ebook Energetyka w okresie transformacji Izabela Filipiak, Władysław Mielczarski

Wydawca: Wydawnictwo Naukowe PWN

Rok wydania: 2023

Transformacja w społeczeństwie i gospodarce jest procesem ciągłym, prowadzonym od setek lat. Również energetyka zmieniała się ewolucyjnie. Korzystając z dobrodziejstw nowych technologii, inżynierowie stworzyli system elektroenergetyczny, który dostarcza czystej i łatwej w użytkowaniu energii elektrycznej o uniwersalnych zastosowaniach. Dzięki tym stopniowym zmianom w ostatnich dekadach mogliśmy cieszyć się niemal nieprzerywanymi dostawami stosunkowo taniej energii, a bezpieczeństwo energetyczne stało się niekwestionowaną normą. Współpraca naukowców i inżynierów w sposób ewolucyjny zapewniła ciągłe dostawy paliw oraz energii dla społeczeństwa i gospodarki, co pozwoliło osiągnąć ludzkości niespotykany dotąd w historii, wysoki poziom życia.

Książka „Energetyka w okresie transformacji” wyjaśnia zachodzące w energetyce zmiany oraz opisuje aspekty techniczne, ekonomiczne i społeczne procesu transformacji energetycznej. Aspekty techniczne zostały przedstawione w czterech pierwszych rozdziałach, traktujących m.in. o wytwarzaniu energii elektrycznej, bezpieczeństwie energetycznym oraz o problemach magazynowania energii. Kolejne trzy rozdziały prezentują aspekty ekonomiczne omawiając koszty energii elektrycznej, funkcjonowanie rynków energii, a także koszty funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Ostatnia część książki skupia się na aspektach społecznych, środowiskowych i regulacyjnych i opisuje zagadnienia związane z ochroną klimatu i relacją energetyki ze społeczeństwem i środowiskiem.

Publikacja jest przeznaczona do energetyków, polityków, dziennikarzy, działaczy klimatycznych, studentów i tysięcy ludzi zajmujących się energetyką, którzy niekoniecznie muszą mieć formalne wykształcenie w tej dziedzinie. Książka skierowana jest również do wszystkich odbiorców energii elektrycznej, a podane w niej informacje pomogą im poznać działanie systemów elektroenergetycznych i lepiej zrozumieć zmiany, które również ich dotyczą.

Transformacja elektroenergetyczna, a szerzej transformacja energetyczna, jakiej jesteśmy świadkami w ostatnim czasie, to proces bardzo skomplikowany, często przy tym słabo zrozumiały dla większości osób. Na rynku brak jest dobrych, rzetelnych opracowań dotyczących tego tematu, z drugiej strony, nie jest łatwo w prosty i nieskomplikowany sposób dotrzeć do szerokiego grona odbiorców z tak trudnym i obszernym tematem. Recenzowana publikacja wchodzi w tę lukę, zaś jej autorzy, osoby z niezwykle bogatym doświadczeniem zarówno od strony naukowo-badawczej, jak i praktycznej, gwarantują rzetelność opracowania i szerokie spojrzenie na tematykę. Autorzy w głównej mierze koncentrują się na zagadnieniach związanych z energią elektryczną, zarówno ze względu na jej uniwersalizm, ale też specyfikę działania systemu elektroenergetycznego, gdzie zapotrzebowanie i produkcja w każdym memencie muszą się równoważyć, z powodu braku możliwości magazynowania tej postaci energii na dużą skalę. (…) Publikacja powinna trafić i zainteresować bardzo szerokie grono odbiorców, zarówno z bezpośredniej branży energetycznej, gdyż przedstawia bardzo aktualne dane i problemy związane z elektroenergetyką i trendami jej zmian, oraz przystosowywania jej strony technicznej do tych zmian, a także dla odbiorców z grupy nie-inżynieryjno-technicznej, ale będących w temacie. W tej drugiej grupie na pewno powinni znaleźć się zarówno publicyści, dziennikarze zajmujący się tematyką energetyczną, a także politycy, samorządowcy mający wpływ na szeroko pojętą energetykę zarówno na szczeblu krajowym, jak i lokalnym. Grono odbiorów z pewnością może i powinno być jeszcze szersze, gdyż zrozumienie zmian zachodzących w energetyce ma bezpośrednio wpływ na funkcjonowanie i zmiany w całej gospodarce. Książka może być także przydatna dla studentów i pracowników wyższych uczelni szczególnie na kierunkach związanych z energetyką (elektrotechnika, energetyka, ochrona środowiska), ale też może być przydatna dla kierunków ekonomicznych, czy związanych z naukami społecznymi (politologia, socjologia) (…).

dr hab. inż. Henryk Kocot, profesor uczelni, Katedra Elektroenergetyki i Sterowania Układów Wydział Elektryczny Politechniki Śląskiej

Spis treści ebooka Energetyka w okresie transformacji

Od autorów 11
Podziękowania 12
Wprowadzenie. Dokąd zmierzamy? 13
A. ASPEKTY TECHNICZNE 17
1. Wytwarzanie energii elektrycznej 18
1.1. Konwencjonalne źródła energii 20
1.1.1. Węgiel brunatny i kamienny 20
1.1.2. Gaz ziemny 24
1.1.3. Elektrownie jądrowe 26
1.1.4. Małe reaktory modułowe 29
1.2. Odnawialne źródła energii 31
1.2.1. Biomasa i biogaz 31
1.2.2. Elektrownie wodne 32
1.2.3. Elektrownie słoneczne 34
1.2.4. Elektrownie wiatrowe 35
1.3. Wykorzystanie wodoru 36
1.4. Najlepsze źródło energii 40
2. Bezpieczeństwo energetyczne 41
2.1. Energia elektryczna jako towar 41
2.2. Konieczność ciągłych dostaw 42
2.3. Jakość i niezawodność energii elektrycznej 42
2.4. Sektor elektroenergetyczny w Europie 43
2.5. Sektor elektroenergetyczny w Polsce 44
2.5.1. Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną 44
2.5.2. Wytwarzanie energii elektrycznej w Polsce 46
2.6. Rola odnawialnych źródeł energii 47
2.7. Bezpieczeństwo energetyczne 49
2.8. Dyspozycyjność i sterowalność 50
2.9. Ciągłość zasilania i adekwatność 51
2.10. Bilanse mocy i energii elektrycznej 52
2.10.1. Bilans mocy 52
2.10.2. Bilans energii elektrycznej 54
2.11. Samobilansowanie się źródeł odnawialnych 55
2.12. OZE w transformacji energetycznej 56
2.13. Wymuszone wyłączenia OZE 57
2.14. Nieefektywne wykorzystanie źródeł odnawialnych 60
2.15. Kiedy przychodzi flauta 61
2.16. Magazynowanie energii z OZE 63
2.17. Możliwe braki energii elektrycznej 64
2.18. Prognozy dla polskiego systemu elektroenergetycznego 65
2.19. Braki energii i stopnie zasilania 68
2.20. Możliwy udział OZE w produkcji energii elektrycznej 70
2.20.1. Przykłady godzinowych profili mocy 71
2.20.2. Założenia prowadzonych analiz 73
2.20.3. Wypełnianie celów OZE 74
2.20.4. Wymagane moce źródeł odnawialnych 75
2.20.5. Konieczne inwestycje 76
2.20.6. OZE w bilansowaniu zapotrzebowania na energię 77
2.20.7. Magazynowanie energii odnawialnej 78
3. Przesyłanie energii elektrycznej 80
3.1. Systemy przesyłowe 80
3.1.1. Sterowania przepływami energii elektrycznej 82
3.1.2. Praca linii w stanach normalnych 83
3.1.3. Wpływ generacji rozproszonej na system przesyłowy 84
3.2. Systemy dystrybucyjne 86
3.2.1. Schematy zastępcze linii niskiego i średniego napięcia 86
3.2.2. Straty napięcia, mocy i energii 87
3.3. Odziaływanie OZE na rozpływy energii 88
3.3.1. Wojny prosumenckich falowników 88
3.3.2. Nowe warunki pracy sieci dystrybucyjnej 89
3.3.3. Przyłączanie nowych źródeł 92
3.3.4. Zasady przyłączania źródeł energii elektrycznej 93
3.3.5. Moce przyłączeniowe w systemie przesyłowym 93
3.3.6. Moce przyłączeniowe w systemach dystrybucyjnych 94
3.3.7. Odmowy przyłączeń 95
3.3.8. Przyłączanie prosumentów 96
3.3.9. Możliwości działania operatorów sieci 97
3.4. Jakość i niezawodność energii elektrycznej 98
3.4.1. Kategorie odbiorników 99
3.4.2. Wpływ jakości energii na odbiorców 99
3.5. Linie prądu stałego 101
3.6. Elektryczne sprzęgła back-to-back 103
3.7. Wielotorowe, wielonapięciowe linie napowietrzne 104
3.8. Linie bezpośrednie 105
3.9. Klastry energii 106
3.10. Energetyka rozproszona w systemie elektroenergetycznym 109
3.11. Połączenie z sąsiednimi systemami 111
3.12. Przepływy kołowe 113
4. Magazyny energii 114
4.1. Kategorie magazynów energii 115
4.2. Magazyny wodorowe 116
4.3. Przyszłość magazynów energii 117
4.4. Wykorzystanie magazynów energii 117
4.5. Magazyny energii w systemie przesyłowym 119
4.6. Magazyny energii w systemie dystrybucyjnym 124
4.6.1. Magazyny energii przy farmach wiatrowych 124
4.6.2. Magazyny energii w przemyśle 125
4.7. Prosumenckie magazyny energii 126
B. ASPEKTY EKONOMICZNE 133
5. Koszt energii elektrycznej 134
5.1. Taryfowanie energii elektrycznej 134
5.2. Składniki opłat za energię elektryczną 136
5.2.1. Koszty produkcji energii elektrycznej 136
5.2.2. Opłaty przesyłowe 137
5.3. Składowe kosztów wytwarzania energii elektrycznej 138
5.3.1. Koszty stałe 139
5.3.2. Wpływ czasu pracy na koszty energii elektrycznej 141
5.3.3. Koszty operacyjne w elektrowniach konwencjonalnych 142
5.3.4. Koszty energii jądrowej 146
5.3.5. Koszt odnawialnych źródeł energii 146
5.3.6. Koszty magazynów energii 148
5.4. Koszty przesyłania energii elektrycznej 152
5.4.1. Składniki G i L w taryfach 152
5.4.2. Struktura kosztów przesyłania energii elektrycznej 153
5.4.3. Zniekształcenie stawek przesyłowych 153
5.4.4. Opłata przejściowa 154
5.5. Odnawialne źródła energii 155
5.5.1. Zielone certyfikaty 155
5.5.2. System taryfowy dla źródeł odnawialnych – aukcje OZE 157
5.5.3. Inne subsydia 159
5.6. Rynki mocy 160
5.7. Podatki i akcyza 163
5.7.1. Podatek VAT 163
5.7.2. Akcyza na energię elektryczną 164
5.8. Koszty zakupu pozwoleń na emisje dwutlenku węgla 165
5.9. Wartość rynkowa energii z OZE 168
5.10. OZE na Rynku Dnia Następnego 172
5.11. Błędy prognoz OZE 174
5.12. Koszty rezerw mocy 175
5.13. Rezerwy mocy dla OZE 177
5.13.1. Kontraktowanie rezerw mocy 177
5.13.2. Płatności za kontrakty mocy 178
5.13.3. Działanie OZE z kontraktami na rezerwy mocy 179
6. Rynki energii elektrycznej 182
6.1. Rynek hurtowy 183
6.2. Rynek detaliczny 184
6.3. Zasięg rynków 184
6.4. Reakcje rynków na zmienność podaży i popytu 185
6.4.1. Ceny gazu ziemnego w Europie 185
6.4.2. Ceny węgla kamiennego w Europie 186
6.4.3. Ceny energii elektrycznej w Polsce 188
6.5. Główne struktury rynków energii elektrycznej 190
6.5.1. Rynek energii elektrycznej typu pool 190
6.5.2. Rynek bilateralny 192
6.6. Zasady handlu energią elektryczną 192
6.6.1. Miedziana płyta 192
6.6.2. Cechy energii jako towaru 193
6.6.3. Rynki tylko energii 195
6.6.4. Cena krańcowa czy cena ofertowa? 196
6.7. Giełdy energii 197
6.7.1. Rynki dnia następnego i bieżącego 198
6.7.2. Rynki kontraktowe 199
6.7.3. Kontrakty hedgingowe 200
6.7.4. Obligo giełdowe 202
6.7.5. Mechanizm tworzenia się wysokich cen 202
6.8. Rynki bilansujące 203
6.8.1. Zasady działania rynku bilansującego 203
6.8.2. Struktura rynku bilansującego 205
6.8.3. Bilansowanie handlowe 206
6.8.4. Oferty bilansujące 208
6.8.5. Równoważenie rzeczywistego zapotrzebowania z produkcją 210
6.8.6. Ograniczenia w przesyłaniu i ich usuwanie 211
6.9. Rynek detaliczny 212
6.9.1. Uprzywilejowana pozycja odbiorcy – TPA 212
6.9.2. Podmiot bilansujący 213
6.9.3. Sprzedawca zobowiązany 214
6.9.4. Umowy na energię elektryczną 215
7. Koszty funkcjonowania systemu elektroenergetycznego 217
7.1. Podstawy ekonomicznej efektywności inwestycji 217
7.1.1. Prosty okres zwrotu 217
7.1.2. Net Present Value – NPV 218
7.1.3. Metody zdyskontowane obliczania czasu zwrotu z inwestycji 218
7.2. Koszty niedostarczonej energii elektrycznej 221
7.2.1. Ceny maksymalne i minimalne 221
7.2.2. Koszty niedostarczonej energii 221
7.2.3. Opłacalność stosowania magazynów energii 225
7.3. Koszty transformacji energetycznej 227
7.3.1. Wyniki analiz 228
7.3.2. Główne składniki kosztów 228
7.3.3. Nakłady skumulowane 229
7.3.4. Podsumowanie kosztów transformacji energetycznej 229
C. ASPEKTY SPOŁECZNE, ŚRODOWISKOWE I REGULACYJNE 231
8. Energetyka a klimat 232
8.1. Zmiany klimatu 232
8.2. Czynniki wpływające na zmianę klimatu 234
8.3. Antropogeniczne źródła emisji 236
8.4. Polityka klimatyczno-energetyczna na świecie 240
8.5. Polityka klimatyczno-energetyczna w Unii Europejskiej 242
8.6. Normy emisji 244
9. Energetyka a społeczeństwo 246
9.1. Zatrudnienie w energetyce 246
9.1.1. Zatrudnienie w branży OZE 247
9.1.2. Sprawiedliwa transformacja 248
9.2. Społeczna odpowiedzialność energetyki (CSR i ESG) 252
9.3. Wpływ społeczeństwa na energetykę 253
9.4. Niezależność energetyczna państw 257
9.4.1. Zależność od wiedzy i technologii 258
9.4.2. Zależność od paliw 261
9.4.3. Zależność od importu energii elektrycznej 265
10. Energetyka a środowisko 267
10.1. Energetyka konwencjonalna 267
10.2. Energetyka wiatrowa 269
10.2.1. Rozwój energetyki wiatrowej 269
10.2.2. Protesty i ustawa 10H 270
10.2.3. Hałas farm wiatrowych 270
10.2.4. Stanowisko Narodowego Instytutu Zdrowia Publicznego – Państwowego Zakładu Higieny 271
10.2.5. Migotanie cienia 272
10.2.6. Propozycje regulacji prawnych 272
10.2.7. Wiatraki morskie 273
10.3. Panele PV 274
10.4. Biogazownie 274
10.5. Spalanie biomasy 274
10.6. Elektrownie wodne 275
10.7. Energetyka jądrowa 276
10.7.1. Three Mile Island 276
10.7.2. Czarnobyl 276
10.7.3. Fukushima 277
10.8. Rekultywacja i recykling 277
10.8.1. Energetyka konwencjonalna 278
10.8.2. Energetyka odnawialna 280
Podsumowanie 282
Bibliografia 283
Spis rysunków 291
Spis tabel 294