Efektywność ekonomiczna elektrociepłowni opalanych gazem ziemnym

Transkrypt

1 Efektywność ekonomiczna elektrociepłowni opalanych gazem ziemnym Autor: dr hab. inŝ. Bolesław Zaporowski ( Rynek Energii 3/2) 1. WPROWADZENIE Jednym z waŝnych celów rozwoju technologii wytwarzania energii elektrycznej jest obecnie zmniejszenie emisji CO 2 do atmosfery. Wynika on z Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu oraz strategii zrównowaŝonego rozwoju. Cel ten, w najbliŝszych latach, w Polsce, moŝe być osiągnięty, między innymi przez: zwiększenie sprawności elektrowni opalanych paliwami kopalnymi, zwiększenie udziału skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w produkcji energii elektrycznej oraz zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych, w tym biomasy, w wytwarzaniu energii elektrycznej oraz skojarzonym wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła. W związku z tym waŝne znaczenie w polityce energetycznej Polski i Unii Europejskiej, między innymi, przypisuje się skojarzonemu wytwarzaniu energii elektrycznej i ciepła, w tym w elektrociepłowniach opalanych gazem ziemnym, jako skutecznemu sposobowi na uzyskanie oszczędności zuŝycia paliw i zmniejszenia emisji CO 2. Polska zajmuje wysokie miejsce wśród 2 Państw Członkowskich Unii Europejskiej, w dziedzinie udziału energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu, w zuŝyciu finalnym (sprzedaŝy odbiorcom finalnym) energii elektrycznej za: Danią (ok. 43%), Finlandią (ok. 42%), Czechami (ok. 23%) i Holandią (ok. 22.%). Ocenia się, Ŝe w 2 elektryczna moc zainstalowana jednostek wytwórczych do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej w Państwach Członkowskich Unii Europejskiej wynosiła ok. 1 GW (ok.,6% mocy zainstalowanej źródeł wytwórczych ogółem), a udział energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu, w produkcji energii elektrycznej ogółem, wynosił ok. 1,%, a w zuŝyciu finalnym ok.,1% [1]. Potencjał urządzeń energetycznych do skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w Polsce jest znaczny. Ich sumaryczna elektryczna moc zainstalowana wynosi ok. 8 MW, w tym elektrociepłowniach opalanych gazem ziemnym ok. 84 MW. Natomiast udział energii elektrycznej wytworzonej w skojarzeniu, w produkcji energii elektrycznej ogółem, w roku 2 wyniósł w naszym Kraju ok., %, w tym w elektrociepłowniach opalanych gazem ziemnym ok. 3 %, a w sprzedaŝy energii elektrycznej odbiorcom końcowym ok. 21, % [4]. 2. PODSTAWOWE UKŁADY TECHNOLOGICZNE ELEKTROCIEPŁOWNI OPALANYCH GAZEM ZIEMNYM Do analizy efektywności ekonomicznej skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w elektrociepłowniach opalanych gazem ziemnym, w niniejszym artykule, wybrano następujące układy: - elektrociepłownię gazowo-parową o mocy elektrycznej ok. MW, z dwuciśnieniowym kotłem odzysknicowym i upustowo-kondensacyjną turbiną parową, której układ technologiczny jest przedstawiony na rys. 1, - elektrociepłownię gazową o mocy elektrycznej ok.,3 MW, z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym, której układ technologiczny jest przedstawiony na rys. 2, - elektrociepłownię gazową o mocy elektrycznej ok. 2 kw, z silnikiem gazowym, której układ technologiczny jest przedstawiony na rys. 3.

2 WP NP TG GAZ ZIEMNY S System ciepłowniczy Rys. 1. Schemat układu technologicznego elektrociepłowni gazowo-parowej z dwuciśnieniowym kotłem odzysknicowym i upustowo-kondensacyjną turbiną parową Gaz ziemny Kocioł wodny S TG Powietrze System ciepłowniczy Kocioł wodny Rys. 2. Schemat układu technologicznego elektrociepłowni z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym Chłodnica wody Chłodnica oleju Gaz ziemny Silnik gazowy System ciepłowniczy Spaliny Kocioł wodny Rys. 3. Schemat układu technologicznego elektrociepłowni z silnikiem gazowym 3. ANALIZA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ Jako podstawowe kryterium oceny efektywności energetycznej skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła, w niniejszej pracy, przyjęto względną oszczędność energii pierwotnej (Primary

3 Energy Savings, PES), uzyskiwaną dzięki zastosowaniu tej technologii, w porównaniu z wytwarzaniem rozdzielonym [2,3,,6]. Jako kryteria dodatkowe charakteryzujące efektywność energetyczną skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła wyznaczono równieŝ: średnioroczną sprawność wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu, średnioroczną sprawność wytwarzania ciepła w skojarzeniu, średnioroczną sprawność ogólną (energetyczną) oraz średnioroczny wskaźnik skojarzenia. Wyniki obliczeń tych wielkości, dla analizowanych układów elektrociepłowni, podano w tablicy 1. Tabela 1 Wielkości charakteryzujące efektywność energetyczną analizowanych układów elektrociepłowni opalanych gazem ziemnym Wielkość i symbol Średnioroczna sprawność wytwarzania energii elektrycznej w skojarzeniu, η es, % Średnioroczna sprawność wytwarzania ciepła w skojarzeniu, η es, % Elektrociepłownia gazowa z silnikiem gazowym z turbiną gazową Elektrociepłownia gazowo-parowa 36, 31,1 4,3 48, 3,4 32,4 Średnioroczna sprawność ogólna, η e, % 84, 84,66 2,3 Oszczędność energii pierwotnej PES, % 2,2 1,63 23, Udział energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji, % 1 1 2,31 4. ANALIZA EFEKTYWNOŚCI EKONOMICZNEJ Jako wielkości charakteryzujące efektywność ekonomiczną poszczególnych rodzajów elektrociepłowni przyjęto: - wartość bieŝącą netto (Net Present Value, NPV), - wewnętrzną stopę zwrotu (Internal Rate of Return, IRR) [,8]. 2 NPV [mln zł] Rys. 4. ZaleŜność NPV i IRR od ceny sprzedaŝy energii elektrycznej, dla bloku gazowo-parowego z turbiną parową upustowo-kondensacyjną, przy cenie gazu ziemnego 28, zł/gj, bez uwzględnienie opłaty za emisję CO 2

4 2 2 1 NPV [mln zł] Rys.. ZaleŜność NPV i IRR od ceny sprzedaŝy energii elektrycznej, dla bloku gazowo-parowego z turbiną parową upustowo-kondensacyjną, przy cenie gazu ziemnego 28, zł/gj, z uwzględnieniem opłaty za emisję CO 2 (16zł/tonę CO 2 ) NPV [mln zł] Rys. 6. ZaleŜność NPV i IRR od ceny sprzedaŝy energii elektrycznej, dla bloku z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym, przy cenie gazu ziemnego 28, zł/gj, dla czasu wykorzystania mocy zainstalowanej (elektrycznej i cieplnej) T 1 =64 godz/rok NPV [tys.zł] Rys.. ZaleŜność NPV i IRR od ceny sprzedaŝy energii elektrycznej, dla bloku z silnikiem gazowym, przy cenie gazu ziemnego 3,14 zł/gj, dla czasu wykorzystania mocy zainstalowanej (elektrycznej i cieplnej) T 1 =64 godz/rok

5 1 NPV [mln.zł] Rys. 8. ZaleŜność NPV i IRR od ceny sprzedaŝy energii elektrycznej, dla bloku z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym, przy cenie gazu ziemnego 28, zł/gj, dla czasu wykorzystania mocy zainstalowanej (elektrycznej i cieplnej) T2=42 godz/rok Obliczenia tych wielkości wykonano, wykorzystując wielkości zawarte w tablicy 1 oraz przyjmując następujące wartości danych wejściowych: a) czas wykorzystania elektrycznej mocy zainstalowanej dla elektrociepłowni gazowo-parowej z turbiną upustowo-kondensacyjną T e = 64 godz/rok oraz cieplnej T c = 48 godz/rok, b) czas wykorzystania mocy zainstalowanej (elektrycznej i cieplnej) dla elektrociepłowni gazowych: T 1 = 64 godz/rok (praca w okresie grzewczym i letnim) oraz T 2 = 42 godz./rok (praca w okresie grzewczym), c) cenę sprzedaŝy ciepła c c = 2,8 zł/gj, d) stopę dyskontową dla elektrociepłowni parowo-gazowej p=,8, a dla elektrociepłowni gazowych p=,, e) udział środków własnych w finansowaniu inwestycji 2 %. Wyniki obliczeń efektywności ekonomicznej analizowanych elektrociepłowni przedstawiono na rys NPV [tys. zł] Rys.. ZaleŜność NPV i IRR od ceny sprzedaŝy energii elektrycznej, dla bloku z silnikiem gazowym, przy cenie gazu ziemnego 3,14 zł/gj, dla czasu wykorzystania mocy zainstalowanej (elektrycznej i cieplnej) T1=42 godz/rok

6 . WNIOSKI Elektrociepłownia gazowo-parowa z turbiną parową upustowo-kondensacyjną, która moŝe pracować w systemie elektroenergetycznym zarówno w sezonie grzewczym jak i letnim, przy najniŝszej obecnie cenie gazu ziemnego sieciowego dla wielkich odbiorców wynoszącej 28, zł/gj, moŝe uzyskać dodatni efekt ekonomiczny (dodatnie NPV) przy średniej cenie sprzedaŝy energii elektrycznej, z uwzględnieniem przychodu ze sprzedaŝy świadectw pochodzenia energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji (w roku 2 maksymalnie 128,8 zł/mwh), wynoszącej ok. 233 zł/mwh. Aby uzyskać taką wartość średniego przychodu ze sprzedaŝy energii elektrycznej, łącznie z przychodem za świadectwa pochodzenia, udział energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji, w całkowitej jej produkcji, powinien wynosić ok. 64,4%. Natomiast z tabeli 1 wynika, Ŝe dla przyjętych danych wejściowych do obliczeń, wynosi on 2,31%, czyli przedsięwzięcie inwestycyjne związane z budową elektrociepłowni tego typu byłoby opłacalne (uzyskałoby dodatnie NPV). Aby przedsięwzięcie inwestycyjne związane z budową elektrociepłowni parowo-gazowej opalanej gazem ziemnym było opłacalne, po wprowadzeniu opłat za emisję CO 2 (rys. ), cena sprzedaŝy energii elektrycznej, łącznie z przychodami za świadectwa pochodzenia energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji powinna wynosić ok. 2 zł/mwh. Oznacza to, Ŝe udział energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji, w całkowitej produkcji energii elektrycznej, musiałby wzrosnąć do ok. % lub cena energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym musiałaby wzrosnąć z ok. zł/mwh (w roku 28) do ok. 182 zł/mwh. Elektrociepłownia gazowa z turbiną gazową pracującą w obiegu prostym, o mocy elektrycznej ok.,3 MW, pracująca w sezonie grzewczym i letnim, z czasem wykorzystania zainstalowanej mocy elektrycznej i cieplnej ok. 64 godz./rok, przy aktualnej cenie gazu ziemnego dla tego typu odbiorcy, wynoszącej ok. 28, zł/gj, moŝe uzyskać dodatni efekt ekonomiczny przy średniej cenie sprzedaŝy energii elektrycznej, z uwzględnieniem przychodu ze sprzedaŝy świadectw pochodzenia energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji, wynoszącej ok. 28 zł/mwh. Oznacza to, Ŝe przedsięwzięcie inwestycyjne związane z budową tego typu elektrociepłowni byłoby opłacalne (uzyskałoby dodatnie NPV). Natomiast gdyby elektrociepłownia tego typu pracowała tylko w sezonie grzewczym, z czasem wykorzystania zainstalowanej mocy elektrycznej i cieplnej ok. 42 godz./rok, to przedsięwzzięcie inwestycyjne związane z budową tego typu elektrociepłowni uzyskałoby dodatni efekt ekonomiczny przy średniej cenie sprzedaŝy energii elektrycznej, z uwzględnieniem przychodu ze sprzedaŝy świadectw pochodzenia z wysokosprawnej kogeneracji, wynoszącej ok. 36 zł/mwh. Maksymalny przychód ze sprzedaŝy energii elektrycznej jaką tego typu elektrociepłownia moŝe uzyskać, z uwzględnieniem przychodu ze sprzedaŝy świadectw pochodzenia w roku 2 wynosi ok. 2 zł/mwh, czyli przedsięwzięcie inwestycyjne związane z budową elektrociepłowni tego typu będzie opłacalne dopiero gdy cena energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym wzrośnie do ok. 1 zł/mwh. Elektrociepłownia gazowa z silnikiem gazowym o mocy elektrycznej ok. 2 kw, pracująca w sezonie grzewczym i letnim, z czasem wykorzystania zainstalowanej mocy elektrycznej i cieplnej ok. 64 godz./rok, przy aktualnej cenie paliwa gazowego dla tego typu odbiorcy wynoszącej ok. 3,14 zł/gj, moŝe uzyskać dodatni efekt ekonomiczny przy średniej cenie sprzedaŝy energii elektrycznej, z uwzględnieniem przychodu ze sprzedaŝy świadectw pochodzenia energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji, wynoszącej ok. 3 zł/mwh. Natomiast gdyby elektrociepłownia tego typu pracowała tylko w sezonie grzewczym, z czasem wykorzystania zainstalowanej mocy elektrycznej i cieplnej ok. 42 godz./rok, uzyskałaby dodatni efekt ekonomiczny dopiero przy średniej cenie sprzedaŝy energii elektrycznej, z uwzględnieniem przychodu ze sprzedaŝy świadectw pochodzenia z wysokosprawnej kogeneracji, wynoszącej ok. 42 zł/mwh. Dlatego elektrociepłownie tego typu mogą uzyskać dodatnią efektywność ekonomiczną, tylko w tym przypadku gdy znaczna część wytwarzanej przez nie energii elektrycznej będzie zuŝywana przez inwestora i w związku z tym będzie moŝliwe

7 przyjęcie, w analizach ekonomicznych, równowaŝnika finansowego jednostki wyprodukowanej energii elektrycznej jako kosztu unikniętego jej zakupu w wysokości ok. 226 zł/mwh (dla T = 64 godz./rok) lub 26 zł/mwh (dla T = 42 godz./rok) oraz dodatkowego przychodu ze sprzedaŝy świadectw pochodzenia z wysokosprawnej kogeneracji (w roku 2 maksymalnie 128,8 zł/mwh).

8 LITERATURA [1] Communication from the Commission to the European Parliament and the Council. Europe can save more energy by combined heat and power generation. Brussels. 28. [2] Directive 24/8/EC of the European Parliament and of the Council of February 24 on the promotion of cogeneration based on useful heat demand in the internal energy market. Official Journal of the European Union, L2/, 24. [3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 26 września 2 r. w sprawie sposobu obliczania danych podanych we wniosku o wydanie świadectwa pochodzenia z kogeneracji oraz szczegółowego zakresu obowiązku uzyskania i przedstawienia do umorzenia tych świadectw, uiszczania opłaty zastępczej i obowiązku potwierdzenia danych dotyczących ilości energii elektrycznej wytworzonej w wysokosprawnej kogeneracji. Dz.U. z 2 r., Nr 18, poz. 14. [4] Statystyka Elektroenergetyki Polskiej 2. Agencja Rynku Energii SA, Warszawa 28. [] Ustawa z dnia 12 stycznia 2 r. o zmianie ustawy Prawo energetyczne, ustawy Prawo ochrony środowiska oraz ustawy o systemie oceny zgodności. Dz. U. z 2 r., Nr 21, poz. 124 [6] Zaporowski B.: Analiza efektywności energetycznej skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Archiwum Energetyki, tom XXXVII, 2. [] Zaporowski B.: Analiza efektywności ekonomicznej skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła w elektrociepłowniach opalanych gazem ziemnym. Rynek Energii nr 3 (2), 24. [8] Zaporowski B.: Analiza efektywności ekonomicznej elektrociepłowni opalanych gazem ziemnym po wprowadzeniu świadectw pochodzenia z wysokosprawnej kogeneracji. Rynek Energii nr 6 (3), 2.