Analiza istniejących na rynku technologii wytwarzania energii z punktu

W celu wskazania technologii dla nowej, planowanej inwestycji przez przedsiębiorstwo X przeprowadzono analizę istniejących na rynku technologii.

Jednym z ważnych celów rozwoju technologii wytwarzania energii elektrycznej z paliw konwencjonalnych w XXI wieku będzie zmniejszenie emisji CO2 do atmosfery. Cel ten może być osiągnięty między innymi przez [378]:

 zwiększenie sprawności elektrowni opalanych węglem,

 zwiększenie udziału skojarzonej produkcji energii elektryczne i cieplnej (kogeneracja),

 częściowe zastąpienie węgla gazem ziemnym w elektrowniach i elektrociepłowniach,

 zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych w wytwarzaniu energii elektrycznej.

Biorąc pod uwagę obecną strukturę źródeł wytwórczych w krajowym systemie elektroenergetycznym oraz założenia polityki energetycznej Polski założono, że rozwój źródeł wytwórczych w naszym kraju powinien odbywać się równolegle w trzech następujących grupach [379]:

 elektrownie systemowe,

 elektrociepłownie średniej i dużej mocy, pracujące w miejskich systemach ciepłowniczych oraz dużych zakładach przemysłowych,

 elektrownie i elektrociepłownie małej mocy (źródła rozproszone).

W poszukiwaniu technologii energetycznej dla planowanej inwestycji, która będzie optymalna w kontekście istniejącej struktury wytwórczej przedsiębiorstwa, istotne jest, aby wytypować z dostępnych na rynku technologii te, które potencjalnie mogą być atrakcyjne dla inwestora, ponieważ modelowanie całej gamy różnych technologii jest skomplikowane. Do najczęściej wykorzystywanych technologii do wytwarzania energii elektrycznej należą cztery technologie postrzegane jako możliwe do realizacji w ramach projektu inwestycyjnego przez przedsiębiorstwo X. Trzy z nich jako paliwo wykorzystują gaz ziemny, a jedna węgiel kamienny. Są to[358][273]:

 turbiny parowe pracujące w układzie skojarzonym z produkcją ciepła napędzane parą wytworzoną w procesie spalania węgla,

 turbiny gazowe pracujące w układzie skojarzonym z produkcją ciepła,

 układy gazowo-parowe (CCGT) pracujące w układzie skojarzonym z produkcją ciepła,

 silniki tłokowe pracujące w układzie skojarzonym z produkcją ciepła, zasilane gazem ziemnym.

Prowadzony od kilku lat w Polsce proces stopniowego wprowadzania gazu ziemnego do energetyki przyczynia się do uzyskania istotnych efektów energetycznych i ekologicznych [378]. Zastąpienie węgla gazem ziemnym w energetyce pozwala na [159][378]:

 zwiększenie sprawności wytwarzania energii, a przez to zwiększenie efektywności wykorzystania energii chemicznej paliwa,

 znaczne zmniejszenie szkodliwego oddziaływania źródła energii na środowisko przyrodnicze poprzez znaczne ograniczenie emisji SO2 i pyłów oraz istotne zmniejszenie emisji NOx i CO2 do atmosfery w porównaniu do paliw stałych, ograniczone jest również oddziaływanie związane z zagospodarowaniem odpadów,

 zmniejszenie nakładów inwestycyjnych i skrócenie czasu budowy źródła energii, dzięki czemu inwestorzy mogą liczyć na tańsze finansowanie zewnętrzne.

Gazowe źródło energii może być zaprojektowane jako źródło obciążenia podstawowego lub, dzięki elastyczności operacyjnej, jako źródło szczytowe; w tym ostatnim przypadku, źródło pracuje tylko wtedy, gdy popyt na energię elektryczną i jej ceny są wystarczająco wysokie [2][3].

106

Źródła energii zaprojektowane dla uzyskania dużej elastyczności operacyjnej wykorzystują najczęściej układ technologiczny z turbiną gazową (rzadziej z silnikami dużej mocy). Cechą takich układów jest krótki czas rozruchu. W systemie pełnią one rolę źródeł szczytowych, pracujących w okresach dużego zapotrzebowania na energię elektryczną. Wadą takich układów jest skrócona żywotność ze względu na często powtarzające się procesy odstawień i rozruchów. Z uwagi na prosty układ technologiczny, są to układy względnie tanie inwestycyjnie i łatwe do instalacji [57].

Szczytowe źródła systemowe wykorzystujące gaz ziemny są obecnie postrzegane jako mało konkurencyjne w stosunku do innych szczytowych źródeł energii. Mimo niskich nakładów, wysokie koszty paliwa powodują wysokie jednostkowe koszty wytwarzania energii, wyższe niż w innych technologiach [57].

Źródła gazowe są dość stabilnym elementem systemu elektroenergetycznego. Ich produkcja jest przewidywalna. Znacznie większą nieprzewidywalnością produkcji charakteryzują się źródła rozproszone (np. elektrownie wiatrowe). Duży udział źródeł rozproszonych w systemie powoduje zwiększenie zapotrzebowania na utrzymywanie rezerw systemowych, zwykle w postaci źródeł gazowych [57].

Małe źródła pracujące w skojarzeniu, poza produkcją ciepła i energii elektrycznej, mogą świadczyć usługi systemowe, co jednak wiąże się z dodatkowymi kosztami związanymi z dostosowaniem układu i pogorszeniem efektywności wykorzystania paliwa oraz może pojawić się problem ograniczenia przychodów ze świadectw pochodzenia [57].

Uważa się, że źródła gazowe obarczone są ryzykiem cenowym, ciągłości dostaw i politycznym, jednak sytuacja ta dzięki interkonektorom i gazoportowi wydaje się poprawiać, choć niezbędna budowa sieci gazociągów i infrastruktury postępuje wolno.

Źródła energii z turbinami gazowymi, w szczególności układy gazowo-parowe, należą obecnie do najszybciej rozwijających się w świecie technologii energetycznych. Wynika to z bardzo szybkiego postępu technologicznego, umożliwiającego stosowanie coraz wyższych parametrów czynnika roboczego na wylocie z komory spalania i coraz większych mocy jednostkowych. Równoległym nurtem rozwojowym jest poszukiwanie nowych, niekonwencjonalnych rozwiązań, które pozwoliłyby na uzyskiwanie sprawności wyższej niż możliwa do uzyskania w obiegu prostym [30]. W ramach tego drugiego nurtu rozważane są koncepcje złożonych układów z wykorzystaniem turbin gazowych. Najszersza paleta rozwiązań dotyczy układów gazowo-parowych implementowanych zarówno w elektrowniach jak i elektrociepłowniach w układzie zwanym szeregowym lub Combined Cycle. Równolegle poszukiwane są inne rozwiązania [30].

Jedną z takich technologii jest skojarzona produkcja ciepła i energii elektrycznej

(Combined Heat and Power – CHP) odbywająca się w tym samym systemie wytwórczym

i przy wykorzystaniu jednego (dla obu procesów) rodzaju paliwa pierwotnego. Daje ona wiele korzyści natury termodynamicznej, energetycznej, ekonomicznej, ekologicznej, a także społecznej [190][276][312].

Skojarzona produkcja jest możliwa, dlatego że ciepło pozostałe po wytworzeniu energii elektrycznej nie jest rozpraszane, lecz odbierane i wykorzystywane do celów grzewczych, bądź technologicznych. Skrócenie łańcucha nieodwracalnych przemian termodynamicznych prowadzi do wzrostu sprawności energetycznej i egzegetycznej, a tym samym także do zwiększenia oszczędności zużywanej energii pierwotnej, zwiększenia opłacalności ekonomicznej procesu produkcji energii oraz do ograniczenia emisji CO2 i innych zanieczyszczeń gazowych, jak również stałych, takich jak popioły i żużle [276][312][273]. Oszczędność paliwa wynosi od 10 do 40%, przez co kogeneracja jest uważana za zaawansowaną technologię redukcji emisji ditlenku węgla [211][310].

Proces wytwarzania obu tych rodzajów energii jest ze sobą ściśle powiązany, co oznacza, iż produkcja ciepła wymusza produkcję energii elektrycznej i na odwrót. Może on

107

znaleźć zastosowanie jedynie w miejscach, w których występuje równoczesne zapotrzebowanie na energię cieplną i elektryczną. Źródła kogeneracyjne mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie istnieje zapotrzebowanie na ciepło grzewcze lub technologiczne, dlatego też zwykle elektrociepłownie lokalizowane są w miastach lub zakładach przemysłowych. Mogą one mieć różne moce elektryczne i cieplne, o których decyduje jednak popyt na ciepło [231].

Wymienione zalety układów skojarzonych, zwłaszcza zaś możliwość zmniejszenia zużycia surowców energetycznych oraz ograniczenia szkodliwego oddziaływania na środowisko, mają istotny wpływ na poprawę bezpieczeństwa energetycznego kraju [276][310]. W krajach rozwiniętych kilkanaście lat temu na masową skalę zaczęto budować elektrociepłownie na bazie silników spalinowych i turbin gazowych zasilanych gazem ziemnym i innymi paliwami gazowymi. Układy te do dnia dzisiejszego znajdują zastosowanie zarówno w gospodarce komunalnej i w przemyśle [309].

Technologie kogeneracji gazowej są obecnie wspierane w Unii Europejskiej ze względu na dużą efektywność wykorzystania paliwa, większą niż w przypadku rozdzielonej produkcji energii elektrycznej i ciepła [58]. Ważną przesłanką, przemawiającą za budową układów skojarzonych zasilanych gazem, jest także zmieniająca się w Polsce struktura cen energii elektrycznej, ciepła i gazu ziemnego [311].

Wiodąca rola produkcji ciepła sprawia, iż elektrociepłownie, w porównaniu z elektrowniami wytwarzającymi jedynie energię elektryczną, ze względu na mniejszą elastyczność, mają ograniczone możliwości konkurowania na wolnym rynku energii elektrycznej, dlatego pomimo wyraźnych zalet układy skojarzone nie zastąpią całkowicie rozdzielonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Jednak ich stosowanie wpłynie korzystnie na bilans energetyczny kraju oraz na strukturę zużycia paliw pierwotnych [231].

Dalszy wzrost efektywności wytwarzania energii uzyskuje się poprzez decentralizację jej produkcji, dzięki czemu znacznie ogranicza się straty przesyłania jej do odbiorców. W obliczu tych faktów następuje szybki rozwój technologii układów kogeneracyjnych małych mocy i mocy mikro [215].

W ostatnim dziesięcioleciu dużą popularność w krajach wysokorozwiniętych zyskały małe układy kogeneracyjne, oparte na silnikach spalinowych bądź na turbinach gazowych, umożliwiające produkcję energii blisko miejsca jej zapotrzebowania [163][309][311][312]. Wcześniej urządzenia te (silniki spalinowe i turbiny gazowe) były instalowane prawie wyłącznie jako siłownie szczytowe lub układy zasilania awaryjnego. Pojawienie się układów CHP (Combined Heat and Power) małej mocy umożliwiło budowę elektrociepłowni dopasowanych bardzo precyzyjnie do potrzeb najmniejszych nawet odbiorców i stało się niewątpliwie punktem przełomowym w urynkowieniu całego sektora elektroenergetycznego [163][311].

Za stosowaniem układów kogeneracyjnych zasilanych paliwami gazowymi przemawia wiele przesłanek, wśród których do najważniejszych można zaliczyć [309][310]:

 optymalne dopasowanie układu do potrzeb indywidualnego odbiorcy,

 wysokie sprawności energetyczne urządzeń i bardzo małe wskaźniki emisji zanieczyszczeń,

 postęp techniczny w budowie turbin gazowych oraz zasilanych gazem tłokowych silników spalinowych, połączony ze wzrastającą podażą tych urządzeń na rynku,

 możliwość spalania gazów niskometanowych,

 małe rozmiary elektrociepłowni i praktycznie bezobsługowa eksploatacja,

 korzystne wskaźniki ekonomiczne dla inwestycji, a przede wszystkim krótkie okresy zwrotu nakładów (nawet poniżej 3 lat),

 konkurencja na rynku paliw i energii oraz rozwój lokalnych rynków nośników energii,

 odpowiednia polityka energetyczna, zachęcająca do inwestowania w układy kogeneracyjne,

108

 znaczna liczba układów technologicznych ciepłowni komunalnych wymagających modernizacji ze względu na zawansowany wiek urządzeń,

 potrzeba obniżenia emisji zanieczyszczeń związanej ze spalaniem paliw stałych.