aspekty techniczno ekonomiczne wykorzystania wybra - MANHAZ

Prof. dr hab. inż Antoni Dmowski
mgr inż. Piotr Biczel
mgr inż. Bartłomiej Kras
Instytut Elektroenergetyki
Politechniki Warszawskiej
ASPEKTY TECHNICZNO EKONOMICZNE WYKORZYSTANIA WYBRA-
NYCH ODNAWIALNYCH ŹRÓDEŁ ENERGIIW ENERGETYCE
1. Wstęp
Wzrastający poziom życia ludzkości powoduje coraz większe zużycie energii. Ze względu na swoją
uniwersalność najłatwiej używaną dzisiaj formą energii jest energia elektryczna. Energię elektryczną produkuje
się najczęściej w elektrowniach cieplnych. W elektrowniach cieplnych energia kopalin (węgla
kamiennego, ropy i gazu) zostaje w procesie spalania zamieniana na ciepło i prąd elektryczny. Niestety
przemianie energii zmagazynowanej w kopalinach w wyższą formę np. elektrycznej towarzyszy powstawanie
wielu szkodliwych i uciążliwych dla otoczenia związków chemicznych. Najważniejsze z nich to
związki azotu - NOx, węgla CO i CO2, siarki itp. Podobne związki są także emitowane w spalinach silników
pojazdów. Stale wzrastająca zawartość CO2 w atmosferze powoduje pojawienie się tak zwanego
efektu cieplarnianego. Z tego powodu przewiduje się, że w latach 2050 średnia temperatura na ziemi
wzrośnie około 3 0 C. Na zlecenie Komisji Europejskiej 19 naukowców z różnych Uczelni zachodnio –
Europejskich opracowało scenariusz zużycia energii w Europie w przedziale od 1990 do 2050 roku. [L1]
Wyniki tej analizy przedstawia rysunek 1. Zgodnie z tą prognozą w roku 2050 podstawowymi źródłami
energii będą źródła odnawialne
(OZE). Rola pierwotnych kopalin
znacznie spadnie w wyniku znacznego
wzrostu kosztu ich wydobycia.
Autorzy referatu nie zgadzają się całkowicie
z wynikami analizy przedstawionymi
na rysunku 0. Wychodzą
z założenia, że lepiej będzie przerobić
węgiel, gaz, ropę naftową na użyteczne
materiały budowlane, ubranie lub
inne środki produkcji. Dlatego wciąż
powinna rosnąć rola odnawialnych
źródeł energii. Dodatkowo należy
wziąć pod uwagę, że ze względów
węgiel
atom
gaz
społecznych i politycznych udział energii atomowej w produkcji energii elektrycznej zostanie początkowo
ograniczony. Wykluczamy jednak całkowitą rezygnację z tego najczystszego źródła energii i przewidujemy
w późniejszym okresie ponowny jego rozwój.
olej
woda
słońce
wiatr
biomasa
1990 2000 2010 2020 2030 2040 2050
Rys. 0. Prognoza wykorzystania energii pierwotnej.
2. Odnawialne źródła energii na świecie i w Polsce.
Tabele nr 1, 2, 3 [L 1, 2, 3] przedstawiają możliwości wykorzystania energii pochodzącej ze
źródeł odnawialnych na świecie i w Polsce. Przy produkcji energii elektrycznej ze źródeł :
- geotermalnych,
- biomasy,
- kolektorów słonecznych
zastosowanie elektrotechniki jest drugorzędne. W pozostałych źródłach energii odnawialnej do których
należą:
- fotowoltaika,
- energetyka wiatrowa,
- energetyka wodna
11-1

energia elektryczna jest bezpośrednio produkowana przy udziale urządzeń elektrycznych. Z tego
powodu autorzy referatu w dalszej części skoncentrują się głównie nad tym zagadnieniem.
Zasoby
Technologia
Potencjał
energetyczny
[mln tpu/a]
Rozmieszczeniezasobów
Intensywność
pozyskiwania
energii
Zmiany
gęstości
energii
Opcje technologiczne
Stopień
rozwoju
technologii
Dyspozycyjność
Elementy
wymagające
doskonalenia
Charakterystyka
środowiskowa
Tab. 1. Charakterystyka źródeł odnawialnych.
Energia słoneczna Energia wiatrowa Energia geotermalna Energia z biomasy Mała energetyka
wodna
10,7 0,3 4,0 5,3 0,3
cały kraj
niksa, średnio ok.
1000 kWh/m 2 /rok
dzienna, sezonowa,
zależna od
pogody
kolektory wodne
lub powietrzne,
energia słoneczna
doskonalona,
częściowe zastosowaniakomercyjne

Wydaje się, że najczystszą formą pozyskania energii elektrycznej jest konwersja fotowoltainczna.
W rzeczywistości tak nie jest. Mimo, że sama produkcja energii nie wiąże się z prawie żadnymi
obciążeniami dla środowiska, to wykonanie skomplikowanej struktury półprzewodnikowej powoduje
wyemitowanie znacznych ilości zanieczyszczeń.
Wykres ilości emitowanego dwutlenku węgla pokazuje rysunek 1. Wykresy emisji innych zanieczyszczeń
również wskazują na znaczne wartości dla źródeł fotowoltaicznych.
1250
1000
750
[t/GWh]
500
250
0
węgiel
kamienny
węgiel
brunatny
gaz ziemny panele
słoneczne
technika
nuklearna
emisja związana z
produkcją
inna emisja
wiatraki elektrownie
wodne
Rys. 1. Emisja CO2 związana z produkcją energii elektrycznej.
3. Współpraca źródeł odnawialnych z energetyką profesjonalną.
W systemach energetycznych występuje znane od lat zjawisko „obciążenia szczytowego”. Bardzo
ogólnie można powiedzieć, że zjawisko obciążeń szczytowych może występować w cyklach dziennych,
tygodniowych oraz w zależności od pory roku. Występowanie „szczytów” obciążeń energetycznych zmusza
energetykę zawodową do budowy elektrowni szczytowych lub utrzymywania „gorącej rezerwy” w
elektrowniach związanych z systemem energetycznym. Problemy obciążeń szczytowych będą stawały się
coraz bardziej poważniejsze w miarę dołączania do systemu energetycznego coraz większej ilości źródeł
alternatywnych (odnawialnych). Wynika to z faktu, że okres dostarczania maksymalnej ilości energii
przez źródła odnawialne nie musi pokrywać się ze szczytami obciążeń w systemie energetycznym. Jest
rzeczą ogólnie znaną, że ilość energii dostarczana przez źródła odnawialne zależy od:
1. siły wiatru (elektrownie wiatrowe);
2. intensywności promieniowania słonecznego (elektrownie fotowoltaiczne – kolektory słoneczne);
3. ilości wody (małe elektrownie wodne).
Ponieważ, jak napisano wcześniej, maksimum dostarczonej mocy przez źródła odnawialne bardzo rzadko
pokrywa się z szczytami obciążeń systemu energetycznego powoduje to konieczność zwiększenia „gorącej
rezerwy systemu”. Tą gorącą rezerwą syste-
mu może być:
1. utrzymanie pewnej ilości turbozespołów
przy obniżonym obciążeniu w elektrowniach
cieplnych;
2. wykorzystanie szczytowo pompowych
elektrowni wodnych;
3. wykorzystanie elektrowni z turbinami
gazowymi;
4. wykorzystanie urządzeń z możliwością
magazynowania lub wytwarzanie energii
w źródłach chemicznych.
Rys. 2. Schemat blokowy wyspowej elektrowni fotowoltaiczno
wiatrowej.
11-3

Niemieckie przedsiębiorstwa dystrybucyjne, na których terenie znajduje się bardzo dużo siłowni
wiatrowych, szacują, że niezbędna rezerwa w systemie powinna wynosić ok. 10%.
Do magazynowania energii w krótkim okresie (np. 1 tydzień) mogą być wykorzystywane np.
baterie ołowiowo kwasowe. Do magazynowania przez długi czas (np. 0,5 roku) oraz do wytwarzania
energii mogą być użyte ogniwa paliwowe.
3.1. Elektrownie z krótkim okresem magazynowania energii..
Rysunek 2. przedstawia schemat blokowy wyspowej elektrowni fotowoltaiczno - wiatrowej, w
której do magazynowania energii zastosowano baterię chemiczną (np. żelową). Użyta w tym przypadku
bateria chemiczna służy do pokrycia zapotrzebowania energetycznego odbiornika w przypadku
braku oświetlenia słonecznego lub braku wiatru. Rysunek 3. przedstawia ilość energii produkowanej
w opisywanej elektrowni wyspowej w zależności od pory roku.
P/Pobc.
1,60
1,40
1,20
1,00
0,80
0,60
0,40
0,20
0,00
Luty
Marzec
Maj
Czerwiec
Lipiec
Rys. 3. Roczny rozkład ilości wyprodukowanej energii.
Na podstawie analizy rysunku 3. można zauważyć, że w miesiącach zimowych wystąpi deficyt
energii. Rozwiązanie tego problemu może nastąpić w wyniku zastosowania innego magazynu energii
elektrycznej o długim czasie przechowywania. Rysunek 4. przedstawia schemat blokowy urządzenia
energetycznego, które zaczyna być stosowane w krajach wysoko rozwiniętych (USA, Niemcy, Japonia,
Wlk. Brytania, Kanada) do ograniczenia obciążeń szczytowych w systemach energetycznych.
Przedstawione na schemacie (rys. 4) urządzenie – zwane często zasobnikiem energii – pobiera
energię z systemem w czasie doliny obciążenia. Energia ta jest następnie magazy
nowana w baterii chemicznej (ołowiowej). W czasie szczytu obciążenia energia ta przez
przetwornicę DC/AC jest przekazywana do sieci energetycznej. Ze względu na użyty
magazyn energii układ nadaje się do
wyrównywania obciążeń systemu
energetycznego w cyklu dobowym lub
tygodniowym. W cyklu długo okresowym np.
1÷5 miesięcy duża ilość energii magazynowej
w baterii chemicznej jest tracona. Powoduje
to, że opisane urządzenie nie spełnia swojego
zadania.
Rys. 4. Schemat blokowy zasobnika energii.
11-4
Listopad

3.2. Ogniwo paliwowe jako długo okresowy magazyn energii elektrycznej
Magazynowanie energii od lat jest problem, nad którym pracują zespoły inżynierów i naukowców z całego
świata. Zmagazynowanie dużej lub bardzo dużej ilości energii na długi czas pozwoli na rozwój wielu
dziedzin techniki np. popchnie przemysł motoryzacyjny na drogę pojazdu elektrycznego. Poszukuje się
rozwiązania tego problemu przez rozwój technologii baterii chemicznych, budowę układów akumulatorów
mechanicznych tzw. wirujących kół lub
budowę superkondensatorów. Wszystkie te
techniki nie pozwalają jednak na dłuższe
przechowywanie bardzo dużych ilości
energii. Nie spełnią więc opisanych wyżej
wymagań wyrównywania mocy w systemie
energetycznym w długim okresie czasu.
Poszukiwanie źródeł energii o bardzo
dużej gęstości mocy na potrzeby programów
kosmicznych zwróciło uwagę badaczy
na wynalazek Wiliama Grove’a z
1837 r. – ogniwo paliwowe. Bezpośrednią
przyczyną tego stało się wynalezienie
efektywnego elektrolitu niezbędnego do
pracy tego urządzenia. W konsekwencji
rozwijano technologię wytwarzania i
przechowywania wodoru.
Rys. 5. Zasada działania ogniwa paliwowego.
Dzisiaj wielu specjalistów od przechowywania
i wytwarzania energii elektrycznej upatruje w technologii wodorowej przyszłości
energetyki.
Wynika to z kilku przesłanek:
- nieograniczonych zasobów wodoru;
- braku emisji szkodliwych związków;
- wysokiej sprawności wytwarzania energii z wodoru;
- możliwości budowy wysokosprawnych małych siłowni.
Działanie ogniwa paliwowego opera się na reakcji syntezy wody na drodze elektrochemicznego
„spalania” wodoru, czyli na odwróconej elektrolizie wody.
Budowę ogniwa paliwowego prezentuje rysunek 5. Anoda i katoda rozdzielone są przez elektrolit,
który przepuszcza tylko dodatnio naładowane jony wodoru H + - protony. Elektrody (anoda, katoda)
pokryte są warstwą katalizatora i umożliwia przepływ elektronów (prądu użytecznego) na
zewnątrz ogniwa.
Na obecnym etapie rozwoju ogniw paliwowych wodór zastąpiono innymi „paliwami” np. metanolem,
gazem ziemnym itp.
3.3 Różne przykłady wykorzystania ogniw paliwowych
W krajach wysoko uprzemysłowionych
wybudowano już kilkadziesiąt instalacji wykorzystujących
ogniwa paliwowe do generowania
energii elektrycznej. Poniższe zdjęcia
prezentują kilka z nich. Układy te można podzielić
na generacyjne i szczytowe.
Rysunek 6. pokazuje generator firmy Balard
o mocy 250 kW.
11-5
Rys. 6. Generator z ogniwem paliwowym o
mocy 250 kW firmy Ballard Power Systems.

Rysunek 7. przedstawia instalację pięciu generatorów firmy Inetrnational Fuel Cells o mocy 200
kW każdy zasilający rejonowy urząd poczty USPS w Anchorage na Alasce.
Kolejny rysunek 8. jest wart szczególnej uwagi. Przedstawia on schemat blokowy szczytowej elektrowni
o mocy 15 MVA i energii 120 MWh, którego budowę rozpoczęła Innogy Technology Ventures Ltd. w Little
Barford w Wielkiej Brytanii. Przybliżony koszt budowy takiej instalacji wynosi 21 mln. USD.
Rys. 7. Elektrownia o mocy 1MW w Anchorage na
Alasce.
4. Instalacje z ogniwami paliwowymi w Polsce
Rys. 8. Projekt elektrowni szczytowej z ogniwami
paliwowymi.
Z posiadanych przez autorów informacji wynika, że opisany w tym rozdziale i pokazany na rysunku
9. układ jest jedyną w Polsce instalacją wykorzystującą ogniwo paliwowe do produkcji energii
elektrycznej.
System składa się z dwóch paneli fotowoltaicznych
o mocy 110W, ogniwa paliwowego
o mocy 50W firmy Heliocentris
GmbH, baterii chemicznej, układu przetwarzania
energii i układu sterowania.
Układ ma zasilać odbiornik o mocy 40W.
W tym układzie zadaniem ogniwa paliwowego
jest dostarczenie energii do odbiornika
w okresie deficytu mocy pochodzącej
ze słońca, głównie w okresie jesienno
zimowym i nocą. W dalszej perspekty-
Rys. 9. Elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym.
wie zostanie dołączony elektrolizer, którego
zadaniem będzie przetworzenie nadwyżki
energii słonecznej, występującej w
okresie letnim, na wodór. Wodór ten zostanie wykorzystany do wytworzenia prądu w ogniwie paliwowym
w okresach niedoboru energii.
5. Koszty związane z odnawialnymi źródłami energii
W dobie gospodarki rynkowej i liberalizacji sektora energetycznego bardzo ważną sprawą staje
się opłacalność inwestycji. Odnawialne źródła energii nie stanowią tutaj wyjątku. Obecnie na świecie
i w Europie rozwój OZE jest wspomagany przez liczne zachęty finansowe, wakacje podatkowe,
dotacje itp. Duży wzrost liczby jednostek wytwórczych będzie jednak możliwy dopiero wtedy, gdy
budowa siłowni wykorzystujących źródła odnawialne będzie się po prostu opłacała. Należy podkreślić,
że opłacalność ta powinna wynikać warunków rynkowych a nie z dotowania tego sektora. W
Polsce właśnie tworzony jest rynek energii. Można stwierdzić, że w warunkach konkurencji rynkowej
zwiększenie udziału energii wytworzonej w źródłach odnawialnych w produkcji energii w kraju
jest niemożliwe. Dlatego, aby wypełnić wymogi Unii Europejskiej, należy stworzyć odpowiednie
11-6

narzędzia wspomagania finansowego tych przedsięwzięć. Rozwój taki nie wynika jednak z sytuacji
rynkowej, jest sztucznie wspomagany i może w przyszłości mieć negatywny wpływ na ten sektor.
Nie ulega jednak wątpliwości, że rozwój energetyki odnawialnej w Polsce jest konieczny. Wynika
to z przesłanek wymienionych w rozdziale 1. Dlatego zgadzamy się na sztuczne forsowanie
„opłacalności” inwestycji.
Gdzie leżą przyczyny kłopotów ze efektywnością energetyczną tych elektrowni?
Do głównych elementów należy tutaj wymienić:
• niską sprawność urządzeń (przede wszystkim paneli fotowoltaicznych),
• wysokie koszty wytworzenia urządzeń (np. ogniwa paliwowe),
• brak możliwości ścisłego przewidzenia ilości wyprodukowanej energii (słońce, wiatr, woda).
Innego rodzaju hamulcem jest brak norm dotyczących urządzeń związanych z energetyką odnawialną,
który skutkuje często irracjonalnym oporem urzędników przed wydawaniem decyzji
sprzyjających budowie nowych obiektów.
Jakie elementy wchodzą w skład kosztów budowy instalacji?
Autorzy widzą następujące podstawowe pozycje kosztów mające decydujący wpływ na opłacalność
inwestycji:
• opracowanie analiz opłacalności i badanie zasobów;
• koszty zewnętrznego monitoringu i kontroli;
• konsultacje, opracowanie i nadzór na instalacją;
• zakup lub dzierżawa gruntów pod budowę oraz ewentualnej zmiany przeznaczenia ziemi;
• koszt zakupu urządzeń;
• transport; załadunek i wyładunek;
• plany, zezwolenia, przygotowanie terenu, budowa;
• podłączenie do sieci energetycznej, płace dla osób uprawnionych do wykonania podłączenia.
Szczególną rolę pełnią tutaj badania zasobów. W wypadku energetyki wiatrowej i słonecznej są
one bardzo kosztowne i długotrwałe. Wymagają zastosowania specjalistycznego sprzętu i oprogramowania.
Wysoka cena tych badań oraz czas ich trwania wpływają niekorzystnie na bilans inwestycji.
Są one jednak wymagane przez wszystkie instytucje wspomagające rozwój OZE.
Obecnie stosowane są zachęty finansowe w postaci dotacji i preferencyjnych kredytów. Rozwiązania
te są jednak niewystarczające. Dotyczą indywidualnych przypadków, wymagają przygotowywania
szczegółowych wniosków i analiz opłacalności oraz poważnego wkładu własnego. Niezbędne
jest wprowadzenie dalszych czynników, które miałyby charakter bardziej powszechny. Organizacje
zajmujące się rozwojem OZE proponują następujące rozwiązania:
• ustalenie minimalnej ceny zakupu energii ze źródeł odnawialnych;
• wprowadzenie zerowej stawki VAT na urządzenia do pozyskiwania energii;
• zniesienie cła;
• wakacje podatkowe dla firm zajmujących się energetyką odnawialną.
6. Literatura
1. Dmowski, Biczel, Iwaszko, Kras: Układ niekonwencjonalnego gwarantowanego źródła zasilania z ogniwem paliwowym. Podstawowe
Problemy Energoelektroniki i Elektromechaniki, PTETIS, Wisła 11 – 14.12.2000.
2. Dmowski, Kras Szczupak: Wind-Solar Power Plant With The Chemical Battery. Ogólnopolskie Forum Odnawialnych Energii,
Jurata 1999
3. Fakty i Dokumenty czasopismo PSE nr 1/2000
4. Hartkopf Thomas: Mini Storage Systems. MICRO.tec 2000 Proceedings Volume 1 p. 436. Exxpo 2000, Hannover, Germany
5. Dmowski: Materiały do wykładu o odnawialnych źródłach energii – RWTH Aachen
6. Polskie uwarunkowanie odnośnie odnawialnych źródeł energii W. Sz. F. Steinbeisa Magdeburg 23-24.04.2001.
7. Ganzheitliche Bilanzierung der Energie- und Stoffströme von Energieversorgungstechniken. Universität Stuttgart, August 2000.
11-7