Kierunki rozwoju odnawialnych źródeł energii na Dolnym Śląsku

Transkrypt

1 Kierunki rozwoju odnawialnych źródeł energii na Dolnym Śląsku mgr Piotr Chrobak, dr inż. Maciej Sygit Strzelin Wprowadzenie Kierunki rozwoju odnawialnych źródeł energii (OŹE) wytyczane są na podstawie grupy czynników, wśród których istotną rolę odgrywa zaopatrzenie tych źródeł. Pojęcie zaopatrzenia w ogólnym wymiarze odnawialnych źródeł energii jest na tyle szerokie, że jego definicja nie może zostać ograniczona do wybranych aspektów. W przypadku kotłowni na biomasę problem zaopatrzenia wpisuje się w uniwersalne problemy logistyczne, tj. transportu surowca, ciągłości dostaw, polityki magazynowej itd. Natomiast w przypadku elektrowni wiatrowej możemy mówić o zaopatrzeniu elektrowni w surowiec wtedy, gdy z odpowiednią prędkością wieje wiatr. Jednakże różnica nie polega na prawidłowej interpretacji łańcucha dostaw, ani na obliczeniach przemian energetycznych zachodzących w urządzeniach, a raczej na jak najdokładniejszym oszacowaniu potencjału energetycznego pozostającego na użytek źródła energii. Dopiero oszacowanie potencjału energetycznego dla danego rodzaju źródła energii pozwala odpowiedzieć na pytanie, czy ten rodzaj źródła ma szansę na rozwój. Potencjał energetyczny Dolnego Śląska dotyczy odnawialnych źródeł energii wykorzystujących głównie: energię chemiczną biomasy, energię bezpośredniego promieniowania słonecznego, energię spadku wody, energię geotermalną oraz energię wiatru. Rozwój źródeł energii w ramach poszczególnych sektorów dokonuje się od wielu lat, toteż również na Dolnym Śląsku można spotkać się z przykładami działających instalacji. Każda z instalacji pozwala skonfrontować wyniki szacowania potencjału energetycznego z rzeczywistym wykorzystaniem tego potencjału. Ta weryfikacja ex post w wielu przypadkach nie była poprzedzona prognozą, ponieważ wielokrotnie inwestor nie dysponował rzetelnymi szacunkami potencjału energetycznego. Takie przykładowe inwestycje pozwalają obecnie na wyciąganie stosownych wniosków i zachęcają do podejmowania mniej ryzykownych decyzji na podstawie szacowania potencjału energetycznego. Województwo dolnośląskie jest terenem, na którym część powierzchni stanowi Nizina Dolnośląska, a część stanowi Pogórze Sudeckie. Zróżnicowanie wysokościowe powoduje, iż Dolny Śląsk jest regionem szczególnie atrakcyjnym dla inwestorów ze względu na mnogość potencjalnie możliwych do wdrożenia rozwiązań. Jednak praktyczne możliwości wdrożeń zawsze są ograniczone. Biomasa na Dolnym Śląsku Rozważając potencjał energetyczny pod kątem biomasy, należy przede wszystkim skoncentrować się na biomasie roślinnej (rośliny energetyczne, drewno, słoma, siano itp.), biomasie odpadowej (odpady produkcji rolnej, przemysłowej, gastronomii itp.) oraz odpadach hodowlanych (w szczególności gnojowicy) i komunalnych (osady ściekowe). Powierzchnia Dolnego Śląska w 58% wypełniona jest użytkami rolnymi, co stanowi ok. 1,16 mln [ha]. Udział ten kształtuje się nieznacznie poniżej krajowej średniej (59,6%). Na Dolnym Śląsku dominują gleby III i IV klasy 72,5%, gleby klasy V i VI stanowią ok. 19% gruntów ornych, a klasy I i II ok. 8,5%. Na terenie województwa dolnośląskiego przeważają grunty dobre i bardzo dobre, co stwarza duże możliwości w zakresie uprawy i wykorzystania biomasy.

2 Wśród roślin energetycznych należy wyróżnić: rzepak, kukurydzę, buraki cukrowe, ziemniaki, drzewiaste rośliny energetyczne (wierzba krzewiasta oraz topola) oraz pozostałe rośliny energetyczne, takie jak: ślazowiec pensylwański, topinambur i inne. Opierając się na szacunkach przeprowadzonych w 2006 roku można przyjąć, iż potencjał energetyczny na Dolnym Śląsku jest następujący: - rzepak: 8,884 [PJ], w tym: ziarno rzepakowe 5,616 [PJ] i słoma rzepakowa 3,268 [PJ]; - kukurydza: 16,2 20,2 [PJ], w tym: ziarno 3,7 [PJ], słoma 12,5 16,5 [PJ]; - buraki cukrowe: 2,4 [PJ]; - ziemniaki: 3,1 [PJ]. Powierzchnia upraw drzewiastych i pozostałych roślin energetycznych na terenie województwa dolnośląskiego jest mała. Na terenie województwa wyróżnia się powiat dzierżoniowski, ale potwierdzono również niewielkie uprawy w innych powiatach województwa. W województwie dolnośląskim ugory lub grunty odłogowane zajmują powierzchnię ok. 150 tys. ha. Jest to znaczący odsetek powierzchni rolniczej stanowią one ok. 17% powierzchni rolniczej ogółem. Tereny te można wykorzystać do uprawy roślin energetycznych. Ostrożnie przyjąć można, że z każdego hektara nieużytków plony roślin energetycznych wyniosą 10 ton suchej masy. Zatem przy wykorzystaniu 70% nieużytków (nie wszystkie nieużytki będą mogły zostać wykorzystane), plon suchej biomasy w województwie dolnośląskim wynieść może tys. Mg. Przy kaloryczności suchej biomasy rzędu co najmniej 17 [GJ/Mg], wartość energetyczna biomasy rosnącej na nieużytkach wynieść może ok. 18 PJ rocznie. Wartość opałowa drewna zależy głównie od jego wilgotności i gęstości, natomiast w mniejszym stopniu od rodzaju drewna. Drewno o wilgotności 10-20% - powietrznie suche posiada wartość opałową [GJ/Mg], a drewno całkowicie wysuszone osiąga wartość opałową ok. 19 [GJ/Mg]. Łączna potencjalna wartość energetyczna drewna wynosi 12,5 [PJ] rocznie. Na wartość tę składają się: drewno opałowe: 8,5 [PJ]; drewno odpadowe: 0,9 [PJ]; drewno poużytkowe. 3,1 [PJ]; Rzeczywista wartość energetyczna drewna w województwie dolnośląskim wynosić może 5 [PJ] rocznie. Na rzeczywiste zasoby energetyczne drewna składają się: drewno opałowe pozyskane z lasów, drewno odpadowe powstałe w trakcie wyrębu oraz w sposób naturalny w lasach, drewno odpadowe z przemysłu, nie zużywane powtórnie (jako surowiec do produkcji np. płyt pilśniowych, sklejek, wyrobów drewnopodobnych), drewno odpadowe z sadów, drewno odpadowe z poboczy dróg, drewno poeksploatacyjne, nie użytkowane powtórnie w przemyśle. Obecne rezerwy surowca można szacować na 1 [PJ] rocznie. Na rezerwy te składają się przede wszystkim zasoby drewna odpadowego z lasów oraz drewna poużytkowego.

3 Wielkość zasobów słomy możliwych do wykorzystania w energetyce zależy m.in. od gatunku i odmiany roślin, klasy ziemi i wydajności plonów. W obliczeniach przyjmuje się ostrożnie, że ilość słomy, którą można wykorzystać w celach energetycznych to ok. 30% jej produkcji. Oznacza to, że zasoby energetyczne słomy to ok. 715 tys. ton rocznie, a ich wartość energetyczna (przyjmując, że jednostkowa wartość energetyczna to ok. 15 [GJ/Mg]) to ok. 10 [PJ] rocznie. Potencjał energetyczny siana jest niski, wynosi ok. 0,4 [PJ] rocznie. Wynika to z wykorzystania siana do hodowli jest to bardzo dobra pasza dla zwierząt. W przypadku biomasy odpadowej szacowanie potencjału energetycznego jest niezwykle trudnym zadaniem, zarówno jeśli chodzi o ilość surowca możliwego do pozyskania jak i jego kaloryczność. Odpadowa biomasa to biomasa ze składowisk odpadów i oczyszczalni ścieków, odpady gastronomiczne, odpady medyczne, czy też odpady komunalne i przemysłowe. Z pewnością sytuacja dot. szacowania potencjału energetycznego biomasy odpadowej zmieni się na lepsze, jeśli polskie prawodawstwo dostosuje się do wymogów unijnych 1. Biomasa pochodzenia zwierzęcego traktowana jako odpady hodowlane oraz ścieki komunalne traktowane jako odpady komunalne stanowią popularny surowiec do produkcji biogazu. Szacując potencjał energetyczny obu kategorii należy zbadać potencjał gospodarstw hodowlanych oraz oczyszczalni ścieków. Obsada bydła i trzody chlewnej w 2005r. w przeliczeniu na 100 ha użytków rolnych należała do najniższych w kraju (odpowiednio 12 szt. i 47 szt., wobec średnio w kraju 34 szt. i 118 szt.). Pogłowie zarówno trzody chlewnej, jak i bydła spadło w skali roku odpowiednio o 5,7% i o 3,0% (w kraju odnotowano wzrost odpowiednio o 7,6% i o 3,6%). Oznacza to, że na Dolnym Śląsku w tym czasie było hodowanych ok. 140 tys. szt. bydła oraz ok. 545 tys. szt. trzody chlewnej. W przypadku ścieków komunalnych ich potencjał energetyczny skupia się w oczyszczalniach ścieków, gdzie może być wykorzystany. Brak alternatywnych technologii dotychczas nie pozwolił na szersze spojrzenie na omawiany problem. Instalacja wykorzystująca potencjał energetyczny ścieków komunalnych musi mieć dostęp do odpowiedniej ich ilości. Wg różnych źródeł uważa się, iż instalacja biogazowni w oczyszczalni ścieków ma ekonomiczny sens wtedy, gdy obciążenie oczyszczalni nie jest niższe niż RLM 2. Poniżej na rysunku przedstawiono mapę potencjału i wykorzystania odnawialnych źródeł energii opartych na biomasie. 1 Przykładowo: wprowadzenie nakazu bezpiecznej utylizacji odpadów gastronomicznych pozwoli na stworzenie rynku frakcji biomasy na cele energetyczne. 2 RLM równoważna liczba mieszkańców

4 Rysunek 1. Potencjał i wykorzystanie energii biomasy. Źródło: Potencjał Dolnego Śląska w zakresie rozwoju alternatywnych źródeł energii, Dolnośląskie Centrum Zaawansowanych Technologii 2006 Na terenie Dolnego Śląska funkcjonuje obecnie kilkadziesiąt kotłowni na biomasę 3, a także liczne biogazownie w oczyszczalniach ścieków. Na znacznie mniejszą skalę produkowane są biopaliwa (estry, etanol,..). Wciąż rzadkością są uprawy drzewiastych roślin energetycznych. Energia bezpośredniego promieniowania słonecznego Energia bezpośredniego promieniowania słonecznego wykorzystywana jest w kolektorach słonecznych i panelach fotowoltaicznych do wytwarzania odpowiednio: energii cieplnej (c.o. i c.w.u.) oraz energii elektrycznej. Wykorzystanie tych instalacji uzależnione jest lokalnego nasłonecznienia terenu (ilości dni słonecznych w roku), które przekłada się bezpośrednio na ilość energii możliwej do uzyskania na jednostkę powierzchni w ciągu roku. Polska w pasie środkowej Europy ma podobny potencjał do krajów takich krajów jak: Litwa, Łotwa, Estonia, Czechy, Niemcy, czy kraje Beneluksu. Na poniższym rysunku przedstawiono potencjał energetyczny bezpośredniego promieniowania słonecznego w Europie. 3 Z wykluczeniem gospodarstw domowych

5 Rysunek 2. Potencjał energii bezpośredniego promieniowania w Europie. Źródło: Komisja Europejska 2006, Potencjał energii bezpośredniego promieniowania słonecznego w Polsce oscyluje wokół wartości [kwh / m 2 / rok]. Odnosząc się do sytuacji na Dolnym Śląsku można stwierdzić, iż sytuacja jest mniej korzystna w części południowej ze względu na pas Sudetów, a średnia dla całego regionu jest mniejsza od 1100 [kwh / m 2 / rok]. Na poniższym rysunku przedstawiono potencjał energii promieniowania słonecznego dla Dolnego Śląska, a także wykorzystanie tej energii w instalacjach (z wyłączeniem gospodarstw domowych). Kolektory słoneczne są popularniejsze ze względu na ich efektywność ekonomiczną, która w odróżnieniu od paneli fotowoltaicznych staje się powoli atrakcyjna. Pomimo wysokich kosztów paneli PV stosowane są one na potrzeby urządzeń o niskim poborze energii, których koszt zasilania w konwencjonalny sposób jest nieadekwatny, tj. w stacjach meteorologicznych, czy świetlnych znakach drogowych.

6 Rysunek 3. Potencjał i wykorzystanie energii bezpośredniego promieniowania na Dolnym Śląsku. Źródło: Potencjał Dolnego Śląska w zakresie rozwoju alternatywnych źródeł energii, Dolnośląskie Centrum Zaawansowanych Technologii 2006 Energia spadku wody Hydroenergetyka zajmuje się wykorzystaniem energii spadku wody do przetworzenia jej w energię elektryczną w elektrowniach wodnych. Elektrownie wodne dzieli się na: duże elektrownie wodne i małe elektrownie wodne (w skrócie MEW). Przyjmuje się, że małe elektrownie wodne to te o mocy zainstalowanej do 5 [MW]. Techniczne zasoby hydroenergetyczne Polski szacuje się na 13,7 [TWh/rok] (teoretyczne zasoby wynoszą 25 [GWh/rok]), z czego 45,3% przypada na Wisłę, 43,6% na dorzecza Wisły i Odry, 9,8% na Odrę i 1,8% na pozostałe rzeki. Wielkość ta, to ok. 8% energii elektrycznej produkowanej w całym kraju. Jednakże ekonomicznie uzasadnione zasoby hydroenergetyczne szacowane są na ok. 8 [TWh/rok]. Dolny Śląsk jest regionem o ograniczonym możliwym do wykorzystania potencjale spadku wody. Małe elektrownie wodne niekiedy korzystnie wpływają na bilans hydrologiczny okolicy, ale mogą wpływać niekorzystnie na biocenozę rzeki. Duże elektrownie prowadzą do daleko idących zmian w środowisku, od lokalnych zmian klimatycznych (spowodowanych większym parowaniem, a przez to

7 wilgotnością powietrza) po zagładę dotychczas żyjących zwierząt i roślin (spowodowaną zalaniem ogromnych obszarów doliny rzeki). Rysunek 4. Potencjał i wykorzystanie energii spadku wody na Dolnym Śląsku. Źródło: Potencjał Dolnego Śląska w zakresie rozwoju alternatywnych źródeł energii, Dolnośląskie Centrum Zaawansowanych Technologii 2006 Obecnie wykorzystywanych jest kilkadziesiąt instalacji hydroenergetycznych na rzekach Dolnego Śląska. Małych elektrowni wodnych jest co najmniej siedemdziesiąt pięć. Istnieją również trzy duże elektrownie wodne, przy czym jedna jest w trakcie budowy. Z punktu widzenia krajowego systemu energetycznego istotnym projektem miała być budowa elektrowni wodnej Młoty o planowanej mocy zainstalowanej 750 [MW]. Waga i charakter projektu powoduje szereg istotnych problemów, których rozwiązanie jest długotrwałe i obecnie nie ma jednoznacznej strategii rozwoju dla ww. projektu. Energia wiatru Możliwości rozwoju energetyki wiatrowej na Dolnym Śląsku ocenia się nisko. W skali kraju najkorzystniejsze warunki obserwuje się na nabrzeżu Morza Bałtyckiego. Dolny Śląsk nie jest według przeprowadzonych badań odpowiednim do stawiania farm wiatrowych ze względu na średnią roczną prędkość wiatru poniżej 4

8 [m/s]. Podstawowym warunkiem przy ocenie ekonomicznie uzasadnionego wykorzystania elektrowni wiatrowych jest właśnie średnioroczna prędkość wiatru. Możliwy do wykorzystania potencjał regionu został przedstawiony na poniższym rysunku. Rysunek 5. Potencjał i wykorzystanie energii wiatru na Dolnym Śląsku. Źródło: Potencjał Dolnego Śląska w zakresie rozwoju alternatywnych źródeł energii, Dolnośląskie Centrum Zaawansowanych Technologii 2006 Według zgromadzonych danych na Dolnym Śląsku istnieje jedna komercyjna siłownia wiatrowa o mocy 160 [kw] oraz jedna dla celów badawczych w bielawskiej Szkole Słonecznej. Istnieje również kilka mniejszych siłowni o znikomym znaczeniu, zainstalowanych na potrzeby gospodarstw domowych. Energia geotermalna Zasoby geotermalne występują pod powierzchnia 80% obszaru naszego kraju. Temperatury wód, na poziomie do 4000 [m], są rzędu od 20 do 300 C. Oprócz energii zgromadzonej w wodzie, energia geotermalna występuje w wysadach solnych i gorących suchych skałach. Złoża geotermalne występują w województwie dolnośląskim praktycznie tylko w Sudetach. Złoża są obecnie wykorzystywane w uzdrowiskach w celach leczniczych. Najbardziej znane i zbadane są trzy lokalizacje złóż Lądek Zdrój,

9 Duszniki Zdrój i Cieplice. Planowano wykorzystanie złóż geotermalnych do produkcji ciepła sieciowego w Cieplicach, jednak pomysł nie został zrealizowany. Oprócz wymienionych lokalizacji na terenie województwa dolnośląskiego działają pompy ciepła oparte na geotermii w Oleśnicy (basen) i Ligocie Polskiej (szkoła podstawowa). Ich moc to odpowiednio 185 [kw] i 125 [kw]. Obecnie możliwości wykorzystania pokładów wód geotermalnych są ograniczone dostępnymi technologiami i kosztami ich wykorzystani, które w praktyce uniemożliwiają komercyjną eksploatację. Podsumowanie Biorąc pod uwagę obecnie dostępne zasoby biomasy oraz działające dziś instalacje wykorzystujące alternatywne źródła energii (elektrownie wiatrowe, wodne, geotermalne, itd.), łączny potencjał energetyczny odnawialnych źródeł energii na Dolnym Śląsku wynieść może ok. 90 [PJ] rocznie. Kolejne 18 [PJ] rocznie można wykorzystać uprawiając rośliny energetyczne na obecnych nieużytkach i ugorach, jednak trzeba się liczyć z tym, że ponowne założenie upraw na tych gruntach spowoduje uwolnienie do atmosfery takiej ilości dwutlenku węgla, która mogłaby być zaoszczędzona przez kilka lat przy zastąpieniu podczas spalenia paliw tradycyjnych biopaliwem. Zatem korzyści ekologiczne ponownej uprawy nieużytków są nikłe. Niemniej jednak potencjalna wartość odnawialnych źródeł energii w województwie dolnośląskim to ok. 108 PJ rocznie. Oczywiście potencjał energetyczny może być znacznie wyższy od podanego pod warunkiem szerszego zastosowania instalacji hydroenergetycznych, ogniw słonecznych, geotermalnych pomp ciepła, itd. Powyższa wartość jest na dziś hipotetyczna, gdyż nie jest możliwe wykorzystanie dostępnego potencjału energetycznego w całości - część biomasy jest wykorzystywana w celach spożywczych. Konieczne jest zatem obliczeń. Na Dolnym Śląsku przeważają instalacje hydroenergetyczne, biogazownie i kotły na biomasę. Większość pozostałych koncepcji nie ma racjonalnego uzasadnienia, co do zastosowania na tym terenie. Można powiedzieć, że na Dolnym Śląsku przyszłość należy do konwencjonalnych OŹE, do których zaliczyć można (zgodnie z przyjętym wcześniej podziałem) hydroenergetykę, gazownictwo i ciepłownictwo. Ukształtowanie terenu, przede wszystkim duża ilość rzek o znacznym spadzie zapewnia potencjał dla hydroenergetyki, jednakże obecne wykorzystanie potencjału wód ogranicza wykonalność nowych inwestycji, głównie z powodu niekorzystnych dla środowiska spiętrzeń wody. Uzasadnieniem dla dalszego rozwoju energetyki opartej na źródłach odnawialnych i instalacji alternatywnych jest przede wszystkim duży potencjał biomasy w regionie, które obecne wykorzystanie jest nadal relatywnie niskie.