Nowy mix energetyczny

Transkrypt

1 Nowy mix energetyczny Autor: Radosław Szczerbowski - Politechnika Poznańska, Instytut Elektroenergetyki ("Energia Elektryczna" - 2/2017) Rozwój energetyki prosumenckiej Obserwowane obecnie zmiany na światowych rynkach energetycznych cechują się niezwykłą dynamiką. Jeszcze kilkanaście lat temu energetyka węglowa wydawała się podstawowym źródłem wytwarzania energii elektrycznej. Obecnie coraz więcej państw odchodzi, bądź w perspektywie najbliższych lat ma zamiar odejść, od węgla jako podstawowego źródła wytwarzania energii elektrycznej. Troska o klimat i próba zahamowania globalnego ocieplenia sprawiły, że obecnie w odnawialnych źródłach energii (OZE) widzi się przyszłość energetyki. Ustalenia Konferencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu oraz kolejne zapisy w prawne Unii Europejskiej wprowadzające obostrzenia dotyczące emisji szkodliwych gazów powodują, że drastycznie maleje liczba nowych inwestycji w rozbudowę sektora energetyki węglowej. W Polsce węgiel brunatny i kamienny nadal odgrywa główną rolę w zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego. Węgiel jako paliwo energetyczne w najbliższych latach prawdopodobnie nadal będzie miał szczególne znaczenie w kształtowaniu potencjału wytwórczego krajowej energetyki. Należy mieć na uwadze, że system energetyczny, który w ponad osiemdziesięciu procentach oparty jest na tym paliwie trudno będzie w ciągu kilku lat przestawić na inne źródła energii. Stan obecny systemu elektroenergetycznego w Polsce Krajowy System Energetyczny (KSE), oparty głównie na elektrowniach opalanych węglem, jest jednym z największych w Europie; moc zainstalowana przekroczyła już 40 GW. W stosunku do roku 2014 nastąpił wzrost mocy zainstalowanej o ponad 2,3 GW i był spowodowany przede wszystkim nowymi inwestycjami w odnawialne źródła (1,8 GW), głównie elektrownie wiatrowe [1]. W tabeli 1 przedstawiono podstawowe dane dotyczącego obecnej sytuacji KSE. Jak można zauważyć, łączna moc zainstalowana w elektrowniach węglowych to MW, co stanowi ponad 70% mocy zainstalowanej, natomiast produkcja energii elektrycznej w tych źródłach to ponad 83%. Struktura wiekowa kotłów i turbozespołów pracujących w polskich elektrowniach wskazuje, że ponad 60% z nich pracuje już ponad 30 lat. Stąd wniosek, że w najbliższych latach będą one sukcesywnie wycofywane z systemu elektroenergetycznego [2]. Już w latach wycofane z eksploatacji mają być bloki w: Elektrowni Adamów (5x120 MW), Bełchatów (2x370 MW), Łagiszy (120 MW), Łaziskach (2x125 MW), Sierszy (120 MW) i Stalowej Woli (120 MW) zapewnienie W tabeli 2 przedstawiono sumaryczne moce wynikające z odstawień bloków energetycznych w perspektywie 2050 roku. Wyłączenia te wynikają z planowanej żywotności bloków energetycznych. Gdyby uwzględnić tylko czas pracy bloku energetycznego, zakładając, że po 50 latach będzie on wycofany z eksploatacji, to w 2050 roku z obecnie pracujących zostałyby tylko: blok 858 MW w

2 Bełchatowie, blok 464 MW w Pątnowie oraz blok 460 MW w Łagiszy, pod warunkiem przedłużenia jego eksploatacji (informacje o zasobach wytwórczych KSE wg stanu na ). Tab. 1. Stan obecny Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (dane na ) Wyszczególnienie Moc zainstalowana Udział mocy zainstalowanej Moc osiągalna Udział mocy osiągalnej Produkcja Udział w produkcji MW % MW % GWh % Elektrownie zawodowe , , ,7 Elektrownie zawodowe wodne , , ,4 Elektrownie zawodowe cieplne, w tym: 73, , ,3 na węglu kamiennym , , ,6 na węglu brunatnym , , ,1 gazowe 999 2, , ,6 Wiatrowe i OZE , , ,3 Przemysłowe , , ,0 Razem ,0 Źródło: opracowanie własne na podstawie danych (PSE S.A) Tab. 2. Sumaryczne moce wyłączeń jednostek wytwórczych centralnie dysponowanych [9] Lata Łączna moc [MW] Jednak, gdyby uwzględnić scenariusz skumulowanych wycofań istniejących jednostek wytwórczych przedstawiony przez PSE SA uwzględniający wycofania ze względu na planowane wdrożenie konkluzji wprowadzających nowe standardy emisyjne (BAT Best Available Techniques), to do 2035 roku konieczne będzie wyłączenie ponad 20 GW źródeł wytwórczych [3,4]. Obecnie w Polsce realizowanych jest kilka inwestycji związanych z budową nowych mocy wytwórczych zasilanych węglem kamiennym i brunatnym oraz gazowych. W najbliższych latach zostaną uruchomione następujące nowe bloki energetyczne, które będą zaliczone do JWCD [2]: bloki gazowo-parowe w EC Włocławek, w EC Stalowa Wola, w EC Płock oraz bloki węglowe w Elektrowni Kozienice, w Elektrowni Turów, w Elektrowni Opole i w Elektrowni Jaworzno. Razem daje to moc przyłączoną do systemu na poziomie ponad 5800 MW, co sprawia, że ubytki związane z wycofaniem starych jednostek powinny zostać do roku 2020 uzupełnione. Analizując dostępne dokumenty i opracowania, w których podjęto próbę określenia strategii rozwoju systemu energetycznego, czyli m.in.:

3 -,,Polityka energetyczna Polski do 2030 roku [5], -,,Mix energetyczny Analiza scenariuszy dla Polski, Warszawa 2011 [6], -,,Mix energetyczny dla Polski do roku 2060, opracowany dla Kancelarii Prezesa Rady Ministrów przez Departament Analiz Strategicznych [7], można zauważyć, że w każdej z tych strategii ważną rolę w ciągu najbliższych lat odgrywa węgiel. Przyjmując średnie wartości wymaganych mocy wytwórczych z powyższych scenariuszy rozwoju, w tabeli 3 przedstawiono wymagane moce wytwórcze do roku Tab. 3. Prognoza zapotrzebowania na moc i braki mocy zainstalowanej do roku 2050 Rok Nowe moce Prognoza zapotrzebowania na moc instalowanej Braki mocy za- Moc zainstalowana [GW] [GW] Wycofania wytwórcze [GW] [GW] [GW] , ,97 5,82 46,00 4, ,78-51,00 14, ,19-56,00 27, ,90-67,00 43,27 Technologie wykorzystywane w energetyce prosumenckiej Początek XXI wieku to czas, w którym rozpoczął się wzrost zainteresowania małymi, autonomicznymi źródłami energii, czyli generacją rozproszoną. Wcześniej źródła te służyły najczęściej jako awaryjne na wypadek przerw w zasilaniu oraz do zasilania w energię niewielkich, często autonomicznych odbiorców, niemających dostępu do tej sieci. Przemiany, jakie miały miejsce na przełomie wieków sprawiły, że zaczynają się pojawiać źródła generacji rozproszonej połączone z siecią elektroenergetyczną. Rozwój generacji rozproszonej (małej i średniej mocy), zwłaszcza w dziedzinie odnawialnych źródeł energii, które stanowią istotny składnik generacji rozproszonej, spowodowany został w wyniku oddziaływania szeregu czynników. Najważniejsze z nich to: - pojawienie się nowych technologii wytwarzania energii o wysokiej sprawności, stosunkowo niskich nakładach inwestycyjnych i niskich kosztach eksploatacji, - możliwość budowy źródeł w pobliżu odbiorców końcowych z wykorzystaniem lokalnych zasobów energii, - systemy wsparcia generacji rozproszonej, zwłaszcza opartej na źródłach OZE, - poprawa bezpieczeństwa energetycznego, poprzez zwiększenie pewności zasilania oraz dążenie do zmniejszenia strat sieciowych.

4 Obecnie jednym z kierunków rozwoju nowego systemu energetycznego, który bardzo intensywnie jest rozwijany głównie w Europie, może okazać się odejście od energetyki systemowej na rzecz energetyki rozproszonej. Wytwarzanie energii elektrycznej na małą skalę, głównie na potrzeby własne, to główna idea rozwoju rozproszonej energetyki prosumenckiej.prosument jednocześnie jest producentem oraz konsumentem wytwarzanej przez siebie energii. Zatem, zgodnie z tą definicją, wytwarzanie energii powinno służyć przede wszystkim zaspokojeniu własnych potrzeb, a jej ewentualne nadwyżki mogą być sprzedawane do sieci. Energetyka rozproszona, czyli wytwarzanie energii w pobliżu miejsca jej odbioru, pozwala zatem uniknąć znacznych strat energii, które powstają w trakcie jej przesyłania na duże odległości. Daje to olbrzymie korzyści zarówno dla gospodarki, jak i środowiska. Głównym wyznacznikiem zmian są zachowania aktywnych odbiorców energii, czyli prosumentów, dzięki ich inwestycjom w małe mikroźródła, w tym źródła OZE. Tłokowe silniki spalinowe jeszcze niedawno były najczęściej spotykaną technologią generacji rozproszonej. Nadal stosowane są jako podstawowe źródło zasilania rezerwowego w budynkach o zwiększonej pewności zasilania, ale coraz częściej wykorzystywane także jako źródło podstawowe. Współczesne silniki tłokowe napędzane mogą być gazem ziemnym, gazem LPG, biogazem czy olejem napędowym. Małe układy generacyjne z silnikami spalinowymi iskrowymi i wysokoprężnymi mają moc od 5 kw energii elektrycznej i dostarczają ciepło o temp C. Ich sprawność całkowita waha się od 80 do ponad 90%. Sprawność elektryczna nie przekracza 40%. Obecnie budowane są silniki spalinowe o mocach dochodzących do 10 MW. Jednostki te charakteryzuje stosunkowo niski koszt inwestycyjny, wysoka sprawność (rzędu 35-45%), możliwość szybkiego rozruchu oraz możliwość pracy w układzie kogeneracyjnym. Mikroturbiny gazowe o mocy od kilku do kilkuset kilowatów, dzięki zaawansowanym systemom sterowania pracują bezobsługowo, a automatyczny rozruch odbywa się z synchronizacją do sieci dystrybucji energii elektrycznej. Mikroturbiny mogą być zasilane gazem ziemnym, płynnym, biogazem lub olejem napędowym. Zbudowane są zwykle jako zespół jednostopniowej sprężarki promieniowej i jednostopniowej turbiny promieniowej z rekuperatorem stanowiącym wymiennik regeneracyjny. Osiągają sprawność wytwarzania energii elektrycznej na poziomie 20-35%, a ciepła w zakresie 40-60%, całkowita sprawność w układzie kogeneracyjnym wynosi ponad 80%. Mikroturbiny znajdują obecnie zastosowanie w różnych obiektach komunalnych oraz przemysłowych, w których wymagana jest wysoka niezawodność zasilania w energię elektryczną. Turbiny gazowe charakteryzują się znacznie dłuższym czasem eksploatacji niż silniki spalinowe i nie wymagają częstych usług podtrzymujących eksploatację. Systemy kogeneracyjne, zwane również systemami CHP (Combined Heat and Power), o mocy od kilku kilowatów do kilku megawatów stosowane są także jako jednostki zasilające w budynkach użyteczności publicznej. Urządzenia kogeneracyjne stosuje się tam, gdzie ma miejsce stałe zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną, np. w szkołach, szpitalach, sanatoriach, hotelach, małych osiedlach i zakładach przemysłowych. Występowanie przez określony czas w roku odpowiedniego, w miarę stałego, zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną ma zasadnicze znaczenie dla opłacalności takich inwestycji. Małe układy skojarzone oparte na silnikach zasilane są głównie gazem ziemnym, biogazem, a rzadziej olejem opałowym. Energia elektryczna generowana w skojarzeniu może być w całości zużyta w obiekcie, jak również w całości lub części sprzedana do sieci. Moc elektryczna układów kogeneracyjnych z silnikami spalinowymi rozpoczyna się już od 5 kw; dostarczają one ciepło o temp C. Ich sprawność całkowita waha się od 80 do ponad 90%. Tego typu jednostki, odpowiednio dobrane do zapotrzebowania na energie elektryczną i ciepło, są w stanie w 100% pokryć zapotrzebowanie dla budynku. Co sprawia, że mogą stanowić gwarancję pewności zasilania w energię elektryczną oraz ciepło. Ciekawym i coraz częściej stosowanym rozwiązaniem jest wykorzystanie w układach kogeneracyjnych silników Stirlinga.

5 Pierwsze konstrukcje kogeneracyjne wykorzystujące silnik Stirlinga okazały się drogie w realizacji ze względu na cenę materiałów, z których były budowane. Dodatkową wadą była wysoka awaryjność urządzeń. Coraz większy postęp technologiczny oraz szeroki zakres prac nad układami silników Stirlinga przyczyniły się do powstania nowych, tańszych i bardziej niezawodnych rozwiązań. Od kilku lat na rynku zaczynają pojawiać się coraz bardziej zaawansowane konstrukcje wykorzystujące silniki Stirlinga do jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła. Mogą one stanowić rezerwowe źródło zasilania wydzielonych obwodów elektrycznych w budynkach użyteczności publicznej, w których ciepło produkowane jest w sposób ciągły w konwencjonalnych kotłach opalanych np. biomasą. Obecnie możliwe do zastosowania są silniki Stirlinga o mocach dochodzących do 80 kw, które charakteryzują się sprawnością wytwarzania energii elektrycznej dochodzącą do 25%. Ogniwa paliwowe są to urządzenia elektrochemiczne, które wytwarzają energię elektryczną i ciepło bezpośrednio z zachodzącej w nich reakcji chemicznej w wyniku stale dostarczanego do nich z zewnątrz paliwa. Ich największą zaletą jest bardzo niska emisja zanieczyszczeń do atmosfery. Technologia ogniw paliwowych jest intensywnie rozwijana w krajach UE, Japonii oraz USA. Większość ogniw paliwowych do produkcji energii elektrycznej i ciepła wykorzystuje jako paliwo wodór (ogniwa wodorowe), który może być produkowany w systemach reformingu z metanu. Ogniwa paliwowe są uznawane za jedną z najbardziej obiecujących i perspektywicznych technologii wytwarzania energii elektrycznej i ciepła (tabela 4). Tab. 4. Rodzaje ogniw paliwowych Wyszczególnienie PAFC* PEFC** MCFC*** SOFC**** Temperatura pracy ok. 200 [ C] Paliwo gaz ziemny, metanol, gaz ziemny, biogaz, wodór, gaz ziemny, wodór biogaz; paliwo poddane reformingowi formingowi paliwo poddane re- metanol, biogaz; Sprawność [%] >60 >60 Zakres mocy 200 kw - 10 MW 100 W - 10 MW >100 MW >10 MW Zastosowanie źródła rozproszone napęd, źródła rozproszone źródła scentralizowane źródła scentralizowane *PAFC (ang. Phosphoric Acid Fuel Cell) ogniwo paliwowe z kwasem fosforowym, **PEMFC (ang. Proton exchange membrane Fuel Cell) ) ogniwo paliwowe z jonowymienną membraną polimerową, ***MCFC (ang. Molten Carbonate Fuel Cell) ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stopionych węglanów, ****SOFC (ang. Solid Oxide Fuel Cell) ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stałych tlenków Ogniwa paliwowe używane są zarówno w małych, domowych jednostkach produkujących energię elektryczną i ciepło (systemy CHP), jak pomocniczych źródłach energii o mocach kilkudziesięciu kilowatów i większych. Ogniwa paliwowe mogą być eksploatowane w szerokim zakresie zmienności obciążeń elektrycznych przy zachowaniu wysokiej sprawności przetwarzania energii pierwotnej na użyteczną. Stacjonarne systemy ogniw paliwowych doskonale nadają się do zastosowania jako awaryjne systemy zasilania w budynkach użyteczności publicznej, czy też do zastosowań wymagających dużej niezawodności. Urządzenia takie są stosowane w miejscach, gdzie ważna jest ciągła i pewna dostawa energii elektrycznej i ciepła, np.: w szpitalach, budynkach biurowych i w przemyśle. Podejmowane są także próby wykorzystania energii wiatru oraz promieniowania słonecznego do zasilania budynków użyteczności publicznej.

6 Jednakże ze względu na stochastyczny charakter pracy tych źródeł, trudno je uznać za pełniące funkcje zwiększające pewność zasilania. Natomiast z powodzeniem mogą być stosowane jako jednostki, które uzupełniają źródła podstawowe, obniżają zapotrzebowanie na moc dostarczoną z systemu. Zarówno elektrownie wiatrowe, jak i fotowoltaiczne mogą także współpracować z lokalnymi magazynami energii i wtedy takie hybrydowe układy wytwórcze mogą spełniać funkcję zwiększania niezawodności zasilania budynków. Obie te technologie, czyli wiatrowa, a przede wszystkim fotowoltaika, to obecnie podstawowe źródła wykorzystywane w energetyce prosumenckiej. Małe instalacje fotowoltaiczne, które mogą być umieszczane praktycznie na każdym budynku, w ciągu kilkunastu ostatnich lat stały się główną technologią produkowania i wykorzystywania energii na własny użytek. Ich rozwój związany jest przede wszystkim ze zmniejszaniem się kosztów produkcji i coraz większą dostępnością. Nie bez znaczenia są również wszelkiego rodzaju zachęty, zarówno prawne, jak i ekonomiczne, które pozwalają bez większych problemów na integrację tych źródeł z systemem elektroenergetycznym. Podsumowanie Polityka energetyczna państwa to polityka bezpieczeństwa danego kraju. Powinna być przemyślana i uwzględniać dostęp do źródeł energii. Ważną kwestią jest konieczność uniezależnienia się od importu paliw. Podejmując decyzję o budowie nowych źródeł wytwórczych, należy również uwzględnić ich wpływ na pracę KSE. Ważnym aspektem jest również dostęp i cena paliwa, przyszłe koszty emisji CO2. OZE są czystymi źródłami energii i w dłuższym czasie z pewnością będą nabierać coraz większego znaczenia w sektorze energetycznym [10]. Jednak posiadając znaczne zasoby węgla można prognozować, że w ciągu najbliższych lat system elektroenergetyczny będzie mógł być oparty na stabilnych źródłach węglowych. Z pewnością w niedalekiej przyszłości konieczna będzie jednak zmiana miksu energetycznego, chociażby ze względu na kurczące się zasoby paliw i wpływ uwarunkowań środowiskowych. Rozwój i udział źródeł OZE jest determinowany nie tylko rozwojem technologicznym, ale przede wszystkim decyzjami o charakterze politycznym, które wymuszają odpowiedni udział procentowy źródeł odnawialnych w całkowitej mocy zainstalowanej. W ostatnich miesiącach spowodowało to spore zawirowania w sektorze OZE, zwłaszcza wśród właścicieli farm wiatrowych. Dlatego trudno obecnie oceniać, w jakim kierunku będzie zmierzał w naszym kraju rozwój technologii OZE. Zdaniem wielu ekspertów, branża OZE związana z technologią wiatrową z konieczności będzie musiała wybierać lokalizacje morskie dla swoich dalszych inwestycji. Należy również wspomnieć o potencjale, jaki tkwi w rozwoju segmentu małych, rozproszonych źródeł wytwórczych. Rozwój energetyki prosumenckiej w Danii czy Niemczech pokazuje, że w przyszłości również te źródła mogą mieć duży udział w pokrywaniu krajowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Źródła rozproszone, wspierane technologią magazynowania energii, pozwolą w przyszłości na łączenie ich w wirtualne elektrownie, które będą mogły pełnić w systemie elektroenergetycznym również funkcje regulacyjne [10]. Patrząc na prognozę zapotrzebowania na moc i braki mocy zainstalowanej do roku 2050 oraz na obecne przesłanki techniczne i prawne budowy nowych źródeł wytwórczych, należy sądzić, że energetyka prosumencka będzie w przyszłości musiała uzupełnić braki mocy w systemie elektroenergetycznym. Stąd już dziś należy się zastanowić, jakie technologie wytwórcze w tym segmencie będą korzystne zarówno dla prosumentów, jak i dla operatora systemu elektroenergetycznego. Celem energetyki rozproszonej nie powinno być tylko i wyłącznie uzyskiwanie przychodu lecz dywersyfikacja źródeł energii elektrycznej i obniżenie jej kosztu.

7 W krajach rozwiniętych zainteresowanie mikroinstalacjami OZE jest spowodowane przede wszystkim: - wysokimi kosztami energii i podatkami, które wpływają na cenę energii, - zainteresowaniem nowymi technologiami, - rosnącą świadomością społeczeństwa w zakresie ochrony środowiska. W energetyce prosumenckiej upatruje się szansy na nowy kształt systemu energetycznego. Odbiorca energii będzie nie tylko użytkownikiem, ale także aktywnym uczestnikiem w procesie jej wytwarzania. Dzięki temu może znacznie obniżyć koszt zakupu energii, oczywiście pod warunkiem, że ceny tych instalacji będą mogły zagwarantować zwrot poniesionych nakładów inwestycyjnych w zadowalającym okresie. Duża liczba małych, rozproszonych źródeł energii elektrycznej, pod warunkiem jej planowanego rozwoju, może także zwiększyć poziom bezpieczeństwa energetycznego kraju. Energetyka prosumencka to także część gospodarki niskoemisyjnej, przede wszystkim dzięki wspieraniu efektywności energetycznej. Idea energetyki prosumenckiej ściśle związana jest również z rozwojem idei inteligentnych sieci i inteligentnego opomiarowania. Rozwiązania tego typu mają umożliwić prosumentom dokonywanie prawidłowych rozliczeń wytwarzanej, zużywanej, kupowanej i sprzedawanej energii elektrycznej. Przypisy 1. PSE SA, 2016 dane ze stron internetowych [dostęp: ]. 2. Kaproń H., Połecki Z.,,,Eksploatacja podsystemu wytwórczego w Polsce w latach ,,,Rynek Energii nr 6, s. 3-9, ,,Plan rozwoju w zakresie zaspokojenia obecnego i przyszłego zapotrzebowania na energię elektryczną na lata , Polskie Sieci Elektroenergetyczne SA, Konstancin-Jeziorna, 10 listopada Best Available Techniques (BAT) Reference Document for Large Combustion Plants, JOINT RESEARCH CENTRE Institute for Prospective Technological Studies Sustainable Production and Consumption Unit European IPPC Bureau, Final Draft, ,,Polityka energetyczna Polski do 2030 roku, dokument przyjęty przez Radę Ministrów 10 listopada 2009 roku. 6.,,Mix energetyczny Analiza scenariuszy dla Polski, Warszawa ,,Mix energetyczny dla Polski do roku 2060, Warszawa 2015.

8 8. Tokarski S.,,,Energetyka systemowa konkurencyjna, dochodowa i mniej emisyjna warunkiem rozwoju OZE i energetyki rozproszonej, materiały Forum Energia Efekt Środowisko, Zabrze, 2013 ( 9. Olkuski T., Szurlej A., Janusz P.,,,Realizacja polityki energetycznej w obszarze gazu ziemnego,,,polityka Energetyczna t. 18, z. 2, s. 5-8, Szczerbowski R.,,,Możliwości zastosowania ogniw paliwowych w układach hybrydowych w celu eliminacji negatywnego wpływu chimerycznych źródeł odnawialnych, materiały IX Konferencji Naukowo-Technicznej,,Optymalizacja w elektroenergetyce, s , 2015.