaniu usługi Mod- WEEL ) stanowi analiza zmian struktury wytwórczej polskiego sektora elektroenergetycznego opracowana za pomocą narzędzia - Model Sektora Wytwarzania Energii Elektrycznej (ModWEEL). ModWEEL jest usługą dostępną w zasobach Polskiej Infrastruktury Gridowej (PL-Grid), wykorzystującą krótkoterminowy model matematyczny, w którym zaimplementowano podejście mieszano-całkowitoliczbowe [7]. Pierwszy z cyklu artykułów zawiera opis narzędzia wraz ze sposobem postępowania zmierzającym do rozwiązywania postawionego problemu badawczego. W artykule tym szczegółowo omówiono wyniki dwóch symulowanych analiz scenariuszowych polskiego sektora wytwórczego. W kolejnej publikacji przedstawiono szczegółową analizę aspektów związanych ze zmianą alokacji produkcji energii elektrycznej w dostępnych na rynku mocach wytwórczych, w zależności od poziomu cen uprawnień do emisji CO2. Problem występowania nadmiernych emisji szkodliwych substancji do atmosfery jest traktowany priorytetowo ze względu na wprowadzenie w życie postanowień pakietu klimatycznoenergetycznego tzw. pakietu 3x20, w którym to jednym z głównych postanowień jest zapis mówiący o zmniejszeniu emisji gazów cieplarnianych przynajmniej o 20% w 2020 r. w porównaniu do bazowego 1990 r. Dodatkowo na lata wyznaczono cel redukcji gazów cieplarnianych (o 40% w odniesieniu do roku bazowego) oraz przyjęto założenia tzw. IV etapu systemu handlu uprawnieniami do emisji CO2, które prowadzić mogą do wzrostu cen uprawnień w bliskiej perspektywie czasu [6]. Konsekwencje wdrożenia pakietu klimatycznego W wyzwaniach zaproponowanych na forum unijnym pod nazwą pakietu klimatyczno-energetycznego w 2007 roku przedstawiony został pakiet trzech celów tzw. 3x20. Do celów tych należą: 20% redukcja gazów cieplarnianych, 20% udział Odnawialnych Źródeł Energii (OZE) w produkcji energii oraz 20% zwiększenie efektywności energetycznej. Wypełnienie zobowiązań zostało podjęte przez całą Wspólnotę, a poszczególnym krajom członkowskim zostały przypisane indywidualne zobowiązania szczegółowe [5]. W 2014 r. został wstępnie uzgodniony drugi etap funkcjonowania pakietu klimatycznego. Będzie on obowiązywał w latach Cele przyjęte na ten okres to redukcja emisji gazów cieplarnianych o 40% oraz zwiększenie udziału źródeł odnawialnych do 27% na poziomie całej Unii Europejskiej, w stosunku do 1990 roku. Głównym działaniem służącym wypełnieniu celu redukcji emisji gazów cieplarnianych było wprowadzenie nowych założeń dla systemu handlu uprawnieniami do emisji CO2 (EU ETS). W IV fazie, do systemu zostaną włączone sektory obecnie niezobligowane do redukcji emisji (m.in. transport, budownictwo i rolnictwo). Pozostałymi istotnymi zmianami w funkcjonowaniu systemu na lata są wzrost redukcji emisji gazów cieplarnianych o 43% w odniesieniu do 2005 r. i podwyższenie wskaźnika corocznej redukcji do 2,2%. Dodatkowo ustalenie sposobu alokacji darmowych uprawnień 1 Mgr inż., M. Orzechowska, Asystent, IGSMiE PAN, Pracownia Zrównoważonego Rozwoju Gospodarki Surowcami i Energią, 2 Mgr inż., M. Malec., Asystent, IGSMiE PAN, Pracownia Ekonomiki Energetyki, 3 Mgr inż., P. Kaszyński, Asystent, IGSMiE PAN, Pracownia Ekonomiki Energetyki 9561

2 do emisji CO2 i przede wszystkim przyjęcie postulatu wprowadzenia rezerwy stabilizującej (MSR) będącej mechanizmem, który może stymulować wzrost cen uprawnień do emisji CO2 [6]. Opis założeń scenariuszy badawczych W pierwszej części publikacji pt. Krótkoterminowa analiza zmian struktury wytwórczej polskiego sektora elektroenergetycznego przy użyciu usługi ModWEEL, autorzy skupili się na przedstawieniu struktury wytwórczej Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE) w kilku scenariuszach badawczych. Scenariuszem referencyjnym w ww. był scenariusz 0, w którym odzwierciedlono stan sektora elektroenergetycznego. Przyjęto w nim następujące założenia: zapotrzebowanie na moc elektryczną (w rozdzielczości godzinowej) dane z roku 2014 [4], ceny nośników energii pierwotnej jako bieżące z roku 2013, z uwagi na brak pełnych danych za 2014 rok [1], natomiast ceny uprawnień do emisji CO2 w scenariuszu referencyjnym ustalono na podstawie historycznych wartości z roku 2014 [2]. Bilans importu i eksportu mocy założono równy 0 (co nie jest odzwierciedleniem faktycznego stanu), dlatego nie wpływa on na poziom generowanej przez sektor energii elektrycznej. Przy budowie scenariuszy uwzględniono także godzinowe wskaźniki (AF Availability Factor) dyspozycyjności dla elektrowni wiatrowych oraz fotowoltaicznych [3]. W niniejszym artykule jako scenariusz odniesienia (referencyjny) traktujemy scenariusz 2. Został on wybrany do dalszych badań, gdyż odzwierciedla potencjalną strukturę mocy zainstalowanej w okresie przewidywanego wzrostu cen uprawnień do emisji CO2. Podstawowe dane wejściowe zostały przyjęte jak w scenariuszu 0. Różnicę pomiędzy ww. scenariuszami zaprezentowano w tabeli 1. Scenariusz 2 zakłada uruchomienie budowanych obecnie (lub będących w zaawansowanej fazie planowania) jednostek wytwórczych, wyłączenia części eksploatowanych obecnie bloków, wzrost mocy zainstalowanej odnawialnych źródeł energii (OZE) o 6 GW (głównie lądowe elektrownie wiatrowe), budowę elektrowni jądrowej o mocy 3 GW, a także dwukrotny wzrost cen uprawnień do emisji CO2 (z poziomu 6,2 EUR do 12,4 EUR). Tabela 1. Założenia scenariusza referencyjnego 2 SCENARIUSZ 0 Nowe jednostki wytwórcze Sytuacja bieżąca rok 2014 Odstawienia jednostek wytwórczych Sytuacja bieżąca rok 2014 SCENARIUSZ 2 - ODNIESIENIA Stan jak w 2014 roku oraz włączono bloki w Opolu, Kozienicach, Turowie, Jaworznie, Stalowej Woli (gaz), Gorzowie (gaz) Włocławku (gaz), Płocku (gaz) oraz Puławach (gaz) Stan jak w 2014 roku natomist wyłączono bloki w Adamowie, Koninie, Skawinie, Bełchatowie, Sierszy, Łagiszy, Dolnej Odry, Stalowej Woli, Pątnowie, Połańcu i Łaziskach2 Moc zainstalowana OZE Sytuacja bieżąca rok 2014 OZE (6 GW wiatr; 0,5 GW fotowoltaika) Moc zainstalowana el. jądrowa Cena uprawnień do emisji CO 2 Sytuacja bieżąca rok 2014 Sytuacja bieżąca rok 2014 Elektrownia jądrowa 3 GW Ceny uprawnień do emisji wzrastają dwukrotnie Przedmiotem badań przedstawionych w niniejszym artykule była analiza struktury wytwórczej KSE (w rozdzielczości godzinowej dla wybranych okresów dwutygodniowych w poszczególnych porach roku) oraz poziomów emisji dwutlenku węgla, w przypadku zmiany cen uprawnień do emisji CO2. Jak zostało wspomniane wcześniej, przyjęcie założeń do IV etapu systemu handlu emisjami i utworzenie rezerwy stabilizującej MSR może znacząco przyczynić się do wzrostu ceny uprawnień w kolejnych latach. Autorzy, na potrzeby niniejszej pracy, założyli możliwość 2-, 4-, i 10-krotnego wzrostu cen uprawnień do emisji CO2 (w stosunku do założeń scenariusza 2 ), powyższe założenia zaprezentowano w tabeli

3 Tabela 2. Różnice pomiędzy scenariuszami 2a, 2b oraz 2c w stosunku do scenariusza referencyjnego scenariusz 2 (odniesienia) 2a 2b 2c Założony wzrost ceny uprawnień do emisji CO 2-2x 4x 10x Wyniki scenariusza referencyjnego (odniesienia) Bazując na uzyskanych wynikach zobrazowano mix paliwowy wynikający z produkcji energii elektrycznej w dwutygodniowych okresach analizowanych pór roku. Dla scenariusza 2, przedstawiono struktury mixu paliwowego uwzględniając podział na analizowane okresy sezonów rocznych (wiosna Rys. 1, lato Rys. 2, jesień Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania., zima Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania.). Istotnym jest, że w badanych okresach największy udział w produkcji energii elektrycznej ma węgiel kamienny, chociaż wielkość tego udziału jest silnie uzależniona od dyspozycyjności źródeł wiatrowych. W analizowanym okresie dwutygodniowym dla pory zimowej, mamy do czynienia z dobrymi warunkami pogodowymi dla produkcji energii elektrycznej z wiatru, stąd relatywnie mały udział generacji z węgla kamiennego w porównaniu do pozostałych okresów. Udział pozostałych surowców ulega nieznacznym wahaniom. Biorąc pod uwagę elektrownie wiatrowe, analizowane sezony uwzględniały zarówno okresy w których dostępność energii elektrycznej z mocy wiatrowych była duża (zima) jak i niewielka (lato) (założenia scenariuszowe). Rys. 1. Mix paliwowy - scenariusz referencyjny Wiosna Rys. 2. Mix paliwowy - scenariusz referencyjny Lato Wyniki analizy struktura wytwórcza W analizie zbadano wpływ ceny uprawnień do emisji CO2 na strukturę wytwórczą energii elektrycznej. Pod uwagę brane były wyniki uzyskane w przygotowanych scenariuszach analitycznych w okresach największego zapotrzebowania tj. w okresie zimowym. Wyniki scenariuszy 2a, 2b oraz 2c, w których założono odpowiednio dwukrotny, czterokrotny i dziesięciokrotny wzrost ceny uprawnień, zostały odniesione do scenariusza

4 Wyniki scenariusza 2a (Rys. 5) po wprowadzeniu założenia dwukrotnego wzrostu uprawnień do emisji ditlenku węgla nieznacznie zmieniły strukturę mixu paliwowego w porównaniu do scenariusza 2 (Rys. 4). Zmiany nastąpiły tylko w technologiach węglowych, spadek o niecały procent udziału węgla kamiennego, i wzrost o 0,8 % udziału węgla brunatnego. Tak niewielka zmiana cen uprawnień nie wpływa znacząco na strukturę wytwórczą. Rys. 3. Mix paliwowy - scenariusz 2a Zima Scenariusz 2b (Rys. 6), w którym cena uprawnień do emisji wzrasta czterokrotnie, także wywiera ograniczony wpływ na zmianę struktury wytwórczej. Zmiana ta występuje nie tylko w sektorze węglowym węgiel kamienny (spadek o 0,8%), węgla brunatnego (spadek o 0,7%), ale także obserwuje się wzrost w energetyce niskoemisyjnej tj. energetyce jądrowej (wzrost o 0,1%) oraz wzrost w przypadku energetyki gazowej (wzrost o 1,5%). Pozostałe wartości pozostały niezmienne. Rys. 6. Mix paliwowy - scenariusz 2b Zima Kolejnym analizowanym scenariuszem był scenariusz 2c dziesięciokrotny wzrost kosztów uprawnień do emisji CO2 (Rys. 7). W sytuacji tej zdecydowanie spada ilość energii produkowanej z węgla brunatnego; z poziomu 17,8% do 5,4%. Spadek ten kompensowany jest przez zwiększoną produkcje jednostkach opalanych gazem ziemnym (wzrost o 9,2%). Redukcja wytwarzania na węglu brunatnym była na tyle duża, że w celu zbilansowania sytemu wzrosła również produkcja w energetyce opartej na węglu kamiennym (o 3%). 9564

5 Rys. 7. Mix paliwowy - scenariusz 2c Zima Wyniki analizy emisja CO2 Porównano również zmiany w ilości emisji zanieczyszczeń w ciągu roku (Rys. 8) dla każdego z analizowanych scenariuszy ( 2, 2a, 2b, 2c ). Zgodnie z przewidywaniami, przy wzroście cen uprawnień do emisji promowane są bardziej ekologiczne źródła do produkcji energii elektrycznej. Wynikiem takiego działania jest spadek poziomu emisji. Zarówno w okresie wiosenno-letnim jak i jesienno-zimowym, przy czym najbardziej korzystny pod względem ilości emisji zanieczyszczeń do atmosfery jest scenariusz 2c. Rys. 8. Ilość emisji CO2 dla analizowanych scenariuszy Modyfikacje w ilościach emisji w poszczególnych scenariuszach wynikają ze zmiany zapotrzebowania na energię elektryczną oraz warunków pogodowych przekładających się na dyspozycyjność źródeł wiatrowych. Mimo, że produkcja energii elektrycznej w analizowanym okresie zimowym jest większa (wyższe zapotrzebowanie) to średni, godzinowy wskaźnik AF dla elektrowni wiatrowych wynosi 0,64 i jest ponad trzykrotnie wyższy od średniego wskaźnika AF w analizowanym okresie letnim - 0,19 (wybór okresów o tak różnej dyspozycyjności mocy wiatrowych był intencjonalny celem było sprawdzenie funkcjonowania i odporności całego sektora wytwórczego zarówno przy dużym jak i małym udziale energetyki wiatrowej). W związku z tym, wyższa produkcja energii elektrycznej z energii wiatru przekłada się na spadek emisji CO2. W okresie letnim, gdy wskaźnik generacji energii wiatru jest niski, udział mocy wytwórczych opalanych węglem kamiennym oraz węglem brunatnym w produkcji energii elektrycznej jest większy. Tym samym obserwowane emisje są wyższe niż w okresie zimowym. 9565

6 Logistyka nauka Omówienie wyników analizy produkcja energii elektrycznej (struktura godzinowa) Na rysunkach 9 12 przedstawiono moc wytwarzaną w każdej godzinie dla wybranego tygodnia z okresu zimowego. Energia elektryczna produkowana jest w tym okresie głównie z elektrowni wiatrowych (wysoki AF), a także z energetyki węglowej i jądrowej. Wraz ze wzrostem cen uprawnień do emisji CO2, w scenariuszach 2a, 2b oraz 2c, następuje redukcja wytwarzania w jednostkach opalanych węglem brunatnym. Spadek ten kompensowany jest wzrostem generacji w jednostkach gazowych. Podobnie dla węgla kamiennego, z tym, że w scenariuszu 2c (najwyższy koszt zakupu uprawnień), moc wytwarzana na tym paliwie wzrosła, z uwagi na bardzo głęboki spadek wytwarzania na węglu brunatnym, który nie mógł być skompensowany wzrostem produkcji w jednostkach gazowych. W godzinach szczytowego zapotrzebowania, gdy dostępność wiatru była niewielka (G0005-G0012; G0160-G0164), widoczny jest wzrost generacji w energetyce wodnej (elektrownie szczytowo-pompowe), energetyce gazowej, a także (pomimo wysokich cen uprawnień) w jednostkach węglowych, w przeciwnym wypadku mogłoby dojść do niezaspokojenia popytu na moc. Generacja z elektrowni jądrowej zachowuje się stabilnie w całym analizowanym okresie. Jednak w dolinach zapotrzebowania, w których to dostępe były duże ilości energii z wiatru, zauważyć można obniżenie produkcji energii elektrycznej w tych jednostkach, w celu zbilansowania systemu. Rys. 9. Godzinowa moc wytwarzana na danym paliwie w scenariuszu 2 wybrany tydzień (Zima) Rys. 10. Godzinowa moc wytwarzana na danym paliwie w scenariuszu 2a wybrany tydzień (Zima) 9566

7 Logistyka nauka Rys. 11. Godzinowa moc wytwarzana na danym paliwie w scenariuszu 2b wybrany tydzień (Zima) Rys. 12. Godzinowa moc wytwarzana na danym paliwie w scenariuszu 2c wybrany tydzień (Zima) Podsumowanie Niniejsza publikacja kończy cykl stanowiący analizę zmian struktury wytwórczej polskiego sektora elektroenergetycznego przeprowadzonej przy pomocy narzędzia ModWEEL. W przedstawionej pracy, autorzy skupili się na analizie zmian struktury wytwórczej Krajowego Systemu Elektroenergetycznego, związanej z przewidywanym wzrostem cen uprawnień do emisji CO2 spowodowanym rozszerzeniem zakresu pakietu klimatycznego w latach Wraz ze wzrostem ceny uprawnień do emisji w analizowanych scenariuszach badawczych zmniejszał się udział energii elektrycznej produkowanej w energetyce węglowej. Spadek ten w największym stopniu kompensowany był wzrostem produkcji w jednostkach opalanych gazem ziemnym. Produkcja energii elektrycznej z energetyki jądrowej we wszystkich analizowanych okresach była na stabilnym poziomie, niewielka redukcja generacji występowała jedynie w okresach niskiego zapotrzebowania przy jednoczesnym dużym udziale wytwarzania w elektrowniach wiatrowych. Analizując wyniki scenariusza 2c (10-krotny wzrost ceny uprawnień do emisji CO2) autorzy zauważyli duży wzrost produkcji w elektrowniach gazowych, jak również wzrost w jednostkach opalanych węglem kamiennym. Wybór węgla kamiennego spowodowany był koniecznością pokrycia zapotrzebowania na moc przy prawie całkowitej rezygnacji ze źródeł wytwórczych opartych na węglu brunatnym. 9567

8 Zgodnie z oczekiwaniami, największy spadek emisji CO2 dla każdego z analizowanych okresów, wystąpił w scenariuszu, zakładającym najwyższe ceny uprawnień do emisji ( 2c ). Występowanie różnić pomiędzy poszczególnymi porami roku (m.in. najniższe emisje w okresie zimowym) wynika w głównej mierze z różnic w poziomie zapotrzebowania na moc oraz dyspozycyjności źródeł wiatrowych. Streszczenie Artykuł przedstawia szczegółową analizę zmian w strukturze wytwarzania energii sektora polskiego w zależności od poziomu cen uprawnień do emisji CO2. Symulacje przeprowadzono przy użyciu krótkoterminowego modelu polskiej energetyki (ModWEEL), która jest dostępna w środowisku naukowym poprzez infrastrukturę PL-Grid. Słowa kluczowe: wytwarzanie energii, mix paliwowy, modelowanie, emisja CO2 THE IMPACT OF PRICES CO2 EMISSION ALLOWANCES OF THE POLISH POWER GEN- ERATION SECTOR - A SHORT-TERM ANALYSIS USING MODWEEL GRID SERVICE Abstract The article presents a detailed analysis of changes in the structure of Polish power generation sector depending on the level of CO2 emission allowances prices. Simulations was carried out using a short-term model of the Polish power generation sector with hourly resolution (ModWEEL), that is available to the scientific community via the PL-Grid Infrastructure. Keywords: power generation, fuel mix, modelling, CO2 emission, Literatura [1] ARE, 2014 Sytuacja techniczno-ekonomiczna sektora elektroenergetycznego, ARE, [2] CIRE, dostęp r. [3] Orzechowska M., Malec M., Kaszyński P.: Krótkoterminowa analiza zmian struktury wytwórczej polskiego sektora elektroenergetycznego przy użyciu usługi ModWEEL, Zeszyty Naukowe Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią, z. 89, Kraków [4] PSE, 2014 Polskie Sieci Elektroenergetyczne, dostęp r. [5] Konkluzje Rady Europejskiej (23 i 24 października 2014 r.), Bruksela [6] Wojtkowska-Łodej G.: Polityka klimatyczno-energetyczna Unii Europejskiej wyzwania dla przyszłości polskiej gospodarki, Polityka Energetyczna, t. 18, z. 1, Kraków [7] Kamiński J., Kaszyński J., Mirowski T.: Analysing a Power Generation Sector [8] Using the MILP Approach, E-science on Distributed Computing Infrastructure: PLGrid Plus, LNCS 8500, Springer-Verlag GmbH, pp , Switzerland