Wielka energetyka kontra OZE cz. I

Część I

Na koniec 2011 r. w Polskim Systemie Elektroenergetycznym zainstalowana moc wytwórcza wyniosła 37 367 MW, w zdecydowanej większości w jednostkach opalanych węglem kamiennym bądź brunatnym. Elektrownie systemowe o dużej koncentracji masy budowane były w Europie, a także na świecie w latach 70-tych i 80-tych ubiegłego stulecia. U podstaw rozwoju tego rodzaju źródeł było przekonanie o efekcie synergii, co wyrażało się w obniżaniu nakładów inwestycyjnych na jednostkę mocy. Nie rozpatrywano wówczas kosztów związanych z wyprowadzeniem mocy, czy też kosztów związanych z ochroną środowiska. W latach 90-tych ubiegłego wieku pojawiła się w krajach wysoko rozwiniętych alternatywna filozofia rozwoju sektora energetycznego. Systematycznie doskonalona technologia budowy małoskalowych źródeł energii, a szczególnie farm wiatrowych, elektrowni biogazowych, a ostatnio także fotowoltaiki sprawiły, że rozproszone źródła energii stają się poważną alternatywą dla wielkoskalowej energetyki.
Najpoważniejszą wadą kondensacyjnych bloków energetycznych jest ich stosunkowo niska sprawność przemiany energii. Wynosi ona nieco ponad 30 %. Oznacza to, że pierwotna energia zawarta w paliwie jedynie w 33 – 35 % zamienia się w energię elektryczną. Pozostała energia to czyste straty i tak jak w przypadku Kozienic „służy” podgrzewaniu Wisły i okolicznej atmosfery. W prawdzie planowany blok energetyczny o mocy 1000 MW ma stosunkowo wysoką sprawność, wynosi bowiem ok. 45 %, ale jest to nadal niecałe 50 % wprowadzonej energii pierwotnej. Trzeba jednak zaznaczyć, że jest to niestety sprawność iluzoryczna. Wyprowadzenie tak olbrzymiej mocy z jednego miejsca będzie wymagało znacznej rozbudowy sieci przesyłowych i dystrybucyjnych, które spowodują dodatkowe straty związane z przyłączeniem i dystrybucją energii. Zanim wyprodukowana energia dotrze do odbiorcy, straty techniczne na przewodach linii energetycznych, a także w procesie wielokrotnej transformacji energii wyniosą kolejne 10 %. Zatem więc sprawność wypadkowa niestety pozostanie nadal na poziomie 35 % i w ten sposób efekt synergii zostanie wyzerowany.
Nowy blok energetyczny w Kozienicach opalany będzie węglem kamiennym dostarczanym prawdopodobnie z kopalni Bogdanka. Cena netto węgla energetycznego (miału) o wartości opałowej 24 MJ/kg wynosi średnio 400 zł/t. Przy sprawności przemiany energii 45 % dobowe zużycie węgla wyniesie 8 000 ton, a koszt zakupu paliwa netto to kwota 3 200 000 zł. Licząc w znacznym uproszczeniu, dla elektrowni kondensacyjnych dużych mocy koszt zakupu paliwa to ok. 70 % całkowitych kosztów eksploatacji elektrowni. Korzystając z tego uproszczenia koszt wyprodukowania 1 MWh wyniesie ok. 190 zł. Oczywiście nie uwzględniamy tutaj nakładów inwestycyjnych związanych z planowaną inwestycją. W tym miejscu należy podkreślić, że nie jest to energia użyteczna z punktu widzenia odbiorcy. Jest to można by rzec pewnego rodzaju „surowiec energetyczny”, który musi być poddany dość skomplikowanej obróbce, by stał się dobrem użytecznym. Wygenerowany w bloku energetycznym wielkiej mocy prąd elektryczny posiada zbyt niskie napięcie (rzędu kilkunastu kV) by można go przesłać na duże odległości. Musi zatem, za pośrednictwem transformatorów (autotransformatorów) blokowych być transformowany na wysokie napięcie – zwykle 400 kV bądź 220 kW i przesyłany do redukcyjnych stacji systemowych , gdzie z kolei napięcie to obniżane jest do poziomu 110 kV. Dla nielicznej grupy wielkich odbiorców jst to już napięcie robocze. Dla pozostałych odbiorców energia elektryczna podlega dolnej transformacji na poziom napięć średnich (15 kV, 20 kV) oraz dla tzw. drobnych odbiorców (gospodarstwa domowe, zakłady usługowe, małe zakłady produkcyjne) stanowiących 70 % wszystkich odbiorców, napięcie jest obniżane do poziomu 0,4 kV. Cały ten skomplikowany system przesyłania, dystrybucji i transformacji energii elektrycznej powoduje ogromne straty energii średnio o 10-12 %. Oczywiście utrzymanie i eksploatacja systemu przesyłowo – rozdzielczego to dodatkowe koszty. Stanowią one średnio dla kraju 90 % kosztów całkowitych produkcji energii elektrycznej. Tak więc koszt wyprodukowania wraz z jej dostawą wyniesie conajmniej 380 zł/ 1 MWh.
Istnieje obiegowa opinia, że produkcja energii w źródłach odnawialnych jest relatywnie droga. Przedstawmy zatem koszty produkcji energii elektrycznej w elektrowni biogazowej np. o mocy 1 MW, zakładając, że podstawowym surowcem energetycznym jest zielona masa kukurydzy. Z 1 t kiszonki kukurydzy otrzymuje się ok. 170 m3 biogazu. Przeciętna zawartość metanu w biogazie wynosi 60 %, a zatem z 1 t kukurydzy otrzymamy średnio 100 m3 metanu (CH4) o wartości energetycznej 35,7 MJ/m3. Przy sprawności przemiany energii w biogazowym bloku energetycznym – 84 % ze 100 m3 metanu otrzymamy 833 kWh energii. W warunkach Polski Wschodniej 1 tona zielonej masy kukurydzy kosztuje w granicach 80 zł, a zatem koszt surowca energetycznego na wyprodukowanie 1 MWh energii wyniesie 97 zł. Należy jednak pamiętać, że produkcja energii w elektrowni biogazowej odbywa sie w tzw. wysokospawnej kogeneracji. To znaczy, że następuje jednoczesna produkcja energii elektrycznej i ciepła. Dla powszechnie stosowanych bloków energetycznych firmy Jenbacher, 49 % wyprodukowanej energii to energia elektryczna, natomiast 51 % energii stanowi ciepło. A zatem ze 100 m3 metanu otrzymamy: 833 x 0,49 = 408 kWh energii elektrycznej oraz 833 x 0,51 = 425 kWh ciepła tj. 1530 GJ. W elektrowniach kondensacyjnych nadwyżki ciepła wytracane są w tzw. chłodniach kominowych. Porównajmy zatem koszty produkcji samej tylko energii elektrycznej w elektrowni biogazowej i elektrowni opalanej węglem. Korzyści wynikające z dodatkowej produkcji ciepła odłóżmy do odrębnego rozpatrzenia. Przyjmijmy więc, że z 1 t zielonej masy kukurydzy zostanie wyprodukowane w przybliżeniu 0,4 MWh energii elektrycznej, a koszt zużytego surowca wyniesie wówczas 200 zł na 1 MWh.
Przyjmując podobnie jak dla elektrowni systemowych dużej mocy, że koszty paliwa stanowią ok. 70 % kosztów całkowitych prowadzenia ruchu elektrowni, dla biogazowni rolniczej o mocy 1 MW uzyskamy koszt wyprodukowania 1 MWh energii elektrycznej w kwocie 286 zł. Należy podkreślić, że dla źródeł małoskalowych znacznie korzystniej niż dla elektrowni dużych mocy, przedstawiają się koszty dystrybucji, a także straty energii w procesie przesyłania i transformacji. Przyjmuje się, że dla źródła przyłączonego do sieci 15 kV, koszty dystrybucji nie przekraczają 10 % całkowitych kosztów produkcji energii, a straty w przesyle wynoszą ok. 3 %. Zatem cena wyprodukowania i dostarczenia energii elektrycznej do odbiorcy wyniesie 286 x 1,13 = 323 zł/ 1 MWh, jest to kwota ponad 17 % mniejsza niż dla nowoczesnego wielkiego bloku energetycznego o mocy 1000 MW.
O dalszych korzyściach wynikających z rozwoju źródeł generacji rozproszonej wkrótce w drugiej części artykułu. Zapraszamy.

Ryszard Rabiega