Analiza ekonomiczna budowy i eksploatacji bezemisyjnych źródeł energii
Bariery hamujące potencjalnych inwestorów przed podejmowaniem decyzji o budowie instalacji odnawialnego źródła energii (nie dotyczy prosumentów) (część 2.)
Instalacja oczyszczania biogazu w MEB w Michalowie Kolonii, fot. J. Usidus, A. Kryłowicz, M. Chmielewski, W. Dmytryk
W ostatnich latach energetyka dystrybucyjna, korzystając z przepisu art. 7 ust. 1 ustawy Prawo energetyczne, w wielu przypadkach odmawia zgody na przyłączenie źródła energii odnawialnej (OZE) do wspólnej sieci, twierdząc, że na danym obszarze jest już tyle źródeł OZE, bądź wydane są już zgody na ich przyłączenie, że sieć energetyki nie jest w stanie ich przyjąć i przekazać odbiorcom na innym terenie, a przystosowanie urządzeń wspólnej sieci (linii energetycznych, transformatorów itd.) nie ma uzasadnienia ekonomicznego. W pewnym stopniu można rozumieć takie stanowisko energetyki wobec prosumentów przyłączanych do sieci niskiego napięcia oraz źródeł energii elektrycznej niestabilnych (wiatraki, fotowoltaika) o większych mocach.
Zobacz także
homelook.pl Poznaj 5 sposobów jak skutecznie walczyć z wysokimi rachunkami za prąd
Masz dość wysokich rachunków za prąd? Szukasz sposobu, jak zaoszczędzić, nawet jeśli masz w domu sporo urządzeń elektrycznych? Na wysokość taryfy za prąd nie zawsze mamy wpływ. Istnieje jednak parę sposobów,...
Masz dość wysokich rachunków za prąd? Szukasz sposobu, jak zaoszczędzić, nawet jeśli masz w domu sporo urządzeń elektrycznych? Na wysokość taryfy za prąd nie zawsze mamy wpływ. Istnieje jednak parę sposobów, dzięki którym zyskasz pewność, że wina za wysokie rachunki nie leży po Twojej stronie. Sprawdź, jak możesz obniżyć koszt comiesięcznych rachunków za energię.
Redakcja Elektro.info.pl Jak oszczędzać prąd, korzystając ze zmywarki?
Czy wiesz, że zmywarka do naczyń pomoże ci nie tylko oszczędzać cenny czas, lecz także płacić w przyszłości niższe rachunki za wodę i prąd? Oczywiście pod warunkiem, że wybierzesz odpowiedni model, a następnie...
Czy wiesz, że zmywarka do naczyń pomoże ci nie tylko oszczędzać cenny czas, lecz także płacić w przyszłości niższe rachunki za wodę i prąd? Oczywiście pod warunkiem, że wybierzesz odpowiedni model, a następnie będziesz korzystać z urządzenia we właściwy sposób. Jak to zrobić?
mgr Przemysław Gogojewicz Jednostkowa wysokość premii gwarantowanej dla wytwórców energii elektrycznej w roku 2026
Premia gwarantowana to stałe wsparcie finansowe dla wytwórców energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji (jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła). Przysługuje ona w trybie ciągłym,...
Premia gwarantowana to stałe wsparcie finansowe dla wytwórców energii elektrycznej z wysokosprawnej kogeneracji (jednoczesnej produkcji energii elektrycznej i ciepła). Przysługuje ona w trybie ciągłym, bez konieczności uczestnictwa w aukcjach, głównie dla małych (do 1 MW), istniejących lub zmodernizowanych jednostek kogeneracyjnych.
W artykule:
|
Jednakże jest nie do przyjęcia – z punktu widzenia wiedzy technicznej i zarządzania siecią – odmowa przyłączenia w takich przypadkach stabilnych źródeł energii, jakimi są małe elektrogazownie/ciepłownie (MEB), które stabilizują system przesyłowo-rozdzielczy energetyki sieciowej rozproszonej w sposób technicznie i ekonomicznie optymalny.
Uzupełniają one również braki mocy w systemie energetycznym oraz pozytywnie wpływają na ochronę środowiska i klimatu, jak również dostarczają rolnictwu pozyskiwany z procesu w MEB poferment, będący doskonałym ekologicznym nawozem organicznym.
Wnioski:
a) Należy dokonać bilansu aktualnych ilości biomasy organicznej (roślinnej, pozwierzęcej) w poszczególnych województwach, powiatach i gminach, możliwych do zastosowania w bioelektrogazowniach jako paliwa pierwotnego.
W oparciu o te dane należy wyznaczyć miejsca (np. ubojnie zwierząt) lub obszary możliwej lokalizacji instalacji bioelektrogazowni o mocach ponad 500 kW.
b) Dla zachowania stabilności pracy systemu energetycznego (dotrzymania parametrów dostarczonej energii elektrycznej) wskazane jest, aby energetyka zawodowa określiła możliwości przyłączenia do wspólnej sieci źródeł niestabilnych – ich liczbę i moce – na danych obszarach Polski.
Prawo energetyczne art. 7 ust. 8a wymaga od wnioskodawcy zapłaty zaliczki w wysokości 30 zł na każdy kilowat mocy przyłączeniowej do sieci elektroenergetyczej o napięciu ponad 1 kV. Opłata taka praktycznie (jako minimalna) występuje w każdym przypadku przyłączania mocy ponad 50 kW i np. przy instalacji OZE o mocy 1000 kW wyniesie 30 000 zł. Oddziałuje więc destrukcyjnie już na wstępie procesu inwestycyjnego, szczególnie w przypadkach małych bioelektrogazowni.
Wniosek: powyższe należy zastąpić wprowadzeniem krótkich terminów ważności wydanych warunków i zgody na przyłączenie.
Prawo energetyczne art. 7 ust. 8b (oraz inne w art. 7) przewiduje, że opłata za przyłączenie instalacji do sieci elektroenergetycznej może wynieść nawet 3 000 000 zł, gdy wymagana jest przebudowa sieci i stacji w dużym zakresie.
Wniosek: wszelkie koszty, w tym organizacyjne, projektowe i wykonawcze, winna ponosić energetyka, tym bardziej że na takie zadania może uzyskać środki pieniężne z UE (prawo niemieckie wprowadziło obowiązek przyłączenia instalacji OZE bez udziału pieniężnego inwestora takiej instalacji). Takie rozwiązanie winno dotyczyć i innych instalacji, np. gazowych. Tym bardziej jest to zasadne, gdyż ze względów ruchowych zarządzania siecią, przyłącza te winne być na majątku energetyki.
Wnioski o określenie warunków przyłączenia do sieci wytwórców nośników energii (wg prawa energetycznego), jak również wnioski o określenie warunków zabudowy (ustawa o planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym) zawierają wiele pozycji, których wypełnienie wymaga wiedzy i danych określonych dopiero na etapie opracowywania założeń techniczno-ekonomicznych lub projektów technicznych. Wymaga to już na wstępie planowanej inwestycji środków pieniężnych w wysokości ok. 60 tys. zł. Jest to więc bariera szczególnie trudna do pokonania dla inwestorów budujących małe instalacje, o mocy do 500 kW.
Wniosek: należy uprościć wnioski, o których mowa wyżej, lub zobowiązać jednostki grup energetycznych i urzędów gmin do wyznaczenia kompetentnych osób, wspomagających (nieodpłatnie) potencjalnych inwestorów w wykonaniu tych czynności.
Żądanie przez urzędy gmin opracowywania raportów oddziaływania na środowisko (żądanie w postanowieniach UG o warunkach zabudowy) przy budowie MEB o mocy od 500 kW wzwyż jest nieuzasadnione, nie przynosi żadnych dodatkowych doświadczeń i wniosków wpływających na ochronę środowiska. Powtarzane są w nich zapisy rozporządzeń ministrów lub potwierdzenia spełnienia wymogów tych przepisów. Z dotychczasowych doświadczeń eksploatacji MEB wynika, że wszystkie produkty wytwarzane w procesie technologicznym spełniają wymogi stosownych Polskich Norm, a poferment będący nawozem organicznym uzyskuje odpowiednie zezwolenia Ministerstwa Rolnictwa na jego stosowanie. Jedynym problemem wynikającym z pracy MEB mogą być krótkotrwale wydzielające się odory ze składowanej biomasy roślinnej (kiszonki) przy załadunku raz na dobę tej kiszonki do zbiorników wstępnego mieszania. Jednakże i ta niewielka uciążliwość jest minimalizowana poprzez stosowanie odpowiednich plandek i fartuchów lub innych adekwatnych rozwiązań.
Wniosek: należy odstąpić od wymogów sporządzania raportów dla instalacji MEB.
Wymaga uregulowania prawnego zagadnienie produkcji, zbytu i jakości biogazu pozyskiwanego z biomasy organicznej. Pragniemy w tym miejscu podkreślić, że wprowadzenie wygórowanych wymogów zawartości metanu w biogazie (ponad 90%) powoduje – przy obecnie znanej technologii membranowej – około dwukrotny wzrost zużycia energii elektrycznej, co może spowodować wzrost kosztów technicznego wytworzenia tego paliwa do wartości nieakceptowalnej.
Porównanie źródeł energii bez emisji CO2
W licznych pracach naukowych dokonano porównań różnych źródeł energii, np. pod kątem możliwości zastąpienia jednego źródła energii przez drugie albo możliwości współdziałania w miksie energetycznym. W tabelach 1. i 2. porównano źródła energii elektrycznej nieemitujące CO2 do atmosfery. W tabeli 1. porównano jednostkowy koszt inwestycyjny, wykazując, że najtańsza w budowie jest mała elektrownia biogazowa (MEB). W tabeli 2. porównano jednostkowy koszt eksploatacji elektrowni bezemisyjnych.
Tab. 1. Jednostkowy koszt inwestycyjny wytwarzania energii elektrycznej 1 MWe w czasie 20 lat bez emisji CO2 – dane z 2023 r.
Tab. 2. Jednostkowy koszt eksploatacji elektrowni bezemisyjnej – dane z lat 2023–2024
Szczegółowe wyliczenia podane w tabelach 2. i 3. oparto na kosztach eksploatacji elektrowni o zerowej emisji CO2 – wyliczenia własne.
Tab. 3. Zawartość pierwiastków i substratów w cieczy fermentora i w cieczy pofermentacyjnej
Poferment jako nawóz organiczny – ocena
A. Ocena zawartości podstawowych pierwiastków i substratów w cieczy fermentora oraz w cieczy pofermentacyjnej
W tabeli 3. przedstawiono wyniki analizy spektrofotometrycznej dla cieczy z fermentora i dla cieczy pofermentacyjnej. Oceny dokonano – na podstawie analizy fotometrycznej cieczy z fermentora i cieczy pofermentacyjnej – w Instytucie Chemii i Techniki Jądrowej w Warszawie.
Nastąpiło wysokie przetworzenie (ok. 90%) do biogazu, bardzo wysokie usunięcie (ponad 90%) amoniaku, amonu, metali ciężkich – kadmu, miedzi, manganu, a także azotynu i siarki. Pozostało w nawozie dużo potasu, azotu, azotanów, ortofosforanów i fosforu – substratów charakterystycznych dla nawozów organicznych czy nawozów sztucznych.
B. Przepływ substratów w fermentorze
a) MEB 1,0 MWe o mocy elektrycznej Pe = 1 MWe
Roczny czas pracy ta = 8000 h.
Roczna produkcja energii elektrycznej Wea = 8000 MWhe.
b) Przepływ jednogodzinny i roczny biometanu
Zużycie jednogodzinne biometanu t1 = 1 h, We1 = 1 MWhe.
c) Przepływ jednogodzinny dwutlenku węgla
Przepływ jednogodzinny CO2:
d) Łączny przepływ biogazu
Przepływ jednogodzinny:
Mbg1 = Mb1 + Mdw1 = 469 kg bg./h
C. Przepływ zawiesiny przez fermentor
Dopływ biomasy do fermentora – 8% s.m. w zawiesinie.
Wypływ pofermentu – 3% s.m. w pofermencie.
(8% – 3%) = 5% – procentowa zawartość masy biogazu w zawiesinie Mbg1 = 469 kg bg./h.
Przepływ jednogodzinny s.m. biomasy w zawiesinie.
Dla biomasy uśrednionej:
Przepływ zawiesiny (8%):
D. Przepływ pofermentu
Przepływ jednogodzinny pofermentu (3%):
Vpf 2 = 9,4 m3/h
Mpf 2 = 9,4 ton/h
Przepływ suchej masy pofermentu:
Roczna produkcja suchej masy pofermentu:
Roczna produkcja pofermentu odwirowanego o zawartości około 70% wody – jako nawozu organicznego. Wirówka dekantacyjna wydziela ok. 30% s.m. z cieczy pofermentu.
Nawóz organiczny można stosować w dwojakiej postaci – jako nawóz ciekły, rozlewany lub rozpylany na polu, albo jako nawóz odwirowany przez wirówkę dekantacyjną i rozrzucany na polu za pomocą znanych urządzeń.
W systemie elektroenergetycznym MEB o mocy łącznej Pe = 5 GWe roczna produkcja nawozu odwirowanego organicznego do ekologicznej produkcji żywności wyniesie 11,3 mln ton.
Korzystne jest wydzielenie 100% s.m. z ciekłej zawiesiny do zawartości 70% wody, wówczas:
Usunąć wodę z ciekłego pofermentu można za pomocą wyparki obniżającej temperaturę wrzenia wody do 80°C, poprzez obniżenie ciśnienia pary. Temperatura skraplania: 86°C. Wyparka dostosowana do produkcji ciekłego pofermentu przez MEB o mocy 1,5 MWe ma wydajność ok. 3500 kg/h czystej wody. Podsuszony poferment, uzupełniony o potrzebną zawartość związków N, P, K (i innych związków mineralnych) nadaje się do granulacji, tworząc nawóz celowany.
E. Zawartość potasu (K), fosforu (P) i azotu (N) w pofermencie będącym nawozem organicznym
Oceny dokonano na podstawie tabeli 3. Przepływ zawiesiny w fermentorze:
VZ1 = 9,4 m3/h
a) Przepływ jednogodzinny potasu K organicznego w pofermencie:
Zawartość potasu w suchej masie pofermentu wynosi 10%.
Roczna produkcja potasu w pofermencie:
W systemie krajowym MEB 5 GWe:
b) Przepływ jednogodzinny fosforu organicznego w pofermencie:
Roczna produkcja fosforu w pofermencie:
W systemie krajowym MEB 5 GWe:
c) Przepływ jednogodzinny azotu organicznego w pofermencie:
Roczna produkcja azotu w pofermencie:
W systemie krajowym MEB 5 GWe:
F. Badania nawożenia upraw z zastosowaniem pofermentu wykonane przez SGGW w Warszawie [14]
Prowadzone od lat przez Zakład Chemii Rolniczej SGGW w Warszawie badania dotyczące możliwości nawozowego wykorzystania pofermentu oraz produktów otrzymanych na jego bazie, tj. frakcji stałej, ciekłej, kompostów oraz granulatów, dowodzą, że ww. produkty są bardzo dobrymi nawozami, dzięki którym uzyskujemy większe plony roślin (na wybranych obiektach nawet o 85% w stosunku do kontroli – bez nawożenia) o odpowiednich wartościach jakościowych, a jednocześnie obserwowany jest pozytywny wpływ na właściwości fizykochemiczne nawożonych nimi gleb.
Wnioski dotyczące MEB
1. Wybudowane według polskiego rozwiązania POLBIOMET instalacje spełniają wymogi stałych źródeł energii pracujących – z krótkimi przerwami na zabiegi eksploatacyjne – przez 8–8,3 tys. godzin w roku.
2. Opisany układ zastosowanych urządzeń i sposób ich wykorzystania umożliwia optymalne prowadzenie procesów anaerobowej fermentacji metanowej biomasy organicznej – zarówno pochodzenia roślinnego (z upraw rolniczych), o dużym stężeniu suchej masy, jak również biomasy odpadowej z przemysłu spożywczego, o dużym uwodnieniu i małej zawartości suchej masy (np. wywary gorzelniane, serwatki, wysłodki buraczane, ścieki czy osady komunalne itp.). Poszerza to w sposób znaczący (do 70%) możliwości pozyskiwania niezbędnej ilości biomasy organicznej, bez konieczności zajmowania dodatkowych powierzchni ziemi pod uprawy roślin energetycznych.
3. Zużycie biomasy organicznej do wyprodukowania 1 kWh energii elektrycznej w zależności od rodzaju stosowanej biomasy wynosi od 0,4 do 0,6 kg s.m., gdy w analogicznym przypadku w innych znanych instalacjach zużycie biomasy wynosi od 0,8 do 1,2 kg s.m./1 kWh.
4. W prezentowanym rozwiązaniu niezbędna wielkość zbiorników fermentorów wynosi ok. 6 tys. m3 na 1 MWe, gdy w dotychczas znanych instalacjach zachodnich wymagana łączna objętość zbiorników w analogicznym przypadku wynosi ok. 12 tys. m3.
5. Biogaz pozyskiwany z omówionej instalacji – bez dodatkowego uzdatnienia – zawiera od 60 do 75% metanu i od 40 do 25% CO2, natomiast analogicznie z instalacji zachodnich: od 48 do 54% metanu i od 52 do 46% CO2. Ilość emitowanego CO2 do atmosfery ma istotny wpływ na jakość powietrza i efekt cieplarniany.
6. Produktami omawianej bioelektrociepłowni/gazowni w obecnym układzie są:
- energia elektryczna,
- energia cieplna,
- nawóz organiczny.
Docelowo przewidziana jest produkcja paliw silnikowych – sprężonego biometanu (CNG) i ewentualnie skroplonego biometanu (LNG). W sprawdzonym układzie w silniku Diesla stosuje się 98% LNG i 2% oleju napędowego. Powoduje to: zwiększenie mocy silnika o 25%, większy zasięg samochodów, wyższą trwałość silnika i filtrów DPF i SCR, niższy koszt napędu o ok. 40%; napęd Diesla jest prawie bezemisyjny. Zbudowano już stacje LNG w Olsztynie zasilające tym paliwem autobusy miejskie.
W tabeli 2. (kol. 7.) wykazano jednostkowy koszt wytwarzania energii elektrycznej (zł/MWh) w elektrowniach stosujących różne paliwa pierwotne, przy rozłożeniu nakładów inwestycyjnych na 20 lat i uwzględnieniu sekwestracji CO2 w elektrowniach węglowych. Z przedstawionych wielkości wynika, że wytwarzanie energii w małej elektrowni biogazowej charakteryzuje się najniższym kosztem. Inne OZE (wiatrowe pracują mocą znamionową ok. 2200 godz./rok, fotowoltaiczne pracują mocą znamionową ok. 1000 godz./rok), w tym prosumenckie, jako źródła niestabilne dla ciągłego zasilania odbioru wymagają stosowania drogich systemów akumulacji energii (AKE), co praktycznie podwaja koszt ich budowy i eksploatacji. A więc z ekonomicznego punktu widzenia alokacja nakładów inwestycyjnych na budowę takich źródeł energii jest niezasadna. Również z punktu widzenia stabilności pracy systemu elektroenergetycznego, mającego zapewnić ciągłe pokrycie zapotrzebowania na energię elektryczną, zbilansowanie niezbędnych ilości mocy wytwórczych przy zastosowaniu tak małych i niestabilnych źródeł energii jest praktycznie mało prawdopodobne. Eksploatacja niestabilnych źródeł energii wymaga budowy magazynów energii przez energetykę zawodową.
Literatura
- D. Bastone, D. Karakshev, Influence of environmental conditions on methanogenic compositions in anaerobic biogas reactor, Appl. Envir. Microbiology 71, 2005, 331-338.
- LEVEN I., ERRIKSON A.R.B., Effect of process temperature on bacterial and archaeal communities in two methanogenic bioreactors treating organic household waste", FEMS Microbiol. Ecol. 59, 2007, 683-693.
- W. Szewczyk, Analiza aspektów procesowych otrzymania biogazu z surowców roślinnych, Politechnika Warszawska, 2010.
- P. Weiland, Biomass digestion in agriculture: a successful pathway for the energy production and waste treatment in Germany, Eng. Life Sci. 6, 2006, 302-309.
- P. Weiland, Biogas produkcja wykorzystanie [polski tytuł w niemieckiej publikacji? dziwne], Instytut für Energetik und Umwelt, 2005.
- Patent PL 197 595 B1, pt. Sposób i układ wytwarzania metanu i energii elektrycznej i cieplnej.
- Patent PL 227 404 B1 pt. Sposób i układ transportu i mieszania zawiesiny biomasy w hydrolizerze i w fermentorze.
- A.G. Chmielewski, J. Palige, J. Usidus, A. Kryłowicz, Uzupełnienie mocy wytwórczych w krajowym systemie elektroenergetycznym, Energia elektryczna, październik 2016, str. 15-17.
- J. Popczyk, Innowacyjna energetyka – rolnictwo energetyczne, Program IERE, 13 czerwca 2008, 36-38.
- Polskie Sieci Elektroenergetyczne, Prognoza pokrycia zapotrzebowanie szczytowego ma moc w latach 2016-2035, Konstancin-Jeziorna.
- Zintegrowane wysokoefektywne sposoby wykorzystania biomasy do celów energetycznych – wyliczenia własne w oparciu o dane źródłowe, „Energia Elektryczna” nr 11/2015.
- A. Kowalczyk-Jusko i inni, POFERMENT nawozem dla rolnictwa, Ministerstwo Rolnictwa i Rozwoju Wsi, Warszawa 2015.
- M. Kierzkowska, Energia elektryczna, kwiecień 2024, str. 5.
