Woda Środowisko Obszary Wiejskie. Rozprawy naukowe i monografie nr 34 Marcin Bukowski EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA PRODUKCJI ENERGII W MAŁYCH ELEKTROWNIACH WODNYCH ECONOMIC EFFICIENCY OF ENERGY PRODUCTION IN SMALL-SCALE HYDROPOWER STATIONS
SPIS TREŚCI 1. Wprowadzenie... 9 1.1. Zagadnienia wstępne... 9 1.2. Przedmiot i cel badań... 12 1.3. Hipotezy badawcze... 14 1.4. Metody badań... 14 1.4.1. Dobór badanej próby... 14 1.4.2. Opis badanej grupy... 15 1.4.3. Przetwarzanie danych pierwotnych... 18 1.5. Wskaźniki oceny efektywności ekonomicznej... 19 2. Charakterystyka sektora energetyki odnawialnej w Polsce... 23 2.1. Rozwój energetyki wykorzystującej źródła odnawialne w Polsce... 23 2.2. Zasoby wodne w Polsce i ich potencjał hydroenergetyczny... 28 2.3. Energetyka wodna w Polsce... 32 3. Regulacje prawne i mechanizmy wsparcia finansowego energetyki odnawialnej w Polsce i innych krajach Unii Europejskiej... 41 3.1. Polityka energetyczna Unii Europejskiej... 41 3.2. Krajowe uwarunkowania polityczno-prawne w zakresie rozwoju odnawialnych źródeł energii... 49 3.3. Finansowe mechanizmy wsparcia energetyki odnawialnej... 53 3.4. System wsparcia OZE w Polsce i jego wpływ na rozwój sektora energetyki odnawialnej... 60 4. Koszty zewnętrzne produkcji energii elektrycznej... 65 4.1. Koszty zewnętrzne... 65 4.2. Oddziaływanie cyklu życia produkcji energii elektrycznej na środowisko... 68 4.3. Efekty zewnętrzne powodowane emisją zanieczyszczeń powstających w procesie produkcji energii elektrycznej... 71 4.4. Wskaźnikowe koszty zewnętrzne w zależności od technologii produkcji energii elektrycznej... 82 5. Mikroekonomiczna efektywność produkcji energii w małych elektrowniach wodnych... 96 5.1. Przychody ze sprzedaży wyprodukowanej energii... 96 5.2. Nakłady inwestycyjne i roczne koszty całkowite w małych elektrowniach wodnych... 120 5.2.1. Nakłady inwestycyjne na budowę małych elektrowni wodnych... 120 5.2.2. Roczne koszty całkowite w małych elektrowniach wodnych... 125 5.3. Ocena ekonomicznej efektywności... 131 5.3.1. Rachunek średnich rocznych kosztów i przychodów... 131 5.3.2. Efektywność ekonomiczna w rachunku wieloletnim... 133 6. Makroekonomiczna efektywność produkcji energii w małych elektrowniach wodnych... 145 6.1. Nakłady inwestycyjne i eksploatacyjne w rachunku ogólnospołecznym... 145 6.2. Społeczna wartość efektów produkcji energii w małych elektrowniach wodnych... 150 6.3. Ocena makroekonomicznej efektywności produkcji... 155 6.4. Wpływ zastępowalności produkcji energii z różnych źródeł na makroekonomiczną efektywność produkcji w elektrowniach wodnych... 166 7. Podsumowanie i wnioski... 172 8. Literatura... 179 Streszczenie... 192
CONTENTS 1. Introduction... 9 1.1. Preliminary issues... 9 1.2. Object and purpose of research... 12 1.3. Research hypotheses... 14 1.4. Research methods... 14 1.4.1. Research sampling... 14 1.4.2. Description of the study group... 15 1.4.3. Transformation of the raw data... 18 1.5. Indicators of economic efficiency... 19 2. Characteristics of the renewable energy sector in Poland... 23 2.1. Development of renewable energy in Poland... 23 2.2. Water resources in Poland and their energy potential... 28 2.3. Hydropower in Poland... 32 3. Regulation and financial support mechanisms for renewable energy... 41 3.1. European Union Energy Policy... 41 3.2. National legal and political mechanisms for renewable energy... 49 3.3. Financial support mechanisms for renewable energy... 53 3.4. The support system in Poland and its impact on the development of renewable energy sector... 60 4. External costs of electricity production... 65 4.1. External costs... 65 4.2. The impact of the life cycle of energy production on the environment... 68 4.3. External effects of pollution generated in the process of energy production... 71 4.4. Indicative external costs depending on the technology of energy production... 82 5. Microeconomic efficiency of energy production in small-scale hydropower stations... 96 5.1. Revenues from energy sales... 96 5.2. Investment and total annual costs for small-scale hydropower stations... 120 5.2.1. Investment in construction of small water power plants... 120 5.2.2. Annual total costs... 125 5.3. Indicators of microeconomic efficiency... 131 5.3.1 Calculation the average annual cost and revenue... 131 5.3.2. Long-term economic efficiency... 133 6. Macroeconomic efficiency of energy production in small-scale hydropower stations... 145 6.1. Capital and operating cost in macroeconomic account... 145 6.2. The social value of the effects of energy production... 150 6.3. Indicators of macroeconomic efficiency... 155 6.4. Influence of substitution degree on the macroeconomic effectiveness... 166 7. Conclusions... 172 8. Literature... 179 Summary... 195
STRESZCZENIE Jednym z najważniejszych celów polityki energetycznej Polski, obok minimalizacji negatywnego oddziaływania sektora energetycznego na środowisko, jest dążenie do zapewnienie niezawodności dostaw paliw i energii. Elementem przyczyniającym się do realizacji tego priorytetu jest zwiększenie wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE), co w rezultacie może doprowadzić do zmniejszenia zależności gospodarki kraju od importowanych nośników energii. Rozwiązanie to umożliwi również poprawę jakości powietrza atmosferycznego dzięki uniknięciu emisji zanieczyszczeń gazowych powstających ze spalania konwencjonalnych nośników energii (głównie węgla kamiennego, w mniejszym stopniu ropy naftowej i gazu ziemnego). Szansą rozwoju energetyki odnawialnej jest dyrektywa 2009/28/WE w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych, zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE. Określa ona nowy obowiązkowy cel w stosunku do całej UE 20% udziału energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto do 2020 r. Wyznaczony dla Polski obowiązkowy cel ilościowy to 15% udziału energii z OZE w końcowym zużyciu energii brutto w 2020 r. W warunkach Polski w obrębie technologii wykorzystujących OZE największe szanse na dalszy rozwój, poza energetyką wiatrową, ma energetyka wodna. Ze względu na niewielkie zasoby wodne, wysokie nakłady inwestycyjne i znaczne zmiany w środowisku naturalnym nie planuje się budowy dużych elektrowni wodnych w najbliższych latach. Wzrost udziału energii wyprodukowanej w elektrowniach wodnych w całkowitej produkcji energii elektrycznej może nastąpić w wyniku modernizacji i rozbudowy już istniejących urządzeń energetycznych, wykorzystania istniejących stopni wodnych do produkcji energii poprzez zainstalowanie na nich turbozespołów oraz budowy nowych małych elektrowni wodnych (MEW). Głównym celem niniejszej monografii jest określenie technicznych i hydrologicznych czynników wpływających na mikro- i makroekonomiczną efektywność produkcji energii w małych elektrowni wodnych. W pierwszej części pracy scharakteryzowano sektor energetyki odnawialnej w Polsce ze szczególnym uwzględnieniem znaczenia i możliwego do wykorzystania potencjału hydroenergetyki. Ponadto przedstawiono instrumenty prawne i ekonomiczne wspierające rozwój energetyki odnawialnej w Polsce oraz innych krajach UE. Jedną z bardziej istotnych barier, hamujących rozwój energetyki odnawialnej, jest koszt wytwarzania energii. Mimo znacznego obniżania się w ostatnich latach, koszt wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych wciąż jest wysoki i znacznie przewyższa koszt wytworzenia energii uzyskiwanej w wyniku spalania paliw kopalnych. Z tego też względu w wielu krajów europejskich stosuje się mechanizmy wsparcia, mające na celu zwiększenie efektywności ekonomicznej produkcji energii z OZE. W pracy przedstawiono dwa główne typy mechanizmów wsparcia system taryf gwarantowanych oraz system zielonych certyfikatów. Scharakteryzowano efekty zewnętrzne powodowane emisją zanieczyszczeń powstających w procesie produkcji energii elektrycznej z wykorzystaniem różnych technologii produkcji oraz przedstawiono wskaźnikowe wartości kosztów zewnętrznych w odniesieniu do różnych technologii. Uwzględnienie w rachunku ekonomicznym, poza bezpośrednimi kosztami produkcji, także kosztów zewnętrznych powoduje bowiem, że zdecydowanie zmniejsza się różnica jednostkowych kosztów produkcji między odnawialnymi a tradycyjnymi źródłami energii. W drugiej części pracy przedstawiono wyniki badań mających na celu wskazanie czynników wpływających na efektywność produkcji energii w MEW. Zaprezentowano wyniki analizy mikro- i makroekonomicznej efektywności produkcji energii w małych elektrowniach wodnych z wykorzystaniem danych dotyczących 42 elektrowni zlokalizowanych w północnej Polsce. W badaniach wykorzystano informacje o ekonomicznych i technicznych
parametrach analizowanych obiektów. Zbadany został wpływ wielkości mocy zainstalowanej i przepływu wody w rzece na średnie roczne koszty i przychody z produkcji energii. Ocenę efektywności przeprowadzono na podstawie regresji kosztów i korzyści w stosunku do mocy zainstalowanej z wykorzystaniem wskaźników oceny jednorocznej i wieloletniej. W rachunku makroekonomicznym skorygowano wysokość korzyści o wartość efektów zewnętrznych. Oszacowano wartość korzyści społecznych wynikających z zastąpienia produkcji energii elektrycznej z użyciem technologii węglowej przez produkcję w małych elektrowniach wodnych. Rozważono efekty różnego stopnia zastępowalności. Wyniki przeprowadzonych obliczeń świadczą o tym, że produkcja energii w małych elektrowniach wodnych jest efektywna ekonomicznie. Efektywność produkcji zależy od mocy zainstalowanej i rośnie wraz z jej wzrostem. Z porównania rachunku mikro- i makroekonomicznego wynika, że produkcja energii w MEW jest efektywniejsza w aspekcie społecznym. Większa efektywność ekonomiczna w rachunku makroekonomicznym wynika z dużej wartości efektów zewnętrznych. Korzyści społeczne z tytułu zastąpienia węgla w produkcji energii elektrycznej przez energetykę wodną są większe od przychodów uzyskiwanych w rachunku mikroekonomicznym przez producentów z tytułu sprzedaży praw majątkowych do świadectw pochodzenia. Warunkiem wystąpienia tych korzyści jest jednak odpowiednie ograniczenie produkcji w elektrowniach konwencjonalnych dzięki produkcji energii w elektrowniach wodnych. Na obecnym poziomie rozwoju sektora energetyki odnawialnej w Polsce stopień zastępowalności jest niewielki. Należy jednak pamiętać, że spełnienie międzynarodowych zobowiązań będzie wymagało uzyskania w 2020 r. 15% udziału energii elektrycznej z OZE w końcowym zużyciu energii brutto. W warunkach znacznego udziału energii ze źródeł odnawialnych konieczne stanie się jej uwzględnienie w bilansie energetycznym kraju. Tym samym wymagane będzie udoskonalenie obecnego mechanizmu sterowania systemem elektroenergetycznym, tak by w ustalaniu wielkości produkcji energii w elektrowniach konwencjonalnych uwzględniać również ilość energii wyprodukowanej z OZE.
SUMMARY One of the main targets of the Polish energetic policy, apart from minimizing the negative environmental impact of the energy sector, is to provide reliable supply of fuels and energy. Increasing the use of renewable energy sources (RES) may contribute to implementation of this priority. This solution will also improve air quality by avoiding the emission of gaseous pollutants generated in combustion of conventional energy sources (mainly coal and, to a lesser extent, oil and natural gas). Directive 2009/28/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 promoting the use of energy from renewable sources which amended and finally repealed the Directives 2001/77/EC and 2003/30/EC may be a chance for the development of this sector. The directive defines a new obligatory aim for the EU 20% share of energy from renewable sources in the gross energy consumption in 2020. The aim determined for Poland is 15% share of renewable energy in the total energy consumption in 2020. Hydro- and wind power plants have best chances for the development in Poland. Due to small water resources, high investment costs and significant environmental changes there are no plans to build large hydropower plants in the coming years. Increasing the share of energy produced from hydropower in the total electric power production may occur as a result of modernization and development of the existing power facilities, of the use of the existing dams to produce energy by installation turbines and of the construction of new small-scale hydropower plants (SHP). The main goal of this study is to determine the technical and hydrological factors affecting the microand macro-economic efficiency of energy production in small-scale hydropower stations. First part of this study characterises the renewable energy sector in Poland with particular regard to the importance of and potential for exploitation of hydropower. In addition, a legal and economic instruments to promote renewable energy development in Poland and other EU countries are described. One of the most significant barriers that inhibit the development of renewable energy is its cost. Despite the significant decrease in recent years, the cost of electricity generation from renewable sources is still high and much higher than the cost of energy produced by the combustion of fossil fuels. For this reason, many European countries have supporting mechanisms in order to increase the economic efficiency of energy production from renewable sources. This paper presents the two main types of supporting mechanisms feed-in tariffs and green certificates system. In the fourth chapter of this study, externalities caused by emissions generated in the production of electricity using different technologies are characterised. In addition, external costs of different energy production technologies are presented. Inclusion the external costs in the economic calculus, in addition to the direct cost of production, may significantly reduce the difference in unit costs between renewable and traditional energy sources. Second part of the paper presents the results of a study aimed to identify factors affecting the efficiency of energy production in SHP. The paper presents an analysis of the micro- and macroeconomic efficiency of energy production based on data from 42 small hydroelectric power plants located in the lowland but hilly north-central part of Poland. The study was based on the information about economic and technical parameters of the analysed objects. The influence of installed power and water flow on the mean total cost and the income from energy sale was analysed. The indices of one-year and long-term efficiency were used. The value of external effects was included in macroeconomic calculations. Reduction of pollution resulting from the replacement of a conventional power plant with a hydropower station was valued in money terms in order to calculate social benefits from this replacement. Various levels of potential replacement were envisaged. The results of the calculations indicate that the production of energy in small-scale hydropower stations is economically effective. Production efficiency depends on the installed power and increases
with its growth. A comparison of the micro- and macroeconomic calculation shows that energy production in SHP is more effective from the social point of view. Social benefits arising from the replacement of coal with water in electricity production are greater than the revenues of a hydropower station owner. The value of these benefits depends on the degree of replacement. At present level of the development of the renewable energy sector in Poland, the degree of replacement is low. Note, however, that the fulfilment of international commitments will require obtaining a 15% share of electricity from RES in gross final energy consumption till the year 2020. Such a large share of energy from renewable sources will need considering them in the energy balance of the country. The same will be required to improve the current mechanism of controlling the power system, so that the production of energy in conventional power plants will take into account the amount of energy produced from renewable sources.