Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze SIECI 2004 V Konferencja Naukowo-Techniczna Politechnika Wrocławska Instytut Energoelektryki Marcin LASZKIEWICZ Instytut Energoelektryki Politechniki Wrocławskiej, 50-370 Wrocław, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27 e-mail: marcinelektryk@poczta.onet.pl MAŁE ELEKTROWNIE WODNE ŹRÓDŁEM GENERACJI ROZPROSZONEJ STAN OBECNY I MOŻLIWOŚCI ROZWOJOWE NA DOLNYM ŚLĄSKU W referacie omówiono rolę i znaczenie małej elektrowni wodnej jako źródła generacji rozproszonej. Przedstawiono ocenę i stopień zagospodarowania cieków wodnych w aspekcie wykorzystania zasobów energii wodnej dla celów elektroenergetycznych w regionie Dolnego Śląska. Przeanalizowano kierunki i perspektywy rozwoju energetyki wodnej w ujęciu źródeł generacji rozproszonej. Ukazano możliwości zastosowania nowych technologii wpływających na wielkość produkcji energii elektrycznej w nowoprojektowanych, jak również modernizowanych i odtwarzanych elektrowniach wodnych. Przedstawiono podstawowe parametry elektrowni wodnych występujących w regionie. 1. WPROWADZENIE Szybki postęp cywilizacyjny świata niesie za sobą coraz wyższe wymagania dla każdej dziedziny gospodarki i nauki, więc nie można sobie wyobrazić funkcjonowania społeczeństwa bez energii elektrycznej. Nowe technologie w przemyśle, usługach, administracji i gospodarstwach domowych wymagają zaopatrywania w energię elektryczną o wysokiej jakości. Z tego względu jednostki generacji energii elektrycznej są jednym z podstawowych elementów infrastruktury energetycznej. Stopień zużycia energii stanowi jeden z podstawowych i miarodajnych wskaźników rozwoju gospodarczego, społecznego i poprawy jakości życia, stąd też zapotrzebowanie na energię nieustannie rośnie [3]. Światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną jest pokrywane głównie dzięki paliwom kopalnym. Wytwarzanie energii elektrycznej oparte na paliwach konwencjonalnych (węgiel, ropa, gaz ziemny) i materiałach rozczepialnych (energetyka jądrowa) pokrywa około 80% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Niecałe 20% energii jest wytwarzane w odnawialnych źródłach energii (OZE = ang. RES - Renewables Energy Sources ) z czego 98,5% przypada na energetykę wodną [6]. W Polsce głównym źródłem energii elektrycznej są elektrownie cieplne opalane węglem kamiennym lub brunatnym. W roku 2003 moc zainstalowana w Krajowym Systemie Energetycznym (KSE) wynosiła 34,8 GW z czego 6 % mocy pochodziło z elektrowni wodnych (w tym około 60 % z elektrowni szczytowo-pompowych), zaś udział w produkcji energii elektrycznej tych elektrowni osiągnął poziom 2% [3]. Udział mocy zainstalowanej wielkich (w skali kraju) elektrowni wodnych w mocy KSE od szeregu lat utrzymuje się na tym samym poziomie i nie wykazuje tendencji wzrostowych. Powodem tego może być fakt, iż w ostatnich latach prawie wszystkie inwestycje w zawodowej energetyce wodnej związane są z modernizacją istniejących obiektów (EW Solina, EW Żarnowiec czy ZEW Dychów). Jedynymi obiektami energetyki wodnej, których stale przybywa, są małe elektrownie wodne (popularnie nazwane MEW ). Należy zaznaczyć, że MEW w samej swej
134 istocie, ze względu na konieczność uzyskania odpowiedniej efektywności, różnią się od średnich i wielkich elektrowni wodnych. Poza tym w pierwszym okresie rozwoju budownictwa MEW, są one przede wszystkim oparte na budowlach i urządzeniach, jakie zachowały się po nieczynnych siłowniach wodnych i w miejscach istniejących piętrzeń wodnych. 2. MEW JAKO ŹRÓDŁO GENERACJI ROZPROSZONEJ Określenie małych elektrowni wodnych MEW, w zależności od państwa lub organizacji, przyjmuje się na podstawie sumy mocy zainstalowanej hydrogeneratorów. W Polsce mianem MEW określa się obiekty o mocy zainstalowanej nie przekraczającej 5 MW ( np. w USA i Szwecji - 15MW, w Chinach - 25MW, w OLADE - Latin American Energy Organization - 10MW) [12]. Ponadto pod określeniem MEW kryje się podział na: - mikro elektrownie wodne (5-200kW), - mini elektrownie wodne (200-1000kW), - małe elektrownie wodne (1000-5000kW). Zasadniczo można wyróżnić trzy warianty pracy MEW, a mianowicie praca na sieć sztywną (współpraca z energetyczną siecią rozdzielczą), praca wyspowa (zasilanie sieci lokalnej nie powiązanej z KSE) oraz współpraca zarówno z państwową siecią energetyczną, a także awaryjne (rezerwowe) zasilanie wydzielonej sieci lokalnej. Większość krajowych obiektów MEW współpracuje z siecią państwową. Nieliczne obiekty zasilają wydzielone sieci niskiego napięcia w trudno dostępnych obszarach górskich (np. schronisko PTTK Kochanówka u podnóża wodospadu Szklarki w Szklarskiej Porębie), jak również pełnią rolę źródeł potrzeb własnych i rezerwowych w małych zakładach przemysłowych. Ciągły przyrost małych źródeł energii elektrycznej, również takich jak małe elektrownie wodne, sprzyja decentralizacji sektora wytwarzania oraz wspomaga obecnie deregulowany i restrukturyzowany krajowy sektor energetyczny. W kontekście urynkowienia elektroenergetyki, generacja energii elektrycznej w MEW stała się uczestnikiem nowo tworzonych lokalnych rynków energii. Nowe uwarunkowania, powodujące rozwój niezależnych wytwórców pozasystemowch, zwiększają zainteresowanie inwestorów źródłami o początkowo względnie niewielkiej mocy a następnie małej i mikro. Źródła w większości wykorzystują lokalne pozabilansowe zasoby energetyczne, a w przypadku MEW wykorzystywana jest energia spadku wód płynących, sklasyfikowana jako energia odnawialna (ang. renewables energy ). W ramach funkcjonowania lokalnego rynku energii, zasadniczą rolę odgrywa generacja rozproszona, która zyskała silny impuls w wyniku paliwowego kryzysu lat 70 XX wieku oraz późniejszymi procesami restrukturyzacyjnymi energetyki [8]. Terminem generacja rozproszona (ang. distributed generation - DG) określa się źródła energii posiadające zdolność współpracy z istniejącymi systemami elektroenergetycznymi, z kolei źródła pracujące autonomiczne poza systemem opisywane są pojęciem generacja rozsiana (ang. dispersed generation) [9]. Wytwarzanie rozproszone lub też generacja rozproszona (w obecnym jej rozumieniu) nie ma uregulowanej i ogólnie przyjętej definicji. Tak więc: - wg Grupy Roboczej 37-23 CIGRE (Working Group 37-23 CIGRE, Paris 1999) generacja rozproszona oznacza źródła o mocach nie przekraczających 50-100 MW [5]; - wg EPRI (Electric Power Research Institute), w USA górna granica źródeł zaliczanych do generacji rozproszonej wynosi 50 MW; w Wielkiej Brytanii - 100 MW; w Szwecji - 1,5 MW; w Nowej Zelandii - 5 MW[10]; - w warunkach krajowych z pracy na sieć rozdzielczą o napięciu nie przekraczającym 110 kv wynika ograniczenie mocy do 150-200 MW[1]. Zgodnie z wyżej zaproponowanymi definicjami uogólnionymi cechami generacji rozproszonej są: - brak centralnego planowania,
- brak centralnej dyspozycji, - współpraca z siecią dystrybucyjną, - moc zainstalowana mniejsza niż 50-100 MW. Postęp w zakresie metod i środków sterowania systemem umożliwia dziś włączenie obiektów DG do obszaru odpowiedzialności operatora systemu [9]. Ze względu na duży rozrzut w mocy zainstalowanej oraz różnej technologii wytwarzania można zaproponować dwie klasyfikacje jednostek generacji rozproszonej [1]: - wg mocy zainstalowanej: mikro energetyka (generacja) rozproszona (1 W - 5 kw), mała energetyka (generacja) rozproszona (1 kw - 5 MW), średnia energetyka (generacja) rozproszona (5 MW - 50 MW), duża energetyka (generacja) rozproszona (50 MW - 150 MW); - wg zastosowanej technologii: odnawialna energetyka (generacja) rozproszona, modułowa energetyka (generacja) rozproszona, skojarzona energetyka (generacja) rozproszona. Zainteresowanie źródłami rozproszonymi oraz ich rozwojem, wynika z zalet inwestycyjnych (krótki czas budowy, mniejsze ryzyko inwestycyjne), eksploatacyjnych rozwiązań technicznych wysoka sprawność, lokalizacja blisko odbiorców pozwala uniknąć części kosztów przesyłu i dystrybucji), konkurencyjności cenowej oraz ochrony środowiska. Dążenie do rozwoju zrównoważonego zwiększyło atrakcyjność odnawialnych zasobów energii takich jak wiatr, woda, biomasa energia solarna. Obecnie jedynie hydroenergetyka począwszy od końca XIX wieku jest technologią mającą znaczenie w globalnym bilansie energii elektrycznej. Jednocześnie mówiąc o atrakcyjności odnawialnych źródeł energii, w wymiarze hydroenergetyki, odnosi się to do obiektów o mocy zainstalowanej do 5 MW. W warunkach krajowych oznacza to małą energetykę wodną tzw. MEW, która to odpowiada wszystkim wymogom definicyjnym generacji rozproszonej. 135 3. OCENA I STOPIEŃ WYKORZYSTANIA ZASOBÓW ENERGII WODNEJ NA DOLNYM ŚLĄSKU (DORZECZE ODRY) Teoretyczne zasoby hydroenergetyczne naszego kraju wynoszą ok. 23 tys. GWh rocznie. Zasoby techniczne szacuje się na ok. 12 TWh/rok[12]. Powyższe dane obejmują jedynie rzeki o znaczących przepływach. Przy uwzględnieniu pozostałych rzek, kwalifikujących się jedynie do budowy małych elektrowni wodnych (MEW) w ujęciu mini i mikro, wartość potencjału technicznego wzrośnie. Polska wykorzystuje swoje zasoby energii wodnej jedynie w 14 % (1,7TWh/rok), (wg[6] w 12%), co nie uległo radykalnym zmianom od 30 lat[11]. Krajowy potencjał hydroenergetyczny jest jednak nierównomiernie rozłożony; dorzecze Wisły skupia 67,9 % (z czego połowa przypada na dolny odcinek Wisły), w dorzeczu Odry znajduje się 17,6% a pozostała część potencjału przypada na małe elektrownie (MEW 12,5%) oraz na rzeki przymorza (2%) [12]. Niniejsze opracowanie stanowi próbę własnej oceny stopnia wykorzystania zasobów energii wodnej skupionej na obszarze działania Regionalnego Zarządu Gospodarką Wodną we Wrocławiu (RZGW Wrocław). Obszar działania RZGW Wrocław wynosi 43524 km 2, skupia 3263 km administrowanych cieków i obejmuje dorzecze Odry od Kędzierzyna-Koźla do ujścia rzeki Nysa Łużycka[7]. Potencjał energetyczny rzek dorzecza Odry oceniany jest na ok. 743 MW, a sumaryczna moc zainstalowana istniejących 93 elektrowni w tym dorzeczu wynosi ok. 158 MW (styczeń 2001) [7]. Z opracowania RZGW Wrocław (styczeń 2004)[13] wynika sumaryczna moc zainstalowana w istniejących 92 elektrowni, w tym samym dorzeczu, na ok. 168,5MW. Z kolei z informacji
136 otrzymanych z Koncernu EnergiaPro S.A (była Grupa Energetyczna W5) i Zakładu Elektrowni Wodnych Dychów S.A. (ZEW Dychów) okazuje się, że w tym samym obszarze dorzecza Odry funkcjonuje 116 elektrowni wodnych o sumarycznej mocy ok. 172,9 MW. Dane dostarczone przez EnergiaPro S.A zostały zebrane na podstawie aktualnych umów na zakup energii elektrycznej z obiektów MEW oraz faktycznej produkcji energii elektrycznej w ciągu ostatnich pięciu lat. Natomiast dane dotyczące ZEW Dychów pochodzą ze strony internetowej i dotyczą faktycznych parametrów obiektów będących w dyspozycji [4]. Otrzymane informacje wydają się jak najbardziej wiarygodne i zostały przedstawione w tabelach poniżej(tablica 1,2,3). Wykazane różnice w ilości oraz w mocy zainstalowanej MEW leżą zapewne u podnóża trójstronnej koalicji RZGW - MEW - Spółka Dystrybucyjna. Tablica 1. Potencjał istniejących elektrowni wodnych na obszarze działania RZGW Wrocław [opracowanie własne]. Średnia moc Średni czas pracy Ilość obiektów Moc Roczna Nazwa cieku jednej mocą l.p. elektrowni zainstalowana produkcja lub regionu elektrowni zainstalowaną szt. kw MWh kw h/a Główne cieki dorzecza Odry 1. Bóbr 29 112505 191300 4018 3620 2. Bystrzyca 5 1654 4600 331 3700 3. Kamienna 6 1190 3900 198 5020 4. Kwisa 7 8355 18100 1194 3610 5. Mała Panew 3 1892 4900 631 3570 6. Nysa Kłodzka 12 15255 52900 1271 3400 7. Nysa Łużycka 10 7609 31300 761 4480 8. Odra 11 21000 99500 1909 4090 Suma 83 169460 406500 1289 3936 Rzeki i potoki w regionie 9. Wałbrzych 8 1049 1600 131 3930 10. Opole 7 640 2600 91 4100 11. Jelenia Góra 11 1389 4600 126 4200 12. Legnica 5 257 1200 51 4080 13. Wrocław 2 127 225 64 2250 Suma 33 3462 10225 92 3712 Suma 116 172919 416700 1504 3880 Przy obecnym wykorzystaniu zasobów hydrotechnicznych na poziomie 172,9 MW przedstawiony przez RZGW Wrocław potencjał energetyczny rzek dorzecza Odry (ok. 743 MW) wykorzystywany jest zaledwie w 23 %. Tak więc ponad ¾ potencjału dorzecza Odry podlega zagospodarowaniu pod zabudowę MEW, gdyż obecnie planuje się tylko budowę 4 elektrowni o mocy zainstalowanej powyżej 5MW w tym jedną szczytowo-pompową. Charakter zlewni rzeki Odry powoduje, że występują tu elektrownie, działające przy niskich spadach oraz stosunkowo dużych przepływach instalowanych - zwłaszcza na Odrze i w dolnych biegach większych rzek (Bóbr, Nysa Łużycka, Nysa Kłodzka). Na rzekach i potokach górskich elektrownie wykorzystują duży spad przy małych przepływach - spiętrzenia są uzyskiwane za pomocą derywacji zamkniętych i otwartych. W regionie zlokalizowane jest 13 elektrowni wykorzystujących zbiorniki retencyjne pracujące na bazie zbiorników wielozadaniowych oraz na zbiornikach o charakterze typowo energetycznym. Na rzece Bóbr znajduje się również jedna elektrownia szczytowo-pompowa.
Tablica 2. Potencjał elektrowni wodnych z uwzględnieniem na rodzaj elektrowni [opracowanie własne]. Średnia moc Ilość obiektów Moc Roczna Rodzaj elektrowni jednej elektrowni zainstalowana produkcja wodnej elektrowni 137 Średni czas pracy mocą zainstalowaną szt. kw MWh kw h/a szczytowo-pompowa 1 79500 80000 79500 1010 zbiornikowa 13 48702 164300 3746 3180 przepływowa 102 44720 172470 443 4010 Tablica 3. Potencjał elektrowni wodnych ze uwzględnieniem użytkownika elektrowni [opracowanie własne]. Właściciel Ilość obiektów elektrowni Moc zainstalowana Roczna produkcja Średnia moc jednej elektrowni Średni czas pracy mocą zainstalowaną Udział proc. w produkcji. energii el. EnergiaPro S.A. szt. kw MWh kw h/a % JG 13 27725 79000 2133 3130 Legnica 0 0 0 0 0 Opole 6 11530 37900 1922 3500 49,8 Wałbrzych 4 2135 5700 534 2430 Wrocław 5 17005 85000 3401 4870 ESP S.A. ZEW Dychów 17 99100 153000 5829 3520 36,7 Elektrownia ZE Toruń Włocławek S.A. Sp. z o.o. 1 580 1100 580 1900 0,03 ESP S.A. i ESI Ltd. Kanada Elektrownie Górnej Odry S.A. 1 1400 5740 1400 4100 1,4 RZGW Wrocław 3 3960 14000 1320 3010 3,4 Właściciele prywatni 66 9488 35300 144 4270 8,5 Suma 116 172919 416700 1491 3880 100 4. KIERUNKI I PERSPEKTYWY ROZWOJU HYDROENERGETYKI Szczególny wysiłek inwestycyjny hydroenergetyki w dorzeczu Odry skierowany jest na przedsięwzięcia odtworzeniowe i modernizacyjne. Powodem tego jest fakt, iż elektrownie powstałe w latach 1900-1939 w ilości 35 obiektów eksploatowane są już od 65 do 105 lat. Decyzje odtworzeniowe podjęto w przypadku szeregu obiektów elektrowni przepływowych, wchodzących w skład ZEW Dychów. W dwóch przypadkach wybudowano nową elektrownię w starej lokalizacji, dwie wybudowano w nowej lokalizacji, a w kolejnych zmodernizowano system turbogeneratorów wymieniając turbiny Francisa na turbiny Kaplana o wyższej sprawności i pewności ruchowej niż poprzednie oraz przebudowywano urządzenia piętrzące. Dalszym etapem modernizacji jest wymiana hydrozespołów i pomp akumulacyjnych oraz podwyższenie mocy zainstalowanej w elektrowni szczytowo-pompowej Dychów. Podobne zabiegi modernizacyjne spodziewane są w pozostałych elektrowniach należących do niedawna do Zakładów Energetycznych Jelenia Góra, Opole, Wałbrzych i Wrocław a obecnie wchodzących w skład Koncernu Energetycznego EnergiaPro S.A. Program energetycznego wykorzystania rzek Odrzańskiego Systemu Wodnego (OSW) zakłada budowę elektrowni wodnych
138 o łącznej mocy zainstalowanej ok. 32 MW przy istniejących budowlach piętrzących oraz dodatkowe 32MW, w elektrowniach planowanych do realizacji przy stopniach i zbiornikach przewidywanych do budowy dla celów przeciwpowodziowych i żeglugowych. W planach tych jest również uwzględniona budowa elektrowni szczytowo-pompowej Pilchowice II, usytuowanej poniżej elektrowni zbiornikowej Pilchowice I na rzece Bóbr [11]. 5. WNIOSKI Potencjał dorzecza Odry jest wykorzystany na niskim poziomie i nadal oczekuje na zagospodarowanie elektroenergetyczne niemal w całości przez obiekty MEW. W polskich warunkach klimatycznych zwiększenie możliwości retencji wody powinno być jednym z priorytetowych zadań polityki ekologicznej państwa. W przypadku zastosowania sztucznego piętrzenia wód rzecznych oprócz efektów energetycznych i przeciwpowodziowych, można uzyskać szereg innych korzyści gospodarczych, takich jak: rozwój transportu wodnego, dodatkowe przejścia mostowe czy pożądane podniesienia lustra wód gruntowych. Wdrażanie nowych technologii, umożliwiających produktywne wykorzystanie wód powodziowych, zastępowanie istniejących turbin Francisa wysokosprawnymi turbinami Kaplana z podwójną regulacją czy stosowanie jazów powłokowych pozwalających na podpiętrzanie wody bez konieczności prowadzenia poważnych prac hydrotechnicznych, może przynieść dodatkowe zyski energetyczne, a także w wielu przypadkach znacznie obniżyć koszty inwestycji. O ile energia elektryczna z siłowni o mocy powyżej 5 MW sprzedawana jest na rynku konkurencyjnym, to energia z MEW podlega obowiązkowemu zakupowi, po maksymalnych cenach taryfowych na niskim napięciu przez poszczególne spółki dystrybucyjne, co stanowi istotną zaletę dla inwestora. LITERATURA [1] Biczel P., Paska J.: Hybrydowa elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym jako przykład wykorzystania w energetyce rozproszonej wielu źródeł energii pierwotnej. PSE S.A., Elektroenergetyka nr4 2003(47) [2] Gołębiowski S., Krzemień Z.: Przewodnik inwestora małej elektrowni wodnej. Fundacja Poszanowania Energii, Warszawa 1998 r. [3] http://www.pse.pl/statystyka/ [4] http://www.zewdsa.com.pl [5] Impact of increasing contribution of dispersed generation on the power system. Working Group 37-23. CIGRE. Paris, February 1999. [6] Internatinal Energy Outlook 2002, Energy Information Administration, US Department of Energy, Washington, February 2001. [7] Kosierb R.: Zasoby Energii Wodnej na terenie zarządzanym przez Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej we Wrocławiu. Pierwsza Krajowa Konferencja Naukowo-Techniczna. Wykorzystanie Energii ze źródeł odnawialnych. Kudowa Zdrój 6-7 czerwca 2002 r. [8] Malko J.: Restrukturyzacja elektroenergetyki. Mat. Konf. Prognozowanie w Elektroenergetyce, Częstochowa 1998 r. [9] Malko J., Pupka J.: Rozwój lokalnych źródeł energii elektrycznej - kogeneracja zawodowa, generacja rozproszona. Mat. VI Konf. Naukowo-Technicznej, Rynek Energii Elektrycznej. Kazimierz Dolny 1999 r. [10] Moore T.: Emerging Markets for Distributed Resources. EPRI Journal. March/April 1998. [11] Strategia modernizacji Odrzańskiego Systemu Wodnego. Program Odra 2006, Suplement 10. Energetyczne wykorzystanie Odry i jej dopływów. Wrocław 1999 r. [12] Tymiński J.: Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w Polsce do 2030 roku. Aspekt energetyczny i ekologiczny. IBMER, Warszawa 1997 r. [13] Wykaz Istniejących elektrowni wodnych na ciekach będących w administracji RZGW Wrocław. Stan na dzień 31.01.2004r. Materiały niepublikowane.