docGeneracja rozproszona i odnawialne źródła energii
download 
Reklamacja Transkrypt
Generacja rozproszona i odnawialne źródła energii
Jakoœæ zasilania - poradnik www.lpqi.org Generacja rozproszona i odnawialne źródła energii 8.1 Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii Generacja rozproszona i odnawialne źródła energii Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii Rob van Gerwen KEMA Nederland B.V. Listopad 2006 Niniejszy Poradnik został opracowany jako część europejskiego programu edukacyjnego i szkoleniowego Jakość Zasilania Inicjatywa Leonardo (LPQI), wspieranego przez Komisję Europejską (w ramach Programu Leonardo da Vinci) i Międzynarodowe Stowarzyszenie Miedzi. Dla uzyskania bliższych informacji odwiedź stronę LPQI www.lpqi.org. Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. (PCPM) Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. jest organizacją non-profit, finansowaną przez dostawców miedzi oraz producentów pragnących zachęcić odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promujących ich prawidłowe i efektywne zastosowanie. Działalność Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy są zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum również zapewnia łączność między jednostkami badawczymi a przemysłem wykorzystującym miedź w produkcji oraz utrzymuje bliską łączność z innymi organizacjami zajmującymi się rozwojem miedzi na całym świecie. Europejski Instytut Miedzi (ECI) Europejski Instytut Miedzi jest spółką joint venture Międzynarodowego Stowarzyszenia na Rzecz Miedzi (ICA) i IWCC. ECI, dzięki swoim członkom, zajmuje się w imieniu największych producentów miedzi na świecie i czołowych europejskich producentów - promocją miedzi w Europie. Powstały w styczniu 1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dzięki sieci dziesięciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu, we Francji, w Niemczech, Grecji, na Węgrzech, we Włoszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Towarzystwo rozwija swoją działalność podjętą przez CDA powstałą w 1959 roku oraz dzięki INCRA (Międzynarodowemu Towarzystwu Badań Miedzi) powstałemu w 1961 roku. Zrzeczenie się odpowiedzialności Niniejszy projekt nie musi odzwierciedlać stanowiska Komisji Europejskiej ani nie nakłada na Komisję Europejską żadnej odpowiedzialności. Europejski Instytut Miedzi, Deutsches Kupferinstitut i Polskie Centrum Promocji Miedzi zrzekają się wszelkiej odpowiedzialności za wszelkie bezpośrednie lub pośrednie skutki jak również nie przewidziane szkody, które mogą być poniesione w wyniku użycia informacji lub nieumiejętnego użycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji. Copyright© European Copper Institute, Deutsches Kupferinstitut and Polskie Centrum Promocji Miedzi. Reprodukcja materiału zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w całości i po dania jej źródła. Promocja LPQI w Polsce prowadzona jest w ramach Polskiego Partnerstwa Jakości Zasilania: Politechnika Wrocławska Akademia Górniczo-Hutnicza Instytut Szkoleniowy Schneider Electric Polska Medcom Sp. z o.o. Generacja rozproszona i odnawialne źródła energii Wprowadzenie do zagadnień generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii Streszczenie Generacja rozproszona (GR) i odnawialne źródła energii (OZE) są w Europie przedmiotem znacznego zainteresowania i uważane za bardzo istotne ze względu na swoje znaczenie, zarówno dla poprawy bezpieczeństwa dostaw energii przez zmniejszenie zależności od importowanych paliw kopalnych, jak i dla redukcji emisji gazów cieplarnianych. Przez generację rozproszoną rozumie się lokalne wytwarzanie energii elektrycznej, a w przypadku systemów kogeneracji, również ciepła dla celów procesów przemysłowych, ogrzewania pomieszczeń itp. Ekonomika generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii zależy od wielu czynników. Głównymi składnikami kosztów są początkowe nakłady inwestycyjne, koszty paliwa, ceny energii (elektrycznej i cieplnej) oraz koszt przyłączenia do sieci. Ze wszystkich możliwości wytwarzania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii, najniższe są koszty energii uzyskiwanej z biomasy, na drugim miejscu plasują się lądowe elektrownie wiatrowe i hydroelektrownie, a najdroższą opcją są ogniwa fotowoltaiczne. Wiele krajów posiada jednak środki zachęty do stosowania systemów opartych na odnawialnych źródłach energii, w tym także ogniw fotowoltaicznych. Rentowność generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii zależy w znacznej mierze od regulacji i bodźców, które są sprawą decyzji politycznych, zarówno Unii Europejskiej jak i na szczeblu krajowym. Dla pobudzenia podmiotów gospodarczych do poważnych inwestycji w dziedzinie generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii, konieczna jest stabilna polityka zachęt ekonomicznych. Wstęp Generacja rozproszona (GR) i odnawialne źródła energii (OZE) są w Europie przedmiotem znacznego zainteresowania i są uważane za istotne dla osiągnięcia dwóch celów: ♦ zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego Europy przez zmniejszenie zależności od importowanych paliw kopalnych, takich jak ropa naftowa, gaz ziemny i węgiel; ♦ redukcji emisji gazów cieplarnianych, a szczególnie dwutlenku węgla, ze spalania paliw kopalnych. Racjonalne użytkowanie energii i jej oszczędność są bardziej szczegółowo omówione w Części 7 Poradnika. Niniejszy Zeszyt stanowi obszerne wprowadzenie w tematykę generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii. Niektóre aspekty generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii będą omawiane szczegółowo w innych Zeszytach niniejszej Części. Najpierw należy zdefiniować terminy „generacja rozproszona” (GR) i „odnawialne źródła energii” (OZE) oraz wprowadzić terminy „skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej” (CHP) i „rozproszone źródła energii” (DER), często używane w kontekście GR i OZE. Termin „odnawialne źródła energii” odnosi się do „wiecznotrwałych” naturalnych źródeł energii, takich jak słońce lub wiatr. Systemy wykorzystania energii odnawialnej przetwarzają energię z tych naturalnych źródeł na energię użyteczną – elektryczną i cieplną. Pojęcie odnawialnych źródeł energii (OZE) jest często wiązane z wytwarzaniem energii elektrycznej, ale wytwarzanie ciepła dla celów ogrzewania pomieszczeń (energia geotermalna, kolektory słoneczne itp.) jest również opłacalne ekonomicznie. Niniejszy Zeszyt dotyczy tylko odnawialnych źródeł energii związanych z generacją energii elektrycznej (OZEE). Zgodnie z dyrektywą 2001/77/WE [1], do odnawialnych źródeł energii zaliczane są: ♦ energia wodna (duże i małe jednostki), ♦ biomasa (biomasa stała, biopaliwa, gaz wysypiskowy, gaz z zakładów oczyszczania ścieków i biogazy), ♦ energia wiatru, ♦ energia słoneczna (ogniwa fotowoltaiczne, elektrownie cieplne), ♦ energia geotermalna, ♦ energia falowania i pływów morskich, ♦ odpady biodegradowalne. Istnieje wiele definicji generacji rozproszonej [2, 3, 4]. Podobnie jak w przypadku odnawialnych źródeł energii, pojęcie generacji rozproszonej odnosi się głównie do systemów wytwarzania energii elektrycznej, z możliwością wytwarzania www.lpqi.org 1 Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii także ciepła. W niniejszym dokumencie ograniczymy się do generacji rozproszonej związanej z wytwarzaniem energii elektrycznej. Instalacje generacji rozproszonej są zwykle lokowane w pobliżu miejsca użytkowania energii elektrycznej. Ponadto, generację rozproszoną charakteryzują następujące cechy: ♦ Generacja rozproszona nie jest centralnie planowana i zwykle jest eksploatowana przez niezależnych producentów energii elektrycznej lub użytkowników. ♦ Generacja rozproszona nie jest centralnie dysponowana, chociaż rozwój elektrowni wirtualnych, gdzie wiele zdecentralizowanych jednostek GR jest kontrolowanych jako jedna jednostka wytwórcza, narusza tę definicję. ♦ Jednostki wytwórcze generacji rozproszonej są zazwyczaj mniejsze niż 50 MW (chociaż wg niektórych źródeł systemy do 300 MW są klasyfikowane jako GR). ♦ Jednostki GR są przyłączone do sieci rozdzielczej o napięciu od 240/400 V do 110 kV, w zależności od kraju. Systemy wykorzystujące energię odnawialną są w większości systemami generacji rozproszonej, wyjątkiem są duże elektrownie wodne, szelfowe elektrownie wiatrowe i współspalanie biomasy w konwencjonalnych elektrowniach na paliwa kopalne. Termin „rozproszone źródła energii” (DER) [5] odnosi się do rozproszonego wytwarzania i magazynowania energii elektrycznej (w pobliżu odbioru), o wartościach większych niż moc sieci (np. moc awaryjna). Magazynowanie energii elektrycznej nie będzie rozważane w niniejszym Zeszycie Poradnika. Skojarzona produkcja ciepła i energii elektrycznej (CHP), określana także jako kogeneracja, oznacza równoczesne wytwarzanie i użytkowanie energii elektrycznej i ciepła. Zwykle część wytworzonej energii elektrycznej jest zużywana lokalnie, a pozostała energia jest oddawana do sieci. Ciepło, natomiast, jest zawsze użytkowane lokalnie ponieważ jego przesyłanie jest kosztowne i pociąga za sobą stosunkowo duże straty. Zazwyczaj generacja rozproszona oparta na paliwach kopalnych jest produkcją kogeneracyjną, gdyż lokalne użytkowanie „odpadowego” ciepła jest istotną korzyścią z GR. Bardziej szczegółowo kogeneracja jest omawiana w Zeszycie 8.3.1. Typowymi zastosowaniami generacji rozproszonej są: ♦ generacja na użytek własny gospodarstw (mikrogeneracja: energia elektryczna i ciepło), ♦ zastosowania komercyjne (w budynkach: energia elektryczna i ciepło), ♦ cieplarnie (zastosowania związane z procesem: energia elektryczna, ciepło i dwutlenek węgla dla nawożenia upraw), ♦ zastosowania przemysłowe (związane z procesem: energia elektryczna i para), ♦ ciepłownictwo (zastosowania w budynkach: energia elektryczna i ciepło dostarczane przez sieć ciepłowniczą), ♦ energia elektryczna dostarczana do sieci. Rysunek 1 przedstawia przegląd typowych źródeł GR i zastosowań wytworzonej energii. Zalety i wady generacji rozproszonej i rozproszonych źródeł energii Głównymi przyczynami, dla których scentralizowana generacja, a nie rozproszona, dominuje wytwarzanie energii elektrycznej, są: ekonomia skali, sprawność, możliwość wykorzystania istniejących zasobów paliwowych i czas życia [6]. Zwiększenie mocy jednostek wytwórczych powoduje wzrost sprawności i zmniejszenie jednostkowego kosztu energii na MW mocy zainstalowanej. Nawet w przypadku, gdy duża elektrownia jest oparta na kilku jednostkach o mniejszych mocach, to koszt jednostkowy w skali całego zakładu będzie niższy. Jednak zalety ekonomii skali zmniejszają się; ciągły rozwój technologiczny działa na korzyść małych jednostek wytwórczych, podczas gdy duże jednostki osiągnęły już szczyt swojego rozwoju. Innym powodem kontynuowania budowy dużych elektrowni jest ich zdolność do wykorzystywania istniejących zasobów paliwowych. Szczególnie węgiel nie jest odpowiednim paliwem dla jednostek generacji rozproszonej, jednak nadal jest paliwem kopalnym występującym w największej obfitości na całym świecie przy stałych dostawach i stabilnych cenach, a przynajmniej bardziej stabilnych niż ceny ropy i gazu ziemnego. Ponadto, przy czasie użytkowania obiektu 25-50 lat, duże elektrownie jeszcze przez długie lata pozostaną głównym źródłem energii elektrycznej. Powstaje więc pytanie czy warto rozwijać generację rozproszoną? Głównym powodem jest wykorzystanie ciepła, które zawsze powstaje przy wytwarzaniu energii elektrycznej. Zwiększa to znacznie całkowitą sprawność wykorzystania paliwa w układach kogeneracji, jak przedstawiono w Zeszycie 8.3.1. Ponieważ ciepło musi być wykorzystywane lokalnie, konieczność sytuowania generacji rozproszonej w pobliżu miejsca zapotrzebowania ciepła jest oczywista. 2 www.lpqi.org Energia dostarczana z sieci Ciepłownictwo miejskie Przemysłowe Energia z paliw kopalnych Cieplarnie Generacja na użytek własny gospodarstw Komercyjne Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii Konwencjonalna turbina gazowa Silnik gazowy Mikroturbina Silnik Stirlinga Niskotemperaturowe ogniwo paliwowe Wysokotemperaturowe ogniwo paliwowe Energia ze źródeł odnawialnych Mikro hydroelektrownie Małe hydroelektrownie Turbina wiatrowa Energia z biomasy Ogniwa fotowoltaiczne Systemy geotermalne Systemy wykorzystujące energię falowania i pływów 100 W 1 kW 10 kW 100 kW 1 MW 10 MW 100 MW Zakres mocy *) Rys. 1 Przegląd generacji rozproszonej i jej typowych zastosowań (na podstawie [2, 3]) Główną zaletą systemów wykorzystania energii odnawialnej jest samoistny brak emisji gazów cieplarnianych, gdyż ich działanie nie jest oparte na paliwach kopalnych. Dodatkową zaletą jest niewrażliwość na ceny paliw („słońce świeci za darmo”). Zmniejsza to koszty operacyjne systemów wykorzystania energii odnawialnej i redukuje ryzyko operacyjne. Największą wadą są początkowe koszty inwestycyjne, które dla systemów energii odnawialnej są często większe niż dla systemów energii ze źródeł nieodnawialnych. Przykładowo, budowa sytemu z turbiną gazową pociąga za sobą koszt 500 EUR/KW, podczas gdy turbina wiatrowa wymaga nakładów inwestycyjnych większych niż 900 EUR/KW. Straty sieciowe Inne zalety generacji rozproszonej [4] to dodatkowe korzyści związane z energią elektryczną (poprawa pewności zasilania, uniknięcie nadmiernej mocy zainstalowanej, zmniejszenie obciążenia szczytowego, zmniejszenie strat sieciowych) oraz korzyści związane z siecią (odroczenie kosztów infrastruktury sieci rozdzielczej, poprawa jakości energii, zwiększenie niezawodności). Niekorzystne cechy generacji rozproszonej, oprócz już wcześniej wymienionych, to koszty przyłączenia, pomiarów energii i bilansowania. Rysunek 1 ilustruje wpływ poziomu udziału generacji rozproszonej na wielkość straty sieciowych. Poziom udziału GR Rys. 2 Straty sieciowe w zależności od poziomu udziału generacji rozproszonej [4] Inne wady systemów wykorzystania energii odnawialnej to specyficzne wymagania dotyczące lokalizacji i nieprzewidywalność produkcji energii. Dostępność energii odnawialnej (słońca, wiatru, wody) w znacznym stopniu determinuje wykonalność systemu wykorzystania energii odnawialnej, co z kolei może pociągać za sobą proble- www.lpqi.org 3 Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii my związane z ochroną środowiska. Nieprzewidywalność odnawialnych źródeł energii oznacza również wyższe koszty bilansowania systemu energetycznego i utrzymywania rezerw mocy na wypadek np. zaniku lub wzrostu siły wiatru powyżej zakresu eksploatacji turbin wiatrowych. Z problemem tym spotkano się już na obszarach o dużej liczbie turbin wiatrowych, np. w Niemczech i Danii. Podsumowując, generacja rozproszona i odnawialne źródła energii mają zalety i wady, które mogą wiązać się z energią, systemem energetycznym lub środowiskiem naturalnym, należy je zatem oceniać indywidualnie. Stan obecny W roku 2005 całkowita moc wytwórcza elektrowni w krajach UE-151 wynosiła 643 GW. Około 15% tej mocy (96 GW) pochodziło z kogeneracji (CHP), 19% (122 GW) stanowiła moc elektrowni wodnych, a 8% (53 GW) przypadało na inne systemy wykorzystania energii odnawialnej [7]. W przybliżeniu połowa mocy CHP znajdowała się w posiadaniu przedsiębiorstw energetycznych, a połowa była własnością producentów niezależnych. Rys. 3 przedstawia podział mocy wytwórczych dla każdego z krajów UE-15. 90 % 90 000 Elektrownie jądrowe Konwencjonalne cieplne Wodne Inne OZR % CHP 70 000 60 000 80 % 70 % 60 % 50 000 50 % 40 000 40 % 30 000 30 % 20 000 20 % 10 000 10 % % CHP Moc zainstalowana (MW) 80 000 an ia ja yt ia ec w an lk a Br Sz W ie lia ga H is zp a di rtu an Po H ks Lu ol bu rg y ch W ło em di a a an Irl re cj cy G m a ie cj N a di Fr an ia an nl an ia Fi D lg Be Au st ria 0% Rys. 3 Moce wytwórcze w krajach UE-15 w roku 2005 [7] Na podstawie danych Unii Europejskiej [8], produkcja energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w roku 2004 była szacowana na 400 TWh, z czego więcej niż 70% przypadało na energię wodną (co widać z rys. 3). Rys. 4 przedstawia podział produkowanej energii elektrycznej wg rodzajów źródeł odnawialnych. Dyrektywa 2001/77/WE ustala docelowy udział energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych (OZEE), jako procent całkowitego zużycia energii brutto dla poszczególnych krajów członkowskich UE-15. Są to cele indykatywne na rok 2010, oparte na wartościach bazowych z roku 1997. Ponieważ cele te są oparte na rzeczywistym zużyciu, a docelowa produkcja OZEE jest określona jako stała wartość procentowa, bezwzględna wartość energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych musi zwiększać się wraz ze wzrostem całkowitego zużycia. 1 Duże elektrownie wodne Małe elektrownie wodne Elektrownie wiatrowe lądowe Elektrownie wiatrowe nawodne Biogaz Biomasa stała Bioodpady Energia elektr. geotermalna Rys. 4 Podział energii elektrycznej produkowanej ze źródeł odnawialnych w krajach UE-15 w roku 2004; udział energii wytwarzanej fotowoltaicznie, energii fal i pływów morskich oraz solarnej energii cieplnej, jest pomijalny [8] UE-15 ― 15 krajów tworzących Unię Europejską przed jej rozszerzaniem. 4 www.lpqi.org Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii Rysunek 5 przedstawia stan bazowy (1997), stan docelowy (2010) i wzrost produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, wymagany dla osiągnięcia tego celu. Dla krajów UE-15, jako całości, bazowy udział energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych wynosi 13,9% całkowitego zużycia energii elektrycznej 2440 TWh, co odpowiada 340 TWh OZEE. Ponieważ oczekiwany jest wzrost całkowitego zużycia energii elektrycznej do 2930 TWh w roku 2010 [7], cel określony na rok 2010 będzie równoważny 650 TWh energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Oznacza to blisko podwojenie produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w roku 2010 w stosunku do roku 1997. Obecna (2005) produkcja 400 TWh energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (14,4% całkowitego zużycia) wskazuje, że cel postawiony w dyrektywie 2001/77/WE będzie trudny do osiągnięcia. Do docelowego roku 2010 pozostało zaledwie pięć lat. Co więcej, potencjał „łatwych” hydroelektrowni został już wyczerpany, tak więc wzrost musi pochodzić z „trudniejszych” źródeł, takich jak biomasa i energia wiatru i, być może, energia słoneczna. 800 % 80 % Udział OZEE (2010) w % Wzrost OZEE (1997―2010) w % 60 % 600 % 40 % 400 % 20 % 200 % Wymagany wzrost OZEE 1997-2010 (%) Względny udział OZEE w zużyciu energii brutto (%) Udział OZEE (1997) w % 0% Br 15 E- W ie lk a U yt an ia ja ec ia w an Sz lia zp H is ga rtu Po H ol an di a rg y bu ch em Lu ks W ło di a a an Irl re cj cy G a m cj ie N a di Fr an ia an nl an ia Fi D lg Be Au st ria 0% Rys. 5 Udział całkowitego zużycia brutto energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych (OZEE) wg dyrektywy 2001/77/WE; jako bazowy przyjęto stan z roku 1997, stan docelowy jest określony dla roku 2010 [1] Ekonomika generacji rozproszonej i rozproszonych źródeł energii Opłacalność ekonomiczna generacji rozproszonej i systemów wykorzystania energii odnawialnej zależy od wielu czynników. Istotnym elementem są tu inwestycje, a także ceny paliw kopalnych i rynkowa cena energii elektrycznej, które, oczywiście, są wzajemnie powiązane. Rynkowa cena energii elektrycznej będzie silnie zależała od cen paliw, tak długo, jak długo rynek będzie zdominowany przez konwencjonalne elektrownie na paliwa kopalne (obecnie ich udział przekracza 50% mocy zainstalowanej w krajach UE-15). Koszty można podzielić na: koszty początkowe (przed rozpoczęciem eksploatacji) i koszty ciągłe (w czasie eksploatacji) oraz na koszty stałe (niezależne od sposobu eksploatacji) i koszty zmienne (zależne od sposobu eksploatacji) [6]. Tabela 1 podaje przegląd kosztów generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii, z rozbiciem na typy kosztów. Koszty przyłączenia do sieci (zarówno jednorazowy koszt przyłączenia jak i opłaty sieciowe) stanowią istotną pozycję w kalkulacji kosztu całkowitego, szczególnie dla generacji rozproszonej. Dochody z generacji rozproszonej i z odnawialnych źródeł energii są związane głównie ze sprzedażą energii elektrycznej oraz, w przypadku kogeneracji ― ciepła. Dodatkowymi korzyściami kosztowymi mogą być usługi związane z siecią (np. bilansowanie, odłożenie inwestycji w sieci, uniknięcie strat sieciowych) lub subsydia proekologiczne i podatki. Głównym celem tego rodzaju subsydiów i podatków jest stymulowanie produkcji czystej energii. Przykładem mogą być zielone certyfikaty lub wyższe taryfy zakupu energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, ulgi podatkowe na inwestycje w GR i OZR, opodatkowanie emisji dwutlenku węgla i prawa do emisji CO2 (kredyty emisji). Koszt energii elektrycznej z generacji rozproszonej i z odnawialnych źródeł energii jest kalkulowany metodą aktualizowanej wartości netto (NPV) [6]. Kalkulacja taka uwzględnia wartość pieniądza w okresie czasu przez zastosowanie stopy dyskontowej do wyceny przyszłych dochodów lub wydatków. www.lpqi.org 5 Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii Stopa dyskontowa zawiera normalną stopę oprocentowania kredytu oraz składkę ubezpieczeniową zależną od profilu ryzyka projektu. Źródłem ryzyka są wahania cen paliwa oraz fluktuacje na rynku energii elektrycznej, a także warunki atmosferyczne (np. dla elektrowni wiatrowych będzie to szybkość wiatru). Jeszcze innym elementem ryzyka jest długotrwałość subsydiowania odnawialnych źródeł energii. Rodzaj wydatków Stałe Początkowe Ciągłe Koszty techniczne Taryfy dystrybucyjne zależne od mocy Inwestycje Podatki stałe Koszt licencji Remonty planowe Koszt przyłączenia zależny od mocy Ubezpieczenie Pomiar energii Koszt przyłączenia zależny od zużycia energii Remonty nieplanowane Koszty paliwa Podatek paliwowy Zmienne Taryfy dystrybucyjne zależne od zużycia energii Tabela 1 Charakterystyka kosztów GR i OZE ― podział nakładów w czasie Zakres cen energii elektrycznej wytwarzanej z odnawialnych źródeł energii przedstawiono na rysunku 6. Cena energii elektrycznej wytwarzanej przez konwencjonalną energetykę zawodową Elektrownie wiatrowe lądowe Wiatrowe nawodne Falowe i pływowe Solarne elektrownie cieplne Energia fotowoltaiczna Małe hydroelektrownie Duże hydroelektrownie Energia elektr. ze źródeł geotermalnych Bioodpady Biomasa stała Współspalanie biomasy (stałej) Biogaz 0 50 100 150 200 Koszt energii elektrycznej (EUR/MWh) Rys. 6 Koszt energii elektrycznej wytwarzanej z odnawialnych źródeł energii [8] i zakres cen energii elektrycznej wytwarzanej przez konwencjonalną energetykę zawodową w roku 2004 w krajach UE-15 [9] Rysunek 6 pokazuje, że większość opcji wytwarzania energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii plasuje się (częściowo) w zakresie cen energii elektrycznej z dużych elektrowni konwencjonalnych. Energia elektryczna wytwarzana z energii solarnej jest nadal droga, przy cenie energii ze źródeł fotowoltaicznych ciągle przewyższającej 200 EUR/MWh. W zależności od zachęt ekonomicznych, dotyczących albo inwestycji, albo wytwarzanej energii, instalowanie systemów fotowoltaicznych może być ekonomicznie opłacalne. 6 www.lpqi.org Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii Przyłączenie do sieci Przyłączenie jednostek generacji rozproszonej (w tym wytwarzających energię elektryczną z OZE) do sieci jest ważnym zagadnieniem, będącym przedmiotem wielu obecnych lub ostatnio realizowanych projektów Unii Europejskiej [10]. Liberalizacja rynku energii elektrycznej i rozdział dostawcy energii od operatora sieci w Unii Europejskiej, gdzie dostawca energii działa na rynku zliberalizowanym, a operator sieci na rynku regulowanym, kieruje uwagę na takie zagadnienia związane przyłączeniem jednostek GR do sieci, jak koszty, bariery i korzyści. Ze względu na dominujący udział zcentralizowanego wytwarzania energii, sieci elektroenergetyczne w Europie są budowane podobnie, i mają postać hierarchicznego („top-down”) systemu zasilania. Sieć przesyłowa, eksploatowana przez operatora systemu przesyłowego (OSP), jest siecią wysokiego napięcia z dużymi przepływami mocy. Napięcie znamionowe sieci przesyłowej jest zwykle wyższe niż 110 kV, co zmniejsza straty sieciowe. Połączenia między systemami krajów UE są realizowane na poziomie sieci przesyłowych; duże elektrownie są przyłączone bezpośrednio do sieci przesyłowej. Wartości napięć, które definiują podział napięć na wysokie, średnie i niskie, różnią się w zależności od kraju, stąd w niniejszym opisie przyjęto wartości typowe. Sieci rozdzielcze można podzielić na sieci rozdzielcze wysokiego napięcia (zwykle 60―110 kV), średniego napięcia (zwykle 10―50 kV) i niskiego napięcia (240/400 V). Sieci rozdzielcze są eksploatowane przez operatorów systemów dystrybucyjnych (OSD). Większość systemów generacji rozproszonej i wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych, jest przyłączanych do sieci rozdzielczej. Podział ten ilustruje rys. 7. Sieć przesyłowa Duże elektrownie centralne Współspalanie biomasy Połączenia z systemami innych krajów > 110 kV Duże przemysłowe systemy CHP Duże hydroelektrownie Farmy wiatrowe nawodne 60-110 kV Sieć rozdzielcza Farmy wiatrowe lądowe Małe hydroelektrownie Inne systemy spalania biomasy Systemy wykorzystania energii fal i pływów Systemy CHP komercyjne i dla cieplarń Systemy solarne cieplne i systemy geotermalne Duże zespoły paneli fotowoltaicznych Małe przemysłowe systemy CHP 10-60 kV Indywidualne panele fotowoltaiczne Systemy mikro-kogeneracji 240/400 V Rys. 7 Schemat struktury typowej europejskiej sieci elektroenergetycznej i poziomów przyłączenia GR i OZR; poziomy napięć mogą się różnić w zależności od kraju Operatorzy systemów dystrybucyjnych mają obowiązek przyłączenia odbiorców do sieci i zapewnienia im bezpieczeństwa dostawy; są także odpowiedzialni za jakość energii dostarczanej z sieci. Kraje europejskie posiadają kodeks sieci, który określa obowiązki zarówno operatorów systemów dystrybucyjnych, jak i wytwórców przyłączonych do sieci (np. charakterystyki regulacji, udział w prądzie zwarciowym itp.). Ogólnie, operator systemu dystrybucyjnego ma obowiązek przyłączenia wytwórcy spełniającego warunki przyłączenia, który o to wystąpi. W zależności od mocy systemu GR/OZR, operator systemu dystrybucyjnego może wymagać przyłączenia na określonym poziomie napięcia. Opłaty za przyłączenie mogą być „płytkie”, „głębokie” lub pośrednie. Przy stosowaniu głębokich opłat za przyłączenie, właściciel jednostki wytwórczej ponosi wszystkie koszty związane z przyłączeniem, łącznie z kosztami wzmocnienia sieci. W przypadku stosowania płytkich opłat za przyłączenie, opłata jest pobierana tylko za wykonanie połączenia do najbliższego punktu dostępu do sieci. Przepisy dotyczące przyłączenia i opłaty za przyłączenie w krajach Unii Europejskiej są zróżnicowane, dlatego należy je starannie analizować już w fazie inwestycyjnej. www.lpqi.org 7 Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii Polityka i regulacje Polityka na poziomie Unii Europejskiej jest obecnie bardzo korzystna dla stosowania generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii; istnieje także wiele regulacji stymulujących wykorzystanie kogeneracji i odnawialnych źródeł energii [11, 12], np.: ♦ Dyrektywa CHP (dyrektywa 2004/8/WE) w sprawie promocji kogeneracji, ♦ Dyrektywa ustanawiająca system handlu przydziałami emisji gazów cieplarnianych (dyrektywa 2003/87/WE), ♦ Dyrektywa w sprawie restrukturyzacji opodatkowania produktów energetycznych i energii elektrycznej (dyrektywa 2003/96/WE), ♦ Dyrektywa RES, wyznaczająca cele udziału energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych dla poszczególnych krajów (Dyrektywa 2001/77/WE). Zgodnie z powyższymi dyrektywami, w poszczególnych krajach są wprowadzane zachęty dla rozwoju CHP i OZE. Tabela 2 podaje przykłady zachęt dla rozwoju odnawialnych źródeł energii w Unii Europejskiej [13]. Cenowe Dostawa Ilościowe Taryfy zakupu energii elektrycznej / ceny zielonej energii (Austria, Finlandia, Francja, Hiszpania, Niemcy, Portugalia) Zapotrze-bowanie Podtrzymywanie cen rynkowych (Holandia) Procedury przetargowe (Irlandia) Zobowiązania ilościowe dla producentów (Włochy) Zobowiązania ilościowe [%] dla użytkowników lub dostawców (Austria (małe hydroelektrownie) Belgia, Dania, Szwecja, Wielka Brytania) Tabela 2 Przykłady zachęt dla rozwoju odnawialnych źródeł energii w Unii Europejskiej [13] Inne uregulowania, które mogą mieć zastosowanie w związku z GR i OZE, obejmują: ♦ Regulacje dotyczące przyłączenia do sieci (kodeksy sieci); omawiane w innych Zeszytach Poradnika. ♦ Regulacje dotyczące charakterystyk systemów GR/OZR, takich jak sprawność energetyczna i kompatybilność elektromagnetyczna 14]. ♦ Regulacje środowiskowe: emisja gazów cieplarnianych i innych szkodliwych gazów, takich jak SO2, NOX i zanieczyszczeń pyłowych, emisja hałasu, zeszpecenie krajobrazu (turbiny wiatrowe), oddziaływanie na lokalną faunę i florę. ♦ Regulacje dotyczące bezpieczeństwa i bezpiecznej eksploatacji. Scenariusze dla generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii Scenariusze są ważnym narzędziem prognozowania przyszłości generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii oraz wyznaczania możliwych działań w zakresie związanej z nimi polityki. W ramach projektu SUSTELNET opracowano cztery generyczne scenariusze dla rozproszonego wytwarzania energii elektrycznej w przyszłości [14]. Ich celem jest określenie możliwych wariantów rozwoju w horyzoncie czasowym co najmniej do roku 2020, poczynając od chwili obecnej. Scenariusze te charakteryzuje połączenie dwóch głównych sił napędowych: ♦ stopień harmonizacji polityki w Unii Europejskiej, ♦ stopień zachęt dla operatorów generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii. Taki wybór sił napędowych ilustruje, jak ważne jest znaczenie polityki regulacyjnej dla dalszego rozwoju GR i OZE. Tabela 3 podsumowuje te cztery scenariusze w ujęciu jakościowym. 8 www.lpqi.org Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii Silne zachęty dla GR i OZR Umiarkowane zachęty dla GR i OZR Pełna harmonizacja polityki UE Możliwości GR na w pełni zharmonizowanym rynku UE • Skuteczna regulacja (Europejski Regulator Energii) • Koncentracja rynku • Niedyskryminacyjne zasady dostępu do sieci • Ambitne cele dla GR i OZE w całej UE • Programy wspierające w całej UE (obrót certyfikatami) Trudna sytuacja GR na w pełni zharmonizowanym rynku UE • Skuteczna regulacja (Europejski Regulator Energii) • Koncentracja rynku • zasady dostępu do sieci są niekorzystne dla małych jednostek • Niski stopień harmonizacji OZE i poparcia dla GR • Programy wspierające w całej UE (obrót certyfikatami) Niepełna harmonizacja polityki UE Możliwości GR na rynkach krajowych • Brak zharmonizowanych regulacji (ukierunkowanie na cele krajowe) • Niektóre państwa członkowskie UE wprowadzają uczciwe i niedyskryminacyjne zasady dostępu do sieci • Ambitne cele dla GR i OZE w całej UE • Różnorodność krajowych programów wspierających • Silne poparcie dla OZE i GR kompensuje braki w regulacji Trudna sytuacja GR na rynkach krajowych • Brak zharmonizowanych regulacji (ukierunkowanie na cele krajowe) • Brak poprawy w dostępie do sieci • Krajowe programy wspierające częściowo zredukowane • Brak rekompensat za niedostatki w zakresie regulacji Tabela 3 Przegląd scenariuszy dla generacji rozproszonej wg [14] Przykład kwantyfikacji skutków polityki Unii Europejskiej w zakresie GR i OZE, oparty na scenariuszach opisanych w [15], przedstawiono na rysunku 8. Scenariusz bazowy zakłada ciągły wzrost gospodarczy i znaczną poprawę intensywności energetycznej; scenariusz ten jest oparty na sytuacji z roku 2000, kiedy dyrektywa RES i handel emisjami CO2 jeszcze nie funkcjonowały. Scenariusze dla opcji „pełnej polityki” zakładają nowe zasady postępowania dla odnawialnych źródeł energii i efektywności energetycznej, stosowanie instrumentów ekonomicznych, takich jak opodatkowanie energii i handel emisjami, oraz akceptację nowych technologii jądrowych. W scenariuszu tym całkowita moc wytwórcza maleje, a zwiększa się sumaryczny udział energii wiatru, wodnej i jądrowej. Nadal dominować będzie wytwarzanie energii elektrycznej w elektrowniach cieplnych (także w kogeneracji), jednakże część energii będzie uzyskiwana ze spalania biomasy zamiast paliw kopalnych. Elektrownie: cieplne Cieplne kogeneracyjne Jądrowe 1000 800 800 600 600 400 400 200 200 Moc wytwórcza (GWe) 1000 0 2000 2010 2020 2030 Scenariusz bazowy 0 2000 Wodne 2010 Wiatrowe i solarne 2020 Opcje „pełnej polityki”\ Rys. 8 Przykłady scenariuszy rozwoju mocy wytwórczych w Unii Europejskiej [15] www.lpqi.org 9 2030 Wprowadzenie do zagadnień GR i odnawialnych źródeł energii Uwagi końcowe Generacja rozproszona oferuje wiele korzyści, które obejmują również ważne zagadnienia polityczne, jak zwiększenie bezpieczeństwa zasilania i redukcję emisji gazów cieplarnianych. Chociaż korzyści te, jak również inne dodatkowe korzyści, są jasno określone, to generacja rozproszona i produkcja energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych nie zawsze są ekonomicznie opłacalne. Ich rentowność silnie zależy od cen energii i bodźców ze strony Komisji Europejskiej a także rządów poszczególnych krajów. Stabilna polityka stymulowania generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii jest niezbędna aby zachęcić uczestników rynku do inwestowania w dodatkowe moce wytwórcze GR i OZE. Bibliografia i źródła [1] Dyrektywa 2001/77/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 27 września 2001 r. w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych. [2] Ackerman T., Andersson G., Söder L.: Distributed Generation: A Definition, Electric Power System Research 57 (2001) 195-204. [3] Van Werven M.J.N., Scheepers M.J.J.: DISPOWER, The Changing Role of Energy Suppliers and Distribution System Operators in the Deployment of Distributed Generation in Liberalised Electricity Markets, Report ECN-C—05-048, June 2005 (http://www.ecn.nl/library/reports/index.html). [4] Scheepers M.J.J., Wals A.F.,: SUSTELNET, Policy and Regulatory Roadmaps for the Integration of Distributed Generation and the Development of Sustainable Electricity Networks, New Approach in Electricity Network Regulation, An Issue on Effective Integration of Distributed Generation in Electricity Supply Systems, ECN-C-03-107, September 2003 (http://www.ecn.nl/library/reports/index. html). [5] CADER, California Alliance For Distributed Energy Resources (http://www.cader.org). [6] Willis H.L., Scott W.G.: Distributed Power Generation, Planning and Evaluation, Marcel Dekker Inc, 2000, ISBN 0-8247-0336-7. [7] EURELECTRIC, Statistics and Prospects for the European Electricity Sector (1980-1990, 2000-2020), EURPROG Network of Experts, October 2005, Report 2005–5420004. [8] Commission of the European Communities, Communication from the Commission. The Support of Electricity from Renewable Energy Sources, Brussels, 7 December 2005, Report COM(2005) 627 Final. [9] Energy in the Netherlands, facts and figures, EnergieNed, 2005. [10] Projekty Unii Europejskiej: DISPOWER, ELEP, CODGUNET, DECENT i SUSTELNET. [11] European Forum for Renewable Energy Sources, overview renewables legislation, http://www.euroforest.org, May 2006. [12] COGEN Europe, EU Legislation and Policy Documents relevant to Cogeneration, http://www.cogen.org, May 2006. [13] DECENT-project, Decentralised Generation, Development of an EU Policy, Report ECNC—02-075, October 2002 (http://www.ecn.nl/library/reports/index.html). [14] Timpe C., Scheepers M.J.J.: SUSTELNET, Policy and Regulatory Roadmaps for the Integration of Distributed Generation and the Development of Sustainable Electricity Networks, A Look into the Future: Scenarios for DistributedGeneration in Europe, Report ECN-C—04-012, December 2003 (http://www.ecn.nl/library/reports/index.html). [15] European Energy and Transport Scenarios on Key Drivers, September 2004, ISBN 92894-6684-7, European Communities, 2004. (http://ec.europa.eu/dgs/energy_transport/figures/scenarios/index_en.htm). 10 www.lpqi.org Notatki www.lpqi.org 11 Notatki 12 www.lpqi.org Partnerzy główni i referencyjni European Copper Institute (ECI) www.eurocopper.org ETSII - Universidad Politécnica de Madrid www.etsii.upm.es LEM Instruments www.lem.com Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH) www.agh.edu.pl Fluke Europe www.fluke.com MGE UPS Systems www.mgeups.com Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors Estàtics i Accionaments (CITCEA) www-citcea.upc.es Hochschule für Technik und Wirtschaft (HTW) www.htw-saarland.de Polskie Centrum Promocji Miedzi (PCPM) www.miedz.org.pl Comitato Elettrotecnico Italiano (CEI) www.ceiuni.it Hogeschool West-Vlaanderen Departement PIH www.pih.be University of Bath www.bath.ac.uk Copper Benelux www.copperbenelux.org Istituto Italiano del Rame (IIR) www.iir.it Università di Bergamo www.unibg.it Copper Development Association (CDA UK) www.cda.org.uk International Union for Electricity Applications (UIE) Utto-Von-Guericke-Universität Magdeburg www.uie.org www.uni-magdeburg.de Deutsches Kupferinstitut (DKI) www.kupferinstitut.de ISR - Universidade de Coimbra www.isr.uc.pt University of Manchester Institute of Science and Technology (UMIST) www.umist.ac.uk Engineering Consulting & Design (ECD) www.ecd.it Katholieke Universiteit Leuven (KU Leuven) www.kuleuven.ac.be Politechnika Wrocławska www.pwr.wroc.pl EPRI PEAC Corporation www.epri-peac.com Laborelec www.laborelec.com Zespół redakcyjny David Chapman (Chief Editor) CDA UK [email protected] Prof Angelo Baggini Università di Bergamo [email protected] Dr Araceli Hernández Bayo ETSII - Universidad Politécnica de Madrid [email protected] Prof Ronnie Belmans UIE [email protected] Dr Franco Bua ECD [email protected] Jean-Francois Christin MGE UPS Systems [email protected] Prof Anibal de Almeida ISR - Universidade de Coimbra [email protected] Hans De Keulenaer ECI [email protected] Gregory Delaere Lemkco [email protected] Prof Jan Desmet Hogeschool West-Vlaanderen [email protected] Dr ir Marcel Didden Laborelec [email protected] Dr Johan Driesen KU Leuven [email protected] Stefan Fassbinder DKI [email protected] Prof Zbigniew Hanzelka Akademia Górniczo-Hutnicza [email protected] Stephanie Horton LEM Instruments [email protected] Dr Antoni Klajn Politechnika Wrocławska [email protected] Prof Wolfgang Langguth HTW [email protected] Jonathan Manson Gorham & Partners Ltd [email protected] Prof Henryk Markiewicz Politechnika Wrocławska [email protected] Carlo Masetti CEI [email protected] Mark McGranaghan EPRI PEAC Corporation [email protected] Dr Jovica Milanovic UMIST [email protected] Dr Miles Redfern University of Bath [email protected] Dr ir Tom Sels KU Leuven [email protected] Prof Zbigniew Styczynski Universität Magdeburg [email protected] Andreas Sumper CITCEA [email protected] Roman Targosz PCPM [email protected] Hans van den Brink Fluke Europe [email protected] www.lpqi.org KEMA Nederland B.V. Utrechtseweg 310 6812 AR Arnhem P.O. Box 9035 6800 Et Arnhem The Netherlands Tel: Fax: Email: Web: 00 31 26 356 3527 00 31 26 351 3683 [email protected] www.kema.com Rob van Gerwen Polskie Centrum Promocji Miedzi Sp. z o.o. 50-136 Wrocław Plac Jana Pawła II, nr 1 Polska European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: e-mail: Website: Tel: Fax: Email: Website: 00 48 71 78 12 502 00 48 71 78 12 504 [email protected] www.miedz.org.pl 00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79 [email protected] www.eurocopper.org
