ROZPROSZONE ELEKTROWNIE GAZOWE W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM

Transkrypt

1 ROZPROSZONE ELEKTROWNIE GAZOWE W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM Autor: Paweł Bućko ( Rynek Energii nr 4/2008) Słowa kluczowe: wytwarzanie rozproszone, rynek energii, elektrownie gazowe Streszczenie. Przedstawiono problemy współpracy źródeł malej mocy z systemami energetycznymi. Scharakteryzowano rolę małych źródeł w systemie. Szczególną uwagę poświęcono problemom rezerwowania mocy w systemie elektroenergetycznym. Omówiono podstawowe układy technologiczne elektrowni gazowych małych mocy. Zwrócono uwagę na elastyczność ruchową elektrowni gazowych. Przedstawiono problemy wykorzystania małych elektrociepłowni gazowych jako dostawców usług systemowych oraz problemy zapewnienia w systemie odpowiednich rezerw mocy na potrzeby zastąpienia tych źródeł. 1. WSTĘP Elektrownie gazowe mogą się charakteryzować duŝą elastycznością ruchową. Elektrownie zaprojektowane dla uzyskania duŝej elastyczności ruchowej wykorzystują najczęściej układ technologiczny z turbiną gazową (rzadziej z silnikami duŝej mocy). Cechą takich układów są krótkie czasy rozruchu. Niestety efektywność wykorzystania paliwa nie jest wysoka, co powoduje Ŝe czasy ich pracy w dobie są stosunkowo krótkie. W systemie pełnią rolę źródeł szczytowych, pracujących w okresach duŝego zapotrzebowania. Dodatkową wadą układów jest obniŝona Ŝywotność ze względu na częste procesy odstawień i rozruchów. Z uwagi na prosty układ technologiczny są to jednak układy względnie tanie inwestycyjnie i łatwe do lokalizacji. Mogą być budowane w pobliŝu centrów odbiorczych. Szczytowe elektrownie systemowe wykorzystujące gaz ziemny są obecnie mało konkurencyjne w stosunku do innych elektrowni szczytowych. Mimo niskich nakładów, wysokie koszty paliwa przy stosunkowo niskiej sprawności jego wykorzystania, powodują wysokie jednostkowe koszty wytwarzania, wyŝsze niŝ w innych technologiach. Poprawę efektywności wykorzystania paliwa dla układów technologicznych z silnikami i turbinami gazowymi uzyskuje się poprzez zagospodarowanie ciepła odpadowego z produkcji energii elektrycznej do celów technologicznych lub grzewczych. Technologie kogeneracji gazowej są obecnie wspierane w Unii Europejskiej ze względu na duŝą efektywność wykorzystania paliwa (większą niŝ w przypadku rozdzielonej produkcji energii elektrycznej i ciepła [2]. Dla zapewnienia właściwej ekonomiki pracy elektrociepłowni z silnikiem lub turbiną gazową waŝne jest dostosowanie mocy układu do zapotrzebowania. Istotne jest zwłaszcza zapotrzebowanie na ciepło. Układy oferowane są w duŝym zakresie mocy. Najbardziej popularne obecnie są układy małej i średniej mocy, ze względu na łatwość dopasowania do zapotrzebowania odbiorcy. W przypadku zapotrzebowania na ciepło o wyŝszych parametrach temperaturowych wykorzystywane są układy z turbinami gazowymi, a w przypadku typowych zastosowań grzewczych układy z silnikami gazowymi. O wyborze silnik czy turbina decydują teŝ często proporcje pomiędzy zapotrzebowaniem na ciepło a zapotrzebowaniem na energię elektryczną odbiorcy.

2 2. GENERACJA ROZPROSZONA W SYSTEMIE Przy rosnącej liczbie źródeł rozproszonych, podstawowym problemem staje się zapewnienie właściwych standardów ich współpracy z systemem. Dostrzegane są przy tym korzyści z rozwoju wytwarzania rozproszonego, jak i nowe wymagania dla systemu [1]. Charakteryzując wytwarzanie rozproszone z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego wymienia się najczęściej następujące cechy [1]: - wytwarzanie energii elektrycznej przez bloki (elektrownie modułowe) małej mocy - o mocach znamionowych od pojedynczych kilowatów do kilkunastu megawatów, - wytwarzanie energii elektrycznej w pobliŝu odbiorców (na potrzeby własne lub lokalnej sieci dystrybucyjnej), - rozproszenie własności tego typu źródeł (spółki dystrybucyjne, odbiorcy podłączeni do systemu, podmioty niezaleŝne) idące w kierunku demonopolizacji sektora i tworzenia konkurencji na lokalnych rynkach energii. Układy energetyczne z wykorzystaniem silników gazowych i małych turbin (charakterystyczne dla generacji rozproszonej) dają moŝliwości efektywnych rozwiązań przy niskich nakładach, duŝej sprawności energetycznej i zaletach środowiskowych wszędzie tam, gdzie jest dostępny gaz. Opłacalność ekonomiczną mogą uzyskać dzięki wysokiej efektywności wykorzystania drogiego paliwa oraz poprzez skorzystanie z mechanizmów wsparcia, takich jak system zbywalnych świadectw pochodzenia energii elektrycznej (tzw. Ŝółtych" certyfikatów). Układ silnika gazowego dla systemu grzewczego przedstawiono na rys. 1. W celu polepszenia ekonomiki wytwarzania energii silniki gazowe mogą być włączone do klasycznych układów z turbiną parową. W takich rozwiązaniach proporcja między produkowaną energią elektryczną a ciepłem ulega podwyŝszeniu (rys. 2). W przypadku elektrociepłowni przemysłowych pokrywających zapotrzebowanie nie tylko na ciepło dla celów grzewczych, ale takŝe na ciepło technologiczne w postaci pary wodnej, dominują bloki z turbinami gazowymi, gdyŝ takie układy zapewniają lepsze parametry pracy.

3 Na rys. 3 i 4 przedstawiono przykładowe układy z turbinami gazowymi. WyŜsze parametry termodynamiczne ciepła odzyskiwanego z turbiny (w porównaniu z silnikami) pozwalają na większą elastyczność w projektowaniu układu elektrociepłowni przemysłowej - łatwiejsze jest uzyskiwanie pary o parametrach koniecznych w procesach technologicznych.

4 Zakres zastosowań układów skojarzonych rozszerza moŝliwość wprowadzenia tzw. trigeneracji" obejmującej skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej, ciepła i chłodu sieciowego. Przesunięcie w skali roku pomiędzy zapotrzebowaniem na ciepło grzejne (sezon ogrzewczy) oraz chłód sieciowy (maksimum zapotrzebowania w miesiącach letnich) powoduje, Ŝe występują warunki do skojarzenia procesów wytwarzania ciepła grzejnego, chłodu i energii elektrycznej. 3. BEZPIECZEŃSTWO DOSTAW ENERGII Z GENERACJI ROZPROSZONEJ System elektroenergetyczny nie ma naturalnych moŝliwości akumulacyjnych co powoduje, Ŝe wytwarzanie w systemie musi podąŝać za zapotrzebowaniem, które jest traktowane jako wymuszenie. Stochastyczny charakter zapotrzebowania na moc ze strony odbiorców wymaga utrzymywania w systemie układów regulacji mocy wytwarzanej (i wymiany między-systemowej). Dla poprawnej pracy układów regulacji mocy konieczne jest utrzymywanie rezerw (o róŝnych czasach dostępu). W warunkach rynku energii elektrycznej utrzymywanie rezerw mocy traktuje się jako usługi systemowe i zakupuje się zarówno gotowość do ich świadczenia jak i bieŝące korzystanie z nich. W scentralizowanych systemach elektroenergetycznych proces regulacji mocy takŝe w znacznym zakresie jest scentralizowany i realizowany przez regulator systemowy. W krajowym systemie rolę regulatora systemowego pełni układ ARCM. Zapotrzebowanie na rezerwy mocy o róŝnych czasach dostępu jest określane na podstawie typowej zmienności obciąŝenia odbiorców, konieczności rezerwowania mocy największych bloków wytwórczych, moŝliwych ograniczeń przesyłowych i ewentualnych zaburzeń w wymianie międzysystemowej. Rezerwy pozyskiwane są i utrzymywane w źródłach wytwórczych. Wprowadzenie do systemu źródeł generacji rozproszonej w istotnym udziale wymusza zmianę w podejściu do planowania i wykorzystania źródeł mocy regulacyjnej. Źródła generacji rozproszonej mogą wspierać system w zakresie regulacji mocy, szczególnie w peryferyjnych obszarach systemu. Po spełnieniu pewnych warunków mogą być więc dostawcami usług regulacyjnych. Mogą pełnić rolę rezerw mocy oraz rolę źródeł szczytowych. Warunkiem takiej pracy jest uzyskanie duŝej elastyczności" pracy (moŝliwości uruchomienia, utrzymania w ruchu niezaleŝnie od sytuacji zewnętrznej). Źródła rozproszone mogą pełnić role dostawców usług regulacyjnych pod warunkiem wprowadzenia decentralizacji (przynajmniej częściowej) procesu regulacji mocy w systemie. W przypadku małych układów gazowych dominują układy kogeneracyjne. Efektywne wykorzystanie takich układów do pełnienia roli dostawców usług systemowych wymaga przede wszystkim umoŝliwienia produkcji energii elektrycznej w przypadku braku zapotrzebowania na ciepło. Niejednoczesność występowania zapotrzebowań na ciepło i energię elektryczna jest więc istotną przeszkodą. Uelastycznienie pracy bloków moŝna uzyskać poprzez wykorzystanie akumulatorów ciepła lub rozbudowy układu o chłodnię i wytracanie w niej nadmiaru ciepła. Źródła rozproszone charakteryzują się niŝszą dyspozycyjnością niŝ źródła scentralizowane. Wiele ze źródeł rozproszonych określanych jest jako generacja niespokojna", charakteryzująca się duŝą zmiennością, wymuszoną przez czynniki zewnętrzne. Charakteryzują się prostymi układami regulacji i zabezpieczeń, które powodują częste odstanawianie układów. Źródła gazowe pod tym względem są na szczęście dość stabilnym elementem systemu elektroenergetycznego. Ich produkcja jest przewidywalna, szczególnie

5 gdy moc bloku dobrana jest poprawnie do występujących obciąŝeń cieplnych. Znacznie większą nieprzewidywalnością produkcji charakteryzują się inne źródła rozproszone (np. elektrownie wiatrowe). DuŜy udział w systemie źródeł rozproszonych powoduje zwiększenie zapotrzebowania na utrzymywanie rezerw systemowych. 4. WYCENA USŁUG SYSTEMOWYCH NA LOKALNYM RYNKU ENERGII O wartości usług systemowych powinny decydować prawa popytu i podaŝy. Na rynkach lokalnych osiągniecie zrównowaŝonego rynku będzie trudne. Prawdopodobnie konieczne będzie przejście przez etap rynku regulowanego lub częściowo regulowanego. Podstawowe przyczyny, które o tym zadecydują to: - ograniczona (przez przyczyny techniczne) podaŝ niektórych usług systemowych, co przy większym popycie moŝe powodować zawyŝanie wartości ich pełnienia w kontraktach, - mała konkurencja pomiędzy dostawcami wybranych usług, mogąca prowadzić do zachowań monopolistycznych, - obecnie w rynku usług uczestniczą praktycznie tylko wytwórcy energii, którzy w naturalny sposób są zainteresowani zwiększaniem ich wartości, poniewaŝ koszty usług są przenoszone na odbiorców. Przy wycenie wartości usługi systemowej rozwaŝyć naleŝy cztery zasadnicze przesłanki, wyznaczające poziom kosztów odniesienia: - koszty ponoszone przez dostawcę usługi związane z jej pełnieniem, które powinny wyznaczać minimalny poziom wyceny, - utracone zyski, moŝliwe do uzyskania w przypadku przeznaczenia mocy do pełnienia innych funkcji systemowych (np. inna usługa lub produkcja energii), będące dodatkową przesłanką do podwyŝszenia minimalnego poziomu wyceny, - koszty pozyskania usługi o zbliŝonych parametrach technicznych u innego, alternatywnego dostawcy, które określą maksymalny poziom wyceny, - koszty uniknięte w systemie, które są efektem dostępności usługi o zadanych parametrach, określające maksymalny poziom wyceny usługi w tych przypadkach, dla których nie ma alternatywy w postaci innych dostawców. Wymienione poziomy kosztów powinny ograniczać pole negocjacji w przypadku zawierania kontraktów na dostawę usług systemowych. Istotna dla dostawcy usługi systemowej jest analiza utraconych moŝliwości innego wykorzystania mocy przeznaczonej do wybranej usługi systemowej. W przypadku usług związanych z rezerwowaniem mocy alternatywą jest najczęściej produkcja energii.

6 Utracone zyski wyznaczają minimalny poziom oczekiwanych korzyści dla dostawcy z tytułu pełnienia rozwaŝanej usługi systemowej. PodwyŜszają więc minimalny poziom wyceny usługi systemowej od danego dostawcy. Analiza utraconych korzyści powinna brać pod uwagę następujące czynniki: - poprawne oszacowanie utraconych zysków z alternatywnego wykorzystania mocy na podstawie analizy dwóch czynników: oceny moŝliwych do osiągnięcia przychodów oraz właściwego oszacowania kosztów takiego działania (szczególnie istotna jest analiza kosztów zmiennych, zaleŝnych od sposobu pracy), - w przypadku źródeł skojarzonych istotna jest analiza moŝliwości utraty przychodów ze zbycia świadectw pochodzenia energii. 5. PODSUMOWANIE Wykorzystanie moŝliwości generacji rozproszonej w systemie elektroenergetycznym jest alternatywą dla tradycyjnych wariantów rozwojowych, bazujących na duŝych elektrowniach systemowych. Elektrownie gazowe charakteryzują się stosunkowo duŝą elastycznością ruchową i krótkimi czasami rozruchów. Wykorzystanie tych cech pozwala rozwaŝać je jako istotne źródła mocy regulacyjnych w systemie. Małe źródła skojarzone poza produkcją ciepła i energii elektrycznej mogą świadczyć w systemie regulacyjne usługi systemowe. W przypadku ich świadczenia pojawiają się dodatkowe koszty związane z dostosowaniem układu i pogorszeniem efektywności wykorzystania paliwa oraz moŝe pojawić się problem ograniczenia przychodów ze świadectw pochodzenia. Po to by efektywnie zachęcić takie źródła do aktywnego uczestnictwa w regulacji systemowej konieczne jest sformułowanie atrakcyjnej oferty na rynkach lokalnych. Powołanie lokalnych rynków usług systemowych będzie moŝliwe w przypadku decentralizacji algorytmów regulacji mocy w systemie. Konieczność rezerwowania mocy źródeł rozproszonych powoduje takŝe zwiększenie zapotrzebowania na usługi regulacyjne. Decentralizacja wytwarzania w systemie wymusza zmianę podejścia do problemu regulacji mocy. Paweł Bućko, dr inŝ., Katedra Elektroenergetyki, Politechnika Gdańska, ul. Narutowicza 11/12, Gdańsk, pbućko@ely.pg.gda.pl

7 LITERATURA [1] Bućko P.: Generacja rozproszona w warunkach rynków energii. Rynek Energii 1999, nr 6. [2] Bućko P.: Kogeneracja gazowa w nowych uwarunkowaniach po implementacji Dyrektywy europejskiej. Rynek Energii 2007, nr 4. [3] Bućko P.: Konkurencja w dostawie regulacyjnych usług systemowych. Rynek Energii 2008, nr 2. [4] Bujko J., Malko J.: Źródła skojarzone na rynku lokalnym. Seminarium Problemy skojarzonego wytwarzania ciepła i energii elektrycznej", Mikołajki, kwietnia [5] Distributed Resources: Toward a New Paradigm of Electricity Business. The Energy Journal Special Issue, [6] Kamrat W., Bućko P.: MoŜliwości wykorzystania gazu ziemnego do produkcji energii. Kongres Gazowy. Wisła, kwiecień [7] Zaporowski B.: Wykorzystanie technologii wytwórczych na polskiej mapie bezpieczeństwa energetycznego. Komitet Problemów Energetyki Polskiej Akademii Nauk. Warszawa, czerwca DISTRIBUTED GAS UNITS IN POWER SYSTEM Key words: distributed generation, energy market, gas units Summary. Problems of operation of smali gas units in power systems have been presented in the paper. Role of smali generation units in power system have been characterized. Problems of power reserves in the system have been in the focus of attention. Technologies of smali gas power stations have been presented. Flexibility of smali gas units operation has been emphasized. Problems of operation of distributed gas units as ancillary services providers have been discussed. Questions of power reserves in systems with distributed generation have been also discussed in the paper.