Możliwości wykorzystania źródeł odnawialnych w energetyce prosumenckiej

Transkrypt

1 Radosław Szczerbowski 1 Politechnika Poznańska Możliwości wykorzystania źródeł odnawialnych w energetyce prosumenckiej Wprowadzenie Przyjęty przez Radę Ministrów, dnia 10 listopada 2009 roku, dokument Polityka energetyczna Polski do 2030 roku jest obecnie, do czasu przyjęcia przygotowywanej Polityki energetycznej Polski do 2050 roku najbardziej aktualnym źródłem informacji o celach wyznaczonych przez państwo polskie dla sektora energetyki. Zgodnie z nim podstawowymi kierunkami polskiej polityki energetycznej są między innymi [4]: poprawa efektywności energetycznej, dywersyfikacja struktury wytwarzania energii elektrycznej, rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii, ograniczenie oddziaływania energetyki na środowisko. Polska zobowiązana jest do zwiększenia do 2020 r. udziału energii ze źródeł odnawialnych w bilansie energetycznym do 15%. Osiągnięcie tego celu wymaga zwiększenia liczby przedsięwzięć w tym sektorze energetyki. W tym kontekście rozwój inwestycji w dziedzinie technologii odnawialnych wydaje się być celowym. Aby ten cel był możliwy do zrealizowania, konieczne są sprzyjające rozwiązania prawne. Alternatywą dla energii produkowanej w źródłach konwencjonalnych, a w przyszłości coraz ważniejszym źródłem energii we wszystkich jej formach, są niewątpliwie, w warunkach polskich technologie związane są z wykorzystaniem biomasy, energii wiatru i fotowoltaiką. Energetyka prosumencka Energetyka prosumencka w najbliższych kilku latach będzie z pewnością spełniać ważną rolę w rozwoju mikroinstalacji opartych na odnawialnych źródłach energii. Według Prawa Energetycznego prosument jest osobą fizyczną, prawną lub jednostką organizacyjną, nie posiadającą osobowości prawnej i będącą wytwórcą energii w mikroinstalacji w celu jej zużycia na potrzeby własne lub sprzedaż ale zgodnie z założeniami ustawy, działalność prosumenta nie jest działalnością gospodarczą. Produkując energię elektryczną lub ciepło na własne potrzeby, prosument może ewentualnie ich nadwyżki sprzedać. Głównym elementem systemu energetyki prosumenckiej są mikro i małe instalacje OZE, które produkują energię elektryczną na potrzeby gospodarstwa domowego. Wśród dostępnych technologii w energetyce prosumenckiej znajdują się między innymi: ogniwa fotowoltaiczne, kolektory słoneczne, małe elektrownie wiatrowe, pompy ciepła, nowej generacji kotły na biomasę i urządzenia kogeneracyjne (mikrobiogazownie). W ustawie o OZE [5] definiuje się następujące typy instalacji odnawialnych źródeł energii: mikroinstalacja - do 40 kw. Dla tej wielkości instalacji nie jest wymagane pozwolenie na budowę, właściciel nie musi prowadzić działalności gospodarczej. Koszt układu zabezpieczającego i pomiaroworozliczeniowego ponosi operator systemu dystrybucyjnego, mała instalacja - od 40 kw do 200 kw. Wymagane jest pozwolenie na budowę oraz zarejestrowana działalność gospodarcza, inwestor ponosi także częściowy koszt przyłączenia do sieci, duża instalacja - powyżej 200 kw. Wymagane jest pozwolenie na budowę, zarejestrowana działalność gospodarcza oraz uzyskanie koncesji. 1 dr inż., R. Szczerbowski, Politechnika Poznańska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki, Poznań, radoslaw.szczerbowski@put.poznan.pl 9824

2 Mikrogeneracja odnosi się do małych i średnich wytwórców energii elektrycznej, w tym energii słonecznej, wiatrowej, wodnej, z biomasy i z odpadów. Połączenie wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, wykorzystywanej bezpośrednio do zasilania domów lub wprowadzanej do lokalnej sieci cieplnej i elektrycznej jest również częścią mikrogeneracji (Rys.1). Technologia taka pozwala funkcjonować budynkom w charakterze małych elektrowni, w których zamontowane źródła mogą produkować energię nie tylko wykorzystywaną w tych samych obiektach, ale również w przypadku nadwyżek energii pozwala przekazywać ją do lokalnej sieci energetycznej. Korzyści dla posiadaczy mikroelektrowni to przede wszystkim możliwość odsprzedaży nadwyżek energii elektrycznej do sieci elektroenergetycznej (minimalizacja nakładów inwestycyjnych wynikająca z braku konieczności magazynowania energii w akumulatorach). Czynniki jakie powinny decydować o wyborze źródła energii elektrycznej, o których powinni wiedzieć wszyscy inwestorzy, to przede wszystkim: dostępność energii pierwotnej, dostępność technologii, wiarygodność technologii, dyspozycyjność, zachęty państwowe, opłacalność, akceptacja społeczna. Na podstawie analizy tych czynników powinna być podejmowana ocena i decyzja dotycząca wyboru rodzaju inwestycji. Rys. 1. Możliwości wykorzystania mikroźródeł w budynkach Źródła odnawialne W klasycznych systemach energetycznych energia elektryczna jest wytwarzana w przeważającej mierze w elektrowniach zawodowych i dostarczana do użytkowników za pomocą linii przesyłowych wysokiego napięcia oraz sieci rozdzielczych średniego i niskiego napięcia. Sprawność polskich elektrowni wynosi ok. 35%, a produkcja energii elektrycznej w nich związana jest dużymi stratami ciepła odpadowego. Duże korzyści w postaci tańszej energii, bezpieczeństwa energetycznego i mniejszej emisji spalin oraz mniejszych strat przesyłowych może przynieść generacja rozproszona oparta na małych jednostkach wytwórczych o mocy od kilkunastu do kilkuset kw energii elektrycznej i ciepła produkowanych w skojarzeniu [1]. Mikrogeneracja w układach położonych w bezpośrednim sąsiedztwie odbiorców energii może wykorzystywać również lokalne zasoby paliw, w tym biopaliw i energii ze źródeł odnawialnych, a nawet odpady komunalne. Zaletą generacji rozproszonej są niskie koszty rozbudowy sieci i związane z ich eksploatacją straty energii. Inwestycje w energetyce rozproszonej wymagają stosunkowo niskich nakładów finansowych na pojedyncze projekty i krótszy jest ich czas inwestycji. Generacja rozproszona może z powodzeniem korzystać z lokalnych zasobów, w tym odnawialnych źródeł energii. Rozproszenie źródeł energii zwiększa też bezpieczeństwo energetyczne na obszarze jej stosowania. Wśród wad należy wymienić problemy techniczne przy integrowaniu systemów [3]. Mała energetyka wiatrowa Energetyka wiatrowa służy do przetwarzania energii kinetycznej wiatru na energię elektryczną i jest obecnie najintensywniej rozwijającą się dziedziną energetyki odnawialnej. Moce jednostkowe elektrowni wiatrowych zawierają się w granicach od 200 W do 3 MW. Szczególnie duża dynamika cechuje inwestycje 9825

3 w farmy wiatrowe na morzu, a od kilku lat coraz większe powodzenie mają bardzo małe, przydomowe turbiny, o mocy do 40 kw. W Polsce moc elektrowni wiatrowych wynosi obecnie około 3950 MW i szybko rośnie. Zakłada się, że w 2020 r. powinna osiągnąć 5-7 GW, a do roku 2030 potencjał ten powinien być co najmniej podwojony. Głównym problemem hamującym obecnie wykorzystanie energii wiatru na szeroką skalę jest brak możliwości magazynowania wytworzonej energii, co pozwalałoby na łagodzenie chimerycznej produkcji energii. Energetyka wiatrowa to nie tylko ogromne farmy wiatrowe ale również małe turbiny wiatrowe, które produkują energię dla jednego budynku lub kilku gospodarstw domowych. Małe turbiny wiatrowe to urządzenia o mocach wytwórczych od 1 do 40 kw. Są to turbiny, które z reguły zaspokajają potrzeby własne właściciela i nie muszą być podłączone do sieci elektroenergetycznej [3]. Małe turbiny wiatrowe mają kilka zalet: mogą pracować już przy wiatrach wiejących z prędkością 2-3 m/s, mogą pracować w dość ekstremalnych warunkach (silne wiatry, szeroki zakres temperatur od -50oC do +50oC), instalacja małych turbin wiatrowych jest stosunkowo łatwa, jednostkowe koszty inwestycyjne takich turbin są niestety dość wysokie. Dodatkowy atut małych elektrowni wiatrowych to fakt, że nie muszą być wydawane na nie pozwolenia. Dotyczy to jednak tylko tych turbin, które nie są trwale związane z gruntem. Pojawiły się już dostępne rozwiązania techniczne turbin wiatrowych w osi pionowej, które mogą być umiejscowione w odległości do 3 metrów od budynku (nie jest wymagane pozwolenie na budowę) i dodatkowo przymocowane do konstrukcji budynku. Spotyka się także instalacje małych turbin wiatrowych mocowane bezpośrednio do budynków. Wiąże się to niestety z koniecznością wykonania odpowiednich obliczeń określających możliwość zamocowania instalacji do istniejącego budynku, związanych z wytrzymałością mechaniczną budynku. Turbiny wiatrowe dostępne dla małej energetyki dzielą się na dwa typy: o poziomej osi obrotu typu HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine) oraz o pionowej osi obrotu typu VAWT (Vertical Axis Wind Turbine). Turbiny o poziomej osi obrotu stanowią zdecydowaną większość użytkowanych turbin wiatrowych. Zakłada się, że dzięki postępowi technologicznemu ta proporcja będzie się w przyszłości zmieniać na korzyść turbin VAWT. Elektrownie wiatrowe typu, VAWT, pracują nieco ciszej niż typu HAWT ponadto cechuje je niezakłócona praca turbiny przy zmiennym kierunku wiatru. Jednak w chwili obecnej są one znacznie droższe od turbin klasycznych. Kolejną ich zaletą jest fakt, że zajmują zdecydowanie mniej miejsca i nie wymagają tak wysokich konstrukcji słupowych jak klasyczne turbiny. W tabeli 1 przedstawiono dane dotyczące rozmiarów śmigła oraz wysokości wierzy dla małych siłowni wiatrowych. Tabela 1. Parametry małych turbin wiatrowych Moc elektrowni [kw] Rozmiar śmigła [m] Min. wysokość wieży [m] na podstawie [ Fotowoltaika Możliwości zastosowania układów fotowoltaicznych są prawie nieograniczone. Główną zaletą instalacji z ogniw fotowoltaicznych jest ich niezawodność, lekkość oraz możliwość uzyskiwania darmowej energii elektrycznej o parametrach sieciowych na potrzeby gospodarstwa domowego w sposób praktycznie bezobsługowy. Dlatego stają się coraz bardziej powszechne w autonomicznych systemach prądotwórczych oraz układach podłączonych bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej. Podstawowym elementem systemu fotowoltaicznego jest ogniwo fotowoltaiczne, w którym następuje zamiana energii słonecznej na elektryczną. Moduły fotowoltaiczne dostępne na rynku mają powierzchnię 9826

4 od 0,3 do 2 m2, a ich moc zwykle kształtuje się pomiędzy 30 a 300 W. Produkcja energii elektrycznej przy pomocy ogniw słonecznych odbywa się z relatywnie dużą sprawnością, wynoszącą 13-18%. Ta stosunkowo duża sprawność wynika z faktu, że energia promieniowania słonecznego zamienia się w energię elektryczną bez udziału ciepła. Dostępne są dwa rodzaje instalacji fotowoltaicznych. Wyspowe (off-grid) i połączone z siecią (on-grid). System off-grid, w skład którego wchodzą akumulatory magazynujące energię ma zastosowanie przy stosunkowo małym zużyciu energii (domki jednorodzinne, letniskowe) lub w sytuacjach, gdy doprowadzenie sieci elektroenergetycznej do obiektu jest niemożliwe lub bardzo drogie. System off-grid można również konfigurować pod kątem połączenia z siecią domową w celu dostarczenia energii elektrycznej do wybranych obwodów elektrycznych. Zdecydowanie bezpieczniejszy i bardziej opłacalny jest system on-grid. Ta opcja pozwala na sprzedaż nadwyżek energii oraz, co ważniejsze, bezpośrednie zasilanie z sieci energetycznej w przypadku, gdy ogniwa dostarczają zbyt mało energii. W 2014 r. światowa moc systemów fotowoltaicznych osiągnęła 180 GW, ale dzięki wielkiej dynamice wzrostu przewiduje się, że w 2020 r. moc ta osiągnie GW. W następnych dekadach fotowoltaika stanie się ważnym źródłem energii dla Świata, dominującym w krajach ubogich leżących w strefie zwrotnikowej, ale i znaczącym w krajach o klimacie umiarkowanym, a więc i w Polsce. Obecnie w naszym kraju systemy fotowoltaiczne mają moc zaledwie 39 MW (łącznie off-grid oraz on-grid), podczas gdy w Niemczech ich moc przekroczyła 38 GW, to najlepiej ilustruje jakie perspektywy rozwoju fotowoltaiki istnieją w naszym kraju. Małe elektrownie biogazowe Energetyka biogazowa jest źródłem wykorzystania energii odnawialnej w postaci biogazu powstającego w wyniku procesu fermentacji beztlenowej, jaki przechodzi masa organiczna pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego. Najczęściej spotykanym sposobem wytwarzania energii elektrycznej z biogazu jest jego spalanie w tłokowych silnikach spalinowych. Możliwe jest również wykorzystanie biogazu z biogazowni do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. W układach takich często wykorzystuje się mikroturbiny gazowy, ogniwa paliwowe lub układy ORC (Organic Rankin e Cycle). Małe elektrownie biogazowe o mocy elektrycznej kilkunastu kilowatów mogą z powodzeniem zasilać w energię elektryczną pojedyncze budynki, a przy większych mocach nawet niewielkie osiedla. Takie rozwiązanie może być efektywne na terenach wiejskich lub na obszarach oddalonych od sieci elektrycznych. Mała elektrownia biogazowa może pracować w układzie hybrydowym z elektrownia wiatrową, fotowoltaiczną z przyłączem do sieci energetycznej. Można uzyskać w takim systemie zdolność do generowania dużych ilości energii elektrycznej w krótkim czasie. Wtedy system hybrydowy może nadwyżki energii magazynować akumulatorach lub zbiorniku biogazu. Małe zespoły wytwórcze biogazowni rolniczych, dostępne już na rynku, zawierają się w przedziale od kw. Oczywiście dostępne są także większe jednostki, których moc sięga 2 MW. Mikrobiogazownie to zwykle instalacje o małej mocy dostosowanej do wielkości gospodarstwa oraz o prostej konstrukcji. Najczęściej są to jednostki modułowe, które pozwalają na demontaż i przeniesienie do innej lokalizacji. Instalacja taka obejmuje: komorę fermentacyjną, w której zachodzi biochemiczny rozkład biomasy, zbiornik na biogaz oraz agregat kogeneracyjny, służący do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Wielkość poszczególnych komponentów oraz moc agregatu powinna być dostosowana do profilu i możliwości produkcyjnych gospodarstwa rolnego. Mikrokogeneracja Mikrokogeneracja to skojarzona produkcja energii elektrycznej i ciepła w oparciu o urządzenia małych i średnich mocy. Jednoczesne wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej, daje doskonałe efekty ekonomiczne i ekologiczne. Systemy kogeneracyjne, zwane również systemami CHP (Combined Heat and Power) o mocy od kilku kilowatów do kilkudziesięciu kilowatów stosowane są także w mikrokogeneracji (5-40kW) oraz minikogeneracji ( kw). Tego typu rozwiązania doskonale sprawdzają się tam, gdzie występuje niewielkie zapotrzebowanie na moc elektryczną i jednocześnie na ciepło, czyli w niewielkich obiektach (budynki jednorodzinne, szkoły, szpitale) lub grupach obiektów (małe osiedle mieszkaniowe). Małe układy skojarzone zasilane mogą być: gazem ziemnym, biogazem, paliwem olejowym lub biomasą. Energia elektryczna generowana w skojarzeniu może być w całości zużyta w obiekcie, jak również w całości lub części sprzedana do sieci elektroenergetycznej lub innym odbiorcom. 9827

5 W obiektach, w których układ skojarzony może być efektywnie wykorzystywany, niezbędne jest występowanie odpowiednio wysokiego zapotrzebowania na ciepło i energię elektryczną. Układy takie pozwalają wykorzystać do 90% energii chemicznej zawartej w paliwie (Rys.2). Zalety układów mikrokogeneracyjnych to: niższe koszty energii dla użytkowników, obniżenie zużycia paliw, eliminacja strat przesyłowych. Do wad układów kogeneracyjnych można zaliczyć: wysokie koszty inwestycyjne, problem z odsprzedażą nadwyżek ciepła. W mikro i minikogeneracji wykorzystuje się przede wszystkim silniki spalinowe, mikroturbiny, silniki Stirlinga oraz ogniwa paliwowe. Rys. 2. Mini siłownia kogeneracyjna Silnik spalinowy Małe układy kogeneracyjne z silnikami spalinowymi mają moc od 5kW energii elektrycznej i dostarczają ciepło o temp C. Ich sprawność całkowita waha się od 80 do ponad 90%. Sprawność wytwarzania energii elektrycznej nie przekracza 40%. Urządzenia takie składają się z generatora prądu automatycznie synchronizującego się z siecią elektryczną oraz sprzęgniętego z nim silnika spalinowego zasilanego gazem lub olejem napędowym (Rys. 3). W skład wyposażenia wchodzą także: wymienniki ciepła, automatyka pomiarowa, regulacyjna, układ doprowadzenia paliwa. Dostępne obecnie na rynku zestawy mikroelektrociepłowni z silnikami gazowymi wytwarzają energię elektryczną w zakresie od 2 20 kw oraz ciepło w zakresie 8-40 kw. Rys. 3. Mikroelektrociepłownia z silnikiem spalinowym Mikroturbina gazowa Mikroturbiny to turbiny gazowe o mocy od kilku do kilkuset kilowatów. Dzięki układom elektroniki sterującej w zasadzie pracują bezobsługowo, a automatyczny rozruch odbywa się z synchronizacją do sieci dystrybucji energii elektrycznej. Główne zalety mikrotubin to: prosta konstrukcja i praca bez konieczności smarowania olejem. Mikroturbiny są zasilane gazem ziemnym, biogazem lub olejem napędowym. Bbudowane są zwykle jako zespół jednostopniowej sprężarki i jednostopniowej turbiny z wymiennik ciepła. Osiągają sprawność wytwarzania ciepła w zakresie 40-60%, a energii elektrycznej 20-35%, całkowita sprawność w układzie kogeneracyjnym wynosi ponad 80%. Gazy wylotowe z turbiny mają temperaturę ponad 200 C, mogą być zatem kierowane do wymienników ciepła i stanowić tym samym źródło ciepła, które może być wykorzystywane lokalnie. Silnik Stirlinga 9828

6 Silnik Stirlinga to silnik cieplny, który przetwarza energię cieplną w energię mechaniczną, jednak bez procesu wewnętrznego spalania paliwa, a na skutek dostarczania ciepła z zewnątrz, dzięki czemu możliwe jest zasilanie go ciepłem wytwarzanym ze spalania dowolnego paliwa, np. biomasy lub biogazu. Stosowany może być w układach kogeneracyjnych do produkcji ciepła i energii elektrycznej w małych urządzeniach o mocy elektrycznej do kilkudziesięciu kilowatów. Silniki Stirlinga z powodzeniem można instalować tam gdzie mamy źródło ciepła odpadowego, a zatem mogą na przykład współpracować z kotłami gazowymi czy na biomasę (Rys. 4). Dostępne na rynku rozwiązania z silnikami Stirlinga to jednostki, które wytwarzają od 1 do 10 kw energii elektrycznej oraz od 3 do 30 kw ciepła. Rys. 4. Kocioł z zainstalowanym silnikiem Stirlinga Podsumowanie Rozwój rynku OZE zależy od wielu czynników, takich jak np. dostępność rozwiązań technicznych oraz polityki regulacyjnej i finansowej państwa. Polityka państwa polegająca na wprowadzeniu ułatwień (np. odpisów od podatków, preferencyjnych kredytów, systemów wsparcia) dla osób zdecydowanych wytwarzać energię elektryczną z pewnością przyczyni się do rozwoju tego typu źródeł. Koszty inwestycji w urządzenia generacji rozproszonej są dość duże. Istotnym elementem, który w przyszłości pozwoli na większe zainteresowanie systemami fotowoltaicznymi, małą energetyką wiatrową, mikrobiogazowniami będzie z pewnością spadek ceny tych instalacji oraz możliwość odsprzedaży produkowanej energii elektrycznej przy sprzyjających cenach. Porównując rozwój tych źródeł z rynkiem niemieckim (tabela 1) można zauważyć jak wielki potencjał do wykorzystania istnieje w naszym kraju. W niemieckim systemie elektroenergetycznym zainstalowano ponad 40 GW w elektrowniach wiatrowych oraz ponad 38 GW w fotowoltaice, dla porównania nasz system elektroenergetyczny łącznie to prawie 38 GW. Przyłączanie rozproszonych źródeł energii do sieci rozdzielczych jest procesem bardzo skomplikowanym, dlatego polski sektor energetyczny musi przejść stopniowe udoskonalanie istniejącej infrastruktury i zacząć wprowadzać nowoczesne systemy zarządzania [2,6]. Przyłączanie źródeł energii do sieci wymaga również nowoczesnych systemów automatyki infrastruktury telekomunikacyjnej. Nowe rozwiązania w zakresie funkcjonowania sieci elektroenergetycznej umożliwiają zoptymalizowane i bardziej efektywne wykorzystanie odnawialnych źródeł energii oraz zintegrowanie mocno rozproszonej produkcji energii elektrycznej. Streszczenie W artykule przedstawiono możliwości oraz perspektywy wykorzystania odnawialnych źródeł energii w energetyce małej skali. Omówiono dostępne technologie wytwórcze, które mogą znaleźć zastosowanie w tzw. energetyce prosumenckiej. Przedstawione zostały następujące miedzy innymi następujące technologie: fotowoltaika, małe elektrownie wiatrowe, małe biogazownie, silniki Stirlinga, układy kogeneracyjne. 9829

7 Słowa kluczowe: prosument, fotowoltaika, elektrownia wiatrowa, biogazownia, kogeneracja THE POSSIBILITIES OF USING RENEWABLE ENERGY SOURCES IN PROSUMER POWER GENERATION Abstract The article presents the opportunities and prospects for the use of renewable energy sources in the energy small scale. There are discussed new manufacturing technologies that can be used in so-called. prosumer energy. There are presented the following technologies: photovoltaics, small wind turbines, small biogas plants, Stirling engines, cogeneration systems. Keywords: prosumer, photovoltaics, wind power, biogas, cogeneration Literatura [1] Paska J.: Wytwarzanie rozproszone energii i ciepła, WPW, Warszawa, [2] Szczerbowski R., Ceran B.: Polityka Energetyczna, Możliwości rozwoju i problemy techniczne małej generacji rozproszonej opartej na odnawialnych źródłach energii, Tom 16, Z. 3, Kraków 2013, s [3] Szczerbowski R.: Polityka Energetyczna, Generacja rozproszona oraz sieci Smart Grid - wirtualne elektrownie. Tom 14, z. 2., Kraków, 2011, s [4] Polityka energetyczna Polski do roku Dokument przyjęty przez Radę Ministrów w dniu 10 listopada 2009 roku. Załącznik do uchwały nr 202/2009 Rady Ministrów Z dnia 10 listopada 2009 r. [5] Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii. Dz.U. 2015, poz [6] Kłos M.,: Generacja rozproszona w krajowym systemie elektroenergetycznym korzyści i problemy. [in:] Generacja rozproszona w nowoczesnej polityce energetycznej wybrane problemy i wyzwania, J. Rączka, M. Swora, W. Stawiany(ed). Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Warszawa, s