OPŁACALNOŚĆ ZASTOSOWANIA SILNIKÓW GAZOWYCH DO PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPŁA

Transkrypt

1 OPŁACALNOŚĆ ZASTOSOWANIA SILNIKÓW GAZOWYCH DO PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPŁA Autor: Paweł Bućko ( Rynek Energii 4/2005) Słowa kluczowe: gospodarka skojarzona, lokalny rynek energii, źródła rozproszone, silniki gazowe Streszczenie. W artykule omówiono uwarunkowania funkcjonowania źródeł małej mocy na lokalnych rynkach energii. Przedstawiono problemy współpracy silników gazowych z systemami energetycznymi oraz uwarunkowania ekonomiczne ich rozwoju. Zaprezentowano wyniki wskaźnikowej analizy opłacalności zastosowania silnika małej mocy. 1. WSTĘP W systemach energetycznych, w miarę postępujących procesów decentralizacji i urynkowienia, dostrzega się korzyści z układów generacji o małej mocy. Taki sposób produkcji energii nazywa się często generacją rozproszoną". Wytwarzanie energii w małych układach, zlokalizowanych w pobliżu odbiorców ma przynieść takie korzyści, jak: zmniejszenie kosztów przesyłu energii, zmniejszenie ryzyka inwestycyjnego (na skutek większej elastyczności inwestycyjnej tych układów), zmniejszenie kosztów pokrycia zapotrzebowania na energię odbiorców zlokalizowanych w obszarach peryferyjnych systemów energetycznych. Rozwój generacji rozproszonej stawia też przed systemami energetycznymi nowe wyzwania, związane ze sterowaniem ich współpracą z systemem, rezerwowaniem mocy i funkcjonowaniem w warunkach konkurencji rynkowej. Specyficzną grupę urządzeń zaliczanych do generacji rozproszonej stanowią silniki gazowe. Charakteryzują się one dobrze opanowaną technologią, stosunkowo szeroką ofertą rynkową, umiarkowanymi nakładami inwestycyjnymi. Dostępne urządzenia są produkowane w szerokim zakresie mocy znamionowych, co pozwala dobrze dobrać układ do występujących obciążeń. Układy malej mocy mogą pracować bezobsługowo, a potrzeby okresowego serwisowania nie muszą być uciążliwe dla odbiorców. Dodatkową zaletą jest możliwość jednoczesnego produkowania energii elektrycznej i ciepła, co pozwala na uzyskanie wysokiej efektywności wykorzystania paliwa. Zalety układów spowodowały, że w wielu krajach osiągnęły one sukces rynkowy. Najczęściej stosowanym paliwem do zasilania silników jest gaz sieciowy. W Polsce wzajemne relacje cen gazu ziemnego oraz energii elektrycznej i ciepła są mało korzystne dla stosowania tego typu układów. Skutkuje to wolnym tempem ich wdrażania. W warunkach pełnej konkurencji rynkowej układy generacji rozproszonej często wymagają wsparcia, polegającego na stworzeniu odpowiednich unormowań prawnych ułatwiających im dostęp do rynku. Najczęściej mechanizmy wsparcia są projektowane na rynku energii elektrycznej, gdzie konkurencja małych układów z pozostałymi uczestnikami rynku jest szczególnie trudna. 2. WSPÓŁPRACA MAŁYCH UKŁADÓW SKOJARZONYCH Z SYSTEMAMI ENERGETYCZNYMI Wzrost znaczenia wytwarzania rozproszonego jest miedzy innymi wynikiem poszukiwania nowych strategii rozwojowych przez przedsiębiorstwa energetyczne funkcjonujące w

2 otoczeniu rynkowym. Dla tradycyjnych przedsiębiorstw zajmujących się sieciową dostawą energii (elektroenergetyka, lokalne systemy ciepłownicze, sieci gazowe) wytwarzanie rozproszone często zmienia warunki funkcjonowania systemów, stawiając nowe wymagania techniczne i ekonomiczne. System elektroenergetyczny W niewielu przypadkach małe, rozproszone układy wytwarzania skojarzonego stają się jedynym źródłem pokrycia potrzeb energetycznych odbiorcy. W większości zastosowań wymagane jest uzupełnienie dla pokrycia zapotrzebowań szczytowych. W sposób istotny dotyczy to energii elektrycznej, w przypadku dostawy której proces pokrywania zapotrzebowania charakteryzuje się znacznie większą dynamiką, niż w przypadku energii cieplnej. Bardzo ograniczone możliwości gromadzenia energii elektrycznej u odbiorcy powodują konieczność uzupełniania i rezerwowania zasilania w ten nośnik, a w przypadku chwilowych nadwyżek produkcji nad zapotrzebowaniem, konieczne jest oddawanie energii elektrycznej do sieci. Przyłącze dla odbiorców wykorzystujących u siebie mały układ skojarzony jest najczęściej zwymiarowane na pokrycie pełnego zapotrzebowania na moc elektryczną (czyli spełnia podobne wymagania jak w przypadku, gdyby u odbiorcy silnika nie było) a często dodatkowe wymagania wynikają z faktu możliwości oddawania energii elektrycznej do sieci oraz uwarunkowań wynikających z konieczności dotrzymania parametrów jakościowych dostawy energii i ewentualnych wymagań koordynacji zabezpieczeń. Z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego rozproszona generacja nie jest więc postrzegana jako alternatywa dla sieciowej dostawy nośnika. Podstawowym problemem staje się zapewnienie właściwych standardów współpracy tych źródeł z systemem. Dostrzegane są przy tym korzyści polegające głównie na zmniejszeniu obciążeń i strat energii w sieciach przesyłowych. System ciepłowniczy Dla sieciowej dostawy ciepła układy generacji rozproszonej stanowią najczęściej alternatywę dla rozwoju tradycyjnych, rozległych systemów ciepłowniczych zasilanych przez duże źródła scentralizowane. W przypadku instancji silników gazowych rola przesyłowej (magistralnej) sieci ciepłowniczej jest przejmowana przez sieć gazową a uzupełnienie potrzeb odbiorców w zakresie zapotrzebowania na ciepło jest realizowane przez zastosowanie układów wielomodułowych lub zainstalowanie uzupełniających kotłów gazowych. Silniki gazowe są jednocześnie źródłami znacznie mniej uciążliwymi dla środowiska niż ciepłownie węglowe. Często stają się możliwym wariantem modernizacji istniejących lokalnych kotłowni węglowych. Przedsiębiorstwa ciepłownicze próbując utrzymać rynek klienta są aktywnie zainteresowane budową i udziałem w przedsięwzięciach multienergetycznych -- widząc w tych rozwiązaniach nowe szansę rozwojowe. Coraz częściej postrzega się generację rozproszoną nie jako konkurencję dla sieciowej dostawy ciepła ze źródeł scentralizowanych ale jako podstawową i naturalną drogę rozwoju przedsiębiorstw ciepłowniczych. Rozwój ten nie będzie możliwy bez daleko idących porozumień i współpracy z przedsiębiorstwami dystrybucji gazu. System gazowniczy Instalowanie silników gazowych oznacza dla systemu gazowniczego pojawianie się nowych odbiorców na nośnik sieciowy. Są to odbiorcy o w miarę wyrównanym w czasie zapotrzebowaniu (i stosunkowo długich czasach wykorzystania mocy zainstalowanej). To

3 nowe zapotrzebowanie generuje jednocześnie umiarkowane rozproszenie sieci dystrybucyjnej. Połączenie tych dwóch cech zapewnia najczęściej spełnienie warunków ekonomicznych dostawy gazu. Wytwarzanie rozproszone jest jakościowo nowym zjawiskiem, tworzącym możliwość rozszerzenia oferty na lokalnych rynkach energii i podwyższenie konkurencyjności firm gazowniczych. Aktywna polityka na lokalnych rynkach energii powinna zmieniać rolę firm gazowniczych, które mają możliwość odgrywania wiodącej roli (lub co najmniej roli aktywnego partnera) w tworzeniu firm multienergetycznych. 3. SPRZEDAŻ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z UKŁADÓW SKOJARZONYCH MAŁEJ MOCY W wielu przypadkach, ze względu na niejednoczesność występowania zapotrzebowania na ciepło i na energię elektryczną, nie udaje się uniknąć występowania okresowych nadwyżek produkowanej energii elektrycznej. Uwarunkowaniem instalowania tego typu układów są możliwości zbycia nadmiaru produkowanej energii elektrycznej do lokalnej sieci. Ze względu na wysoką efektywność wykorzystania paliwa w układach skojarzonych (i związane z tym korzyści ekologiczne) w wielu krajach zdecydowano się na wspomaganie rozwoju generacji rozproszonej poprzez stworzenie odpowiednich unormowań prawnych. Stosowane są różne preferencje polegające miedzy innymi na: zapewnieniu źródłom rozproszonym dostępu do sieci (szczególnie istotny jest tu ewentualny obowiązek przyłączenia tych źródeł do sieci elektroenergetycznej), zagwarantowaniu obowiązku zakupu nadwyżek produkowanej energii przez przedsiębiorstwa dystrybucyjne, określeniu cen dla energii elektrycznej produkowanej w tych źródłach oraz funkcjonowaniu programów subsydiowania przedsięwzięć inwestycyjnych lub preferencji podatkowych. W ustawodawstwie europejskim zasadnicze znaczenie ma Dyrektywa o wspieraniu kogeneracji z 2004 r. [3]. Zgodnie z tym dokumentem preferencyjnie powinny być traktowane układy skojarzone z silnikami gazowymi. W przypadku układów o mocach jednostkowych poniżej l MW preferencje dotyczą wszystkich źródeł (nie określa się wymagań dotyczących sprawności tych układów) a w przypadku źródeł powyżej l MW preferowane są układy tzw. wysokosprawne" (czyli takie, dla których sprawność ogólna przekracza 80%). Preferencje dla kogeneracji określone są także w ustawodawstwie krajowym. Odpowiednie zapisy zostały wprowadzone do Prawa energetycznego a zasadniczym aktem wykonawczym regulującym zasady funkcjonowania źródeł skojarzonych na rynku energii jest Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła [2]. W rozporządzeniu tym silniki gazowe nie są traktowane jako osobna, wyróżniona technologia wytwarzania skojarzonego ale podlegają preferencjom na zasadach ogólnych. Krajowe regulacje narzucają przedsiębiorstwom sprzedającym energię elektryczną odbiorcom końcowym, uzyskanie odpowiedniego udziału zakupu energii wytwarzanej w skojarzeniu. 4. ANALIZA OPŁACALNOŚCI ZASTOSOWANIA SILNIKA GAZOWEGO Do analizy wybrano silnik gazowy o mocy elektrycznej 310 kw i mocy cieplnej 481 kj/s. Sprawność ogólna układu wynosi 92,1%. Wskaźniki opłacalności inwestycyjnej policzono przy następujących założeniach: > Przyjęto nakłady na poziomie 3500 zł/kw mocy zainstalowanej. Założono, że kwota to

4 obejmuje zakup, dostawę i montaż urządzeń oraz koszty przyłączenia źródła do sieci. > Dotychczasowa cena ciepła dla odbiorcy wynosiła 27 zł/gj. Na tym poziomie oszacowano cenę ciepła produkowanego przez silnik. > Cenę gazu przyjęto według taryfy Pomorskiej Spółki Gazownictwa [5]. > Produkowana energia elektryczna będzie w całości sprzedawana do sieci elektroenergetycznej. Cenę odsprzedaży energii elektrycznej traktowano jako parametr zmienny w przeprowadzonych analizach. > Czas użytkowania mocy zainstalowanej zmieniano w szerokich granicach, dla określenia wpływu tego parametru na wskaźniki opłacalności inwestycyjnej. Analizy wrażliwości dla wskaźników opłacalności inwestycyjnej wykazały, że najbardziej istotnymi parametrami jest cena energii elektrycznej oraz stopień wykorzystania mocy obiektu (opisany przez czas wykorzystania mocy zainstalowanej w roku). Na rys. l przedstawiono zależność wskaźnika opłacalności inwestycyjnej IRR od ceny, po której jest odsprzedawana energia elektryczna. Wyniki pokazano dla dwóch czasów: 8700 h/a (co odpowiada pracy przez cały rok przy stałym obciążeniu) i 5000 h/a (co odpowiada czasowi trwania sezonu grzewczego w naszej strefie klimatycznej). W przypadku doboru silnika dla obciążeń cieplnych trwających cały rok zadawalające wartości IRR osiąga się już przy cenach energii elektrycznej około 140 zł/mwh. W przypadku obciążeń cieplnych trwających tylko w sezonie grzewczym dla osiągnięcia zadawalającego wskaźnika IRR należałoby odsprzedawać energię elektryczną po cenie zł/mwh.

5 Na rys. 2 przedstawiono zależność ceny energii elektrycznej od czasu wykorzystania mocy zainstalowanej. Otrzymana zależność pokazuje, że skrócenie czasu trwania obciążeń cieplnych w roku powoduje konieczność uzyskania istotnie większej ceny energii elektrycznej. Dla czasów poniżej 4000 h/a cena energii elektrycznej przekracza już 200 zł/mwh i stosowanie silnika przestaje być atrakcyjne dla inwestora. Dobierając silniki w układach modułowych do pokrycia zmiennych obciążeń cieplnych, należy więc zapewnić silnikom stosunkowo długi czas użytkowania mocy w roku - stąd wynika konieczność współpracy silników z szczytowymi źródłami ciepła oraz zasobnikami ciepła. Znaczną poprawę wskaźników opłacalności inwestycyjnej można uzyskać w przypadkach, gdy energia elektryczna nie jest odsprzedawana do sieci, tylko wykorzystuje się ją na pokrycie potrzeb własnych inwestora. W takim przypadku korzyścią z produkcji energii elektrycznej przez silnik jest uniknięcie kosztów zakupu energii z sieci. Ceny zakupu dla odbiorców finalnych znacznie przewyższają możliwe do osiągnięcia ceny sprzedaży energii elektrycznej (nawet w przypadku energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu, podlegającej obowiązkowi zakupu). Prezentowany przykład obliczeniowy jest wynikiem uproszczonej analizy wskaźnikowej. Został przeprowadzony przy wielu założeniach upraszczających i nie należy traktować go jako analizy konkretnego przypadku, tylko jako ilustrację ogólnych zależności. Ze względu na złożoność uwarunkowań lokalnych, analizy opłacalności dla rzeczywistych przypadków powinny być przeprowadzane indywidualnie. 5. PODSUMOWANIE Dla zapewnienia efektywności ekonomicznej projektów wprowadzenia małych silników gazowych do produkcji energii elektrycznej i ciepła ważne jest zapewnienie odpowiedniej ceny odsprzedaży nadwyżek energii elektrycznej do sieci oraz właściwy dobór mocy układu do obciążenia w celu osiągnięcia możliwie długich czasów pracy urządzenia. Aktualne krajowe rozwiązania prawne, zapewniające preferencje na rynku dla energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu z ciepłem, umożliwiają wytwórcom uzyskanie wyższej ceny energii elektrycznej niż cena rynkowa" (rozumiana jako cena zakupu energii elektrycznej z elektrowni kondensacyjnych). Unormowania prawne są jednak dość zawiłe i szczególnie w przypadku małych źródeł skorzystanie z nich jest często trudne. Zniechęca to wielu potencjalnych inwestorów, zwiększając ryzyko inwestycyjne projektów. Ciągła ewolucja rozwiązań prawnych, przy jednoczesnym braku jasnej wizji przyszłości nie zmniejsza tego ryzyka. Ogólny kierunek przemian, polegający na rozwijaniu preferencji dla kogeneracji będzie jednak prowadził do sytuacji, w której uwarunkowania dla stosowania silników gazowych w małych układach skojarzonych będą bardziej korzystne i z umiarkowanym optymizmem należy patrzeć na rozwój tego sektora.

6 LITERATURA [1] Bućko P.: Generacja rozproszona w warunkach rynków energii. Rynek Energii 1999, nr 6. [2] Dyrektywa 2004/8/EC o wspieraniu kogeneracji. [3] Kamrat W.: Problemy rozwoju energetyki z uwzględnieniem opcji zwiększonej podaży gazu. Rynek Energii 2004, nr 2. [4] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła. Dz.U. z 2004 r. Nr 267 poz [5] Taryfa Pomorskiej Spółki Gazownictwa Sp. z o. o. DTA-822/4250-A/2/2003/AK. Biuletyn Branżowy URE -Paliwa Gazowe Nr 14. PROFITABILITY OF GAS COMBUSTION ENGINES' APPLICATION TO HEAT AND ELECTRICITY PRODUCTION Key words: cogeneration, local energy market, dispersed sources, gaś combustion engines Summary. In the paper, circumstances of smali units' operation on local energy markets have been described. The issues of gaś combustion engines' co-operation with energy systems and the economic conditions of their development have been presented. The results of economic effectiveness analysis of the small gas combustion engine project have been discussed. Paweł Bućko, dr inż., Katedra Elektroenergetyki, Politechnika Gdańska, ul. Narutowicza 11/12, Gdańsk pbucko@ely.pg.gda.pl