PORÓWNANIE TECHNOLOGII WYTWARZANIA ENERGII, Elektrotechnika, Wytwarzanie energii elektrycznej
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
PORÓWNANIE TECHNOLOGII WYTWARZANIA ENERGII
ELEKTRYCZNEJ W POLSCE
Krzysztof Musia³
“ENERGOPROJEKT KATOWICE” SA
40-159 Katowice, ul. Jesionowa 15
Polska, jak ka¿dy kraj, w którym zak³ada siê umiarkowanie dynamiczny rozwój
gospodarki, stoi w obliczu decyzji o charakterze strategicznym, w jaki sposób w pokryæ
rosn¹ce zapotrzebowanie na energiê elektryczn¹. Polska posiada w³asne z³o¿a wêgla
kamiennego oraz wêgla brunatnego, które s¹ w stanie zabezpieczyæ obecne potrzeby
energetyczne kraju oraz przewidywane w perspektywie kilkudziesiêciu lat. Z³o¿a gazu
ziemnego w Polsce nie s¹ zbyt obfite i g³ównym Ÿród³em zaopatrzenia jest import z Rosji. Po
awarii w Czernobylu rozwój energetyki j¹drowej w wielu krajach, w tym w Polsce, zosta³
zahamowany na d³ugie lata. Prace badawcze nad rozwojem technologii j¹drowych na
œwiecie jednak nie zosta³y wstrzymane i s¹ nieustannie udoskonalane, a energia elektryczna
produkowana w elektrowniach atomowych jest jedn¹ z najtañszych. Polska nie posiada
w³asnych zasobów uranu naturalnego, nie posiada zak³adów do przetwarzania uranu, jego
wzbogacania, prefabrykacji paliwa finalnego jak równie¿ nie posiada doœwiadczeñ w
zakresie utylizacji i zagospodarowania odpadów radioaktywnych. W przypadku planowanych
zamierzeñ inwestycyjnych dotycz¹cych rozwoju energetyki j¹drowej, aspekty spo³eczne
zawsze bêd¹ kluczowe i decyduj¹ce o powodzeniu lub zaniechaniu budowy takich obiektów
jak elektrownie atomowe. Tematem referatu jest przedstawienie wyników prowadzonych
analiz ekonomicznych, czyli: omówienie przyjêtych za³o¿eñ dla warunków polskich oraz
porównanie przewidywanych kosztów wytwarzania energii elektrycznej w elektrowni j¹drowej
oraz elektrowniach konwencjonalnych (wêgiel kamienny, wêgiel brunatny, gaz) przy
zastosowaniu najnowszych dostêpnych technologii, które Energoprojekt Katowice S.A.
wykona³ dla Polskich Sieci Elektroenergetycznych S.A.
1. Wstêp
Ocenia siê, ¿e zapotrzebowanie na energiê elektryczn¹ w Polsce wzrastaæ bêdzie w okresie
do 2025 r. w œredniorocznym tempie zbli¿onym do 3%, przy oczekiwanym œrednim tempie
wzrostu PKB (Produktu Krajowego Brutto) na poziomie ok. 5%. Obecnie zu¿ycie energii
elektrycznej w przeliczeniu na mieszkañca w Polsce jest ok. dwukrot nie ni¿sze ni¿ œrednie
zu¿ycie w krajach Unii Europejskiej.
Prognozy zapotrzebowania na energiê elektryczn¹ w Polsce, wykonane przy okazji
opracowywania nowej polityki energetycznej Polski do 2025 r., wskazuj¹, ¿e nie uda siê
pokryæ wzrastaj¹cego zapotrzebowania kraju na energiê elektryczn¹ w sposób racjonalny
bez Ÿróde³ j¹drowych, nawet przy maksymalnie mo¿liwym wykorzystaniu rodzimych zasobów
wêgla kamiennego i brunatnego oraz wdro¿eniu programów racjonalnego u¿ytkowania
energii elektrycznej. Zak³adaj¹c nawet pesymistyczny wariant wzrostu PKB (Produktu
Krajowego Brutto) w Polsce w ci¹gu najbli¿szych 20 lat, to deficyt zainstalowanej mocy
elektrycznej wyniesie kilka tysiêcy megawatów. Teoretycznie, zagadnienie to mo¿na
rozwi¹zaæ przy zastosowaniu wielu, sprawdzonych technologii, które s¹ stale udoskonalane.
Kluczowym zagadnieniem jest paliwo w oparciu, o które dodatkowe moce wytwórcze energii
elektrycznej mo¿na w warunkach polskich zainstalowaæ.
Polska posiada w³asne z³o¿a wêgla kamiennego oraz wêgla brunatnego. Kierunek ten
wydaje siê racjonalny ze wzglêdu na bezpieczeñstwo dostaw energii elektrycznej, natomiast
mankamentem jest koniecznoœæ pozyskiwania wêgla kamiennego w coraz trudniejszych
warunkach, koniecznoœæ spe³nienia coraz ostrzejszych wymagañ w zakresie ochrony
œrodowiska (zw³aszcza w zakresie emisji CO
2
), a w przypadku wêgla brunatnego budowa
nowych kopalñ odkrywkowych. Dodaj¹c do tego wzrastaj¹ce wymagania ekologiczne
otrzymujemy w efekcie koñcowym niezbyt korzystn¹ cenê jednostkow¹ produkcji energii
elektrycznej. Skutki wzrostu cen energii elektrycznej w przypadku rozwijania technologii
wêglowych niew¹tpliwie odczuj¹ indywidualni konsumenci, czyli spo³eczeñstwo.
Z³o¿a gazu ziemnego w Polsce nie s¹ zbyt obfite i g³ównym Ÿród³em zaopatrzenia jest import
z Rosji. Mo¿na stwierdziæ, ¿e obecna infrastruktura dystrybucyjna gazu oraz mo¿liwoœæ
pozyskania go jest wystarczaj¹ca, aby w kilkudziesiêcioletniej perspektywie zabezpieczyæ
rosn¹ce zapotrzebowanie na energiê elektryczn¹. Energia elektryczna wytwarzana na gazie
ziemnym jest ekologicznie „czysta”. Ograniczeniem jest rosn¹ca cena gazu oraz w pewnym
sensie uwarunkowania polityczne, które stwarzaj¹ zagro¿enie bezpieczeñstwa dostaw.
Gospodarka energetyczna oparta na paliwie gazowym znajduje ekonomiczne uzasadnienie
w skojarzonej produkcji energii elektrycznej i cieplnej i w tym sektorze gospodarki powinna
byæ niew¹tpliwie rozwijana. Je¿eli mówimy o koniecznoœci zainstalowania dodatkowych kilku
tysi¹cach megawatów elektrycznych, to mo¿e to zostaæ zrealizowane przede wszystkim a
uk³adach parowo-gazowych (kombinowanych) przy pracy kondensacyjnej, dla której w
warunkach polskich jednostkowy koszt produkcji energii elektrycznej jest wysoki.
Wytwarzanie energii elektrycznej w oparciu o wykorzystanie paliw rozszczepialnych w
Polsce nie wystêpuje. Udzia³ energetyki j¹drowej w œwiatowej produkcji energii elektrycznej
wynosi obecnie 16%, a w niektórych krajach europejskich udzia³ energetyki j¹drowej w
krajowej produkcji energii elektrycznej przekracza 60% (œrednio w krajach Unii Europejskiej
wynosi on ok. 32%).
PRODUKCJ A ENERGII ELEKTRYCZNEJ
NA ŒW IECIE
PRODUKCJ A ENERGII ELEKTRYCZNEJ
W UNII EUROPEJ SKIEJ
Inne
1%
J¹drow a
16%
Wêgiel
39%
Gaz
18,0%
Odnaw ialna
12,8%
Inna
1,4%
Olej
6,2%
Gaz
15%
El. w odne
19%
Wêgiel
29,7%
J¹drow a
31,9%
PRODUKCJA ENERGI I ELEKTRYCZNEJ W P OLS CE
Gaz
2,6%
El. w odne
2,4%
Wêgiel
94,7%
Podstawow¹ baz¹ paliwow¹ w polskiej energetyce jest wêgiel. Udzia³ wêg³a w produkcji
energii elektrycznej wnosi odpowiednio :
? wêgiel kamienny – 58,8 %
? wêgiel brunatny – 35,9 %
Atrakcyjny dla energetyki zawodowej jest szczególny rodzaj wêgla, jakim jest mu³ wêglowy.
Powstaje on jako odpad w procesie wzbogacania wêgli handlowych (w procesie „flotacji”).
2. Dostêpnoœæ paliw w Polsce
Wêgiel kamienny
Szacuje siê, ¿e obecnie dostêpne zasoby wêgla kamiennego wystarcz¹ na ok. 40 lat.
Budowa nowych kopalñ oraz wydobycie wêgla kamiennego z coraz g³êbszych pok³adów
pozwoli na wyd³u¿enie okresu operatywnego do 100 lat, natomiast zagadnieniem czysto
ekonomicznym jest okreœlenie, czy wzrastaj¹ce koszty wydobycia wêgla i rosn¹ce
wymagania ekologiczne czyni¹ technologiê bazuj¹c¹ na wêglu kamiennym za atrakcyjn¹ w
porównaniu z innymi technologiami.
Wêgiel brunatny
Szacuje siê, ¿e obecnie dostêpne zasoby wêgla brunatnego wystarcz¹ na ok. 30 lat. Mo¿liwe
jest pozyskanie nowych z³ó¿ wêgla brunatnego, budowa nowych kopalñ odkrywkowych, co
pozwoli na wyd³u¿enie okresu eksploatacji do ok. 100 lat. Nowe kopalnie odkrywkowe, to
wzrost cen paliwa oraz widoczna degradacja œrodowiska naturalnego.
Gaz ziemny
Krajowe zasoby gazu ziemnego nie pozwalaj¹ na pokrycie obecnego zapotrzebowania na
gaz ziemny. Budowa nowych mocy wytwórczych energii elektrycznej rzêdu kilku tysiêcy
megawatów opartych na paliwie gazowym zwi¹zana jest z koniecznoœci¹ zapewnienia
paliwa z importu. G³ównym Ÿród³em zaopatrzenia jest import z Rosji. Dla Polski wymagana
jest kosztowna dywersyfikacja kierunków dostaw. Szacuje siê, ¿e na rynku œwiatowym przy
obecnym poziomie dostaw gazu wystarczy go na oko³o 70 lat.
3. Paliwo j¹drowe na œwiecie
Przy obecnym zu¿yciu Uranu (ok. 68 000 ton/rok) zasoby paliwa j¹drowego wystarcz¹ na ok.
50 lat. Szacuje siê, ¿e kolejne pok³ady uranu naturalnego o koszcie wydobycie wiêkszym o
50 % wynosz¹ ok. 10 mln ton, zapewniaj¹c eksploatacjê elektrowni atomowych przez kolejne
140 lat. Bior¹c pod uwagê fakt, ¿e pok³ady uranu znajduj¹ce siê pod wod¹ w dnie morskim
s¹ jeszcze wiêksze, mo¿na stwierdziæ, ¿e paliwo dla energetyki j¹drowej bêdzie dostêpne, co
najmniej przez kilkaset lat. Udzia³ kosztu wydobycia uranu naturalnego w ca³kowitym koszcie
cyklu paliwowego nie przekracza 10%, a wiêc wzrost kosztu pozyskania uranu naturalnego
nawet o 100% w niewielkim stopniu powinno wp³ywaæ na cenê finaln¹ paliwa j¹drowego.
4. Ekonomiczna analiza porównawcza technologii wytwarzania energii elektrycznej
Ocenia siê, ¿e istniej¹ bardzo silne przes³anki do rozwoju energetyki j¹drowej w Polsce.
G³ówne powody s¹ nastêpuj¹ce :
- koniecznoœæ pokrycia prognozowanego wzrostu zapotrzebowania na energiê elektryczn¹
po racjonalnych kosztach,
- koniecznoœæ zró¿nicowanie Ÿróde³ energii elektrycznej ze wzglêdu na bezpieczeñstwo
energetyczne kraju,
- zobowi¹zania traktatowe Polski w zakresie redukcji emisji SO
2
, NOx, CO
2
W celu zidentyfikowania najbardziej op³acalnych technologii stosowanych w produkcji energii
elektrycznej wykonano ekonomiczn¹ analizê porównawcz¹ technologii wytwarzania energii
elektrycznej w Polsce. Rozpatrzono wszystkie mo¿liwe do zastosowania rozwi¹zania. Celem
analizy by³o uzyskanie informacji pozwalaj¹cych na przes¹dzenie, które technologie bêd¹
najbardziej op³acalne w perspektywie roku 2020 w produkcji energii elektrycznej oraz
wyznaczenie miejsca elektrowni atomowej na tle pozosta³ych mo¿liwych rozwi¹zañ
technologicznych. Ze wzglêdu na rodzaj stosowanego paliwa zaprezentowane warianty
usystematyzowano nastêpuj¹co :
?
technologie oparte na wêglu kamiennym
W ramach tej technologii przeanalizowano trzy typy elektrowni :
- elektrownie z kot³ami py³owymi i instalacj¹ odsiarczania spalin,
- elektrownie z kot³ami fluidalnymi (przystosowanymi do spalania mu³u poflotacyjnego),
- elektrownie z uk³adem do zgazowania wêgla i turbinami na gaz syntezowy (IGCC).
?
technologie oparte na wêglu brunatnym
W ramach tej technologii przeanalizowano dwa typy elektrowni
- elektrownie z kot³ami py³owymi i instalacj¹ odsiarczania spalin,
- elektrownie z kot³ami fluidalnymi.
?
technologie oparte na gazie naturalnym
W ramach tej technologii przeanalizowano elektrownie z uk³adem parowo-gazowym
(GTCC).
?
technologie oparte na energii odnawialnej
W ramach tej technologii przeanalizowano trzy typy elektrowni
- elektrownie z kot³ami fluidalnymi zasilanymi zrêbami drewna,
- elektrownie z kot³ami rusztowymi na s³omê,
- farmy wiatrowe.
?
technologie oparte na paliwie rozszczepialnym
– elektrownie atomowe.
W ramach tej technologii przeanalizowano dwa typy elektrowni :
- elektrownie atomowe z reaktorem III generacji EPR (European Pressurized Water
Reactor) opracowany przez NPI (Nuclear Power International) spó³kê utworzon¹ przez
koncern francuski Framatome oraz niemiecki Siemens,
- elektrownie atomowe z reaktorem AP1000 - pierwszym reaktorem generacji III+, który
zosta³ zatwierdzony przez Komisjê Dozoru J¹drowego w USA. Jest on
zmodernizowan¹ wersj¹ reaktora AP600 o mocy 600 MWe firmy Westinghouse.
4.1. Zestawienie g³ównych za³o¿eñ przyjêtych w analizach ekonomicznych
G³ówne za³o¿enia przyjête w przedmiotowym opracowaniu, umo¿liwiaj¹ce zachowaæ
czytelnoœæ prezentowanych analiz oraz równoprawne traktowanie ka¿dej z technologii
przedstawiaj¹ siê nastêpuj¹co :
? Przyjêto jednakow¹ dla wszystkich wariantów roczn¹ sprzeda¿ energii elektrycznej na
poziomie odpowiadaj¹cym mocy elektrycznej netto 1600 MW (moc ta odpowiada
zainstalowaniu jednego bloku energetycznego w technologii j¹drowej z reaktorem EPR).
Dla technologii, w których nie jest mo¿liwe zainstalowanie jednego bloku energetycznego
o mocy netto 1600 MW, okreœlono liczbê (wielokrotnoœæ) zainstalowanych jednostek
mniejszych odpowiednio ujmuj¹c ten fakt w nak³adach inwestycyjnych i obliczeniach
wielkoœci operacyjnych.
? Analizê wykonano dla okresu 60 lat. Przyjêto, ¿e bêdzie to okres eksploatacji bloku
atomowego, poniewa¿ jest on najd³u¿szy. Dla pozosta³ych technologii za³o¿ono okresowe
odtwarzanie mocy zainstalowanej ujmuj¹c ten fakt odpowiednio w szeœædziesiêcioletnim
harmonogramie nak³adów inwestycyjnych.
? Dla technologii wêglowych wykonano analizê dla dwóch opcji ze wzglêdu na mo¿liwy
postêp technologiczny w perspektywie 15÷20 lat :
- opcja 1 – wed³ug obecnego stanu rozwoju technologii i najlepszej wiedzy autorów,
- opcja 2 – dla przewidywanego stanu rozwoju technologii (wzrost sprawnoœci).
? Obliczenia ekonomiczne wykonano dla trzech przyjêtych czasów wykorzystania mocy –
minimalnego (przyjêtego jako dolna granica dla porównywanych technologii),
maksymalnego (przyjêtego jako górna granica dla porównywanych technologii),
„realnego” – przyjêtego w oparciu o historyczne dane eksploatacyjne. Dla potrzeb
wykonania uniwersalnej analizy porównawczej dla ró¿norodnych rozwi¹zañ
technologicznych przyjêto, ¿e minimalny czas wykorzystania mocy w ci¹gu roku to 6500
godzin, a maksymalny to 8000 godzin. Natomiast przyjêto zasadê, ¿e dla technologii, dla
których nie jest mo¿liwe osi¹gniêcie tych czasów, zwiêksza siê liczbê zainstalowanych
jednostek, podnosz¹c odpowiednio wielkoœæ zainstalowanej mocy.
? Dla ka¿dej z rozpatrywanych technologii przewidziano koniecznoœæ poniesienia wydatków
na likwidacjê obiektu,
? Ka¿da z elektrowni spe³nia wymogi ochrony œrodowiska i bezpieczeñstwa,
? Ekonomiczne porównanie przedmiotowych rozwi¹zañ zosta³o przeprowadzone w uk³adzie
wariantowym:
- z pominiêciem handlu uprawnieniami do emisji CO
2
,
- z uwzglêdnieniem handlu uprawnieniami do emisji CO
2
,
przy wykorzystaniu œredniego zdyskontowanego jednostkowego kosztu pr odukcji energii
elektrycznej netto wyliczanego wg METODYKI wykorzystywanej m.in. przez
UNIPEDE/EURELECTRIC, IEA, IAEA i NEA, a tak¿e stosowanego do porównania
alternatywnych rozwi¹zañ technologicznych przy wyborze wariantu,
[ Pobierz całość w formacie PDF ]