Prof

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 pro-
dukuje 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 powsta-
wanie wielu szkodliwych i uciążliwych dla otoczenia związków chemicznych. Najważniejsze z nich to
związki azotu - NO

, węgla CO i CO

, siarki itp. Podobne związki są także emitowane w spalinach silni-

ków pojazdów. Stale wzrastająca zawartość CO

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

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 znaczne-
go wzrostu kosztu ich wydobycia.
Autorzy referatu nie zgadzają się cał-
kowicie z wynikami analizy przed-
stawionymi na rysunku 0. Wychodzą
z założenia, że lepiej będzie przerobić
węgiel, gaz, ropę naftową na użytecz-
ne materiały budowlane, ubranie lub
inne środki produkcji. Dlatego wciąż
powinna rosnąć rola odnawialnych
źródeł energii. Dodatkowo należy
wziąć pod uwagę, że ze względów
społecznych i politycznych udział energii atomowej w produkcji energii elektrycznej zostanie początkowo
ograniczony. Wykluczamy jednak całkowitą rezygnację z tego najczystszego źródła energii i przewiduje-
my w późniejszym okresie ponowny jego rozwój.

biomasa

słońce

wiatr

woda

gaz

atom

olej

węgiel

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 któ-
rych 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.

Tab. 1. Charakterystyka źródeł odnawialnych.

Energia

słoneczna Energia

wiatrowa

Energia

geotermalna

Energia z biomasy

Mała energetyka
wodna

Potencjał
energetyczny
[mln tpu/a]

10,7

0,3 4,0 5,3 0,3

Rozm

iesz-

czenie zaso-

bów

cały kraj

wybrzeże Bałtyku,
suwalszczyzna, Kar-
konosze, niewielkie
obszary w różnych
regionach

Niecka Podhalańska,
okręg grudziądzko-
warszawski i szcze-
cińsko-łódzki

cały kraj

według inwentary-
zacji 2000 miejsc na
rzekach

Intensywność
pozyskiwania
energii

niksa, średnio ok.
1000 kWh/m

/rok

niska, max. ok. 1000
kWh/m

/rok

niska lub średnia,
max. 70-80

°C

średnia lub niska

asoby

Zmiany
gęstości
energii

dzienna, sezono-
wa, zależna od
pogody

wysoce zmienna

stała stała lub sezonowo

zmienna

sezonowo zmienna

Opcje techno-
logiczne

kolektory wodne
lub powietrzne,
energia słoneczna

z poziomą lub piono-
wą osią, turbiny
elektryczne, pompow-
nie wody

instalacje cieplne
indywidualne i
scentralizowane

spalanie (ciepłownie),
fermentacja, gazyfika-
cja, biogaz

turbiny hydroelek-
tryczne

Stopień
rozwoju
technologii

doskonalona,
częściowe zasto-
sowania komer-
cyjne

w dużym stopniu
opanowana, doskona-
lona

doskonalona, insta-
lacje pilotowe w
kraju

pilotowa ciepłownia
na biomasę, pilotowe
instalacje biogazu

technologia opano-
wana, doskonalona

echnologia

Dyspozycyj-
ność

<25% bez maga-
zynowania energii

zmienna 15-30%

wysoka, stała wysoka,

stała

średnia lub stała

Elementy

wymagające
doskonalenia

koszty, materiały,
trwałość, spraw-
ność

konstrukcja, materiały,
dane o lokalizacjach

modele przepływów
dwufazowych,
koszty

technologia (spalanie,
przygotowanie, gro-
madzenie, transport),
gospodarka rolna i
leśna

sprawność i nieza-
wodność turbin,
koszty, automatyka
sterująca

Charakterystyka
środowiskowa

bardzo czysta,
wpływ na krajo-
braz

bardzo czysta, wpływ
na krajobraz, hałas

czysta, gazy z
wydobywanych
roztworów wodnych

wpływ na faunę i
florę, toksyczne
odpady

bardzo czysta,
wpływ na lokalne
środowisko wodne

Tab. 2. OZE na świecie stan i perspektywy

Rodzaj odnawialnego źródła energii

jednostki

1995

2010

Energia wiatru

6173

37 700

Konwersja termiczna

27,5 mln

90 mln

Konwersja fotowoltaiczna (PV)

MWp

375,2

6 300

Biomasa (produkcja energii elektrycznej)

(GWh)/rok

128 000

291 000

Małe hydroelektrownie

27 950

54 950

Tab. 3. Założenia UE dotyczące rozwoju OZE

Rodzaj odnawialnego źródła energii

jednostki

1995

stan planowany w roku 2010

Energia wiatru

2,5

Duża energetyka wodna

82,5

Mała energetyka wodna

9,5

Ogniwa fotowoltaiczne (PV)

GWp

0,03

Energia biomasy

Mtoe

44,8

135

Energia geotermalna – energia elektryczna

0,5

Energia geotermalna – ciepło GW

1,3

Cieplna energia słoneczna mln

6,5

100

Systemy słoneczne pasywne

Mtoe

Inne GW

11-2

Wydaje się, że najczystszą formą pozyskania energii elektrycznej jest konwersja fotowoltaincz-

na. W rzeczywistości tak nie jest. Mimo, że sama produkcja energii nie wiąże się z prawie żadnymi
obciążeniami dla środowiska, to wykonanie skomplikowanej struktury półprzewodnikowej powo-
duje wyemitowanie znacznych ilości zanieczyszczeń.

Wykres ilości emitowanego dwutlenku węgla pokazuje rysunek 1. Wykresy emisji innych za-

nieczyszczeń również wskazują na znaczne wartości dla źródeł fotowoltaicznych.

250

500

750

1000

1250

węgiel

kamienny

węgiel

brunatny

gaz ziemny

panele

słoneczne

technika

nuklearna

wiatraki

elektrownie

wodne

/GW

emisja związana z
produkcją

inna emisja

Rys. 1. Emisja CO

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 zmu-
sza 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 rzad-

ko pokrywa się z szczytami obciążeń systemu energetycznego powoduje to konieczność zwiększenia „gorą-
cej rezerwy systemu”. Tą gorącą rezerwą syste-
mu może być:

Rys. 2. Schemat blokowy wyspowej elektrowni fotowoltaicz-

no wiatrowej.

1. utrzymanie pewnej ilości turbozespołów

przy obniżonym obciążeniu w elektrow-
niach 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.

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 wytwarza-
nia 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 przy-
padku bateria chemiczna służy do pokrycia zapotrzebowania energetycznego odbiornika w przy-
padku braku oświetlenia słonecznego lub braku wiatru. Rysunek 3. przedstawia ilość energii produ-
kowanej w opisywanej elektrowni wyspowej w zależności od pory roku.

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

Luty

arz

Maj

erw

iec

Lipi

Lis

pad

P/Pobc.

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

3.2. Ogniwo paliwowe jako długo okresowy magazyn energii elektrycznej

Magazynowanie energii od lat jest problem, nad którym pracują zespoły inżynierów i naukowców z ca-

łego 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.

Rys. 5. Zasada działania ogniwa paliwowego.

Poszukiwanie źródeł energii o bardzo

dużej gęstości mocy na potrzeby progra-
mów kosmicznych zwróciło uwagę ba-
daczy na wynalazek Wiliama Grove’a z
1837 r. – ogniwo paliwowe. Bezpośred-
nią przyczyną tego stało się wynalezienie
efektywnego elektrolitu niezbędnego do
pracy tego urządzenia. W konsekwencji
rozwijano technologię wytwarzania i
przechowywania wodoru.

Dzisiaj wielu specjalistów od prze-

chowywania 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 elektro-

lit, który przepuszcza tylko dodatnio naładowane jony wodoru H

- protony. Elektrody (anoda, ka-

toda) pokryte są warstwą katalizatora i umożliwia przepływ elektronów (prądu użytecznego) na
zewnątrz ogniwa.

Na obecnym etapie rozwoju ogniw paliwowych wodór zastąpiono innymi „paliwami” np. meta-

nolem, gazem ziemnym itp.

3.3 Różne przykłady wykorzystania ogniw paliwowych

W krajach wysoko uprzemysłowionych

wybudowano już kilkadziesiąt instalacji wy-
korzystujących ogniwa paliwowe do genero-
wania energii elektrycznej. Poniższe zdjęcia
prezentują kilka z nich. Układy te można po-
dzielić na generacyjne i szczytowe.

Rysunek 6. pokazuje generator firmy Ba-

lard o mocy 250 kW.

Rys. 6. Generator z ogniwem paliwowym o

mocy 250 kW firmy Ballard Power Systems.

11-5

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 Lit-
tle Barford w Wielkiej Brytanii. Przybliżony koszt budowy takiej instalacji wynosi 21 mln. USD.

Rys. 7. Elektrownia o mocy 1MW w Anchorage na

Alasce.

Rys. 8. Projekt elektrowni szczytowej z ogniwami

paliwowymi.

4. Instalacje z ogniwami paliwowymi w Polsce

Z posiadanych przez autorów informacji wynika, że opisany w tym rozdziale i pokazany na ry-

sunku 9. układ jest jedyną w Polsce instalacją wykorzystującą ogniwo paliwowe do produkcji ener-
gii elektrycznej.

System składa się z dwóch paneli foto-

woltaicznych o mocy 110W, ogniwa pali-
wowego o mocy 50W firmy Heliocentris
GmbH, baterii chemicznej, układu prze-
twarzania energii i układu sterowania.
Układ ma zasilać odbiornik o mocy 40W.

W tym układzie zadaniem ogniwa pa-

liwowego jest dostarczenie energii do od-
biornika w okresie deficytu mocy pocho-
dzącej ze słońca, głównie w okresie jesien-
no zimowym i nocą. W dalszej perspekty-
wie zostanie dołączony elektrolizer, które-
go zadaniem będzie przetworzenie nad-
wyżki energii słonecznej, występującej w

okresie letnim, na wodór. Wodór ten zostanie wykorzystany do wytworzenia prądu w ogniwie pa-
liwowym w okresach niedoboru energii.

Rys. 9. Elektrownia słoneczna z ogniwem paliwowym.

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 świe-
cie 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 podkre-
ślić, 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 rynko-
wej 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. Wy-

nika 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 od-

nawialną, 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 opła-

calność 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 oprogra-
mowania. Wysoka cena tych badań oraz czas ich trwania wpływają niekorzystnie na bilans inwe-
stycji. Są one jednak wymagane przez wszystkie instytucje wspomagające rozwój OZE.
Obecnie stosowane są zachęty finansowe w postaci dotacji i preferencyjnych kredytów. Rozwiąza-
nia te są jednak niewystarczające. Dotyczą indywidualnych przypadków, wymagają przygotowy-
wania szczegółowych wniosków i analiz opłacalności oraz poważnego wkładu własnego. Niezbęd-
ne jest wprowadzenie dalszych czynników, które miałyby charakter bardziej powszechny. Organi-
zacje 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. Pod-

stawowe 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