BUDOWA SCENARIUSZY ZAPOTRZEBOWANIA NA ENERGIĘ NA PRZYKŁADZIE WYBRANYCH GMIN JAKO ELEMENT STRATEGII GMINY SAMOWYSTARCZALNEJ ENERGETYCZNIE Autor: Tomasz Popławski ( Rynek Energii 1/218) Słowa kluczowe: prognozowanie, rynek energii, gmina samowystarczalna energetycznie Streszczenie. W artykule opisano przykład konstrukcji różnych scenariuszy zapotrzebowania na energię dla wybranych gmin jako jeden z elementów budowy strategii gminnej w kierunku dążenia do samowystarczalności energetycznej. Opracowano autorską metodologię prognoz długoterminowych top-down dla gmin opierając się na ministerialnej strategii Polityki energetycznej Polski do 25 roku. Na podstawie danych skonstruowano długoterminowe prognozy do 23 roku w ujęciu sektorowym i surowcowym dla wybranych gmin w Polsce. 1. WPROWADZENIE Zgodnie z Ustawą Prawo energetyczne [13] każda gmina zobowiązana jest do planowania i organizacji zaopatrzenia w ciepło, energię elektryczną i paliwa gazowe na obszarze gminy. W Polsce coraz częściej dyskutuje się na temat miast i gmin wiejskich, które chcą korzystać na dużą skalę z własnych zasobów energetycznych, przede wszystkich tych odnawialnych. Żeby właściwie opracować strategię rozwoju dla gminy należy poprawnie zdefiniować pojęcie gmina samowystarczalna energetycznie. Według autorów [3] gmina samowystarczalna energetycznie to gmina, na terenie której wytwarza się więcej energii elektrycznej i ciepła (chłodu) niż wynosi całkowite zapotrzebowanie gminy na energię. Energia wytworzona w gminie powinna być w całości lub przynajmniej w znacznej ilości wykorzystana lokalnie na potrzeby gminy. Wytwarzanie energii w gminie odbywa się na bazie lokalnie występujących zasobów energetycznych, w tym zwłaszcza OZE. Strategia gminy samowystarczalnej energetycznie powinna być spójna z planem gospodarki energetycznej gminy i ma przyczynić się do osiągnięcia celów w zakresie zmian klimatu i zrównoważonego wykorzystania energii określonych w Strategii Europa 22 [1], [2]. Plan ma również przyczyniać się do poprawy jakości powietrza na obszarach, na których odnotowano przekroczenia jakości poziomów dopuszczalnych stężeń w powietrzu i realizowane są programy (naprawcze) ochrony powietrza oraz plany działań krótkoterminowych. Działania zawarte w strategii mają w efekcie doprowadzić do zwiększenia samowystczalności energetycznej gminy, obniżenia kosztów wytwarzania i dystrybucji energii elektrycznej i ciepła oraz redukcji emisji zanieczyszczeń do powietrza.
Niezbędnym elementem przy opracowywaniu strategii rozwoju dla gmin są prognozy długoterminowe uwzględniające różne aspekty rozwojowe danej gminy. Prognozowanie takich zjawisk dla obszarów lokalnych jest bardzo trudne z wielu powodów. Jednym z nich może być bardzo trudny dostęp do danych lokalnych będących podstawą do opracowania metod i modeli uwzględniających specyfikę funkcjonowania tych obszarów. Kolejnym elementem jest problem samych modeli predykcji i ich weryfikacji pod kątem prognoz długoterminowych dla obszarów lokalnych. Pierwsze prace i publikacje w tym obszarze pojawiły się w kraju na przełomie lat 9 poprzedniego wieku [5], [6], [7], [8], [9], [1]. W efekcie kolejnych badań i doświadczeń autorów pojawiły się monografie [4], [11], [12], [13], które jednak nie we wszystkich aspektach ujmują specyfikę i modele, które mogłyby być przydatne dla sporządzenia prognoz dedykowanych dla opracowania strategii rozwoju gmin pod kątem samowystarczalności energetycznej. W tej publikacji autor postara się przybliżyć problematykę modelowania długoterminowego zapotrzebowania na energię dla wybranych gmin w Polsce do 23 roku. 2. ZAŁOŻENIA DO OPRACOWANIA DŁUGOTERMINOWYCH SCENARIUSZY ZAPOTRZEBOWANIA NA ENERGIĘ DLA GMINY Aktualny podział administracyjny ustanowiono w Polsce od dnia 1 stycznia 1999 roku i od tego czasu obowiązuje trójstopniowy podział administracyjny: 16 jednostek I stopnia, którymi są województwa, 38 jednostek II stopnia, którymi są powiaty oraz 2478 gmin, które stanowią jednostki III stopnia. Dodatkowo gminy w Polsce podzielono na 3 typy: gminy miejskie - są to gminy jednocześnie posiadające status miasta i obejmują wyłącznie to miasto w jego granicach administracyjnych, Obecnie istnieją 32 gminy miejskie, w tym 66 wykonujące zadania powiatu (miasta na prawach powiatu), gminy miejsko-wiejskie - są to gminy, w skład których wchodzi miasto (zazwyczaj będące siedzibą gminy) oraz wsie. Aktualnie w Polsce istnieją 621 gminy miejsko-wiejskie, gminy wiejskie - są to gminy, na których obszarze znajdują się same wsie, nie znajduje się natomiast żadne miasto. Istnieje 1555 gmin wiejskich. Opracowanie polityki energetycznej w skali makro jest zadaniem trudnym i wymagającym wielu założeń, które w finale nie muszą do końca być słuszne. Tym bardziej skomplikowaną materią jest opracowanie wieloletniej strategii energetycznej w skali mikro czyli np. gminy. W artykule przyjęto, że polityka energetyczna dla gmin powinna być kompatybilna z polityką energetyczną dla Polski i zasadnicze trendy wyznaczone w skali makro powinny się utrzymać w skali mikro, czyli jeśli chcemy zmniejszać np. "smog" w Polsce to elementy wpływające na jego ograniczenie powinny być widoczne w skali mikro.
Tak jak już wspomniano we wstępie do artykułu konstrukcję wieloletnich scenariuszy rozwojowych dla gmin oparto o zasadnicze elementy rozwojowe wskazane w ministerialnej strategii Polityki energetycznej Polski do 25 roku" [17]. W cytowanym raporcie przyjęto, że krajowe zapotrzebowanie na energię pierwotną do 23 r. nie zmieni się, utrzymując się na poziomie ok. 12-13 Mtoe rocznie, by w kolejnych dwóch dekadach obniżyć się o ok. 15%. Szacuję się również, że do 25 roku produkt Polski wzrośnie o około 16%. Aby w sposób realny spełnić te założenia niezbędne jest przede wszystkim zwiększenie efektywności energetycznej w gospodarstwach domowych i transporcie. Planuje się to uzyskać poprzez konsekwentną politykę termomodernizacji istniejącej substancji mieszkaniowej i usługowej oraz podwyższenie energetycznych standardów budowlanych stawianych nowym inwestycjom. Znaczący wkład do ograniczenia popytu gospodarstw domowych i sektora usługowego na energię elektryczną, a tym samym na nośniki energii pierwotnej, wniesie podniesienie sprawności urządzeń AGD, RTV i oświetlenia wymuszonych przez implementację coraz bardziej wymagających standardów efektywnościowych na poziomie całej UE. Podobnych efektów autorzy raportu oczekują po wzroście efektywności paliwowej w polskim transporcie drogowym zarówno osobowym, jak i ciężarowym. Konsekwentnie realizowana polityka obecnego rządu daje podstawy do przypuszczeń, że w najbliższym czasie coraz bardziej będą się rozpowszechniały samochody elektryczne i hybrydowe, kosztem spalinowych. Założono więc, że po 23 roku, pozwoli to na znaczącą redukcję zapotrzebowania na ropę naftową, przy jednoczesnym wzroście popytu na usługi i przewozy transportowe. Jeśli chodzi o energię elektryczną to wielu ekspertów jak również własne prognozy autorskie przewidują jej wzrost długookresowy do poziomu rzędu od 215 do 24 TWh w 25 r. Autorzy raportu [17] określili jej wzrost do poziomu 223 TWh. Wiązać się to będzie zarówno z rozwojem gospodarczym Polski, jak i z przesunięciem popytu na energię finalną z paliw kopalnych w kierunku energii elektrycznej, wynikającym z narastającej mechanizacji przemysłu i usług, rozpowszechnienia się pojazdów elektrycznych, hybryd typu plug-in oraz elektryfikacji procesu ogrzewania wody i produkcji ciepła w wielu gospodarstwach domowych do tej pory używających do tego celu węgla czy gazu. Pociągnie to za sobą także wzrost zapotrzebowania na moc z obecnych do poziomu rzędu 42 GW po 24 r. Ze względu na bardzo ubogi materiał statystyczny jakim dysponują gminy metodyka konstruowania prognoz "top-down" opierać się będzie na przenoszeniu pewnych wskaźników prognostycznych makro uzyskanych w skali kraju na obszary gminne. Dla tych celów skorzystano również z prognoz ludności wykonanych przez GUS do 25r. Do analiz wybrano trzy gminy o różnym charakterze: miejską, miejsko-wiejską i wiejską. Poniżej w tabeli 3 przedstawiono prognozy ludności dla wybranych gmin oraz Polski do 23 roku.
Tabela 1 Prognoza ludności. Źródło: GUS Gmina Typ Województwo Powiat 215 22 225 23 Koło miejska wielkopolskie kolski 22 674 21 714 2 775 19 71 Dobrodzień miejsko-wiejska opolskie oleski 1 3 9 822 9 541 9 23 Lesznowola wiejska mazowieckie piaseczyński 25 69 27 722 3 618 33 328 Polska 38 419 38 137 8 37 741 5 37 185 1 Dla potrzeb artykułu autor skorzystał z prognoz ARE, dotyczących zapotrzebowania na energię elektryczną, której wielkość w 23 roku oszacowano na poziomie 161,4 TWh. Tabela 2 Prognoza zapotrzebowania na energię elektryczną w podziale na sektory gospodarki [TWh]. Źródło: ARE. Sektory gospodarki 22 225 23 przemysł i budownictwo 46,5 49,3 53,5 transport 3,6 3,8 4,1 rolnictwo 1,7 1,8 1,9 handel i usługi 52,5 57,9 63,8 gospodarstwa domowe 32,3 35,1 38,2 razem 136,6 147,8 161,4 Aby spełnić założenia artykułu skorzystano również z prognoz opracowanych w [16] produkcji energii elektrycznej netto w ujęciu paliwowym. Tabela 3 Prognoza produkcji energii elektrycznej netto wg paliwa [TWh]. Źródło ARE Rodzaj paliwa 22 225 23 węgiel brunatny 48,3 48,3 43,6 węgiel kamienny 72,8 68,2 66,8 gaz ziemny 14,5 13,7 17,1 olej opałowy 2,3 2,2 2,1 paliwo jądrowe 11,2 22,3 biomasa 7,4 7,5 6,5 biogaz 2 2,4 2,8 wodna 2,4 2,4 2,5 wiatru 11,1 16 21,7 słoneczna,35,99 1,91 inne paliwa,18,12,1 razem 161,2 173 187,5
Zapotrzebowanie na energię elektryczną [MWh] Zapotrzebowanie na energie elektryczną [MWh] 3. WYNIKI PROGNOZ DLA GMIN W opracowaniu metodyki konstruowania scenariuszy zapotrzebowania na energię dla gmin oparto się między innymi na wynikach prac badawczych opisanych w [15], gdzie autorzy na podstawie badań w 39 gminach wiejskich Polski południowo-wschodniej wyznaczali zapotrzebowanie na ciepło w tych gminach. Wyniki ich analiz statystycznych wykazały, że roczne zapotrzebowanie na ciepło w gminie jest istotnie skorelowane z liczbą jej mieszkańców. Wyznaczyli także wartość średniego zapotrzebowania na ciepło w gminie w przeliczeniu na jednego jej mieszkańca. 16 14 12 1 8 6 4 2 144658 11994 99293 77774 81357 85511 3518 37364 462 22 225 23 Lata Koło Dobrodzień Lesznowola Rys. 1. Prognozy zapotrzebowania na energię elektryczną dla wybranych gmin do 23 roku 4 35 3 25 2 15 1 5 Koło 22 225 23 Rys. 2. Prognozy zapotrzebowania na energię elektryczną w podziale na sektory dla wybranej gminy miejskiej do 23 roku
Zapotrxzebowanie na energię elektryczną [MWh] Zapotrzebowanie na energię elektryczną [MWh] W wyniku tych analiz oszacowano, iż wykorzystanie jednostkowego zapotrzebowania na ciepło na badanych obszarach pozwala oszacować dla gminy zapotrzebowanie na ciepło z błędem nieprzekraczającym ±5%. Na zasadzie analogii można zatem przyjąć, że znając długoterminowe prognozy jednostkowego zapotrzebowania na energię w ujęciu sektorowym oraz surowcowym oraz prognozy ludności możemy wykonać długoterminowe prognozy dla badanych obszarów. 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Dobrodzień 22 225 23 Rys. 3. Prognozy zapotrzebowania na energię elektryczną w podziale na sektory dla wybranej gminy miejsko-wiejskiej do 23 roku 7 6 5 4 3 2 1 Lesznowola 22 225 23 Rys. 4. Prognozy zapotrzebowania na energię elektryczną w podziale na sektory dla wybranej gminy wiejskiej do 23 roku
Produkcja energii elektrycznej netto z OZE [MWh] Produkcja energii elektrycznej nett z gazu ziemnego [MWh] Produkcja energii elektrycznej netto z węgla [MWh] 12 1 8 6 4 2 946 96536 1979 7969 66153 6521 3328 31476 29433 22 225 23 Koło Dobrodzień Lesznowola Rys. 5. Prognozy wykorzystania węgla do produkcji energii elektrycznej netto dla wybranych gmin do 23 roku 2 15 1 8256 154 11114 7541 96 15326 5 3734 3463 4245 22 225 23 Koło Dobrodzień Lesznowola Rys. 6. Prognozy wykorzystania gazu ziemnego do produkcji energii elektrycznej netto dla wybranych gmin do 23 roku 14 12 Koło 1 8 6 4 2 22 225 23 biomasa biogaz wodna wiatru słoneczna inne paliwa Rys. 7. Prognozy wykorzystania OZE do produkcji energii elektrycznej netto dla gminy miejskiej do 23 roku
Prognoza produkcji energii elektrycznej netto z OZE [MWh] Produkcja energii elektrycznej netto z OZE [MWh] 6 Dobrodzień 5 4 3 2 22 225 23 1 biomasa biogaz wodna wiatru słoneczna inne paliwa Rys. 8. Prognozy wykorzystania OZE do produkcji energii elektrycznej netto dla gminy miejsko-wiejskiej do 23 roku 25 Lesznowola 2 15 1 22 225 23 5 biomasa biogaz wodna wiatru słoneczna inne paliwa Rys. 9. Prognozy wykorzystania OZE do produkcji energii elektrycznej netto dla gminy miejsko-wiejskiej do 23 roku 4. PODSUMOWANIE Analizując poszczególne wyniki prognoz należy zwrócić uwagę na pewne charakterystyczne informacje, które można przedstawić w postaci uogólnionych wniosków dla badanych gmin. W przypadku prognoz zapotrzebowania na energię elektryczną w podziale na sektory gospodarki największy przyrost zapotrzebowania prognozowany jest w sektorze handel i usługi niezależnie od charakteru gminy.
W gminie miejskiej przyrost zapotrzebowania w stosunku do poziomu w 215 roku jest szacowany do 23,97%, w gminie miejsko-wiejskiej do 31,7% i w gminie wiejskiej do 89,7%. Drugą grupą pod względem dynamicznego przyrostu zapotrzebowania na energię elektryczną w gminach są gospodarstwa domowe, a ich procentowy wzrost zapotrzebowania w stosunku do 215 roku wynosi odpowiednio w gminie miejskiej 16,6%, gminie miejsko-wiejskiej 23,9% i gminie wiejskiej 78,5%. W przypadku długoterminowych prognoz surowców energetycznych wykorzystywanych do produkcji energii elektrycznej netto do 23 roku węgiel będzie nadal jednym z zasadniczych surowców wykorzystywanych energetycznie niezależnie od rodzaju gminy, chociaż jego udział będzie zróżnicowany w zależności od rodzaju gminy, w przypadku gminy miejskiej prognozowany jest spadek jego zużycia w stosunku do prognoz z 22 roku o 14,7%, dla gminy miejsko-wiejskiej również spadek o 11,3% ale w przypadku gminy wiejskie wzrost o 12,1%. Należy spodziewać sie wzrostu zapotrzebowania na gaz ziemny dla gminy typu miejskiej uzyskano przyrost o 9,7%, miejsko-wiejskiej o 13,7% i wiejskiej o 45,4% w stosunku do zapotrzebowania szacowanego na 22 rok. W przypadku produkcji energii elektrycznej netto z OZE najdynamiczniejszym sektorem, który będzie sie rozwijał niezależnie od rodzaju gminy to energetyka słoneczna, której przyrost w 23 roku w stosunku do 22 roku w poszczególnych gminach szacuje się na poziomie 47,8% dla gminy miejskiej, 425,9% dla gminy miejsko-wiejskiej i 572,9% dla gminy wiejskiej. Artykuł został opracowany na podstawie prac realizowanych w ramach Umowy o Partnerstwie zawartej przez Promotora Projektu Wydział Elektryczny Politechniki Częstochowskiej i Partnera Projektu Norwegian Instutite for Air Research (NILU) w celu współpracy na rzecz realizacji projektu dwustronnego Gmina samowystarczalna energetycznie (GSE) ze środków Funduszu Współpracy Dwustronnej w ramach Programu Operacyjnego PL4: Oszczędzanie energii i promowanie odnawialnej energii finansowanego przez Mechanizm Finansowy Europejskiego Obszaru Gospodarczego (MF EOG) na lata 29-214 w Polsce.
LITERATURA [1] http://ec.europa.eu/clima/policies/package/index_en.htm [2] Energy roadmap 25 (COM(211) 885 final of 15 December 211) - http://ec.europa.eu/energy/energy22/roadmap/index_en.htm [3] Całus S (red.).: Uwarunkowania samowystarczalności energetycznej gmin, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej. 217. [4] Piotrowski P.: Prognozowanie w elektroenergetyce w różnych horyzontach czasowych, Monografia, Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej Elektryka, (213), z. 144, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [5] Popławski T.: Modelowanie wykresów obciążenia dobowego systemów lokalnych na podstawie zadanych energii dobowych; Prognozowanie w Elektroenergetyce PE 98. Częstochowa 1998. str.89-96. ISBN 83-7193-35-6. ISSN 1234-9895 [6] Popławski T.: Prognozowanie lokalne w warunkach niestacjonarności. Aktualne problemy w elektroenergetyce. Jurata 23. str. 15-111. ISBN 83-99885-2-6. [7] Popławski T.: Predykcja zużycia energii elektrycznej i gazu w warunkach transformacji rynku. Rynek Energii Elektrycznej: Od Restrukturyzacji do Unii Europejskiej. Kazimierz Dolny 23. str. 281-288. ISBN 83-91667-6-1. [8] Popławski T., Dobrzańska I., Dąsal K.: Prognozowanie przebiegów obciążeń dobowych w lokalnych systemach elektroenergetycznych. Prognozowanie w elektroenergetyce PE 24. str.56-64, ISBN 83-7193-257-X, ISSN 1234-9895. [9] Popławski T., Dąsal K.: Zmienność zużycia energii elektrycznej małych odbiorców w kontekście rynku energii. Rynek Energii 28. Nr I. 141-146. ISSN 1425-596. [1] Popławski T., Łyp J., Starczynowska E.: Hybrydowy model predykcji długoterminowej miesięcznych szczytów obciążenia w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym. Rynek Energii 21. nr 2 (87). s.132-137. ISSN 1425-596. [11] Popławski T. Methods of analysis and forecast of power engineering load variation in the conditions of energy market transformation. The Publishing Office of CUT. 29. [12] Popławski T. (Red.): Wybrane zagadnienia prognozowania długoterminowego w systemach elektroenergetycznych. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej. 212. [13] Popławski T.: Teoria i praktyka w planowaniu rozwoju i eksploatacji systemów elektroenergetycznych. Wybrane aspekty. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, 213. [14] Stępień J.: Prognozy zapotrzebowania na ciepło na terenach o małym stopniu zurbanizowania. Rynek Energii 27. nr 6. [15] Trojanowska M., Szul T.: Analiza statystyczna zapotrzebowania na ciepło w gminach wiejskich. MOTROL, 28, 1, s.126 13. [16] Ustawa z dnia 1 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne. Z późniejszymi zmianami. [17] Wnioski z analiz prognostycznych na potrzeby Polityki energetycznej Polski do 25 roku, załącznik 2, Warszawa 215.
CONSTRUCTING THE SCENARIO FOR ENERGY DEMAND ON THE BASIS OF SELECTED MUNICIPALITIES AS AN ELEMENT OF ENERGY SELF- SUFFICIENT MUNICIPALITIES Key words: prediction, energy market, self-sufficient municipality Summary. The paper presents an example of building a range of scenarios for energy demand for selected municipalities as an element of developing a municipality strategy aimed at energy self-sufficiency. An original methodology of top-down long-term predictions for municipalities was developed, according to Polish Energy Policy until 25 ministerial strategy. Basing on the data, long-term predictions until 23 were made, for selected Polish municipalities, in terms of sectors and raw materials. Tomasz Popławski, prof. zw. dr hab. inż., pracuje w Instytucie Elektroenergetyki w Zakładzie Wytwarzania, Urządzeń i Gospodarki Elektroenergetycznej na Wydziale Elektrycznym Politechniki Częstochowskiej. Aktualnie pełni funkcję Prorektora ds. Nauczania Politechniki Częstochowskiej. Jego naukowe badania skupiają się na analizach, modelowaniu i prognozowaniu zjawisk związanych z eksploatacją oraz programowaniem rozwoju systemów elektroenergetycznych. poptom@el.pcz.czest.pl