OPŁACALNOŚĆ ZASTOSOWANIA SILNIKÓW

OPŁACALNOŚĆ ZASTOSOWANIA SILNIKÓW GAZOWYCH DO PRODUKCJI
ENERGII ELEKTRYCZNEJ I CIEPŁA
Autor: Paweł Bućko
(„Rynek Energii” – 4/2005)
Słowa kluczowe: gospodarka skojarzona, lokalny rynek energii, źródła rozproszone, silniki gazowe
Streszczenie. W artykule omówiono uwarunkowania funkcjonowania źródeł małej mocy na lokalnych rynkach
energii. Przedstawiono problemy współpracy silników gazowych z systemami energetycznymi oraz
uwarunkowania ekonomiczne ich rozwoju. Zaprezentowano wyniki wskaźnikowej analizy opłacalności
zastosowania silnika małej mocy.
1. WSTĘP
W systemach energetycznych, w miarę postępujących procesów decentralizacji i
urynkowienia, dostrzega się korzyści z układów generacji o małej mocy. Taki sposób
produkcji energii nazywa się często „generacją rozproszoną". Wytwarzanie energii w małych
układach, zlokalizowanych w pobliżu odbiorców ma przynieść takie korzyści, jak:
zmniejszenie kosztów przesyłu energii, zmniejszenie ryzyka inwestycyjnego (na skutek
większej elastyczności inwestycyjnej tych układów), zmniejszenie kosztów pokrycia
zapotrzebowania na energię odbiorców zlokalizowanych w obszarach peryferyjnych
systemów energetycznych. Rozwój generacji rozproszonej stawia też przed systemami
energetycznymi nowe wyzwania, związane ze sterowaniem ich współpracą z systemem,
rezerwowaniem mocy i funkcjonowaniem w warunkach konkurencji rynkowej.
Specyficzną grupę urządzeń zaliczanych do generacji rozproszonej stanowią silniki gazowe.
Charakteryzują się one dobrze opanowaną technologią, stosunkowo szeroką ofertą rynkową,
umiarkowanymi nakładami inwestycyjnymi. Dostępne urządzenia są produkowane w
szerokim zakresie mocy znamionowych, co pozwala dobrze dobrać układ do występujących
obciążeń. Układy malej mocy mogą pracować bezobsługowo, a potrzeby okresowego
serwisowania nie muszą być uciążliwe dla odbiorców. Dodatkową zaletą jest możliwość
jednoczesnego produkowania energii elektrycznej i ciepła, co pozwala na uzyskanie wysokiej
efektywności wykorzystania paliwa. Zalety układów spowodowały, że w wielu krajach
osiągnęły one sukces rynkowy. Najczęściej stosowanym paliwem do zasilania silników jest
gaz sieciowy.
W Polsce wzajemne relacje cen gazu ziemnego oraz energii elektrycznej i ciepła są mało
korzystne dla stosowania tego typu układów. Skutkuje to wolnym tempem ich wdrażania.
W warunkach pełnej konkurencji rynkowej układy generacji rozproszonej często wymagają
wsparcia,
polegającego na stworzeniu odpowiednich unormowań prawnych ułatwiających im dostęp do
rynku. Najczęściej mechanizmy wsparcia są projektowane na rynku energii elektrycznej,
gdzie konkurencja małych układów z pozostałymi uczestnikami rynku jest szczególnie trudna.
2. WSPÓŁPRACA MAŁYCH UKŁADÓW SKOJARZONYCH Z SYSTEMAMI
ENERGETYCZNYMI
Wzrost znaczenia wytwarzania rozproszonego jest miedzy innymi wynikiem poszukiwania
nowych strategii rozwojowych przez przedsiębiorstwa energetyczne funkcjonujące w
otoczeniu rynkowym. Dla tradycyjnych przedsiębiorstw zajmujących się sieciową dostawą
energii (elektroenergetyka, lokalne systemy ciepłownicze, sieci gazowe) wytwarzanie
rozproszone często zmienia warunki funkcjonowania systemów, stawiając nowe wymagania
techniczne i ekonomiczne.
System elektroenergetyczny
W niewielu przypadkach małe, rozproszone układy wytwarzania skojarzonego stają się
jedynym źródłem pokrycia
potrzeb
energetycznych
odbiorcy. W większości
zastosowań wymagane jest uzupełnienie dla pokrycia zapotrzebowań szczytowych. W
sposób istotny dotyczy to energii elektrycznej, w przypadku dostawy której proces
pokrywania zapotrzebowania charakteryzuje się znacznie większą dynamiką, niż w
przypadku energii cieplnej. Bardzo ograniczone możliwości gromadzenia energii elektrycznej
u odbiorcy
powodują
konieczność uzupełniania i rezerwowania zasilania w ten nośnik,
a w przypadku chwilowych nadwyżek produkcji nad zapotrzebowaniem, konieczne jest
oddawanie energii elektrycznej do sieci. Przyłącze dla odbiorców wykorzystujących u siebie
mały układ skojarzony jest najczęściej zwymiarowane na pokrycie pełnego zapotrzebowania
na moc elektryczną (czyli spełnia podobne wymagania jak w przypadku, gdyby u odbiorcy
silnika nie było) a często dodatkowe wymagania wynikają z faktu możliwości oddawania
energii elektrycznej do sieci oraz uwarunkowań wynikających z konieczności dotrzymania
parametrów jakościowych dostawy energii i ewentualnych wymagań koordynacji
zabezpieczeń. Z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego rozproszona generacja nie
jest więc postrzegana jako alternatywa dla sieciowej dostawy nośnika. Podstawowym
problemem staje się zapewnienie właściwych standardów współpracy tych źródeł z
systemem. Dostrzegane są przy tym korzyści polegające głównie na zmniejszeniu obciążeń i
strat energii w sieciach przesyłowych.
System ciepłowniczy
Dla sieciowej dostawy ciepła układy generacji rozproszonej stanowią najczęściej alternatywę
dla rozwoju tradycyjnych, rozległych systemów ciepłowniczych zasilanych przez duże źródła
scentralizowane. W przypadku instancji silników gazowych rola przesyłowej (magistralnej)
sieci ciepłowniczej jest przejmowana przez sieć gazową a uzupełnienie potrzeb odbiorców w
zakresie zapotrzebowania na ciepło jest realizowane przez zastosowanie układów
wielomodułowych lub zainstalowanie uzupełniających kotłów gazowych. Silniki gazowe są
jednocześnie źródłami znacznie mniej uciążliwymi dla środowiska niż ciepłownie węglowe.
Często stają się możliwym wariantem modernizacji istniejących lokalnych kotłowni
węglowych. Przedsiębiorstwa ciepłownicze próbując utrzymać rynek klienta są aktywnie
zainteresowane budową i udziałem w przedsięwzięciach multienergetycznych -- widząc w
tych rozwiązaniach nowe szansę rozwojowe. Coraz częściej postrzega się generację
rozproszoną nie jako konkurencję dla sieciowej dostawy ciepła ze źródeł scentralizowanych
ale jako podstawową i naturalną drogę rozwoju przedsiębiorstw ciepłowniczych. Rozwój ten
nie będzie możliwy bez daleko idących porozumień i współpracy z przedsiębiorstwami
dystrybucji gazu.
System gazowniczy
Instalowanie silników gazowych oznacza dla systemu gazowniczego pojawianie się nowych
odbiorców na nośnik sieciowy. Są to odbiorcy o w miarę wyrównanym w czasie
zapotrzebowaniu (i stosunkowo długich czasach wykorzystania mocy zainstalowanej). To
nowe zapotrzebowanie generuje jednocześnie umiarkowane rozproszenie sieci
dystrybucyjnej. Połączenie tych dwóch cech zapewnia najczęściej spełnienie warunków
ekonomicznych dostawy gazu. Wytwarzanie rozproszone jest jakościowo nowym zjawiskiem,
tworzącym możliwość rozszerzenia oferty na lokalnych rynkach energii i podwyższenie
konkurencyjności firm gazowniczych. Aktywna polityka na lokalnych rynkach energii
powinna zmieniać rolę firm gazowniczych, które mają możliwość odgrywania wiodącej roli
(lub co najmniej roli aktywnego partnera) w tworzeniu firm multienergetycznych.
3. SPRZEDAŻ ENERGII ELEKTRYCZNEJ Z UKŁADÓW SKOJARZONYCH
MAŁEJ MOCY
W wielu przypadkach, ze względu na niejednoczesność występowania zapotrzebowania na
ciepło i na energię elektryczną, nie udaje się uniknąć występowania okresowych nadwyżek
produkowanej energii elektrycznej. Uwarunkowaniem instalowania tego typu układów są
możliwości zbycia nadmiaru produkowanej energii elektrycznej do lokalnej sieci.
Ze względu na wysoką efektywność wykorzystania paliwa w układach skojarzonych (i
związane z tym korzyści ekologiczne) w wielu krajach zdecydowano się na wspomaganie
rozwoju generacji rozproszonej poprzez stworzenie odpowiednich unormowań prawnych.
Stosowane są różne preferencje polegające miedzy innymi na: zapewnieniu źródłom
rozproszonym dostępu do sieci (szczególnie istotny jest tu ewentualny obowiązek
przyłączenia tych źródeł do sieci elektroenergetycznej), zagwarantowaniu obowiązku zakupu
nadwyżek produkowanej energii przez przedsiębiorstwa dystrybucyjne, określeniu cen dla
energii elektrycznej produkowanej w tych źródłach oraz funkcjonowaniu programów
subsydiowania przedsięwzięć inwestycyjnych lub preferencji podatkowych. W
ustawodawstwie europejskim zasadnicze znaczenie ma Dyrektywa o wspieraniu kogeneracji
z 2004 r. [3]. Zgodnie z tym dokumentem preferencyjnie powinny być traktowane
układy skojarzone z silnikami gazowymi. W przypadku układów o mocach jednostkowych
poniżej l MW preferencje dotyczą wszystkich źródeł (nie określa się wymagań dotyczących
sprawności tych układów) a w przypadku źródeł powyżej l MW preferowane są układy tzw.
„wysokosprawne" (czyli takie, dla których sprawność ogólna przekracza 80%).
Preferencje dla kogeneracji określone są także w ustawodawstwie krajowym. Odpowiednie
zapisy zostały wprowadzone do Prawa energetycznego a zasadniczym aktem wykonawczym
regulującym zasady funkcjonowania źródeł skojarzonych na rynku energii jest
Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 r. w sprawie
szczegółowego zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z
wytwarzaniem ciepła [2]. W rozporządzeniu tym silniki gazowe nie są traktowane jako
osobna, wyróżniona technologia wytwarzania skojarzonego ale podlegają preferencjom na
zasadach ogólnych. Krajowe regulacje narzucają przedsiębiorstwom sprzedającym energię
elektryczną odbiorcom końcowym, uzyskanie odpowiedniego udziału zakupu energii
wytwarzanej w skojarzeniu.
4. ANALIZA OPŁACALNOŚCI ZASTOSOWANIA SILNIKA GAZOWEGO
Do analizy wybrano silnik gazowy o mocy elektrycznej 310 kW i mocy cieplnej 481 kJ/s.
Sprawność ogólna układu wynosi 92,1%.
Wskaźniki opłacalności inwestycyjnej policzono przy następujących założeniach:
>
Przyjęto nakłady na poziomie 3500 zł/kW mocy zainstalowanej. Założono, że kwota to
obejmuje zakup, dostawę i montaż urządzeń oraz koszty przyłączenia źródła do sieci.
>
Dotychczasowa cena ciepła dla odbiorcy wynosiła 27 zł/GJ. Na tym poziomie
oszacowano cenę ciepła produkowanego przez silnik.
>
Cenę gazu przyjęto według taryfy Pomorskiej Spółki Gazownictwa [5].
> Produkowana energia elektryczna będzie w całości
sprzedawana do sieci
elektroenergetycznej. Cenę odsprzedaży energii elektrycznej traktowano jako parametr
zmienny w przeprowadzonych analizach.
> Czas użytkowania mocy zainstalowanej zmieniano w szerokich granicach,
określenia wpływu tego parametru na wskaźniki opłacalności inwestycyjnej.
dla
Analizy wrażliwości dla wskaźników opłacalności inwestycyjnej wykazały, że najbardziej
istotnymi parametrami jest cena energii elektrycznej oraz stopień wykorzystania mocy
obiektu (opisany przez czas wykorzystania mocy zainstalowanej w roku). Na rys. l
przedstawiono zależność wskaźnika opłacalności inwestycyjnej IRR od ceny, po której jest
odsprzedawana energia elektryczna. Wyniki pokazano dla dwóch czasów: 8700 h/a (co
odpowiada pracy przez cały rok przy stałym obciążeniu) i 5000 h/a (co odpowiada czasowi
trwania sezonu grzewczego w naszej strefie klimatycznej). W przypadku doboru silnika dla
obciążeń cieplnych trwających cały rok zadawalające wartości IRR osiąga się już przy cenach
energii elektrycznej około 140 zł/MWh. W przypadku obciążeń cieplnych trwających tylko w
sezonie grzewczym dla osiągnięcia zadawalającego wskaźnika IRR należałoby odsprzedawać
energię elektryczną po cenie 170-180 zł/MWh.
Na rys. 2 przedstawiono zależność ceny energii elektrycznej od czasu wykorzystania mocy
zainstalowanej. Otrzymana zależność pokazuje, że skrócenie czasu trwania obciążeń
cieplnych w roku powoduje konieczność uzyskania istotnie większej ceny energii
elektrycznej. Dla czasów poniżej 4000 h/a cena energii elektrycznej przekracza już 200
zł/MWh i stosowanie silnika przestaje być atrakcyjne dla inwestora. Dobierając silniki w
układach modułowych do pokrycia zmiennych obciążeń cieplnych, należy więc zapewnić
silnikom stosunkowo długi czas użytkowania mocy w roku - stąd wynika konieczność
współpracy silników z szczytowymi źródłami ciepła oraz zasobnikami ciepła.
Znaczną poprawę wskaźników opłacalności inwestycyjnej można uzyskać w przypadkach,
gdy energia elektryczna nie jest odsprzedawana do sieci, tylko wykorzystuje się ją na
pokrycie potrzeb własnych inwestora. W takim przypadku korzyścią z produkcji energii
elektrycznej przez silnik jest uniknięcie kosztów zakupu energii z sieci. Ceny zakupu dla
odbiorców finalnych znacznie przewyższają możliwe do osiągnięcia ceny sprzedaży energii
elektrycznej (nawet w przypadku energii elektrycznej produkowanej w skojarzeniu,
podlegającej obowiązkowi zakupu).
Prezentowany przykład obliczeniowy jest wynikiem uproszczonej analizy wskaźnikowej.
Został przeprowadzony przy wielu założeniach upraszczających i nie należy traktować go
jako analizy konkretnego przypadku, tylko jako ilustrację ogólnych zależności. Ze względu na
złożoność uwarunkowań lokalnych, analizy opłacalności dla rzeczywistych przypadków
powinny być przeprowadzane indywidualnie.
5. PODSUMOWANIE
Dla zapewnienia efektywności ekonomicznej projektów wprowadzenia małych silników
gazowych do produkcji energii elektrycznej i ciepła ważne jest zapewnienie odpowiedniej
ceny odsprzedaży nadwyżek energii elektrycznej do sieci oraz właściwy dobór mocy układu
do obciążenia w celu osiągnięcia możliwie długich czasów pracy urządzenia.
Aktualne krajowe rozwiązania prawne, zapewniające preferencje na rynku dla energii
elektrycznej produkowanej w skojarzeniu z ciepłem, umożliwiają wytwórcom uzyskanie
wyższej ceny energii elektrycznej niż cena „rynkowa" (rozumiana jako cena zakupu energii
elektrycznej z elektrowni kondensacyjnych). Unormowania prawne są jednak dość zawiłe i
szczególnie w przypadku małych źródeł skorzystanie z nich jest często trudne. Zniechęca to
wielu potencjalnych inwestorów, zwiększając ryzyko inwestycyjne projektów. Ciągła
ewolucja rozwiązań prawnych, przy jednoczesnym braku jasnej wizji przyszłości nie
zmniejsza tego ryzyka. Ogólny kierunek przemian, polegający na rozwijaniu preferencji dla
kogeneracji będzie jednak prowadził do sytuacji, w której uwarunkowania dla stosowania
silników gazowych w małych układach skojarzonych będą bardziej korzystne i z
umiarkowanym optymizmem należy patrzeć na rozwój tego sektora.
LITERATURA
[1] Bućko P.: Generacja rozproszona w warunkach rynków energii. Rynek Energii 1999, nr 6.
[2] Dyrektywa 2004/8/EC o wspieraniu kogeneracji.
[3] Kamrat W.: Problemy rozwoju energetyki z uwzględnieniem opcji zwiększonej podaży gazu.
Rynek Energii 2004, nr 2.
[4] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 9 grudnia 2004 r. w sprawie szczegółowego
zakresu obowiązku zakupu energii elektrycznej wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła.
Dz.U. z 2004 r. Nr 267 poz.2657.
[5] Taryfa Pomorskiej Spółki Gazownictwa Sp. z o. o. DTA-822/4250-A/2/2003/AK. Biuletyn
Branżowy URE -Paliwa Gazowe Nr 14.
PROFITABILITY OF GAS COMBUSTION ENGINES' APPLICATION TO HEAT
AND ELECTRICITY PRODUCTION
Key words: cogeneration, local energy market, dispersed sources, gaś combustion engines
Summary. In the paper, circumstances of smali units' operation on local energy markets have
been described. The issues of gaś combustion engines' co-operation with energy systems and
the economic conditions of their development have been presented. The results of economic
effectiveness analysis of the small gas combustion engine project have been discussed.
Paweł Bućko, dr inż., Katedra Elektroenergetyki, Politechnika Gdańska, ul. Narutowicza
11/12, 80-952 Gdańsk e-mail: [email protected]