HYBRYDOWY WYSPOWY SYSTEM ENERGETYCZNY

HYBRYDOWY WYSPOWY SYSTEM ENERGETYCZNY
Autorzy: Jacek Malko, Henryk Wojciechowski - Instytut Energoelektryki Politechniki
Wrocławskiej
(„Instal” – 10/2010)
Wprowadzenie
W majowym tegorocznym numerze ważnego czasopisma Korporacji PennWell (Power
Engineering Int.) ukazał się interesujący artykuł*) na temat zrealizowanej na jednej z wysp
Karaibów koncepcji hybrydowego źródła, składającego się z farmy wiatrowej o mocy
zainstalowanej 11 MW : o rocznej produkcji energii elektrycznej 35 000 MWh, zespołu
prądnica-silnik wysokoprężny o mocy 14 MW i rocznej produkcji 40 000 MWh, baterii
elektrochemicznych dla zapewnienia jakości energii i stabilności sieci na poziomie wahań
mocy 3 MW, dwóch zespołów zasilania awaryjnego o mocy 3 MW oraz systemu zarządzania
obciążeniem (EMS) (rys. 1). Zapotrzebowanie na energie elektryczna przez odbiorców w
okresie roku wynosi 75000 MWh i jest pokrywane przez „zielone” źródła : wiatr i paliwa
biodieslowskie.
Rys. 1.Wyspa Bonaire
*) H. Johnstone : Bonaire : Island of Green
dreams
Lokalizacja
Rewolucje często wydarzają się w miejscach najmniej przewidywalnych – tak rozpoczyna się
tekst PEI. Uwaga ta z pewnością dotyczy malej wysepki na Karaibach Bonaire, na której
dokonał się rewolucyjny proces przekształcenia infrastruktury energetycznej od pełnego
uzależnienia od paliw kopalnych do wyłącznego wykorzystania zasobów odnawialnych dla
pełnego pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną. Wyspa Bonaire (rys.1) wchodzi w
skład archipelagu Antyli Holenderskich, ma obszar 250 km2, leży w odległości ok. 80 km na
północ od wybrzeża Wenezueli. W przeszłości utrzymanie mieszkańcom zapewniały
plantacje roślin tropikalnych i pozyskiwanie soli; dziś wyspa gości rocznie ok. 100 tysięcy
turystów, a główną atrakcją jest nurkowanie w bogatym biologicznie środowisku raf
koralowych. Przy przybliżonej liczbie 14,5 tysiąca mieszkańców szczytowe zapotrzebowanie
mocy elektrycznej wynosi ok. 12 MW, a zapotrzebowanie energii – ok. 75 000 MWh/ rok. Na
bieżąco zapotrzebowanie to jest pokrywane przez dzierżawiony od firmy Aggreco
kontenerowy agregat spalinowo-elektryczny, zasilający odbiorców poprzez sieć lokalną.
Rozwiązanie to jest jednak traktowane jako doraźne, zastosowane po zniszczeniu przez pożar
w 2004 roku jedynej elektrowni na wyspie, a rząd podjął decyzję o odbudowie źródła
zasilania w oparciu o zasoby odnawialne. Ogłoszony przez władze wyspy konkurs ofert
wygrało konsorcjum EcoPower Bonaire BV, proponując rozwiązanie oparte na farmie
wiatrowej (12 elektrowni wiatrowych Enercon pokrywających (40 – 45) % zapotrzebowania
na energię elektryczną)) oraz 5 agregatach, wyposażonych w silniki wysokoprężne MAN,
pokrywających (55 – 60 ) % potrzeb energetycznych wyspy. Agregaty zasilane są biopaliwem
dieslowskim, wytwarzanym z morskich wodorostów. Jest to dziś największy projekt, oparty
na technologii hybrydowej.
Konsorcjum podpisało w listopadzie 2007 roku kontrakt z partnerem projektu – spółką
pozostającą pod kontrolą lokalnego rządu – Water & Energy Company of Bonaire (WEB).
Podpisano również kontrakt na zakup (na prawach wyłączności) wytwarzanej energii przez
konsorcjum dystrybucyjne.
Partnerzy konsorcyjni
Konsorcjum EcoPower Bonaire jest spółką o mieszanym kapitale holendersko-niemieckim.
Projekt zarządzany jest przez firmę Econcern z Holandii, będącą głównym akcjonariuszem
(90 % udziałów) i odpowiedzialną za projektowanie, kontrakting, finansowanie i eksploatację
obiektu. Innymi uczestnikami konsorcjum są : dostawcy turbin wiatrowych i systemów
generacyjnych, firma Enercon z Niemiec (udział 5 %) oraz niemiecki wytwórca silników
MAN Diesel & Turbo (również z udziałem 5 %).
Projekt Bonaire jest obecnie zarzadzany przez administratorow Econcern/Evelop, a
eksploatację na zasadach komercyjnych rozpoczęto w maju br. A wraz z rozpoczęciem
eksploatacji zaoferowano projekt do sprzedaży.
Projekt finansowany był przez holenderski Robobank, struktura finansowania zakładała 20 %
udziału własnego inwestora i 80 % kredytu bankowego. Koszt budowy nowego systemu
wiatrowo/spalinowego ocenia się na (55 – 60) mln USD przy oczekiwanym zwrocie ok. 15
mln USD/rok. Oczekuje się również , że nowa elektrownia „niskoweglowa” może
uczestniczyć w międzynarodowym obrocie zezwoleniami na emisję CO2.
Realizacja projektu
Projekt zrealizowany był w dwoch wyróżnionych etapach. Podstawowym celemm pierwszego
z nich było uzyskanie przez EcoPower Bonaire doświadczenia eksploatacyjnego z
wykorzystaniem energii wiatrowej na wyspie oraz z działaniami, zmierzającymi do
ograniczenia kosztów wytwarzania energii elektrycznej. Mieszkańcy wyspy ponosili
stosunkowo wysokie koszty energii z uwagi na konieczność sprowadzania paliwa
dieslowskiego przy znacznych opłatach za transport. W 2007 roku zainstalowano pierwszą
turbinę wiatrową E – 33 o mocy 300 kW na południowo – wschodnim wybrzeżu wyspy,
zastępując w tej lokalizacji przestarzałą jednostkę wiatrową, nieczynną od 1996 roku.
Wybrana lokalizacja cechuje się wyjątkowo stabilnymi warunkami wiatrowymi i średnią
prędkością wiatru ponad 9 m/s. Istniejąca sieć elektroenergetyczna ma dostateczną
obciążalność dla współpracy z turbiną średniej mocy.
Druga faza projektu obejmowała wybudowanie samej hybrydowej elektrowni
wiatrowo/spalinowej, składającej się z farmy wiatrowej o mocy 11 MW, wspomaganej przez
agregat dieslowski o mocy 14 MW oraz system magazynowania energii o możliwości
generacji mocy 3 MW. Podstawową rolę tego systemu magazynowania (dostarczonego przez
francuską firmę Saft) jest utrzymywanie parametrów jakościowych zasilania oraz
zapewnienie bezprzerwowości zasilania w sytuacjach krytycznych w rodzaju nagłego
przyrostu zapotrzebowania mocy, awarii jednej turbiny wiatrowej lub agregatu spalinowego.
Zapobiega to rozwinięciu się zakłóceń w systemie elektroenergetycznym wyspy do awarii
katastrofalnej („black – out”). System baterii elektrochemicznych jest zdolny dostarczać 3
MW mocy przez minimum 2 minuty, co jest okresem wystarczającym dla uruchomienia i
zsynchronizowania innego agregatu dieslowskiego.
Hybrydowa technologia wiatrowo - spalinowa
Farma wiatrowa zlokalizowana jest na północno-wschodnim wybrzeżu i składa sięz 12 turbin
E – 44 o mocach po 900 kW, cechujących się wysoką sprawnością i rocznym czasem
użytkowania mocy zainstalowanej w granicach (3000 – 3500) godzin. Elektrownie wiatrowe
firmy Enercon są typowym produktem na komercyjnym rynku turbin wiatrowych średniej
mocy i cechuje się zaawansowaną technicznie konstrukcją wirnika o średnicy 44 m (rys.2).
Uwarunkowania transportowe i względy eksploatacyjne zadecydowały o wyborze dla farmy
turbin o mocy poniżej 1 MW, dla której wszystkie zabiegi instalacyjne i eksploatacyjne mogą
być przeprowadzone przy użyciu dźwigu o nośności 500 Mg. W idealnych warunkach
wiatrowych farma zdolna jest pokryć pełne zapotrzebowanie odbiorców na wyspie.
Rys. 2. Turbina wiatrowa E – 44
Elektrownia z agregatami spalinowymi jest zlokalizowana w pobliżu terminalu naftowego
BOPEC na północnozachodnim wybrzeżu w odległości ok. 10 km od farmy wiatrowej.
Elektrownia składa się z 5 agregatów z silnikiem wysokoprężnym MAN typu 9L27/38
zapewniających moc wyjściową 2,8 MW każdy. Zespoły spalinowe mają krótkie czasy
rozruchu i szybko mogą wejść do pracy w systemie elektroenergetycznym (rys.3).
Rys.3. Agregat spalinowy MAN – 9L27/38
Liczba i moc agregatów dieslowskich wynikają z badań i symulacji obciążenia. Elektrownia
zdolna jest pracy w szerokim zakresie mocy od 0 do pełnego obciążenia 14 MW, zapewniając
zrównoważenie bilansu mocy o wartości chwilowe, których nie może dostarczyć farma
wiatrowa.
Dla zapewnienia ciągłej pracy agregatów dieslowskich zawsze przy największej sprawności
w przedziale od 70 do 100 % obciążenia każdego silnika korzystniejsze okazało się
zainstalowanie większej liczby jednostek o mniejszej mocy niż mniejszej liczby jednostek o
mocy większej
Początkowo jednostki spalinowe pracowały na konwencjonalnym paliwie dieslowskim
(ciężki olej HFO), ale istotną częścią projektu było dostosowanie do zasilania biopaliwem
wysokoprężnym wytwarzanym z alg. Obecnie agregaty są przystosowane zarówno da
zasilania typowym olejem napędowym jak i biopaliwem wysokoprężnym (biodiesel)(rys.2).
Wyspa Bonaire obfituje w liczne sadzawki do odparowania wody morskiej dla produkcji soli,
które można wykorzystać dla produkcji alg. Proces dostosowania do pokrycia potrzeb
paliwowych elektrowni musi jednak potrwać od trzech do pięciu lat, poświeconych na prace
badawczo-wdrożeniowe dla zbudowania instalacji produkującej biopaliwo. Ocenia się, że dla
pełnego wykorzystania elektrowni spalinowej konieczna będzie roczna produkcja biodiesla
rzędu 10 000 Mg. Firma Enercon odpowiedzialna jest również za system zarządzania
obciążeniem (EMS). Powstaje komercyjny rynek zaawansowanych technologii wiatrowych,
odsalających i spalania biopaliwa. Oprócz zastosowanych już rozwiązań możliwe jest
zintegrowanie w systemie systemów magazynowania bezwładnościowego („koła
zamachowe”), kontenerowych baterii elektrochemicznych i tak zwanych „ zespołów black –
strat”. To ostatnie urządzenie jest niezbędne dla stworzenia eksploatacyjnych warunków dla
systemu wyspowego( tu w podwójnym tego słowa znaczeniu) w fazie rozruchu.
Zgodnie z opinią firmy Enercon w takim systemie możliwe jest uzyskanie 90 % penetracji
energetyki wiatrowej. Demonstracyjny system oparty na turbinie wiatrowej E – 40 o mocy
600 kW oraz zespole produkcji i magazynowania wodoru, dostarczonych przez firmę Hydro(
dawniej Norsk Hydro) uruchomiono w 2004 roku na norweskiej wysepce Utsira. Inną
instalacją testowa i demonstracyjną wiatrowo – spalinową jest zestaw oparty na turbinie
wiatrowej 330 kW, zlokalizowany w pobliżu centrali firmy Enercon w Aurich (Niemcy).
Większy zespół wiatrowo – spalinowy ulokowano w 2007 roku na archipelagu Falklandy _
Malwiny.
Aktualnie działający projekt Bonaire nie wykorzystuje jeszcze technologii magazynowania
bezwładnościowego; stąd też zakładana penetracja technologii wiatrowych jest ograniczona
do (40 – 45) %.
Korzyści
Zbudowanie i oddanie do eksploatacji nowego systemu zasilania w energię elektryczną
(rys.4) wyspy Bonaire pozwala oczekiwać, iż mieszkańcy ograniczą wydatki z tego tytułu o
(10 – 12) %. Co więcej, ustanie stopniowo zależność wyspy od wysoce zmiennych i stale
rosnących kosztów ropy naftowej, zaś zwiększona zostanie pewność zasilania.
Rys. 4. Hybrydowy energetyczny system wiatrowo - spalinowy
Na koniec : neutralna pod względem emisja produkcja energii elektrycznej pozwoli na
zmniejszenie o 70 000 Mg wytwarzania gazów cieplarnianych. Rozwiniecie kompleksu :
hodowla alg, przetwarzanie na biopaliwo, generacja energii elektrycznej z wiatru będzie
miało istotne znaczenie dla powstania nowych miejsc pracy.
Wyjątkowość projektu Bonaire polega na tym, iż jest to pożyteczne stanowisko
doświadczalne dla warunków wysokiej penetracji energetyki wiatrowej w systemie
elektroenergetycznym w sytuacji, gdy stanowi to coraz istotniejszy problem dla
elektroenergetyki światowej.
Karaiby a sprawa polska
Problemy, które ujawniły się na dalekiej tropikalnej wyspie nie są jednak egzotyką w Polsce,
a podwyższona ostatnio temperatura dyskusji o przyszłości energetyki w aspekcie między
innymi technologii wiatrowych i szerzej OZE może też czerpać inspiracje z miejsc tak
odległych. Realność zbudowania systemu wyspowego ( w geograficznym i elektrycznym
znaczeniu), opartego na hybrydzie : wiatr – biomasa – biopaliwo – magazynowanie energii
może być atrakcyjna w warunkach polskich, ale po sprawdzeniu adekwatności promowanych
rozwiązań. Nawoływania do uczynienia z elektroenergetyki zerowej ( lub niemal zerowej)
emisji CO2 nie mogą powoływać się na „case studies”w rodzaju Bonaire. Nie można u nas
liczyć na tak efektywną penetrację energetyki wiatrowej, a i produkcja biopaliwa ma swoje
wyraźne ograniczenia.