Seminarium Naukowo-Techniczne WSPÓŁCZSN PROBLMY ROZWOJU TCHNOLOGII GAZU ANALIZA UWARUNKOWAŃ TCHNICZNO-KONOMICZNYCH BUDOWY GAZOWYCH UKŁADÓW KOGNRACYJNYCH MAŁJ MOCY W POLSC Janusz SKORK Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska Gliwice, 25 26 września 2012 1
ZALTY GAZOWYCH UKŁADÓW NRGTYCZNYCH 1. Wysokie sprawności energetyczne urządzeń i bardzo małe wskaźniki emisji, 2. Postęp techniczny w budowie urządzeń wytwórczych (gazowe silniki tłokowe, turbiny gazowe, mikroturbiny gazowe połączony ze wzrastającą podażą tych urządzeń na rynku, 3. Możliwość spalania gazów odpadowych (np. biogazów, gazów kopalnianych itp.), 4. Małe rozmiary ektrociepłowni i praktycznie bezobsługowa eksploatacja, 5. Optymalne dopasowanie układu do potrzeb indywidualnego odbiorcy, 6. Możliwość lokalizacji źródła wytwórczego w miejscu odbioru energii lub bliskim jego sąsiedztwie, 7. Krótki czas rozruchu lub odstawienia. WADY GAZOWYCH UKŁADÓW NRGTYCZNYCH 1. W przypadku zasilania gazem, ziemnym wysoka cena w porównaniu np. z węglem (2 do 3 razy wyższa w zł/gj energii chemicznej paliwa) 2
Podstawowe rodzaje gazowych układów kogeneracyjnych - układy CHP z gazowymi silnikami tłokowymi, - układychpz turbinami i mikroturbinami gazowymi - ektrociepłownie gazowo-parowe Typ urządzenia Silnik tłokowy gazowy Turbina gazowa, układ prosty Mikroturbina gazowa Zakres mocy MW Sprawność ektryczna % Sprawność całkowita nominalna 0,03 18 32 48 70 90 > 1,2 25 44 65 85 0,025 0,77 25 33 75 85 % 3
UWARUNKOWANIA OPŁACALNOŚCI GAZOWYCH UKŁADÓW CHP (Np. wskaźniki NPV, IRR, DPB itp.) Czynniki technicznoeksploatacyjne (mikroekonomiczne) Czynniki makroekonomiczne Optymalizacja doboru CHP? 4
Czynniki techniczno-eksploatacyjne (mikroekonomiczne) sprawności wytwarzania energii ektrycznej i ciepła (wysokie w przypadku układów gazowych), roczny stopień wykorzystania nominalnej mocy ektrycznej i cieplnej jednostkowe nakłady inwestycyjne na gazowe układy energetyczne (niższe w porównaniu z innymi technologiami energetycznymi), uciążliwość dla środowiska (niska dla układów gazowych dzięki stosowaniu paliw gazowych i wysokich sprawności całkowitej konwersji energii chemicznej paliwa), straty przesyłania energii ektrycznej i ciepła (zazwyczaj niskie w układach gazowej energetyki rozproszonej); zapotrzebowanie terenu (niskie dla układów gazowych). 5
Czynniki makroekonomiczne - wysokość kosztu pozyskania kapitału inwestycyjnego (wikość stopy dyskonta), - wikość i struktura cen paliw gazowych (głównie gazu ziemnego), - ceny energii ektrycznej i ich struktura taryfowa; dotyczy to zarówno cen sprzedaży odbiorcom zewnętrznym (np. spółkom ektroenergetycznym), jak i cen zakupu energii ektrycznej (uniknięcie zakupu energii od dostawcy zewnętrznego), - ceny sprzedaży ciepła, - ceny świadectw pochodzenia wytworzenia energii ektrycznej w wysokosprawnej kogeneracji (świadectwa żółte, czerwone i fioletowe, - ceny świadectw pochodzenia wytworzenia energii ektrycznej ze źródeł odnawialnych (świadectwa zione ) w przypadku wykorzystywania np. biogazów czy biomasy, - koszty opłat za korzystanie ze środowiska (koszty emisji, koszty wody, składowania odpadów, odprowadzania ścieków itp.). 6
CL: maksymalizacja efektu ekonomicznego np. NPV N = CFt (1 + r ) t =0 0 + t > 0 max CF t > 0 W skład przepływów finansowych CF t wchodzą następujące podstawowe składniki CF t S K P = S K p( S K A F) 7
Warunek CF t może być osiągnięty gdy: S S K = S K > 0 lub ζ S-K = > 1 K max Najważniejsze pozycje strumieni finansowych to: a) Przychody ze sprzedaży S: - energii ektryczne S - ciepła S Q - świadectw pochodzenia żółtych, czerwonych czy fioletowych wytworzenia energii ektrycznej w kogeneracji S śp b) Koszty K: - zakupu paliwa dla modułu kogeneracyjnego K f Przychody ze sprzedaży energii ektrycznej S : Przychody ze sprzedaży ciepła S Q : S = s S = Qc = Q Q c S σ s cq gdzie σ to rzeczywisty (eksploatacyjny) wskaźnik skojarzenia: σ = s Q 8
Przychody ze sprzedaży świadectw pochodzenia energii ektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji S sp : S = sp CHP c sp Ilość energii ektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji CHP : CHP = β β [0 :1] O wartości β decyduje wartość wskaźnika PS (PS>10% lub PS>0) oraz wartość sprawności ogólnej CHP η CHP : η CHP = + chf Q = + chf / σ Koszt zakupu paliwa (energii chemicznej) K chf : K = chf chf c chf Ilość energii chemicznej zużytego paliwa i ilość wyprodukowanej energii ektrycznej wiąże sprawność ektryczna urządzenia wytwórczego η η = chf 9
WNIOSK Parametry najbardziej wpływające na efektywność ekonomiczną gazowego układu CHP to: Parametr techniczny: - sprawność ektryczna gazowego modułu kogeneracyjnego η Parametr eksploatacyjny: - rzeczywisty wskaźnik skojarzenia σ Parametry cenowe: - cena zakupu energii chemicznej paliwa c chf, - cena energii ektrycznej c (sprzedaż lub uniknięty zakup) - cena świadectw pochodzenia c śp, 10
Analiza przykładowego projektu budowy gazowego układu CHP małej mocy 10 000 9 000 8 000 7 000 Nominalna moc cieplna CHP z turbiną gazową Moc cieplna, kw 6 000 5 000 4 000 3 000 2 000 Zapotrzebowanie na moc cieplną u odbiorców Nominalna moc cieplna CHP z gazowym silnikiem tłokowym Uporządkowany wykres zapotrzebowania na moc cieplną 1 000 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Czas, h Wariant 1: układ CHP z gazowym silnikiem tłokowym; Wariant 2: układ CHPz turbiną gazową Dobór mocy CHP: dopasowanie cieplne Paliwo: A) Gaz ziemny sieciowy B) Gaz kopalniany Silnik gazowy (2 sztuki) Turbina gazowa Moc nominalna ektryczna, MW 6,71 3,52 Moc nominalna cieplna *, MW th 6,09 6,76 Sprawność ektryczna, % 44,9 27,9 Nominalny wskaźnik skojarzenia σ nom 1,1 0,52 11
Układ CHP z gazowym silnikiem tłokowym) Parametry eksploatacyjne Układ CHP z turbiną gazową Układ Silnik gazowy (2 sztuki) Turbina gazowa Moc w paliwie do modułu CHP MW 14,94 12,62 Nominalny wskaźnik skojarzenia σ nom 1,10 0,52 Zużycie energii chemicznej paliwa w module CHP GJ 457 160 386 065 Zużycie energii chemicznej paliwa w kotłach GJ 4 488 3 176 nergia ektryczna wyprodukowana brutto MWh 57 018 29 920 nergia ektryczna wyprodukowana netto MWh 55 307 29 022 nergia ektryczna z wysokosprawnej kogeneracji MWh 45 861 0 (18412) Sprawność ogólna CHP [3] % 69,11 57,1 Wskaźnik PS [3] % 19,80 8,30 Ciepło użytkowe z modułu CHP GJ 110 830 111 899 Ciepło użytkowe z kotła GJ 4 023 2 954 ksploatacyjny wskaźnik skojarzenia 1,85 0,96 12
Podstawowe założenia do analizy opłacalności - stopa dyskonta dla projektu: 8,9% - czas eksploatacji układu CHP: 12 lat - cena zakupu gazu ziemnego (średnia jednoskładnikowa): 40 zł/gj - cena zakupu gazu kopalnianego: 5 zł/gj - cena sprzedaży energii ektrycznej odbiorcy końcowemu (średnia jednoskładnikowa): 295 zł/mwh - cena sprzedaży ciepła: 35 zł/gj - cena sprzedaży świadectw pochodzenia żółtych : 128 zł/mwh - cena sprzedaży świadectw pochodzenia fioletowych : 55 zł/mwh Wyniki analizy opłacalności Gaz ziemny Gaz kopalniany Silnik tłokowy Turbina gazowa Silnik tłokowy Turbina gazowa Nakład inwestycyjny mln. zł 20,3 14,0 20,3 14,0 NPV mln. zł 5,9-53,8 74,7 39,7 NPVR=NPV/CNI zł/zł 0,3-3,9 3,679 2,845 DPB lata 8,0-1,8 2,2 IRR % 13,5-61,7 51,3 13
Udziały składników przepływów CF t Silnik tłokowy Gaz ziemny Turbina gazowa Silnik tłokowy Gaz kopalniany Turbina gazowa Przychody (rocznie, netto) Sprzedaż energii ektrycznej do odbiorcy końcowego 62,3% 70,3% 76,3% 68,0% Sprzedaż ciepła 15,3% 29,7% 18,8% 32,0% Sprzedaż świadectw pochodzenia żółtych (gaz ziemny) lub fioletowych (gaz kopalniany) 22,4% 0,0% 4,9% 0,0% Razem 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% Koszty (rocznie, netto) Koszty zakupu paliwa dla modułu CHP 76,4% 81,6% 29,3% 36,5% Koszty zakup gazu ziemnego dla kotła rezerwowoszczytowego 0,8% 0,8% 0,3% 0,4% Koszt zakupu świadectw zionych 6,1% 4,1% 18,8% 14,6% Roczny odpis amortyzacyjny 6,6% 5,3% 20,3% 19,1% Podatek akcyzowy od energii ektrycznej 4,6% 3,0% 14,0% 10,9% Roczne odpisy na remonty kapitalne i bieżące, serwis, materiały eksploatacyjne itp. 1,4% 1,1% 4,3% 4,0% Koszty płac 1,2% 1,5% 3,7% 5,4% Koszt zakupu świadectw pochodzenia "czerwonych", "żółtych" i "fioletowych") 2,1% 1,5% 6,7% 5,2% Koszty emisji do atmosfery (bez kosztu zakupu uprawnień do emisji CO2) 0,2% 0,3% 0,6% 1,0% Razem 100,0% 100,0% 100,0% 100,0% Stosunek Sprzedaż/Koszty 1,08 0,65 2,72 2,36 14
WNIOSKI KOŃCOW 1. Podstawowym parametrem technicznym mającym wpływ na wskaźniki opłacalności układu CHP jest sprawność ektryczna gazowego modułu kogeneracyjnego η ; 2. Podstawowym parametrem eksploatacyjnym mającym wpływ na wskaźniki opłacalności układu CHP jest rzeczywisty wskaźnik skojarzenia σ; 3. Dla układów CHP zasilanych drogim paliwem (np. gazem ziemnym systemowym) najistotniejszym parametrem cenowym dla uzyskania korzystnych wskaźników opłacalności jest odpowiednio wysoka cena energii ektrycznej. Stąd najbardziej cowa jest tu budowa układów produkujących prąd na potrzeby wydzionych odbiorców końcowych lub pokrywających potrzeby własne (uniknięty koszt zakupu) 4. Dla układów CHP zasilanych stosunkowo tanim paliwem (np. metanowy gaz kopalniany a zwłaszcza biogazy fermentacyjne) korzystne wskaźniki opłacalności można uzyskać dla nawet stosunkowo niskich sprawności ektrycznych modułu CHP i niezbyt wysokich rzeczywistych wskaźnikach skojarzenia. 15