Idea generacji rozproszonej. Nowe spojrzenie na środowisko

Idea generacji rozproszonej. Nowe spojrzenie na środowisko
Autor: Eugeniusz Mokrzycki
(Nafta & Gaz Biznes – październik 2003)
Kryzys paliwowy w latach 70. XX w. uświadomił światu ograniczoność pierwotnych nośników
energii. Obecnie wiadomo także, że ich nadmierna eksploatacja i zużycie powodują naruszenie
bariery ekologicznej. Pojawiło się zatem pojęcie „zrównoważonego rozwoju energetycznego”,
przez który rozumieć należy sposób gospodarowania energią tak, aby zapewnić dostęp do
wystarczającej ilości energii nie tylko obecnym, ale i przyszłym pokoleniom oraz zmniejszyć do
minimum negatywne oddziaływanie na środowisko przyrodnicze. W związku z tym wzrosło
zainteresowanie nowymi źródłami energii.
Postęp technologiczny, który nastąpił w ciągu ostatnich lat, spowodował pojawienie się na rynku
nowej gamy jednostek wytwórczych średniej i małej mocy, dostępnych najczęściej w wykonaniach
modułowych. Źródła te są łatwe w montażu i charakteryzują się krótkimi cyklami inwestycyjnymi,
ponadto pracują w sposób bezobsługowy. Zalety te sprawiają, że urządzenia te w wielu krajach
postrzegane są jako atrakcyjna alternatywa dla dużych źródeł energii elektrycznej i ciepła. Dla
źródeł energii posiadających zdolności współpracy z istniejącymi systemami elektroenergetycznymi
stosuje się termin „generacja rozproszona” (ang. distributed generation), natomiast dla źródeł
autonomicznych pracujących poza systemem czasami stosowane jest pojęcie – „generacja rozsiana”
(ang. dispersed generation).
Wytwarzanie rozproszone albo generacja rozproszona nie ma jeszcze powszechnie akceptowanej
terminologii. Tak więc: według Grupy Roboczej 37.23 CIGRE (Working Group 37.23 CIGRE,
Paris 1999) generacja rozproszona oznacza źródła o mocach nie przekraczających 50-100 MW;
według EPRI (Electric Power Research Institute), w USA górna granica źródeł zaliczanych do
generacji rozproszonej wynosi 50 MW; w Wielkiej Brytanii – 100 MW; w Szwecji – 1,5 MW; w
Nowej Zelandii – 5 MW.
W warunkach polskich moc źródeł rozproszonych wynosi 150-200 MW, co wynika z pracy na sieć
rozdzielczą do 110 kV.
Czasami w terminologii polskiej pojawiają się również określenia „zdecentralizowana”,
„modułowa”, „lokalna”, czy „mała” generacja. Nazwy te charakteryzują podstawowe cechy tych
źródeł, jakimi są produkcja: energii w małej ilości w porównaniu z konwencjonalnymi
elektrowniami, w pobliżu odbiorców (w sensie systemowym), w małych jak
i izolowanych układach sieciowych, ponadto podłączone są do lokalnej sieci dystrybucyjnej oraz
charakteryzują się brakiem centralnego planowania, jeżeli chodzi o rozwój tego typu źródeł.
Obecnie jest wiele publikacji na temat generacji rozproszonej o ustalonej renomie na rynku tytułów
wydawniczych, np.: „Modern Power System”, „Electra”, „Independent Energy”, „International
Power Generation”, itp.
Renesans tych źródeł „pozasystemowych” (ang. non-utility generation – NUG) jest wynikiem
głębokich przemian w sferach technologii, organizacji i finansowania, zarządzania i nowego
spojrzenia na ochronę środowiska. Obecnie generacja rozproszona wychodzi naprzeciw procesom
decentralizacji i prywatyzacji sektora energetycznego, ponadto postrzegana jest jako ważny
składnik lokalnych rynków energii.
O szybkim rozwoju generacji rozproszonej decydują następujące czynniki:
•
postęp w zakresie energooszczędnych technologii użytkowania energii powodujący spadek
zapotrzebowania na jednostki systemowe o dużej mocy:
•
nowe generacje dojrzałych technologicznie źródeł średniej i małej mocy charakteryzują się
krótkim czasem budowy i mniejszym ryzykiem inwestycyjnym oraz wysoką sprawnością i
mniejszymi kosztami eksploatacyjnymi, dzięki czemu są rozwiązaniami konkurencyjnymi,
•
dążenie do zrównoważonego rozwoju zwiększyło atrakcyjność lokalnych, zwłaszcza
odnawialnych źródeł energii, co znalazło odzwierciedlenie w dyrektywach UE, a także
rozporządzeniach naszego Prawa energetycznego,
•
procesy demonopolizacji i prywatyzacji w sektorze elektroenergetyki powodują
zainteresowanie inwestorów budową źródeł średnich i małych mocy, zlokalizowanych blisko
odbiorców, co obniża w sposób znaczący koszty przesyłu i dystrybucji,
•
budowa obiektów o mniejszej skali nie wymaga tak rozległej infrastruktury technicznej, jak
przy wielkich inwestycjach,
•
w przypadku skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła przez małe źródła nie
jest wymagana budowa dużych sieci ciepłowniczych.
Należy mieć świadomość, że rozwój generacji rozproszonej nie może być postrzegany jako
konkurencja dla dużych elektrowni systemowych, które stanowić będą jeszcze długo podstawowe
źródło energii elektrycznej. Przyszłością generacji rozproszonej jest zagospodarowanie
specyficznych nisz rynku energii elektrycznej, np. pokrywanie obciążeń szczytowych przez turbiny
gazowe zlokalizowane wewnątrz sieci dystrybucyjnej, źródła rezerwowe gwarantujące
bezprzerwowe zasilanie.
Technologie stosowane w generacji rozproszonej
Zdarza się, że generacja rozproszona jest łączona z pojęciem „odnawialnych źródeł” w systemie.
Chociaż wykorzystanie odnawialnych źródeł energii jest w większości zaliczane do generacji
rozproszonej, to nie należy pojęcia generacji rozproszonej zawężać tylko do energetyki
odnawialnej, ale ważne jest tutaj podkreślenie, iż generacja rozproszona to także generacja
wykorzystująca paliwa konwencjonalne. Zatem do typowych technologii generacji rozproszonej
zaliczyć należy:
•
silniki tłokowe, turbiny gazowe, silniki Stirlinga,
•
układy skojarzone oparte na turbinach gazowych i silnikach tłokowych,
•
małe elektrownie wodne,
•
elektrownie wiatrowe,
•
systemy fotowoltaiczne,
•
elektrownie geotermiczne,
•
ogniwa paliwowe,
•
układy heliotermiczne,
•
układy wykorzystujące: biomasę i odpady, pływy, prądy, falowanie mórz oraz ciepło
oceaniczne.
Rozwój źródeł rozproszonych wynika z szeregu zalet w obszarach: technicznym, ekonomicznym,
eksploatacyjnym i ekologicznym.
Aspekty techniczne
Rozwój źródeł generacji rozproszonych o małej mocy przebiega w dwóch kierunkach. Pierwszą
grupę stanowią jednostki wykorzystujące paliwa kopalne (gaz ziemny) do produkcji w skojarzeniu
energii elektrycznej i ciepła (chłodu). Drugą grupę stanowią jednostki wykorzystujące odnawialne
źródła energii (energię wodną, słoneczną, wiatrową, geotermalną i biomasy).
Trzeba podkreślić, że te małe jednostki skojarzone (ang. CHP – Combined Heat and Power)
cechują się nowoczesnymi rozwiązaniami technicznymi, dzięki czemu posiadają: wysoką
sprawność (80 – 90%) wykorzystania energii chemicznej pierwotnego nośnika energii,
niezawodność, niewielkie gabaryty, niskie koszty inwestycyjne, bo wynoszące 200-400 USD/kW,
modułową konstrukcję, która umożliwia szybki montaż.
Aspekty kosztowe
Jednym z podstawowych czynników konkurencyjności generacji rozproszonej na rynku
energetycznym jest konkurencyjność kosztowa. Obliczenia wskazują, że koszty dostarczania
energii ze źródeł generacji rozproszonej są znacznie niższe od kosztów energii ze źródeł
scentralizowanych. Najważniejszą cechą źródeł rozproszonych jest ich ekwiwalent energetyczny
odpowiadający jako równoważna moc zainstalowana w źródle konwencjonalnym, która zastępuje
moc wprowadzoną przez źródła rozproszone, przy utrzymaniu zbliżonego poziomu niezawodności
dostaw energii. W takim przypadku w warunkach zliberalizowanego rynku energii, źródła
rozproszone okażą się prawdopodobnie mniej konkurencyjne. Podstawowym celem liberalizacji
rynku energii jest obniżenie cen energii dla odbiorców, a to oznacza nacisk na wytwórców, który
nie minie także generacji rozproszonej. Z drugiej strony, źródła rozproszone mogą oferować
większą elastyczność, także inwestycyjną.
Koszty paliwa stanowią podstawowy składnik kosztu wytwarzania skojarzonego, stąd też
podstawowym czynnikiem opłacalności inwestycji jest relacja ceny paliwa do cen sprzedaży
energii. W tych warunkach małe źródła generacji rozproszonej mogą okazać się atrakcyjnym
rozwiązaniem minimalizującym ryzyko inwestora. W ramach rozproszonej generacji oferuje się
rozwiązania modułowe o niskich nakładach inwestycyjnych i elastyczne pod względem przyszłej
lokalizacji.
Aspekty eksploatacyjne
Generacja rozproszona dzięki zbliżeniu się do odbiorcy cechuje się wyższą sprawnością ogólną
oraz dostosowaniem parametrów do wymagań odbiorców. Istotną cechą jest elastyczność źródła,
która dzięki modułowej konstrukcji jest łatwa do rozbudowy w wyniku wzrostu zapotrzebowania
na energię. Jak już wcześniej wspomniano, jednostki generacji rozproszonej charakteryzują się
sprawdzonymi technicznie rozwiązaniami o niskiej awaryjności. Trzeba mieć na uwadze, że
generacja rozproszona z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego całego systemu
powoduje pewne problemy, które przy obecnych możliwościach sprzętowych i programowych
systemów operatorskich można łatwo rozwiązać.
Aspekty środowiskowe
W generacji rozproszonej małe układy skojarzone (CHP) oraz odnawialne źródła energii (OZE), ze
względów ekologicznych – a przede wszystkim poziomu emisji do środowiska – wykazują zalety.
Technologie wykorzystujące OZE są bądź nieemisyjne, bądź charakteryzują się krótkimi cyklami
czasowymi procesów emisja – pochłanianie (neutralizacja).
Wytwarzanie skojarzone (kogeneracja) może znacznie przyczynić się do redukcji emisji gazów
cieplarnianych, np. emisja CO2 na jednostkę energii wytwarzanej w skojarzeniu może być
ograniczona o 90% w stosunku do elektrowni konwencjonalnej. Rozwojowi wykorzystania energii
odnawialnej w UE nadano priorytet, co znalazło swoje odzwierciedlenie w tzw. Białej Księdze
(1997 r.) oraz Dyrektywie nr 2001/77/EC (21.10.2001 r.) w sprawie energii odnawialnej, która
nakłada na członków obowiązek osiągnięcia w 2010 r. 22% (z obecnych 14%) energii odnawialnej
z tych źródeł.
Pomimo niewątpliwych zalet w postaci wyższej sprawności energetycznej oraz obniżania dzięki
temu emisji gazów cieplarnianych, kogeneracja napotyka na liczne trudności (niskie ceny energii
elektrycznej, wysokie ceny gazu ziemnego, rygory wynikające z konkurencji i liberalizacji rynku
energii). W celu rozwoju kogeneracji UE przedstawiła propozycję Dyrektywy – 2002/0185 (COD).
Celem tej Dyrektywy jest „stworzenie warunków” do promowania kogeneracji. Przepisy tej
dyrektywy zobowiązują państwa członkowskie do wdrożenia nowych jednostek kogeneracji o
wysokiej sprawności energetycznej, ułatwienia dostępu do sieci elektrycznych oraz ograniczenia
barier utrudniających rozwój kogeneracji.
Generacja rozproszona w krajowym systemie elektroenergetycznym
Głównymi czynnikami, które obecnie determinują rozwój rynku energii elektrycznej w kraju są
kierunki polityki gospodarczej rządu, ujęte w dokumencie „Założenia polityki energetycznej Polski
do roku 2020”, jak również działania wynikające z integracji kraju z UE.
Na rozwój generacji rozproszonej w kraju wpływ mają następujące czynniki: polityka energetyczna
państwa, cena energii elektrycznej, cena paliw i ich dostępność, stosowane procedury planowania,
możliwość zawierania kontraktów długoterminowych, liczba koncesji i ryzyko inwestycyjne.
Odpowiedni dobór układu skojarzonego ma bezpośredni wpływ na uzyskany efekt ekonomiczny.
Wielkość tego efektu rzutuje na podjęcie decyzji o instalacji urządzenia. Stąd też proces
podejmowania decyzji musi być wsparty dokładną analizą techniczno-ekonomiczną, która umożliwi
optymalny dobór układu skojarzonego.
W Polsce udział generacji rozproszonej jest niewielki i sprowadza się jedynie do energetyki
odnawialnej. Jego wielkość szacuje się w granicach 6%. Należy jednak mieć świadomość tego, że
potencjał źródeł odnawialnych w naszym kraju jest ograniczony, a zatem rację bytu mają: małe
układy skojarzone (CHP) wykorzystujące tłokowe silniki spalinowe zasilane gazem ziemnym,
turbiny gazowe, małe elektrownie wiatrowe, geotermia i biomasa.
Efektywność ekonomiczna jednostki generacji rozproszonej musi być analizowana ze strony gminy
jako podmiotu, gdzie projekt jest wdrażany, oraz ze strony inwestora kapitałowego (PSE SA,
PGNiG SA, regionalnych przedsiębiorstw infrastrukturalnych itp.).
Obecnie w Polsce największe szanse na rozwój mają cztery segmenty energetyki rozproszonej:
kogeneracja gazowa, małe elektrownie wodne, energetyka wiatrowa oraz biomasa. Wydaje się, że
najbardziej rentownym i wzbudzającym największe zainteresowanie jest segment kogeneracji
gazowej.
Niezbędne jest przygotowanie systemu teleinformacyjnego do zarządzania energetyką rozproszoną
w oparciu o nowe narzędzia informatyczne i nowe technologie telekomunikacyjne.
Obecnie w Polsce udział źródeł odnawialnych w pokryciu zapotrzebowania na energię elektryczną
wynosi ok. 2,3%. Natomiast udział małych jednostek produkujących energię elektryczną w
skojarzeniu z ciepłem wynosi ok. 1,5%. W nadchodzących latach przewiduje się w Polsce znaczący
przyrost mocy zainstalowanej w źródłach rozproszonych. Podstawę do takiego rozwoju stwarzają
zapisy zawarte w: Założeniach polityki energetycznej Polski do 2020 roku (2000 r.), Strategii
rozwoju energetyki odnawialnej (2000 r.), Rezolucji Sejmu RP w sprawie wzrostu wykorzystania
energii ze źródeł odnawialnych (z 8 lipca 1999 r.), Prawie energetycznym (1997 r.),
Rozporządzeniu MG w sprawie obowiązkowego zakupu energii elektrycznej ze źródeł
niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz wytwarzanej w skojarzeniu z wytwarzaniem ciepła, a
także ciepła ze źródeł niekonwencjonalnych i odnawialnych oraz zakresu tego obowiązku (15
grudzień 2000 r.).