FOLIA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE STETINENSIS Marcin

FOLIA UNIVERSITATIS AGRICULTURAE STETINENSIS
Folia Univ. Agric. Stetin. 2007, Oeconomica 256 (48), 61–70
Marcin BUKOWSKI
EFEKTYWNOŚĆ EKONOMICZNA PRODUKCJI ENERGII ELEKTRYCZNEJ
W MAŁYCH ELEKTROWNIACH WODNYCH. STUDIUM PRZYPADKU
ECONOMIC EFFICIENCY OF PRODUCTION ELECTRIC POWER
IN THE SMALL-SCALE HYDROPOWER STATIONS. STUDY OF CASE
Katedra Ekonomiki Rolnictwa i Międzynarodowych Stosunków Gospodarczych, Szkoła Główna
Gospodarstwa Wiejskiego
ul. Nowoursynowska 166, 02-787 Warszawa, e-mail: [email protected]
Abstract. Promotion of renewable source of energy is one of main purpose of energy politics
of UE. Article presents analysis of economic efficiency of production electric power in the smallscale hydropower stations on base of comparison annual costs and annual increments from
sale of energy at variable hydrological conditions and technical parameters of analyzed objects.
Słowa kluczowe: efektywność ekonomiczna, elektrownia wodna, odnawialne źródła energii.
Key words: economic efficiency, hydropower station, renewable sources of energy.
WSTĘP
Odpowiednie wykorzystanie energii ze źródeł odnawialnych, tj. energii rzek, wiatru promieniowania słonecznego, geotermalnej lub biomasy, jest jednym z głównych komponentów
zrównoważonego rozwoju, przynoszącym wymierne efekty ekologiczno-ekonomiczne. Wzrost
znaczenia odnawialnych źródeł energii (OZE) w bilansie paliwowo-energetycznym świata
przyczynia się do poprawy efektywności wykorzystania i oszczędzania zasobów surowców
energetycznych, poprawy stanu środowiska poprzez redukcję emisji zanieczyszczeń do atmosfery i wód oraz redukcję ilości wytwarzanych odpadów. W związku z tym wspieranie rozwoju tych źródeł staje się jednym z głównych zadań, które muszą zostać uwzględnione
w polityce energetycznej kraju.
Szansą na rozwój energetyki odnawialnej jest Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady
o promocji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na wewnętrznym rynku energii (2001).
Dyrektywa ta dla krajów UE-25 określa ilość zużycia energii elektrycznej brutto, wytwarzanej
w źródłach odnawialnych, na 21% całkowitego zużycia energii elektrycznej w 2010 r. Wyznaczony dla Polski cel ilościowy, określony w traktacie akcesyjnym, wynosi 7,5%. Cel ten, zgodnie z przyjętymi założeniami, ma być zrealizowany poprzez coroczny wzrost ilości produkowanej energii z OZE, aż do osiągnięcia w 2010 r. pułapu określonego w Dyrektywie (rys. 1).
Mimo realizacji nowych inwestycji w zakresie produkcji energii odnawialnej, prowadzących do wzrostu mocy zainstalowanej, udział energii elektrycznej pochodzącej z odnawialnych zasobów jest mniejszy od zakładanego. Spowodowane jest to stale rosnącym zużyciem energii elektrycznej brutto – z 138 810 GWh w 2001 r. do 144 831GWh w 2004 r., czyli
o 4,3% (Obwieszczenie Ministra Gospodarki 2006). Wypełnienie międzynarodowego zobowiązania wymagać będzie więc większego wsparcia ze strony państwa – zarówno prawnego, jak i ekonomicznego.
62
M. Bukowski
Energia elektryczna wytworzona
w OZE [%]
8
7
ilość zakładana
ilość wyprodukowana
6
5
4
3
2
1
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010
Rok
Rys. 1. Udział energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w całkowitej ilości energii elektrycznej wyprodukowanej w latach 2001–2010
Źródło: opracowanie własne na podstawie: Obwieszczenie Ministra Gospodarki (2006).
Podstawowym aktem prawnym, regulującym rynek energii w Polsce, jest Ustawa z dnia
10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne (1997). Zawiera on m.in. regulacje mające na celu
promowanie i wspieranie wytwarzania energii elektrycznej w odnawialnych i skojarzonych
źródłach energii. Specyfiką tej promocji jest to, że oparto ją nie na systemie przyznawania
przez państwo ulg i zachęt, a na ustawowym nałożeniu na zakłady energetyczne obowiązku zakupu (lub wytworzenia) energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych. Aby
wypełnić ustawowy obowiązek, elektrownie konwencjonalne muszą nabyć lub wytworzyć
energię ze źródeł odnawialnych w ilości wynikającej z procentów przedstawionych na rys.1.
Potwierdzeniem wypełnienia tego obowiązku jest zakup przez elektrownię praw majątkowych do świadectw pochodzenia.
Świadectwa pochodzenia są potwierdzeniem wytworzenia określonej ilości energii elektrycznej w odnawialnym źródle energii. Są one zapisywane na koncie ewidencyjnym wytwórcy w rejestrze świadectw prowadzonym przez Towarową Giełdę Energii (TGE). Z chwilą zapisania świadectwa na koncie powstaje prawo majątkowe, wynikające z tego świadectwa, które jest zbywalne. Obrót prawami majątkowymi do świadectwa pochodzenia odbywa
się na rynku giełdowym w trakcie trwania sesji oraz poza nią w formie transakcji pozasesyjnych. Wszystkie transakcje, dokonywane zarówno w czasie sesji, jak i poza nią,
są odnotowywane przez TGE. Na rysunku 2 przedstawiono średnie miesięczne ceny praw
majątkowych w transakcjach sesyjnych i pozasesyjnych, notowanych przez TGE w 2006 r.
Najważniejszą konsekwencją takiego systemu jest rozdzielenie przychodów ze sprzedaży energii wyprodukowanej w źródłach odnawialnych na dwa strumienie:
– przychody ze sprzedaży energii elektrycznej fizycznej, które zapewniają bezpośrednie, gwarantowane dochody producenta energii ze źródeł odnawialnych. Gwarancja ta wynika z ustawowego
obowiązku zakupu przez elektrownie konwencjonalne energii z alternatywnych źródeł;
Efektywność ekonomiczna produkcji energii...
63
– przychody ze sprzedaży praw majątkowych wynikających ze świadectw pochodzenia
wytwórca otrzymuje płatność z chwilą nabycia przez elektrownię konwencjonalną praw
majątkowych wynikających ze świadectw pochodzenia.
transakcje pozasesyjne
transakcje sesyjne
opłata zastępcza
280
-1
Średnia ważona cena [zł·MWh ]
260
240
220
200
180
160
140
1
3
5
7
9
Miesiąc
Rys. 2. Średnia ważona cena praw majątkowych w transakcjach sesyjnych i pozasesyjnych, notowana w 2006 r.
Źródło: opracowanie własne na podstawie: Ceny praw majątkowych (2006).
W momencie nabycia prawa majątkowego przez przedsiębiorstwo energetyczne świadectwo pochodzenia jest umarzane. Posiadaczem praw majątkowych, wynikających
z świadectw pochodzenia, może stać się każdy podmiot uczestniczący w TGE, bez konieczności nabycia energii elektrycznej, której potwierdzeniem wytworzenia było świadectwo pochodzenia (fizyczna energia elektryczna i prawo majątkowe, wynikające ze świadectwa będącego
potwierdzeniem jej wytworzenia, mogą być nabywane przez dwa różne podmioty).
Przedsiębiorstwa, którzy nie zakupią wymaganej ilości energii ze źródeł alternatywnych
są ustawowo zobowiązane do uiszczenia do końca marca następnego roku opłaty zastępczej, odpowiedniej do brakującej im ilości energii, na którą opiewają posiadane świadectwa. Opłata zastępcza stanowi dochód Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Opłatę tę oblicza się na podstawie wzoru, w którym jednostkową opłatę
zastępczą, ustaloną w wysokości 240 zł za 1 MWh w roku 2006 (w latach następnych będzie ona aktualizowana w oparciu o wskaźnik wzrostu cen towarów i usług konsumpcyj-
64
M. Bukowski
nych za rok poprzedni), mnoży się przez ilość brakujących danemu przedsiębiorcy świadectw pochodzenia. Opłata zastępcza jest z założenia wyższa niż cena rynkowa świadectwa pochodzenia i można ją traktować jako maksymalną cenę, jaką mogą one osiągnąć.
MATERIAŁ I METODY
Przeprowadzono analizę nakładów inwestycyjnych, kosztów całkowitych i uzyskiwanych
przychodów na przykładzie 7 elektrowni wodnych zlokalizowanych w środkowopółnocnej
części Polski. Wszystkie analizowane obiekty położone są w zlewni tej samej rzeki i należą
do jednego właściciela, którym jest spółka z o.o. Parametry techniczne analizowanych obiektów zostały zamieszczone w tab.1. Wynika z nich, że 5 opisywanych elektrowni można zaliczyć do małych elektrowni wodnych (o mocy zainstalowanej poniżej 5MW); jedynie moc elektrowni III nieznacznie przekracza tę warość. Elektrownie I i VII to elektrownie przepływowe,
natomiast pozostałe to elektrownie kaskadowe.
Tabela 1. Parametry techniczne analizowanych obiektów
Parametr
Elektrownia
Jednostka
I
Moc zainstalowana
Średni spad
Średni przepływ
Najniższy przepływ
kW
540
m
6669
2410
872
VI
781
VII
250
13,90
4,50
4,21
4,25
3,30
5,40
5,50
5,80
5,40
5,50
6,20
1,39
2,36
2,42
1,97
2,03
0,50
1,30
7,40
12,07
12,43
13,49 12,610
36,85
12,98
m s
3. –1
MWh
V
44,80
3. –1
Produkcja roczna energii
IV
13,80
m s
m s
2294
III
12,20
3. –1
Najwyższy przepływ
II
2180
3980
15000
5000
1570
1340
1370
Podstawowymi parametrami, decydującymi o ilości produkowanej energii elektrycznej,
są: ilość przepływającej wody (określana przez przepływ Q [m3.s–1]) oraz różnica poziomów
pomiędzy stanowiskami górnym i dolnym (określana przez spad h [m]). Przy zmiennych
w czasie parametrach ilość wyprodukowanej energii E może zostać obliczona z następującej zależności:
(1)
E = ρ ⋅ g ⋅ Qi ⋅ hi ⋅ Δt i
∑
i
gdzie:
ρ – gęstość wody [kg.m–3],
g – przyspieszenie ziemskie [m.s–2],
Δt – odcinek czasu [s],
i – indeks określający numer odcinka czasu, w którym wystąpił przepływ Q przy spadzie h.
Analizę przeprowadzono dla danych pochodzących z okresu od V 2003 r. (data powstania
spółki) do VII 2006 r. Podstawą dla przeprowadzonych badań były informacje, dotyczące:
– miesięcznych wielkości: przepływów, ilości produkowanej energii, ilości energii zużywanej na potrzeby własne, czasu pracy;
– rocznych kosztów całkowitych i przychodów uzyskiwanych ze sprzedaży energii.
Efektywność ekonomiczna produkcji energii...
65
WYNIKI I DYSKUSJA
Na podstawie przeprowadzonej analizy ustalono, że w przypadku badanych elektrowni
istnieje zależność pomiędzy wielkością zainstalowanej mocy a wartością przychodów uzyskiwanych ze sprzedaży energii (rys. 3). Ze względu na zmiany w sposobie rozliczania się,
pomiędzy producentem energii ze źródeł odnawialnych a jej odbiorcą, jakie nastąpiły
od 2006 r. (wprowadzenie opisanego wyżej mechanizmu praw majątkowych), w analizie
wykorzystano średnią roczną wartość przychodów z lat 2004 i 2005. W okresie tym
przedsiębiorstwo za 1 kWh sprzedanej energii uzyskiwało cenę równą 0,23 zł. Po zmianie sposobu rozliczania podpisano nową umowę z odbiorcą energii, zgodnie z którą
przedsiębiorstwo za każdą 1 kWh otrzymuje 0,12 zł jako przychód ze sprzedaży energii
elektrycznej fizycznej i 0,20 zł jako przychód ze sprzedaży praw majątkowych. Cena
świadectwa pochodzenia, będącego potwierdzeniem wyprodukowania 1 kWh, jest w analizowanym przypadku stała i niezależna od notowań giełdowych. Taka praktyka jest dosyć często spotykana, gdyż gwarantuje producentowi stałe (niezależne od kursu giełdowego) źródło przychodu oraz gwarancje szybkiego umorzenia takiego świadectwa.
Dla analizowanego okresu zaobserwowano zależność pomiędzy przychodami elektrowni
a zainstalowaną mocą, która może być opisana funkcją:
P = 0,61M − 206,8
(2)
gdzie:
P – średnia roczna wartość przychodów uzyskiwanych ze sprzedaży energii elektrycznej (poziom cen z 2005 r.) [tys. zł·rok–1].
Współczynnik korelacji liniowej dla tej funkcji R=0,997.
Jak wynika z analizy rys. 3, minimalna moc zainstalowana, przy której elektrownia kaskadowa uzyskuje przychody, wynosi około 330 kW. Przy mniejszej mocy ilość energii zużywana na potrzeby własne jest większa od ilości energii wyprodukowanej, dlatego wartość
przychodów jest ujemna.
Wartość uzyskiwanych przychodów jest zależna także od ilości przepływającej wody
oraz spadu, co przedstawia rys. 4. W tym wypadku brano pod uwagę przychody z lat
2004–2005 i przychody z roku 2006 sprowadzone do ceny, jaką uzyskiwano za 1 kWh
we wcześniejszych latach. Z rysunku 4 wynika, że na zmianę przychodów, w zależności od ilości
przepływającej wody, istotny wpływ ma wysokość spadu. Przy małych spadach obserwuje się
niewielki wzrost przychodów, nawet przy znacznej zmianie Q. Natomiast w przypadku znacznych
spadków nawet niewielka zmiana Q powoduje znaczny wzrost przychodów.
W kolejnym kroku dokonano analizy związku wielkości mocy zainstalowanej z wielkością
przeciętnych rocznych kosztów całkowitych (średnie koszty całkowite z lat 2004–2006). W tym
wypadku uzyskano zależność, dla której współczynnik korelacji liniowej R=0,733 (rys. 5).·
Brak silnej zależności może wynikać ze zbyt krótkiego okresu, z którego pochodziły dane. Analiza struktury kosztów całkowitych wskazuje na to, że istotną pozycją, mającą
66
M. Bukowski
wpływ na wysokość kosztów całkowitych, są koszty remontów i konserwacji. W omawianym czasie prace konserwatorskie były przeprowadzane z różną intensywnością na różnych obiektach, stąd też może wynikać brak silnej zależności pomiędzy kosztami całkowi-
Przychody ze sprzedaży energii
–1
[tys. zł·rok ]
tymi a wielkością mocy zainstalowanej.
4 500
4 000
3 500
3 000
2 500
2 000
1 500
1 000
500
0
-500
P = 0,62 M − 206,8
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Moc zainstalowana [kW]
Rys. 3. Zależność pomiędzy wartością uzyskiwanych przychodów ze sprzedaży energii a wielkością
zainstalowanej mocy
Wielkość spadu h [m]
Wielkość spadu h [m]
Przychody ze sprzedaży energii
–1
[tys. zł·rok ]
2 000
1 750
12,2
13,8
13,9
1 500
4,25
4,5
44,8
1 250
1 000
750
500
250
0
0
40
80
120
160
200
3.
240
–1
Przepływ całkowity [m rok ]
Rys. 4. Zależność pomiędzy wartością uzyskiwanych przychodów ze sprzedaży energii a ilością
przepływającej wody i spadem
Podobnie jak w przypadku przychodów, wielkość kosztów całkowitych zależy również
od ilości przepływającej wody oraz od średniego spadu (rys.6). W tym przypadku zaobserwować można odmienny kształt krzywej dla elektrowni o małym spadku (obiekty V, VI i VII,
dla których h=4,2–4,5 m) i dla elektrowni o większych spadkach (pozostałe obiekty, dla których h>12 m). W przypadku mniejszych obiektów wpływ zmiany wielkości przepływu
Efektywność ekonomiczna produkcji energii...
67
na wysokość kosztów całkowitych jest niewielki. Natomiast w przypadku elektrowni o większych
spadach zaobserwować można, że wraz ze wzrostem ilości przepływającej wody następuje
Przeciętne roczne koszty całkowite
–1
[tys. zł·rok ]
istotny wzrost kosztów całkowitych. Zależność ta opisywana jest przez krzywą wykładniczą.
1 000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Moc zainstalowana [kW]
Rys. 5. Zależność pomiędzy wielkością przeciętnych rocznych kosztów całkowitych a wielkością
zainstalowanej mocy
Roczne koszty całkowite
–1
tys. zł·rok ]
1 200
h<5 m
1 000
h>12 m
800
Kc = 166,6 ⋅1,008Qc
600
Kc = 87,1⋅1,006Qc
400
200
0
0
40
80
120
160
200
240
3
–3
–1
Przepływcałkowity
całkowity[m
[m rok
Przepływ
·rok–1] ]
Rys. 6. Zależność pomiędzy wielkością rocznych kosztów całkowitych a ilością przepływającej wody
i spadem
Analiza mikroekonomiczna wskazuje na to, że badane obiekty charakteryzują się
względnie wysoką efektywnością ekonomiczną. Wskaźnik pokrycia kosztów całkowitych
przez uzyskiwane przychody wahał się w przedziale 1,15–1,95. Wraz ze wzrostem zainstalowanej mocy wskaźnik ten rósł i dla największego obiektu (III o mocy 6,7MW) wynosił on
od 3,3 w 2003 r. do 6,0 w pierwszym półroczu 2006 r. W krótszych odcinkach czasu wartość wskaźnika może być mniejsza od 1 (np. 0,9 w 2005 r. w przypadku obiektu I i 0,5
w 2003 r. w przypadku obiektu VII), co wynika z konieczności przeprowadzenia okresowych remontów bądź konserwacji. W takim przypadku koszty całkowite w danym okresie
mogą być wyższe od uzyskiwanych przychodów.
68
M. Bukowski
W celu obliczenia korzyści społecznych oszacowano przykładową teoretyczną redukcję
zanieczyszczeń, wynikającą z zastąpienia elektrowni konwencjonalnej (węglowej) przez
elektrownię wodną. Przyjęto, że obie elektrownie mają jednakową moc zainstalowaną, równą sumie mocy wszystkich badanych obiektów (moc zainstalowana równa 13,8 MW,
a roczna produkcja energii równa 30,44 GWh). Założono, że do produkcji energii elektrycznej w elektrowni konwencjonalnej używany jest węgiel kamienny, którego wartość opałowa
wynosi 24 MJ.kg–1, a sprawność produkcji równa jest 0,3. Wyniki przeprowadzonych obliczeń przedstawiono w tab. 2.
Tabela 2. Przykładowa redukcja poszczególnych zanieczyszczeń atmosfery
Zanieczyszczenia
SO2
NOx
CO2
Pył
CO
–1
Wielkość jednostkowa
[kg·t–1 węgla]
Łącznie
–1
[t·rok ]
8,7
4,6
1 855,6
2,1
130,3
69,0
27 833,3
31,8
17,6
263,3
Opłata
jednostkowa
–1
[zł·kg ]
0,42
0,42
0,23*
0,46
0,11
Razem
Opłata całkowita
[zł·rok–1]
54 705
28 963
6 402
14 605
28 967
133 641
* Stawka w zł·t .
Źródło: obliczenia własne na podstawie: Solińska M. i Soliński I. (2003) i Rozporządzenie Rady Mini-
strów (2005).
Prezentowane wyniki wskazują na to, że produkcja energii z alternatywnych nośników
przynosi widoczne efekty ekologiczne, które należałoby przeliczyć na korzyści ekonomiczne, które powinny stać się podstawą rachunku makroekonomicznego. W literaturze brakuje
jednak odpowiednich wskaźników pozwalających na oszacowanie tych efektów zewnętrznych. Na potrzeby artykułu założono, że korzyści społeczne, wynikające z zastąpienia węgla kamiennego do produkcji energii elektrycznej przez alternatywny nośnik, mogą zostać
obliczone na podstawie opłat jednostkowych za korzystanie ze środowiska. Przyjęto mianowicie, że opłaty te (właściwe i adekwatnie do analizowanego przykładu) odzwierciedlają
straty w środowisku spowodowane zanieczyszczeniami powstałymi w wyniku spalania węgla, czyli emisją do atmosfery gazów i pyłów oraz koniecznością składowania znacznych
ilości popiołów. Obliczona w ten sposób korzyść społeczna wynosi 165 tys. zł.rok–1. Oszacowany koszt społeczny wprowadzenia obowiązku zakupu i rozliczania go, w oparciu
o ilość wnikającą z posiadanych praw majątkowych, wynosi 444 tys. zł·rok–1. Oznacza to,
że koszt społeczny przewyższa społeczną korzyść, a więc brakuje makroekonomicznego
uzasadnienia wprowadzonego systemu obrotu alternatywną energią.
WNIOSKI
1. Czynnikami wpływającymi na wartość kosztów całkowitych i przychodów, uzyskiwanych
przez małe elektrownie wodne, są parametry techniczne (wielkość mocy zainstalowanej)
oraz warunki hydrologiczne (wielkość przepływu oraz wysokość spadu).
2. Inwestycja, polegająca na produkcji energii w małych elektrowniach wodnych, odznacza
się dużą efektywnością mikroekonomiczną. Uzyskiwane przychody są ok. 1,5 razy więk-
Efektywność ekonomiczna produkcji energii...
69
sze od ponoszonych kosztów. Wprowadzenie praw majątkowych do świadectw pochodzenia spowoduje, że wskaźnik pokrycia kosztów przez przychody osiągnie jeszcze większą wartość.
3. Koszt społeczny wprowadzenia systemu obrotu energią odnawialną, opartego na prawach
majątkowych, do świadectw pochodzenia przewyższa wartość korzyści społecznych
w postaci poprawy stanu środowiska naturalnego. Przyczyną tego może być brak odpowiednich wskaźników pozwalających na poprawne oszacowanie efektów zewnętrznych
tego typu inwestycji.
4. W analizie makroekonomicznej należałoby uwzględnić inne korzyści społeczne budowy
małej elektrowni wodnej. Obiekty takie mogą przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego regionu, do poprawy zaopatrzenia w energię na terenach o słabo
rozwiniętej infrastrukturze energetycznej, a dla regionów dotkniętych bezrobociem stwarzają nowe możliwości w zakresie powstawania nowych miejsc pracy i pozarolniczego
źródła dochodu.
PIŚMIENNICTWO
Ceny praw majątkowych http://www.polpx.pl./main.php?lang=pl&index=272&show=194, dostęp
z 16.12.2006 r.
Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2001/77/WE z dnia 27 września 2001 r. o promocji
energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na wewnętrznym rynku energii, http://
www.ure.gov.pl/index.php?dzial=234&id=1271, dostęp z 16.12.2006 r.
Obwieszczenie Ministra Gospodarki z dnia 20 kwietnia 2006 r. sprawie ogłoszenia raportu zawierającego analizę realizacji celów ilościowych i osiągniętych wyników w zakresie wytwarzania
energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii. MP z 2006 r., nr 31, poz. 343.
Rozporządzenie Rady Ministrów z dnia 20 grudnia 2005 r. w sprawie opłat za korzystanie
ze środowiska. DzU z 2005 r., nr 260, poz. 2176.
Solińska M., Soliński I. 2003. Efektywność ekonomiczna proekologicznych inwestycji rozwojowych
w energetyce odnawialnej. Uczel. Wydaw. Nauk.-Dydakt., Kraków.
Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne. DzU z 1997 r., nr 158, poz. 1042, z późn. zm.