energia solarna - dr Tomasz Kruszyński
Transkrypt
energia solarna - dr Tomasz Kruszyński
Finansowanie Odnawialnych Źródeł Energii Wykład 1 dr Tomasz Kruszyński 1 Liczba zajęć: - 30 godz. - 15 h wykładów - 15 h ćwiczeń - 10 zjazdów (soboty) Forma zaliczenia: - obecność - kolokwium (wykłady) - wykonanie projektu (ćwiczenia) 2 Cel: •Znajomość podstawowych zagadnień polityki spójności i regionalnej Unii Europejskiej z uwzględnieniem zarządzania odnawialnymi źródłami energii (OZE). •Znajomość podstawowych zagadnień z zakresu polityki strukturalnej UE. Umiejętność wyszukiwania i pozyskiwania środków finansowych UE na projekty z zakresu OZE – przygotowywanie wniosków aplikacyjnych, podstawowych komponentów studium wykonalności/biznesplanu. 3 TEMATYKA: Wykłady: Ekonomiczne i prawne aspekty wykorzystania Odnawialnych Źródeł Energii (OZE) w Unii Europejskiej (UE), wprowadzenie do polityki spójności oraz polityki zrównoważonego rozwoju w Unii Europejskiej Administracja publiczna w polityce zrównoważonego rozwoju Instrumenty finansowania projektów z zakresu OZE Proces inwestycyjny Realizacja projektów („cykl życia”), ocena oddziaływania na środowisko (OOS) 4 TEMATYKA: Ćwiczenia: Wniosek aplikacyjny – projekty inwestycyjne: praca z generatorem wniosków. Wniosek aplikacyjny – projekty w programie operacyjnym „Kapitał Ludzki”: praca z generatorem wniosków. Elementy studium wykonalności i biznes planu: analiza finansowa, analiza kosztów i korzyści. 5 Literatura Literatura podstawowa: 1. Finansowanie projektów zasilanych ze środków funduszy unijnych, Praca zbiorowa pod nadzorem meryt. Ireny Herbst, Warszawa 2007 2. W. Jabłoński, J. Wnuk, Zarządzanie odnawialnymi źródłami energii, Sosnowiec 2009 Literatura uzupełniająca: 1. B. Bartniczak, M. Ptak, Finanse ochrony środowiska. Wybrane problemy, Wrocław 2009 2. W. M. Lewandowski, Proekologiczne odnawialne źródła energii, Warszawa 2007 3. W. Kosiedowski (red.), Samorząd terytorialny w procesie rozwoju regionalnego i lokalnego, Toruń 2005 4. W. Kietliński, J, Janowska, C. Woźniak, Proces inwestycyjny w budownictwie, Warszawa 2007 5. M. Pchałek, M. Behnke, Postępowanie w sprawie oceny oddziaływania na środowisko w prawie polskim i UE, Warszawa 2009 6 Przydatne odnośniki do portali w Internecie (http): www.mrr.gov.pl ec.europa.eu www.mos.gov.pl ec.europa.eu/eurostat fundusze.kujawskopomorskie.pl www.stat.gov.pl www.pois.gov.pl www.poig.gov.pl www.efs.gov.pl eur-lex.europa.eu isap.sejm.gov.pl www.ieo.pl energiaodnawialna.net www.nfosigw.gov.pl 7 Przedrostki jednostek miar w układzie SI peta (penta – pięć) P 1 000 000 000 000 000 = 1015 biliard tera (teras – potwór) T 1 000 000 000 000 = 1012 bilion giga (gigas – olbrzymi) G 1 000 000 000 = 109 miliard mega (megas – wielki) M 1 000 000 = 106 milion kilo (khilioi – tysiąc) k 1 000 = 103 tysiąc hekto (hekaton – sto) h 100 = 102 sto deka (deka – dziesięć) da 10 = 101 dziesięć 1 = 100 jeden decy (decimus – dziesiąty) d 0,1 = 10-1 jedna dziesiąta centy (centum – sto) c 0,01 = 10-2 jedna setna mili (mille – tysiąc) m 0,001 = 10-3 jedna tysięczna mikro (mikros – mały) µ 0,000 001 = 10-6 jedna milionowa nano (nanos – karzeł) n 0,000 000 001 = 10-9 jedna miliardowa piko (piccolo – mały) p 0,000 000 000 001 = 10-12 jedna bilionowa 8 ENERGIA - skalarna wielkość fizyczna opisująca stan materii i zdolność materii do wykonania pracy lub spowodowania przepływu ciepła energia potencjalna – energia jaką ma układ ciał umieszczony w polu sił zachowawczych, wynikająca z rozmieszczenia tych ciał energia kinetyczna – to energia ciała, związana z jego ruchem. energia cieplna energia elektryczna energia chemiczna energia jądrowa 9 WIELKOŚCI FIZYCZNE UŻYWANE W TERMODYNAMICE Dżul (J) – jednostka pracy, energii oraz ciepła w układzie SI 1J=1N*m N – Niuton – jednostka siły w ukł. SI Wat (W) – jednostka mocy lub strumienia energii w układzie SI ponadto Moc jest skalarną wielkością fizyczną określającą pracę wykonaną w jednostce czasu przez układ fizyczny 10 TERMODYNAMIKA – nauka o energii, dział fizyki zajmujący się badaniem energetycznych efektów wszelkich przemian fizycznych i chemicznych, które wpływają na zmiany energii wewnętrznej analizowanych układów Zerowa zasada termodynamiki (prawo równocenności stanów układów termodynamicznych) - jeśli układy A i B mogące ze sobą wymieniać ciepło są ze sobą w równowadze termicznej, i to samo jest prawdą dla układów B i C, to układy A i C również są ze sobą w równowadze termicznej Pierwsza zasada termodynamiki (prawo zachowania energii) - zmiana energii wewnętrznej układu zamkniętego jest równa energii, która przepływa przez jego granice na sposób ciepła lub pracy Druga zasada termodynamiki (prawo stałego wzrostu entropii) - w układzie termodynamicznie izolowanym, w dowolnym procesie entropia nigdy nie maleje Trzecia zasada termodynamiki (prawo dążenia entropii do 0 ze spadkiem temperatury) entropia układu o ustalonych parametrach (np. o stałym ciśnieniu lub objętości) i temperaturze zmierzającej do zera bezwzględnego zmierza również do zera (prawo Nernsta) Czwarta zasada termodynamiki (zasada Onsagera) 11 Kaloria (cal) – jednostka ciepła, definiowana jako ilość ciepła potrzebna do podgrzania, pod ciśnieniem 1 atmosfery, 1 g czystej chemicznie wody o 1 °C od temperatury 14,5 °C do 15,5 °C Tona oleju ekwiwalentnego (toe) – jest to równoważnik jednej metrycznej tony ropy naftowej o wartości opałowej równej 10.000 kcal/kg. Jest to jednostka stosowana w bilansach międzynarodowych Tona paliwa umownego (tpu) – jest to równoważnik jednej tony węgla kamiennego o wartości opałowej równej 7.000 kcal/kg. Jest to jednostka stosowana w bilansach międzynarodowych. Jednostki i czynniki konwersji: 1 J (dżul) 1 kW * h (kilowatogodzina) 1 GJ (gigadżul) 1 PJ (petadżul) 1 TW * a (terawatorok) 1 toe 1 Mtoe 1 cal = 2,778*10-7 kW*h = 3,6 MJ = 0,1 l ropy naftowej = 277,8 kW*h = 34 121 tpu (tony paliwa umownego) = 8760 kW* h = 31,54 PJ = 42 GJ = 11,36 TW*h = 4,1868 J 12 PODSTAWOWA TERMINOLOGIA Z ZAKRESU ENERGETYKI Energia pierwotna - energia zawarta w pierwotnych nośnikach energii pozyskiwanych bezpośrednio z zasobów naturalnych odnawialnych i nieodnawialnych Energia pierwotna odnawialna - energia uzyskiwana z naturalnych, stale powtarzających się procesów przyrodniczych. Energia pochodna - energia zawarta w pochodnych nośnikach energii, tj. nośnikach uzyskiwanych w procesach przemian energetycznych Pozyskanie - ilość energii uzyskana z naturalnych zasobów (dotyczy tylko nośników energii pierwotnej) Produkcja (uzysk) - ilość nośników energii wytworzonych w procesach przemian energetycznych (dotyczy tylko nośników energii pochodnej) Zużycie (finalne) końcowe - zużycie nośników energii przez konsumentów (przemysł, sektor usług, gospodarstwa domowe) na ich potrzeby technologiczne, produkcyjne i bytowe. Zużycie końcowe nie obejmuje przetwarzania na inne nośniki 13 Zużycie własne sektora energii - zużycie danego nośnika energii na potrzeby energetyczne przemian energetycznych Końcowe zużycie energii brutto - towary energetyczne dostarczane do celów energetycznych przemysłowi, sektorowi transportowemu, gospodarstwom domowym, sektorowi usługowemu, w tym świadczącemu usługi publiczne, rolnictwu, leśnictwu i rybołówstwu, łącznie ze zużyciem energii elektrycznej i ciepła przez przemysł energetyczny na wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła oraz łącznie ze stratami energii elektrycznej i ciepła podczas dystrybucji i przesyłania Przemiana energetyczna - proces technologiczny, w którym jedna postać energii (przeważnie nośniki energii pierwotnej) zamieniana jest na inną, pochodną postać energii. Energia zużywana w przemianie wykorzystywana jest na: – wsad przemiany (zużycie nośników energii stanowiących surowiec technologiczny przemiany, podlegających przetwarzaniu na inne nośniki energii), – potrzeby energetyczne przemiany (zużycie energii przez urządzenia pomocnicze obsługujące proces przemiany, takie jak: podajniki paliwa, napędy pomp i wentylatorów itp.). Moc osiągalna instalacji (moc zainstalowana) - maksymalna trwała moc z jaką urządzenia mogą pracować przy ich dobrym stanie technicznym i w normalnych warunkach eksploatacji 14 ROCZNE ZUŻYCIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ W PRZECIĘTNYM GOSPODARSTWIE DOMOWYM – 5 15 kWh / dzień 1 osobowe gospodarstwo domowe Niskie mniej niż 800 kWh Średnie 800 – 1,400 kWh Wysokie więcej niż 1,400 kWh 2 osobowe gospodarstwo domowe Niskie mniej niż 1,100 kWh Średnie 1,100 – 1,700 kWh Wysokie więcej niż 1,700 kWh 3 osobowe gospodarstwo domowe Niskie mniej niż 1,400 kWh Średnie 1,400 - 2100 kWh Wysokie więcej niż 2100 kWh więcej niż 4 os. gospodarstwo domowe Niskie mniej niż 1,700 kWh Średnie 1,700 – 2,500 kWh Wysokie więcej niż 2,500 kWh 15 16 OCHRONA ŚRODOWISKA W TEORII EKONOMII Ekonomia (nauka o:) - w jaki sposób społeczeństwo gospodarujące decyduje, co i dla kogo wytwarzać - jest nauką o gospodarowaniu oraz dokonywaniu wyborów Zasoby gospodarcze - zasoby ludzkie (kapitał ludzki, społeczny), - zasoby naturalne, - zasoby będące wynikiem wcześniejszej działalności człowieka (przetworzone) Środowisko przyrodnicze - ogół zasobów naturalnych oraz innych walorów biosfery, lub jej fragmentu: • klimat, • • • • łowiska obszary leśne, krajobrazy, surowce naturalne 17 krótka historia gospodarowania prehistoria starożytność i średniowiecze nowoczesność i ponowoczesność teorie wartości laborystyczna użyteczności krańcowej fizjokratyzm, merkantylizm rola środowiska geograficznego w rozwoju społeczno-gospodarczym determinizm geograficzny nihilizm geograficzny zasada ludnościowa T. Maltusa 18 teoria renty gruntowej Teoria Pigou efekty zewnętrzne optimum Pareta podatek Pigou teoremat Coase’a środowiskowa krzywa Kuznieca Keynesizm i ekonomia neoklasyczna 19 KRYZYS ENERGETYCZNY energetyka konwencjonalna 500 mld tpu – szacowane zużycie energii na rozwój cywilizacji ludzkiej - z czego 2/3 – XX w. wykładniczy charakter przyrostu zużycia energii przez ludzkość prognozy: - wer. 1 28 mld tpu w 2020 i 47,7 mld tpu w 2060 - wer. 2 21,6 mld tpu w 2020 i 29,5 mld tpu w 2060 drewno torf kopalne paliwa mineralne paliwa stałe: węgiel kamienny, brunatny, torf paliwa płynne: ropa naftowa, lekki i ciężki olej opałowy, olej napędowy, benzyna i inne) 20 Ogólnoświatowe zasoby paliw naturalnych Paliwo Zapasy znane Węgiel Ropa Gaz Uran 600 82,4 6,5 1,02 przypuszczalne 16 400 192,6 33,9 1,08 Rok wyczerpania jednostka Pg Pg Tm3 Pg znanych po 2060 2020 2012 2060 wszystkich po 2200 2050 po 2060 2200 całkowite zasoby paliw naturalnych (znanych jak i szacowanych) wystarczą na: węgiel – 200 lat ropa – 100 lat gaz – 150 lat zasoby węgla w Polsce – 54 700 mln ton - co przy obecnym zużycia na poziomie 117 mln ton/rok wystarczy na 470 lat 21 Źródła produkcji elektryczności na świecie [%] 63% węgiel / ropa en. nuklearna odnawialne źródła energii 17% 20% 22 KRAJOWE ZAPOTRZEBOWANIE NA ENERGIĘ roczne zużycie ciepła w Polsce – (2008) – 440 tys TJ roczne zużycie energii elektrycznej w Polsce -141 tys GWh 23 spalanie paliw naturalnych w procesie produkcji energii - zanieczyszczenia: spalinami tlenkami węgla – CO i CO2 tlenkami siarki - SO2 tlenkami azotu – NO i NO2 związkami organicznymi (węglowodory alifatyczne – parafiny oraz wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne – np. benzopiren) sadzą pyłami efekt cieplarniany gazy cieplarniane Nazwa gazu Udział w efekcie cieplarnianym Efektywność pochłaniania promieniowania podczerwonego w porównaniu do CO2 dwutlenek węgla(CO2) 50% 1 metan (CH4) 18% 30 freony 14% 10-20000 ozon (O3) 12% 2000 tlenki azotu (NOx) 6% 150 24 25 Zmiany emisji dwutlenku węgla ze spalania paliw kopalnych w historii (w milionach ton węgla, aby przeliczyć na miliony ton dwutlenku węgla, wartości należy przemnożyć przez 3.66) 26 27 czołowi emitenci CO2 w Unii Europejskiej w 2008 r Lp Państwo Emisja CO2 (mln ton) 1 Niemcy 427,7 2 Wielka Brytania 265,8 3 Włochy 220,8 4 Polska 207,2 technologia wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS) „szok naftowy” (1973) 28 29 odnawialne źródło energii (def.) - „źródło wykorzystujące w procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także biogazu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątek roślinnych i zwierzęcych” - art. 3, pkt 20 Ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo Energetyczne (nowelizacja z dnia 24 lipca 2004 definicja sektorowa (z dorobku nauk energetycznych) - źródło to (odnawialne) musi wykorzystywać w procesie wytwarzania energii takie paliwo, taki zasób, który jest odnawialny. Zatem powinno ono posiadać jedną z następujących własności: jego zasoby są uzupełniane nieustannie w procesach naturalnych, można nim zarządzać w sposób, który zapewnia, iż zapasy zasobów nigdy się nie uszczuplą, posiada zasoby tak ogromne, iż wyczerpanie ich przez ludzkość na obecnym poziomie rozwoju jest niemożliwe Nieodzownym elementem definicji jest również jak najmniejszy wpływ źródła energii na otaczające środowisko. W nauce podkreśla się, iż wszystkie postaci energii odnawialnej pochodzą z trzech źródeł: aktywności Słońca, geotermalnego ciepła Ziemi, sił grawitacji i ruchów planet oraz księżyca 30 rodzaje (źródła) OZE: nośniki energii udział proc. w światowej produkcji biomasa biopaliwa stałe biopaliwa ciekłe 92,5 energetyka wodna 5,5 energetyka wiatrowa 1,5 energia geotermalna 0,5 energia solarna fotowoltaika fototermika 0,05 31 Polska - moc zainstalowana w [MW] w OZE w latach 2005-2009 (bez technologii współspalania) stan na 31.12.2009 r. Rok 2005 Rok 2006 Rok 2007 Rok 2008 Rok 2009 Moc [MW] Moc [MW] Moc [MW] Moc [MW] Moc [MW] Rodzaj OZE Elektrownie na biogaz 32,00 36,80 45,70 54,61 71,62 Elektrownie na biomasę 189,80 238,80 255,40 232,00 252,49 83,30 152,00 287,90 451,00 724,68 922,00 931,00 934,80 940,57 945,20 1 227,10 1 358,60 1 523,80 1 678,18 1 993,99 Elektrownie wiatrowe Elektrownie wodne Łącznie 32 BIOMASA wykorzystywana jest na wszystkich końcowych rynkach zielonej energii. Do tej pory stanowi jedyny surowiec do produkcji biopaliw i alternatywnych paliw transportowych, - ponad 90% produkcji zielonego ciepła opiera się w na tym surowcu - w ok. 54% stanowi surowiec do produkcji zielonej energii elektrycznej - w Polsce produkujemy rocznie ok. 25 mln ton słomy z czego gnije bądź jest spalane na polach 8-12 mln ton - wytwarzanie energii cieplnej przy pomocy biomasy jest tańsze o 200% 300% niż konwencjonalnej - zwrot kosztów inwestycji w odpowiedni piec waha się od 2 - 4 lat biopaliwa stałe drewno słoma wierzba, topola, brzoza koszt inwestycji (kocioł na drewno) – 500-1000zł/kW fermentacja - gaz wysypiskowy i z oczyszczalni ścieków biopaliwa ciekłe zgodnie z polskimi normami - etanol tylko dodatek do paliwa tradycyjnego oleje roślinne (gł rzepakowy) - biodisel 33 BIOMASA ZALETY • duży potencjał techniczny (dostępność ziemi uprawnej) w niektórych regionach • utylizacja niektórych odpadów i ścieków • zagospodarowanie i wykorzystanie terenów pod uprawy WADY • konieczność prowadzenia uprawy • zajmowanie pod uprawę terenów cennych przyrodniczo • spalanie – wydzielanie szkodliwych substancji • jałowienie gleb 34 Kocioł na drewno Niewielki komercyjny system ogrzewania na biomasę, Kanada 35 Schemat instalacji biogazowej przy wysypisku odpadów komunalnych w Toruniu 36 Studnie biogazowe na składowisku 37 energetyka wodna największe tradycje w Polsce największe elektrownie: Żarnowiec, Żar-Porąbka, tama – Włocławek rodzaje elektrowni wodnych: − małe < 500 kW < duże − przepływowe − zbiornikowe − szczytowo-pompowe − pływakowe − OTEC (Ocean Thermal Energy Converter) ELEKTROWNIA RZEKA / JEZIORO MOC [MW] 1. Żarnowiec J.Żarnowieckie 716 2. Porąbka-Żar Soła 500 3. Włocławek Wisła 160,2 4.Żydawo Radew 150 5.Solina San 132 6.Niedzica Dunajec 92,6 7.Dychów Bóbr 79,5 8.Rożnów Dunajec 50 9.Koronowo Brda 25 10.Tresna Soła 21 38 Schemat elektrowni wodnej zbiornikowej i szczytowo-pomopowej 39 Elektrownia Włocławek 40 energetyka wiatrowa mała (autonomiczna) – do kilkudziesięciu kW duża (podłączona do sieci ogólnokrajowej) – kilkaset kW kilkadziedzisiąt MW aby uzyskać 1 MW mocy wirnik turbiny wiatraka powinien mieć średnice około 50 m rodzaje turbin – wolno-(<1,5), średnio-(1,5-3,5) i szybkobieżne (>3,5) – wyróżnik szybkobieżności bębnowe, rotorowe, wybrani producenci Vestas (Dania), Enercon (Niemcy), Zond (USA) – duże turbiny największe zainteresowanie, dynamika wzrostu i potencjał rozwojowy 41 ENERGIA WIATRU WADY ZALETY • czyste źródło energii • hałas • możliwość wykorzystania w gospodarstwach oddalonych od innych źródeł energii • ingerencja w krajobraz • zależność od pogody • dość wysoki koszt budowy • zakłócanie fal radiowych i telewizyjnych • zagrożenie dla ptaków i innych gatunków migrujących korzyść ekologiczna wyprodukowania 1 kWh = uniknięcie emisji: −5,5 SO2, −4,2 Nox, −700 g CO2, −49 g pyłów i żużlu 42 Produkcja z energii wiatru: - 2004: 142,3 [GWh], - 2005: 135,3 [GWh], - 2006: 388,4 [GWh] - 2007: 494,2 [GWh] - 2008: 790,2 [GWh] - 2009: 864,5 [GWh] - wzrost o ok. 600 % Źródła OZE postrzegane jako najbardziej atrakcyjne do inwestowania w Polsce 89,50% 64,30% 21,10% Wind Biomass Biogas 43 Schemat budowy turbiny wiatrowej Wirnik obraca się najczęściej z prędkością od 15 do 30 obrotów na minutę. Prędkość ta zostaje następnie zwiększona przez przekładnię do 1500 obrotów na minutę 44 1 MW Turbine Power Curve 1,200 Power (kW) 1,000 800 600 400 200 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Wind speed (m/s) Feasibility Study Development Engineering Turbines Balance of plant 0% 20% 40% 60% 80% Portion of Installed Costs 45 energia geotermalna pochodzi z praktycznie niewyczerpalnego źródła – gorące wnętrze kuli ziemskiej system odwiertów temperatura – 60-80 ºC głębokość zalegania - min 800 m para wodna może jednocześnie napędzać turbiny i produkować elektryczność trudność – znaczne zasolenie tych wód energia elektryczna – uzasadnienie - tylko b. gorące źródła ZALETY • czyste źródło energii WADY • nie wszędzie dostępna • droga instalacja • trudne technicznie utrzymanie • uwalnianie radonu i siarkowodoru 46 energia solarna podstawowe źródło energii dla Ziemi 27 mld MW dociera na Ziemię – tylko ok. 1 % wystarcza na pokrycie zapotrzebowania na całość energii dla ludzkości gęstość strumienia promieni słonecznych w roku w Polsce – 950 1250 kWh/m2 średnie roczne nasłonecznienie w Polsce – 1600 h 80% nasłonecznienia przypada w Polsce na okres wiosenno-letni – 16-8h szacowany roczny potencjał – 4Gj/m2 panele fotowoltaiczne i kolektory słoneczne 47 Energia Słoneczna ZALETY WADY • brak emisji zanieczyszczeń • atmosferycznych i gazów cieplarnianych ogniwa fotowoltaiczne budowane są z użyciem szkodliwych substancji • łatwe utrzymanie/ konserwacja urządzeń • • możliwość wykorzystania w gospodarstwach oddalonych od innych źródeł energii ustawione ogniwa zajmują dużą powierzchnię 48 Schemat systemu zasilania lokalnego przy użyciu paneli fotowoltaicznych 49 Mapa OZE w Polsce 50