Wytwarzanie energii elektrycznej we własnym zakładzie to czysty zysk

W poniższym artykule opisana jest sytuacja amerykańskiego rynku energetycznego. Warto go przeczytać, chociażby po to, by przekonać się, jak mogłoby być albo jak, być może, w niedługim czasie będzie w Polsce. Radzimy jednak najpierw zapoznać się z komentarzem naszego redaktora merytorycznego (patrz ramka poniżej). 

Dziesięć lat temu, gdy dostawy energii elektrycznej były obfite, a jej ceny stabilne, nie było istotnych przyczyn do wytwarzania energii w zakładach przemysłowych. Dzisiaj obraz sytuacji diametralnie się zmienił. Ceny energii stają się coraz mniej stabilne, szczególnie w okresach szczytowego zapotrzebowania. W niektórych regionach obserwujemy sezonowe wahania nie tylko cen, ale i jakości dostarczanej energii. To właśnie sprawia, że wytwarzanie energii we własnym zakładzie może być oceniane jako narzędzie do kształtowania pozycji zakładu na rynku. 

Dlaczego warto wytwarzać energię?

Jedną z najbardziej istotnych przyczyn wprowadzania zmian w zakładzie wydaje się potrzeba obniżenia kosztów zużywanej energii. Rynek coraz bardziej oddala się od regulacji w sferze gospodarki przez ustalanie taryf przepisami, w kierunku samoregulacji mechanizmami czysto rynkowymi (bieżące ustalanie cen w normalnej grze rynkowej), a rozważenie kosztów wytwarzania energii w zakładzie staje się coraz łatwiejsze.

Na przykład używanie własnych zespołów prądotwórczych podczas sezonowych szczytów zapotrzebowania na energię pozwala na uniknięcie opłat za energię według sezonowych szczytowych cen.

Koszt zakupu i instalowania urządzeń do produkcji energii elektrycznej stanowi główny składnik kosztów wytwarzania jednostki tej energii  w zakładzie. Okazuje się jednak, że zespół prądotwórczy, pracujący 200 do 300 godzin w roku, może zwrócić nakłady na jego zainstalowanie już po 2 – 3 latach. Zestaw prądotwórczy działający przez 2 – 3 tysiące godzin w roku pokrywa szczytowe zapotrzebowanie zakładu w okresie występowania najwyższych sezonowych cen dyktowanych przez dostawców dla krajowej lub regionalnej sieci dystrybucyjnej i może dać istotną oszczędność kosztów produkcji całego zakładu. W innym przypadku przedsiębiorstwa instalują u siebie generatory prądu, aby móc uzupełnić moc lokalnej sieci  w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię. W takim przypadku, zwanym potocznie wspomaganiem łagodzenia szczytu, pożytkiem lub nagrodą dla przedsiębiorstwa będzie wyraźnie zachęcająca cena, jaką uzyska z dostaw energii w okresie szczytu. 

Inną przyczyną zainstalowania urządzenia prądotwórczego jest ochrona ważnego procesu produkcyjnego przed zatrzymaniami. Gdy mamy do czynienia z zawodnym serwisem lub gdy podczas procesu produkcyjnego nie możemy sobie pozwolić na przerwy, posiadanie zapasowego generatora jest nie do przecenienia. W tym przypadku nasz zwrot nakładów pochodzi nie tylko z oszczędności kosztów samej energii, ale też z zapewnienia ciągłego toku produkcji. 

Zupełnie inną sprawą jest jakość energii. Wahania napięcia w sieci odbiorczej mogą zakłócać, uszkodzić lub obniżyć trwałość systemu komputerowego i elektronicznych mikroprocesorowych pakietów, stanowiących wyposażenie urządzeń produkcyjnych i przyrządów układu automatyki. Niska jakość energii może stanowić zagrożenie dla jakości wyrobów. Odpowiednio zaprojektowany, uruchomiony i prowadzony zakładowy zespół prądotwórczy może zatem pomóc w ustabilizowaniu wahań napięcia prądu w wewnętrznej sieci zasilającej. Zakład posiadający instalacje lub ciągi produkcyjne wymagające gorącej wody lub niskociśnieniowej pary może połączyć to z wytwarzaniem u siebie energii elektrycznej, wykorzystując chłodzenie zespołu prądotwórczego do produkcji gorącej wody lub pary. Tym sposobem uzyska zwiększenie ekonomicznej efektywności (fot. 1).  

Poszukiwanie rozwiązania

 Jeżeli zostanie podjęta decyzja o instalowaniu urządzenia prądotwórczego, natkniemy się na olbrzymie pole możliwości przy próbie wyboru takiego urządzenia. Wybór najkorzystniejszego rozwiązania ułatwi poniższy zestaw zagadnień, ujęty w formę pytań.

• Jaki rodzaj paliwa wybrać dla jednostki napędowej?
• Jaką moc powinno mieć urządzenie energetyczne?
• Jaki będzie obszar jego zastosowania?
• Jakie będzie zastosowanie urządzeń prądotwórczych i przez ile dni w roku?
• Które urządzenia wybrać do tego celu?
• Czy sieć odbiorcza ma być odrębna, czy generator będzie oddawał energię do istniejącej sieci?

Odpowiedzi na te pytania uporządkują potrzebne informacje i uproszczą podjęcie decyzji.

Dla większości urządzeń o mocy ponad 100 kW rozwiązaniem jest silnik spalinowy wysokoprężny (diesel) lub na paliwo gazowe. O konkretnym wyborze decydować musi dostępność paliwa na rynku i jego cena. Trzeba przy tym pamiętać, że każdy silnik emituje szkodliwe spaliny. W większości regionów uprzemysłowionych regulacje prawne dotyczące ograniczeń w emisji zanieczyszczeń powietrza mogą wymusić wprowadzenie rozwiązania na gaz ziemny. Silnik dieslowski może zostać zaakceptowany jako rozwiązanie dla krótkotrwałych włączeń o charakterze bezpieczeństwa lub łagodzenia zakłóceń przy szczytowych poborach energii z sieci. Niemniej taki silnik może też być używany przez dłuższy czas, jeśli ekonomiczna strona jego stosowania potwierdzi osiągnięcie istotnych oszczędności przy dodatkowym wyposażeniu urządzenia w elementy zmniejszające emisję zanieczyszczeń.

Następnym zagadnieniem jest wybór generatora prądu o określonej mocy. Trzeba wiedzieć, że silnik dieslowski jest korzystniejszy jako źródło rezerwowe na krótki czas pracy niż przy długotrwałym, ciągłym działaniu.  

Wydajność i zanieczyszczenie środowiska

Każdy zespół prądotwórczy ma swoją wydajność i emituje zanieczyszczenia (głównie tlenki azotu NxOy). Zasadniczo, zespół bardziej wydajny  i o małej emisji zanieczyszczeń kosztuje drożej, ale jest bardziej ekonomiczny w dłuższym czasie użytkowania. Nie oznacza to jednak, że najbardziej nowoczesny zespół będzie najlepszym rozwiązaniem do wszystkich zastosowań.

Przykładowo, dla systemu współpracującego, działającego w sposób ciągły przy pełnej mocy, najważniejszy może być niski, długoterminowy koszt utrzymania, przynoszący szybszy zwrot nakładów, zapewniający ogólną wydajność oraz najniższy koszt wytworzonej jednostki energii (kWh). Wtedy wysokie koszty nabycia są do zaakceptowania. Z drugiej strony dla systemu działającego mniej niż 1000 godzin w roku, lepszym wyborem może być zespół o niższych kosztach zakupu i instalowania w przeliczeniu na jednostkę mocy, nawet przy pewnej niższej sprawności.

Kolejnym wyborem jest rodzaj sieci odbiorczej, czy będzie ona obejmować wyodrębniony rejon, czy też będzie to sieć dotychczas istniejąca, a zatem wchodzi w grę współpraca z zewnętrznym dostawcą energii. Zespół prądotwórczy, pracujący na istniejącą sieć zasilaną też z zewnątrz, zapewnia bardzo stabilne zasilanie, także przy nagłym wzroście poboru związanym z rozruchem dużego silnika. Za to zespół prądotwórczy, pracujący dla własnej sieci odbiorczej, może być narażony na zakłócenia napięcia wprowadzane przez dużej mocy odbiorniki, a w tej sytuacji nowoczesny generator nie byłby najlepszym wyborem. Możliwym wyjściem jest zastosowanie silnika benzynowego (gaźnikowego) o małej emisji zanieczyszczeń typu NxOy. Taki silnik spalinowy zapewnia wyższą wydajność przemiany paliwa w energię cieplną, lecz jest mało elastyczny przy nagłych zmianach obciążenia. Podobne sytuacje zdarzają się przy nagłym spadku obciążenia zespołu prądotwórczego. Jeżeli taki zespół oddaje energię do ogólnej sieci zasilającej przez większość czasu swej pracy, a zarazem spodziewana jest konieczność podtrzymywania ważnego procesu na wypadek przestoju, należy wytypować te urządzenia, których zasilanie musi być chronione i utworzyć dla nich odrębną sieć o sumarycznym poborze energii, dopasowanym do mocy generatora.  

Koszty i zyski

Ewentualna decyzja o instalowaniu zespołu prądotwórczego w zakładzie musi uwzględniać wyniki analizy ekonomicznej, to jest rachunku kosztów  i zysków. Większość korporacji postępuje standardowo przy szacowaniu efektywności wydatków inwestycyjnych. Niektóre używają prostych wzorów na czas zwrotu nakładów, określony liczbą lat lub miesięcy niezbędnych na uzyskanie oszczędności równoważących kwotę wydatków. Inne używają bardziej skomplikowanych analiz, takich jak wewnętrzna stopa zwrotu, zwrot w odniesieniu do wartości całości wyposażenia lub wartości dochodu netto.

Na współczesnym rynku, gdzie ceny energii elektrycznej oraz opału są coraz bardziej związane z podażą i popytem, a mniej podlegają regulacjom administracyjnym, wynik analizy zależy od znacznie większej liczby czynników, niż to miało miejsce poprzednio, gdy chodziło tylko o różnice cen energii z rejonowej sieci energetycznej czy cen paliwa. 

Użyteczność takiego rozwiązania może wywoływać chęć wytwarzania energii w zakładzie. Jednak wielu dostawców energetyki zawodowej stara się uelastycznić swoją ofertę poprzez zmniejszanie inwestycji w dużych scentralizowanych zakładach i jednocześnie zwiększanie liczby małych zakładów energetycznych, lokalizowanych w pobliżu grupy znaczących odbiorców i powiązanych lokalną siecią dystrybucyjną (fot. 2).

Dla rozległej krajowej sieci energetycznej (wysokonapięciowych linii przesyłowych i niskonapięciowych sieci dystrybucyjnych), małe rozproszone zakłady energetyczne stanowią poważną  i ryzykowną inwestycję w cały system, ale za to pomagają w utrzymaniu stałego napięcia w tym systemie. Aby jednak odbiorców zachęcić do  odbierania energii z tych małych zakładów energetycznych, wielu dostawców rezygnuje z części swoich zysków. Zachętą może być forma specjalnych stawek za energię lub zredukowania wymagań od odbiorcy albo też zwolnienie go od obciążeń towarzyszących tym wymaganiom. Odbiorcom pozwoli to na podniesienie ekonomicznej efektywności swojego zakładu.

Dodatkową korzyścią jest odzyskiwanie energii cieplnej. Nie tylko zakład energetyczny może mieć korzyść ze „współprodukcji” ciepła i energii elektrycznej. W każdym zakładzie prosty rurowy wymiennik ciepła może odzyskać ciepło z chłodzenia turbiny i użyć go na dodatkowe cele, podgrzania wody lub mediów produkcyjnych. Koszt instalacji jest bardzo mały zaś amortyzacja odbywa się w bardzo krótkim czasie.  

^{Fot. 1. Kombinacja urządzeń cieplnych i energetycznych jest zalecana do odzyskiwania ciepła, równoległego wytwarzania energii cieplnej i elektrycznej i kompleksowego gospodarowania energią. Ciepło odzyskane z zespołu prądotwórczego można wykorzystać do produkcji pary, ogrzewania powietrza lub wody. Taki system może być ekonomicznie efektywny w zakładach mających duże zapotrzebowanie na energię}

Korzyści z własnej energii

Niektóre przykłady produkcji energii elektrycznej we własnym zakładzie wskazują na możliwość sprzedawania nadwyżek energii. Idealnym rozwiązaniem jest ciągła praca zespołu prądotwórczego, co przynosi stałe korzyści, kiedy cena energii  z sieci zewnętrznej jest wyższa od kosztu wytworzenia energii we własnym zakładzie. Jednak rzeczywistość nie jest aż tak prosta. Produkcja energii i dostawa jej do sieci energetycznej oznacza budowę własnego zespołu o mocy przekraczającej potrzeby wewnętrzne. Większość zakładów jednak woli skupić się na inwestycjach przynoszących zyski ze swojej podstawowej produkcji. 

Co więcej, wielu właścicieli zawodowych elektrowni silnie zniechęcająco oddziałuje na przypadki, gdy któryś z odbiorców chce stać się dostawcą energii do własnej sieci. Jest to także częściowo związane z zagadnieniami bezpieczeństwa. Przedsiębiorstwa będące właścicielami lub zarządcami energetycznej sieci transmisyjnej nie chcą ponosić ryzyka związanego z tym, że generator u dotychczasowego odbiorcy będzie poza ich kontrolą dostarczał energię do sieci dystrybucyjnej w momencie wyłączenia sieci, szczególnie wtedy, gdy na tej sieci ich pracownicy będą wykonywali określone czynności konserwacyjno-remontowe. Zarządca sieci nie pozwala na swobodną dostawę energii do jego sieci, na ogół żąda wtedy zainstalowania odpowiedniej rozdzielni, wyposażonej w urządzenia zabezpieczające i zapewniające zgodne parametry dostarczanej energii. To żądanie należy brać pod uwagę, rozważając koszty i zyski z eksportowania własnej energii do krajowej lub regionalnej sieci. 

Innym ekonomicznym zagadnieniem związanym z produkcją energii elektrycznej we własnym zakładzie jest problem utrudnień w przypadku powiększania mocy jednostki prądotwórczej, na przykład powiększenie mocy z 10 MW do 12 MW. Taka zmiana wymaga dużych wydatków na nowy transformator, nową aparaturę rozdzielczą i związane z nimi wyposażenie (patrz ramka „Rozważanie poprawy zaopatrzenia w energię elektryczną”). System prądotwórczy, który może zapewnić podniesienie mocy  o 2 MW na czas szczytowego zapotrzebowania, mógłby uprzedzać potrzebę zwiększenia mocy elektrycznej w perspektywie kilku lat. W nagrodę mógłby też zostać uznany za zachętę do rozproszonego systemu produkcji energii. 

Licząc koszty

Jest oczywiste, że problem wytwarzania energii we własnym zakładzie nie jest prosty ani łatwy do rozwiązania, ma bowiem także kosztowne strony. Do wytwarzania energii konieczny jest zakup zespołu prądotwórczego z niezbędnym osprzętem, aparatury rozdzielczej i jej nadbudowy, elementów przyłącza, a ponadto zamontowanie na fundamencie lub konstrukcji, nie licząc opracowań i prac inżynierskich. Z kolei w koszty produkcji wchodzą też: paliwo, zaplanowana i dodatkowa obsługa oraz czynności typowe dla utrzymania ruchu, to jest przeglądy, chłodzenie, smarowanie, wymiana zużywających się elementów. Do tego dodać należy koszt eksploatacji, naprawy, remonty, a także wynagrodzenie i ubezpieczenie ekipy pracowników. Jeżeli z założenia ma to być lokalna sieć, lecz z ewentualnym wsparciem z sieci ogólnej, dostawcy zawodowi mogą narzucać warunki gotowości do zaspokojenia ewentualnego wzrostu obciążenia ich sieci (utrzymywanie rezerwy mocy). W dodatku dotychczasowy dostawca może nałożyć opłaty za każdorazowe wykorzystanie przyłącza. Opłaty za przyłączanie  i odłączanie mają swoje uzasadnienie we wzroście zakłóceń z tytułu przenoszenia się odbiorców w pewnym obszarze, od jednego do drugiego dostawcy energii. Te opłaty mają wyrównać dostawcom straty poniesione na budowę i utrzymanie rozległej terytorialnie sieci dystrybucyjnej dla potrzeb mieszkańców i przedsiębiorstw. Mają one też rację bytu, gdy dostawcy ponieśli znaczne koszty budowy infrastruktury energetycznej, zapewniającej specjalne parametry energii dostarczanej tym, którzy teraz chcą się w zasadzie odłączyć od sieci, ale doraźnie móc z niej korzystać. 

Podejmowanie decyzji

Niektóre czynniki wpływające na podjęcie decyzji o produkcji energii we własnym zakresie mają czysto ekonomiczny charakter. Bywa tak, że przedsiębiorca waha się z podjęciem decyzji o inwestowaniu w produkcję energii, ponieważ obawia się, że związane  z tym problemy odwrócą jego uwagę od podstawowej działalności produkcyjnej. W rzeczywistości do wytwarzania własnej energii niezbędne jest zewnętrzne wsparcie. Dlatego dostawcy wyposażenia składają rozliczne propozycje usług, z programami nadzoru włącznie. Zapewniają projektowanie i dobór rozwiązań, instalowanie na obiekcie, prace rozruchowe, obsługę działania  i czynności utrzymania ruchu z remontami włącznie. Wszystko według uzgodnionych stawek w odniesieniu do 1 kWh produkcji energii. Takie programy, łącznie z udzielonymi gwarancjami, zapewniają osiągnięcie korzyści z produkcji własnej energii przy najmniejszym finansowym ryzyku. 

Co więcej, współczesne zaawansowane technicznie i elektronicznie regulowane zespoły prądotwórcze są najbardziej niezawodne i łatwe w obsłudze. Podobnie jak nowoczesne samochody mogą przejechać 150 tysięcy kilometrów bez usterek i napraw, tak samo nowoczesne silniki i generatory prądu mogą pracować miesiące i lata przy minimalnym absorbowaniu uwagi operatorów.

Na koniec, podjęcie decyzji o zainstalowaniu  w zakładzie urządzeń prądotwórczych jest zdeterminowane udzieleniem odpowiedzi na pytanie: Czy taka inwestycja przysporzy pieniędzy przez zmniejszenie wydatków lub podniesienie dyspozycyjności kluczowych urządzeń i procesów produkcyjnych, albo też jedno i drugie? Odpowiedź można uzyskać po starannym oszacowaniu możliwości działań własnych i skonsultowaniu się z doświadczonymi dostawcami urządzeń energetycznych  w sektorze przemysłowym. 

^{Fot. 2. Rozproszony system energetyczny zawiera porównywalne co do wielkości zespoły prądotwórcze rozmieszczone na całym obszarze sieci dystrybucyjnej, odpowiednio do rejonowego zapotrzebowania na energię. Systemy takie są budowane zarówno dla sieci regionalnych, obejmujących skupiska ludzkie, jak też dla potrzeb przemysłowych. Mogą być one ekonomicznie efektywniejsze od wielkich scentralizowanych zakładów energetycznych i rozbudowanej na dużej przestrzeni sieci przesyłowej i dystrybucyjnej}

Podnoszenie jakości dostaw energii

Gdy w określonej sieci wzrasta ogólne zapotrzebowanie na energię, konieczne jest dostosowanie całej infrastruktury dystrybucyjnej do nowych zadań. Pojawiają się bowiem problemy związane  z jakością dostarczanej energii, zagadnieniami bezpieczeństwa, a także o charakterze prawnym. Rosnące zapotrzebowanie na energię narzuca dostawcom konieczność modernizacji sieci. Dotyczy to również zespołu prądotwórczego oddającego energię do sieci zewnętrznej. Przerwa w pracy, czy to z powodu działań serwisowych, czy też nierozważnego zatrzymania, może spowodować kłopoty i doprowadzić do przeciążenia transformatora. 

Jednym ze sposobów rozwiązania takiej sytuacji jest wyposażenie rozdzielni w automatyczne załączanie „zasilania kryzysowego”, czyli na zasilanie tylko tych obwodów, które mają kluczowe znaczenie dla zakładu. Jeżeli zespół prądotwórczy nie jest w stanie zaspokoić nagłych wzrostów zapotrzebowania, określone uprzednio sekwencje przełączników „zasilania kryzysowego” spowodują wyłączenie zasilania obwodów o mniejszym znaczeniu, aż do czasu, gdy całkowite obciążenie sieci wróci do normalnego poziomu. Takie dodatkowe przełączniki są o wiele tańsze od innych elementów infrastruktury dystrybucyjnej, podnoszącej zdolność transmisyjną sieci.

I na odwrót, w razie awarii sieci dystrybucyjnej, własny zespół prądotwórczy z silnikiem na gaz może być rezerwowym źródłem dla obwodów  o kluczowym znaczeniu, które jednak nie stwarzają zagrożenia życia, bowiem gazu nie magazynuje się w zakładzie. Do zasilania kluczowych obwodów o decydującym znaczeniu dla życia ludzi zdecydowanie lepszy jest napęd generatora silnikiem dieslowskim, bo ten ma własny zbiornik paliwa, wystarczający na dłuższy czas pracy.  

  Artykuł pod redakcją Józefa Czarnula

Autor: Michael A. Devine, Caterpillar Inc.