Dr hab. inż. Wojciech Stanek Gliwice, 6 lipca 2015 Prof. nadzwyczajny w Pol. Śl. Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Instytut Techniki Cieplnej ul. Konarskiego 22, 44-100 Gliwice wojciech.stanek@polsl.pl Recenzja pracy doktorskiej mgr inż. Grzegorza Kośnikowskiego pt. Wpływ wykorzystania energetyki wiatrowej oraz bloków gazowo-parowych na poziom emisyjności i efektywność energetyczną Podstawą niniejszej recenzji było zlecenie prof. dr hab. inż. Stefana Berczyńskiego, Dziekana Wydziału Inżynierii Mechanicznej i Mechatroniki Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego. Promotorem pracy jest dr hab. inż. Jacek Eliasz, profesor Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego. 1. Tematyka pracy doktorskiej i trafność jej doboru Wielkość konsumpcji elektryczności jest jednym z głównych mierników poziomu rozwoju społecznego. Z drugiej strony wytwarzanie elektryczności jest związane z zużywaniem ograniczonych zasobów nieodnawialnych bogactw naturalnych, w tym energii paliw pierwotnych. Ponadto technologie energetyczne, w szczególności te oparte na nieodnawialnej energii pierwotnej paliw kopalnych odpowiadają za odprowadzanie do otoczenia substancji szkodliwych oraz gazów cieplarnianych. Problemy oszczędnego gospodarowania nośnikami energii oraz ograniczanie oddziaływania na środowisko naturalne nabierają w ostatnim czasie coraz większej wagi. Jednym ze sposobów oszczędzania zasobów pierwotnej energii nieodnawialnej oraz ograniczania emisji substancji szkodliwych jest poprawa doskonałości termodynamicznej systemów energetycznych oraz wykorzystanie źródeł odnawialnych, w tym energii wiatrowej. Oszczędzanie energii i ograniczanie oddziaływania na środowisko wpisuje się w obszar tak zwanego zrównoważonego rozwoju, który jest wymieniany jako jeden z głównych celów polskiej polityki energetycznej. Recenzowana praca doktorska jest poświęcona analizie wpływu wykorzystania energetyki wiatrowej oraz bloków gazowoparowych na oszczędność energii pierwotnej oraz na zmniejszanie emisji substancji szkodliwych. W ramach pracy dokonano ponadto oceny efektów ekonomicznych. W szczególności Autor proponuje, a następnie bada trzy warianty systemu elektroenergetycznego dla obszaru powiatu grodzkiego Świnoujście. Z całą pewnością praca wpisuje się więc w obszar ważnych i aktualnych problemów dotyczących zrównoważonego rozwoju, a podjęcie tematu należy uznać za w pełni uzasadnione. 1
2. Ogólna charakterystyka pracy Na podstawie oceny istniejącej struktury zasilania w elektryczność powiatu grodzkiego Świnoujście uwzgledniającej: warunkowania geograficzno-demograficzne i przemysłowe, infrastrukturę elektroenergetyczną i analizę zużycia elektryczności oraz identyfikację istniejącego systemu gazowego Autor jednoznacznie formułuje główną tezę pracy, która brzmi: Wykorzystanie siłowni wiatrowych oraz elektrowni gazowo-parowych ma pozytywny wpływ na poziom emisyjności oraz efektywność energetyczną regionalnych systemów energetycznych, zasilanych do tej pory z konwencjonalnych siłowni węglowych poprzez ponadregionalne, publiczne sieci elektroenergetyczne. Autor konsekwentnie stara się dowieść postawionej tezy realizując badania opisane szczegółowo w rozdziałach 3 6. Rozdziały te, stanowiące trzon recenzowanej pracy doktorskiej, dotyczą odpowiednio: 1) Rozdział 3 Analizy potencjału wykorzystania energetyki wiatrowej i gazowej na obszarze powiatu grodzkiego Świnoujście, 2) Rozdział 4 Propozycji przyszłościowych wariantów zasilania elektrycznością powiatu grodzkiego Świnoujście, 3) Rozdział 5 Opracowania modeli dla systemowej analizy energetycznej, ekologicznej oraz ekonomicznej proponowanych wariantów systemu elektroenergetycznego, 4) Rozdział 6 Dyskusji wyników uzyskanych za pomocą zaproponowanych modeli matematycznych. Przyjęty plan badań nie budzi większych zastrzeżeń, a zastosowana metodyka oceny systemowej z uwzględnieniem tak zwanego pełnego cyklu istnienia jest uzasadniona z punktu widzenia postawionej tezy i założonych celów pracy. W ramach realizacji pracy doktorskiej dokonano szczegółowe identyfikacji istniejącego stanu zasilania elektrycznością powiatu grodzkiego Świnoujście. Identyfikacja ta obejmowała m.in. opis infrastruktury elektroenergetycznej i szczegółową analizę aktualnego poziomu zapotrzebowania na elektryczność oraz opis infrastruktury systemu gazo-energetycznego i szczegółową analizę aktualnego poziomu zużycia gazu ziemnego. Ponadto dokonano identyfikacji i analizy profili prędkości wiatru na analizowanym obszarze. W oparciu o wspomniany etap identyfikacji dokonano w dalszej kolejności oceny potencjalnych możliwości wykorzystania energetyki wiatrowej i gazowej na obszarze powiatu grodzkiego Świnoujście. Pozwoliło to w dalszej kolejności zaproponować trzy innowacyjne warianty zasilania analizowanego powiatu w elektryczność. W szczególności autor w miejsce istniejącego wariantu bazowego (wariant I) opartego wyłącznie na zasilaniu przez ponadregionalną sieć elektroenergetyczną proponuje następujące przyszłościowe rozwiązania: 1) wariant II zastosowanie energetyki wiatrowej współpracującej z istniejącym systemem zasilania, 2) wariant III zastosowanie elektrowni gazowo-parowej współpracującej z istniejącym systemem zasilania, 3) wariant IV zastosowanie energetyki wiatrowej oraz elektrowni gazowo-parowej współpracujących z istniejącym systemem zasilania. Dla multikryterialnej oceny proponowanych przyszłościowych rozwiązań systemu elektroenergetycznego na terenie powiatu grodzkiego Świnoujście Autor proponuje algorytm systemowej oceny energetycznej, ekologicznej oraz ekonomicznej uwzgledniającej tak zwany pełny cykl istnienia. Ocena energetyczna obejmuje analizę efektywności energetycznej oraz skumulowanego zużycia energii dla analizowanych wariantów. Ocena ekologiczna dotyczy skumulowanych emisji w pełnym cyku istnienia takich substancji szkodliwych jak: CO, SO 2, NO x oraz pyły. Ponadto w ramach 2
oceny ekologicznej uwzględniono emisje gazów cieplarnianych. W ramach oceny ekonomicznej wyznaczono roczne skumulowane koszty wytwarzania elektryczności dla rozpatrywanych wariantów. Uzyskane wyniki analizy multikryterialnej pozwoliły dokonać szczegółowej analizy porównawczej. Należy podkreślić, że na podstawie uzyskanych wyników Autor prezentuje w pracy bardzo szczegółową i interesującą dyskusję zawierającą szereg cennych wskazówek dla przyszłej polityki energetycznej rozpatrywanego regionu. Przeprowadzona ocena multikryterialna potwierdza tezę postawioną przez Autora w zakresie zasadności uzupełninia istniejącego systemu elektroenergetycznego technologiami opartymi o odnawialne źródła energii (farma wiatrowa) oraz zasadności zainstalowania elektrowni gazowo-parowej. Obydwie propozycje prowadzą do korzyści w zakresie efektywności energetycznej oraz w zakresie efektów ekologicznych, które Autor ilościowo określił w swojej pracy. Należy również dodać, że prezentowana praca stanowi zwartą prezentację podjętego tematu i jest napisana dobrym językiem technicznym. Zauważone w pracy usterki (zarówno o charakterze merytoryczny jak i redakcyjnym) oraz elementy dyskusyjne omówiono w kolejnym punkcie niniejszej recenzji. 3. Uwagi do pracy 3.1 Uwagi merytoryczne o charakterze krytycznym i dyskusyjnym 1. (Str. 8) Sformułowanie, iż nadrzędnym celem pracy opracowanie metodyki służącej energetyczno-ekologicznej ocenie energetyki na emisyjność i efektywność energetyczną nie jest w pełni adekwatne do zawartości pracy. W zakresie oceny LCA Autor wykorzystał bowiem gotowe dane wskaźnikowe zaczerpnięte z bazy [123]. Metodyka LCA jest obecnie powszechnie znaną techniką. Dane zostały wykorzystane w ramach własnego modelu wykorzystując powszechnie znane zasady sporządzania bilansów substancji i energii. Bardziej adekwatne byłoby stwierdzenie, iż celem pracy jest opracowanie algorytmów kompleksowej oceny energetyczno-ekologicznej. Opracowane algorytmy, oparte na powszechnie znanych metodach bez wątpliwości można uznać jako oryginalne osiągnięcie Autora pracy. 2. (Str. 18) Nie jest zrozumiałem na czym polega i na którym etapie jest dokonywane usuwanie z gazu ciekłego takich elementów jak dwutlenku węgla, azotu, helu i innych gazów? 3. (Str. 23, rysunki 3.2 3.13) Profile przedstawione na rysunkach ujmują wartości prędkości wiatru uśrednione dla poszczególnych dni. Przy analizowaniu odnawialnych źródeł energii (OZE), w szczególności elektrowni wiatrowych, istotne są wartości chwilowe. Gwałtowne wahania krótkoterminowe wymagają bowiem kompensowania bilansu mocy np. za pomocą źródeł konwencjonalnych. Może to prowadzić do strat w związku ze zmianą sprawności energetycznej przy zmianie obciążenia. Takie negatywne efekty powinny obciążać wytwarzanie elektryczności w OZE. W pracy nie doszukano się wyjaśnienia jak te efekty uwzględniono przy ocenie elektrowni wiatrowych. 4. (Str. 27) Stwierdzenie na podstawie danych z jednego roku (2006), że przebieg średnich godzinowych prędkości wiatru ma charakter sinusoidalny jest nieuzasadnione. Wspomniane uogólnienie powinno dotyczyć większej liczby lat. 5. (Str. 32, Tabela 3.2, Tabela 3.3.) Wątpliwości budzą obliczenia ilości wytworzonej elektryczności w elektrowniach wiatrowych dokonane dla średniej prędkości wiatru oraz dla czasu 8760 h/rok. Ponadto oprócz oszacowania ilości poszczególnych turbin wiatrowych ważne wydaje się również określenie wymaganej rezerwy mocy w źródłach konwencjonalnych wynikające z losowego charakteru dostępności energii wiatru. W pracy zabrakło szczegółowego odniesienia się do tego problemu. 6. (Str. 32) Autor zakłada, że można pominąć straty związane z przesyłaniem i transformacją energii. W warunkach polskich (zgodnie z danymi zawartymi w Polityce energetycznej do roku 2030) straty osiągają poziom 10%. Czym jest zatem uzasadnione założenie Autora skoro 3
w każdym z wariantów zakłada się współpracę z krajowym (ponadregionalnym) systemem elektroenergetycznym. 7. (Str. 37) Autor zalicza CO 2 do podstawowych substancji szkodliwych odprowadzanych do atmosfery. Na czym ta szkodliwość polega? Jak określić ją ilościowo? CO 2 należy zaliczyć raczej do grupy gazów cieplarnianych. Jego szkodliwość jednak do tej pory nie została jednoznacznie udowodniona. 8. (Str. 41) Autor zakładając sprawności energetyczne technologii węglowych i gazowych powołuje się na pozycję [123]. Rodzi się zatem wątpliwość jak to założenie koresponduje z warunkami polskimi. Autor w pracy odwołuje się do technologii gazowo-parowych. Założona sprawność na poziomie 0,3668 jest mocno zaniżona, biorąc pod uwagę, że obecnie technologie te osiągają sprawności energetyczne rzędu 60%. 9. (Str. 42) Założony wskaźnik skumulowanego zużycia energii pierwotnej dla elektrowni wiatrowej na poziomie 1,056 MWh/MWh wydaje się zawyżony. Technologie oparte na źródłach odnawialnych cechują się zwykle wskaźnikami mniejszymi od jedności. W przeciwnym wypadku oznacza to, że elektrownia wiatrowa zużywa więcej energii pierwotnej niż produkuje energii elektrycznej. 10. (Str. 46) W pracy nie zawarto szczegółowego algorytmu wyznaczania emisji jednostkowych w pełnym cyklu istnienia (LCA). Jeżeli korzystano z komercyjnych baz danych (Autor powołuje się na pozycję [123] z roku 1999), to rodzi się pytanie jak uwzględniono regionalną specyfikę dla analizowanego obszaru Polski? Autor odnosi się bowiem w analizie do powiatu grodzkiego Świnoujście. Dodatkowo rodzi się pytanie czy w obliczu dynamicznie zachodzących zmian w obszarze energetyki i ochrony środowiska wspomniane źródło danych można uznać za odpowiednie. 11. (Str. 53) We wstępie do analizy ekonomicznej (Rozdział 5.4 Bilans ekonomiczny ) Autor definiuje stosowane w analizie pojęcia i wyjaśnia, że stosowane wskaźniki to roczne koszty skumulowane uwzględniające cały cykl życia technologii. W ocenie efektywności ekonomicznej powszechnie stosuje się metody oparte o zasadę rachunku dyskonta takie jak: NPV, DPBT czy IRR. Metody te pozwalają uwzględnić wartość pieniądza w czasie. Szkoda, że Autor nie podaje szczegółów zastosowanej metodyki oceny ekonomicznej, a w szczególności zastosowanej metody przeliczania wartości pieniądza w czasie. Przeliczanie takie wydaje się konieczne skoro prezentowana analiza dotyczy pełnego cyklu życia (LCA). 12. (Str. 54) Założenie kosztu emisji CO 2 na poziomie 0,29 PLN/t CO 2 wynika z krajowych przepisów w zakresie ochrony środowiska. Jak w analizie uwzględniono znacznie wyższe koszty pozwoleń na emisję CO 2. Uwzględnienie ich może mieć znaczący wpływ na wyniki oceny ekonomicznej technologii energetycznych. 13. (Str. 63) Oceny energetycznej proponowanych wariantów struktury wytwarzania elektryczności dokonano stosując dwa kryteria: 1) energochłonności skumulowanej wytwarzania elektryczności, 2) średniorocznej sprawności energetycznej. O ile pierwsze kryterium nie budzi zastrzeżeń, to porównywanie sprawności energetycznej różnych technologii energetycznych jest mocno ograniczone. Szczególnie dotyczy to systemów składających się jednocześnie z technologii opartych o odnawialne i nieodnawialne źródła energii. Przykładowo, czy można wyciągnąć obiektywne wnioski porównując elektrownię węglową o sprawności 40% z ogniwem fotowoltaicznym o sprawności 15%? 3.2. Wybrane uwagi o charakterze redakcyjnym 1. Tytuł pracy sugeruje, że obejmuje ona wyłącznie analizę efektów energetycznych oraz ekologicznych. Nie oddaje on zatem w pełni zawartości pracy, gdyż zawiera ona dodatkowo dość obszerny fragment dotyczący oceny efektów ekonomicznych. 4
2. Nie jest zrozumiałe dlaczego w pracy doktorskiej przygotowanej w języku polskim Autor dodaje własne tłumaczenia na język niemiecki polskich publikacji, np. [94], [117], [118] czy [119]. 3. Autor stosuje niefortunnie w pracy pojęcia emisyjność dla określenia wielkości emisji substancji szkodliwych. Emisyjność to pojęcie z zakresu wymiany ciepła charakteryzujące zdolność danego ciała do oddawania ciepła na drodze promieniowania. Dla odprowadzania substancji szkodliwych powinno stosować się terminy emisje substancji szkodliwych, wielkość emisji substancji szkodliwych. 4. (Str. 22) Tytuł sugeruje, że rozdział dotyczy zarówno energetyki wiatrowej jak i opartej na gazie ziemnym. W rozdziale nie zawarto żadnych informacji na temat drugiej z wymienionych technologii energetycznych. 5. (Str. 37) Stwierdzenie wymagania I zasady termodynamiki w myśl bilansu energii sugeruje, że I ZT wynika z bilansu energii. Faktycznie jest na odwrót to bilans energii wynika z I ZT. 6. (Str. 37) jaką sprawność ma na myśli Autor odwołując się do drugiej zasady termodynamiki. 7. (Str. 37) nie jest jasne do jakiej zasady substytucji odnosi się Autor. 8. (Str. 37) styl odwołania [ENEA] nie koresponduje ze stylem stosowanym w pozostałych fragmentach pracy. 9. (Str. 40) Autor stosuje niefortunne sformułowanie iloraz iloczynu. 10. (Str. 46/47) Autor niepotrzebnie powtarza dla każdego z wariantów zasilania powiatu w elektryczność w zasadzie te same formuły obliczeniowe, np. zestaw wzorów (5.28 5.32) i (5.38 5.42). 11. (Str. 82) W pierwszym wniosku Autor podkreśla ważność zastosowania drugiej zasady termodynamiki mimo, że nigdzie w pracy nie była ona stosowana. 4. Wniosek końcowy Podsumowując, należy stwierdzić, że prezentowana praca stanowi zwartą i szczegółową prezentację kompleksowej multikryterialnej oceny lokalnych systemów energetycznych opartych o nieodnawialne i odnawialne źródła energii. Jednocześnie swym zakresem praca wpisuje się w ważny obszar zagadnień oszczędzania bogactw nieodnawialnych i zrównoważonego rozwoju. Biorąc pod uwagę niezbyt duże w warunkach krajowych rozpowszechnienie prac badawczych dotyczących modelowania i oceny regionalnych systemów energetycznych można stwierdzić, że stanowi ona cenny wkład w rozwój metod oceny systemowej lokalnej polityki energetycznej np. na obszarze gminy. Autor osiągnął zamierzony cel, a postawioną tezę potwierdził w sposób ilościowy w oparciu u uzyskane rezultaty. Pragnę zatem stwierdzić, że mimo wypunktowanych uchybień o charakterze merytorycznym i redakcyjnym pracę oceniam pozytywnie. Jestem przekonany z całą pewnością, że oceniona praca spełnia wymagania stawiane pracom doktorskim. Wnoszę o dopuszczenie Pana mgr inż. Grzegorza Kośnikowskiego do publicznej obrony pracy doktorskiej. Dr hab. inż. Wojciech Stanek, Prof. nzw. w Pol. Śl. Instytut Techniki Cieplnej Politechnika Śląska 5