Ozerise Ozerise Life NFOŚiGW

Smaller Default Larger

O projekcie

Odnawialne źródła energii w gospodarstwach rolnych i mikrosieciach -
Generalne problemy wprowadzania nowoczesnych,
prośrodowiskowych rozwiązań energetycznych do rolnictwa

 

Czysta energia dla rolnictwa

Wg najnowszego raportu  IPCC  obecnie rolnictwo zużywa 8 EJ energii pierwotnej (powyżej 3% światowego bilansu energii, nie licząc potrzeb bytowych gospodarstw rolnych) z czego 1 EJ pochodzi z tzw. nowych odnawialnych źródeł energii (OZE), nie bazujących na spalaniu tradycyjnej biomasy. W ramach działań na rzecz stabilizacji koncentracji CO2 w atmosferze ziemskiej na poziomie 450 ppm, co zdaniem IPCC jest możliwe o ile ogólny udział OZE w światowym bilansie energetycznym wzrośnie do 50%, udział nowych technologii OZE w rolnictwie musi wzrosnąć do 2 EJ już w 2035 roku. Raport podkreśla, że szybki wzrost udziału energii z nowoczesnych OZE tylko wtedy jest możliwy i wtedy przyniesie żądane efekty ekologiczne o ile uda się je zintegrować z inteligentnymi systemami energetycznymi. Jeszcze dobitniej w ogólnym komunikacie dla Parlamentu Europejskiego i Rady dotyczącym specyficznie ISE stwierdziła to Komisja Europejska: „Inteligentne sieci staną się podstawą bezemisyjnego systemu energetycznego”.

 

Z kalkulacji prowadzonych nad emisyjnością sektora rolnictwa w projekcie „Wpływ energetyki odnawialnej na europejskich rolników”, opracowywanego dla Komisji Europejskiej  wynika, że rozwój odnawialnych źródeł energii na obszarach wiejskich w UE ze szczególnym uwzględnieniem sektora rolnictwa przyczyni się do ograniczenia emisji CO2 o ponad 230 Mton CO2e, z czego najwyższym wskaźnikiem redukcji jednostki gazów cieplarnianych w stosunku do wygenerowanej energii jest energetyka wiatrowa oraz biogaz, a w dalszej kolejności także energetyka słoneczna termiczna

 

Wg badań GUS  ok. 6% energii finalnej w Polsce jest zużywane w rolnictwie i niemalże 30% w gospodarstwach domowych, wśród których największy odsetek zużycia najbardziej wysokoemisyjnego paliwa jakim jest węgiel, ma miejsce na obszarach wiejskich. Według prof. Z. Wójcickiego, aby spełnić wymogi związane z polityką klimatyczną i pakietem 3x 20%, wykorzystywanie OZE w rolnictwie powinno w Polsce wzrastać z około 50 PJ w 2005 r. (ok. 20% całkowitej produkcji energii z OZE w Polsce) do 85 PJ w 2030 r., z szybkim wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną, w szczególności w rolniczych gospodarstwach domowych (wzrost zapotrzebowania na energię o niemalże 50% w stosunku do 2005 roku). Wraz ze wzrostem zużycia energii elektrycznej wytwarzanej w Polsce w ok. 90% w elektrowniach węglowych, rolnictwo przyczynia się do proporcjonalnie wyższej emisji CO2 z uwagi na znacznie wyższe (sięgające nawet 15%) straty całkowite w przesyle i dystrybucji  energii, z uwagi na długość i zły stan wiejskich sieci przesyłowych.  Autor zwraca też uwagę  na potrzebę niezwykle szybkiego wzrostu wykorzystania na wsi takich nowych OZE jak elektrownie wiatrowe, biogazownie i kolektory słoneczne, których udział ma w 2030 roku osiągnąć już ponad 40% całkowitego zużycia energii z OZE w rolnictwie oraz podkreśla wysoką emisyjność i dodatkowo tzw. „niską emisję” związane z końcowym wykorzystaniem na wsi paliw stałych, zwłaszcza węgla oraz tradycyjnej biomasy.

Niezależne badania prowadzone wśród mieszkańców wsi w Polsce  pokazują, że za najbardziej emisyjne i uciążliwe dla środowiska uważają paliwa kopalne, w tym w szczególności węgiel (81% respondentów),  za najbardziej ekologiczne źródła dla obszarów wiejskich uważana jest energia słoneczna (62%) i wiatru (51%) i te technologie są wymieniane jako najbardziej potrzebne obszary nowych inwestycji (odpowiednio energia wiatru 69% i energia słoneczna 67%).

 

Przegląd rozwiązań światowych i możliwości dotyczących zrównoważonego pokrywania potrzeb energetycznych w rolnictwie z wykorzystaniem OZE i koncepcji mikrosieci.

Zasadniczy problem sprowadza się do przełamywania ograniczeń stosowania OZE tam, gdzie istnieją największe potencjały ich wykorzystania, czyli na obszarach wiejskich. Wśród generalnych ograniczeń w tym zakresie, po wstępnym okresie wprowadzania pojedynczych OZE, staje się obecnie integracja OZE z systemami zaopatrzenia w energię (tu dominują bariery środowiskowe i infrastrukturalne) oraz ich integracja z systemami wykorzystania energii u rozproszonych odbiorców końcowych (tu przeważają bariery związane z modelem rynku i sposobami zarządzania energią). Kierunki rozwoju i integracji OZE z systemami energetycznymi przedstawiono na poniższym schemacie z zaznaczeniem obszarów w których skoncentrowane są działania w projekcie.

dokumenty/o_projekcie/oze.png

Rys. 1 Kierunki rozwoju i integracji OZE z systemami energetycznymi, źródło: Instytut Energetyki Odnawialnej

W potrzebę działań na rzecz ograniczenia strat energii oraz znaczącego zwiększenia udziału OZE w rolnictwie i na obszarach wiejskich wraz z redukcją emisji substancji z procesów spalania do atmosfery (zarówno w sektorze wytwarzania energii jak i jej końcowego zużycia), doskonale wpisuje się idea tworzenia inteligentnych sieci energetycznych (ISE), w tym mikrosieci. Obejmuje ona systemy generacji rozproszonej oparte na wykorzystaniu odnawialnych zasobów energii (tzw. małoskalowe OZE lub „mikroźródła”) wraz z systemami zdecentralizowanego magazynowania energii (elektrycznej i ciepła oraz w postaci paliw gazowych, w tym wytwarzanych w takich OZE jak mikrobiogazownie). Elementy w mikrosieciach współpracują z lokalnymi sieciami i są łączone w węzłach zwyczajowo do sieci niskiego napięcia. ISE umożliwiają dwukierunkową wymianę informacji i energii pomiędzy producentami i użytkownikami, a co za tym idzie, wyższy poziom przejrzystości, który promuje odpowiedzialne i oszczędne korzystanie z energii po stronie użytkowników. W koncepcji tej rolnicy, którzy tradycyjnie byli producentami energii na własne potrzeby, a stosunkowo od niedawna stali się głównie jej konsumentami, stają się nowoczesnymi – bazującymi na nowych technologiach OZE i zasobach ISE - „prosumentami”, dzięki czemu nie tylko zwiększają efektywność wykorzystania OZE, ale w większym zakresie zastępują lokalne wykorzystanie paliw kopalnych redukując związaną z tym emisję, ale także efektywniej (mniejsze straty) korzystają z energii wytwarzanej w scentralizowanych źródłach. Projekty pilotażowe pokazują, że inteligentne sieci mogą bardzo przyczynić się do ograniczenia emisji CO2. W badaniu Smart 2020, analizującym globalne skutki inteligentnych sieci, oszacowano, że redukcja emisji CO2 wyniesie 15%. Natomiast z badania EPRI  wynika, że całkowite emisje CO2 z sektora energetycznego USA w 2006 r., w wyniku m.in. rozwoju generacji rozproszonej z udziałem OZE i inteligentnych sieci, zmalały o prawie 9%.

Mikrosieci, jako element ISE z udziałem OZE, najszybciej rozwijają się w USA, UE oraz w Australii. Według najnowszego raportu Wspólnotowego Centrum Badawczego Komisji Europejskiej JRC w UE zrealizowano minimum 219 projektów związanych bezpośrednio z ISE na kwotę 5,5 mld Euro. Prezentując w raporcie pełen katalog podjętych do tej pory projektów, autorzy wskazują, że ISE ułatwiają włączanie do systemu odnawialnych źródeł energii, ale jednocześnie podkreślają, że dla takich krajów jak Polska (ogólnie – nowych krajów członkowskich UE) realizacja tego typu projektów może być trudna z uwagi na: początkowy etap rozwoju rynku małych technologii OZE, kształt rynku energii oraz problemy kadrowe. Z raportu wynika, że w koordynowaniu powstawania inteligentnych sieci energetycznych w całej Europie główną rolę odgrywają operatorzy systemów dystrybucyjnych (OSD). Ok. 27 proc. wszystkich projektów to projekty prowadzone przez OSD, ok. 67 proc. wszystkich inwestycji to projekty OSD. Dotychczasowe projekty pilotażowe objęte badaniem JRC były realizowane głównie w miastach.

Porównawcza analiza kilkudziesięciu zrealizowanych na świecie mikrosieci z większym lub mniejszym udziałem OZE wykonana na Uniwersytet w Manitobie  wskazuje, że w szczególności w UE, ale też w Azji (Japonia, Chiny) główny nacisk kładziony jest na integrację OZE z ISE, podczas gdy w USA w rozwoju koncepcji mikro sieci nacisk kładziony jest na wzrost niezawodności zaopatrzenia w energię. Tylko jeden z analizowanych projektów we Włoszech łączy w system większą liczbę różnych (zintegrowanych) technologii OZE, w tym małe elektrownie wiatrowe (8kW), systemy fotowoltaiczne (10 kW), mikrobiogazownie (100 kW) oraz system termicznych kolektorów słonecznych (10 kW) wraz z lokalnym magazynowaniem energii. Projekt ten, m.in. z uwagi na większą ilość OZE, charakteryzuje się zarządzaniem mikrosiecią oraz gospodarowaniem energią przez niezależnego agenta - firmę doradczą typu ESCO, a nie przez operatora sieci dystrybucyjnej OSD. Żaden z analizowanych projektów nie został ukierunkowany na wiejskie sieci i gospodarstwa rolne.  

Szeroko zakrojony program rozwoju OZE na obszarach wiejskich i modernizacji sieci wiejskich w ramach budowy inteligentnych sieci jest realizowany w USA . Program jest finansowany już od 2007 roku, a w 2012 roku będzie finansowany kwotą 6,1 mld USD z budżetu ministerstwa rolnictwa USDA, w tym 4 mld USD na budowę OZE (głównie czyste ekologicznie, ale niestabilne źródła jak elektronie wiatrowe i systemy PV) na obszarach wiejskich i ich integrację w ISE.

Typowym punktem wyjścia centralnie tworzonych programów rozwoju mikrosieci w powiązaniu z inwestycjami w OZE jest instalacja tzw. inteligentnych liczników oraz pozyskiwanie do współpracy „sieciowych” przedsiębiorstw energetycznych (dystrybutorów paliw i energii), czyli z przewagą metody „top down”.  Równolegle z podjęciem działań technicznych i legislacyjnych w zakresie ISE konieczne jest rozpoczęcie działań nakierowanych na edukację świadomych konsumentów. Ważne jest aby oba komponenty: techniczny i edukacyjny służyły uzyskaniu wymiernych efektów. Skuteczne działanie wymaga też uwzględnienia specyfiki konsumentów i producentów energii, a w szczególności dotyczy to rolników. Z uwagi jednak na większą skalę gospodarstwa rolnego niż typowego gospodarstwa domowego, większe ich rozproszenie oraz znacznie większe możliwości wykorzystania OZE (większa rola lokalnej podaży energii), programy budowy mikrosieci wiejskich bardziej niż w przemyśle czy w tzw. inteligentnych miastach powinny być tworzone metodą „bottom up” z uwzględnieniem wieloletniego, „wyprzedającego rewolucję w sieciach”  programu inwestycyjnego gospodarstwa rolnego i lokalnej społeczności wiejskiej.

Obszary wiejskie, a w szczególności rolnicy mogą stać się jednymi z pierwszych beneficjentów praktycznego wdrażania technologii ISE, o ile ich rozwojowi towarzyszyć będzie coraz szerszy dostęp do nowoczesnych technologii OZE małej skali (skala gospodarstwa rolnego). Dotychczas rolnicy decydowali się z reguły na zakup i użytkowanie jednego, wybranego OZE, ale wraz z rozwojem mikrosieci i rynku energii oraz coraz większą gamą dostępnych na rynku urządzeń OZE (małe elektrownie wiatrowe, mikrobiogazownie, kolektory słoneczne, pompy ciepła, systemy fotowoltaiczne) sytuacja zaczyna się zmieniać. Rosną możliwości przyłączania w danym punkcie różnych „małych” OZE do sieci oraz potrzeby w zakresie wzajemnego uzupełniania się kilku OZE pracujących w danym gospodarstwie rolnym w samobilansujących się układach hybrydowych (obejmujących zintegrowaną gospodarkę energią elektryczną i ciepłem wraz z magazynowaniem energii). Obecne decyzje inwestycyjne rolników w zakresie zaopatrzenia w energię powinny uwzględniać ewolucję systemów energetycznych i rewolucję technologiczną. System energetyczny gospodarstwa rolnego powinien być projektowany i tworzony z uwzględnieniem nowej koncepcji sieci i coraz szerszej oferty urządzenia energetyki odnawialnej na rynku. Pojedyncze OZE dla gospodarstwa rolnego  powinny być projektowane i dobierane z myślą o ich pracy w systemach zintegrowanych, włączonych w inteligentne sieci i odpowiednio zarządzanych. Brak jednoczesnego uwzględnienia elementów zintegrowanego planowania i zarządzania inwestycjami i energią w gospodarstwie rolnym uniemożliwi wzrost wykorzystania OZE w gospodarstwach rolnych i może uniemożliwić rozwój tak potrzebnych mikrosieci w gospodarstwach rolnych i obejmowania ISE obszarów wiejskich. Paradoksalnie łatwiej o takie zintegrowane projektowanie,  planowanie i odpowiednie zarządzanie procesami inwestycyjnymi w krajach rozwijających się niż w UE czy USA, gdzie jest silnie rozwinięta infrastruktura starego typu, a pojedyncze nowe inwestycje w OZE (nie ma tu miejsca na bardziej kompleksowe, jednorazowe programy inwestycyjne) polegają na dostosowaniu ich do istniejącej infrastruktury niż tej przyszłościowej. W planowy, oddolny sposób zintegrowanie systemu OZE i zaczątki mikrosieci obejmujące gospodarstwa rolne powstały m.in. w Kenii, Nigerii, Tanzanii, Zambii, Sierra Leone i innych.

Z uwagi na występujące tu przyzwyczajenia i „błędne koło” inwestycyjne zmiana modelu zaopatrzenia w energię rolników na bardziej zrównoważony, bazujący na lokalnych OZE i bardziej efektywnym nie może być przeprowadzona przez same przedsiębiorstwa sieciowe czy przez samych rolników, a wielką rolę w tym procesie odgrywać będą pojedyncze decyzje samych rolników. „Inteligentne” wprowadzanie OZE na obszarach wiejskich powinno być zatem wspierane systemem nowoczesnego doradztwa dla rolników i stworzeniem systemów podejmowania decyzji inwestycyjnych, a następnie zarządzania energią. Obecnie bardziej nakierowany na ww. problemy jest system doradztwa w zakresie OZE w USA, ale programy doradcze nakierowane są bardziej  na doradztwo technologiczne niż integrację OZE i oddolną budową mikrosieci. Wykorzystuje się w tym celu kalkulatory doboru pojedynczych technologii OZE dla danej farmy. Najbardziej znanym system kalkulatorów stosowanych we wszystkich stanach jest opracowany, także w Ministerstwie Rolnictwa USDA, system „Energy Tools Home – Energy Self Assessment Calculator”, obejmujący takie technologie dla gospodarstw rolnych jak kolektory słoneczne (KS), małe elektrownie wiatrowe (MEW), małe biogazowanie (mB) oraz systemy fotowoltaiczne (PV). W Kanadzie i USA oraz incydentalnie w innych krajach, też w Polsce, wykorzystuje się też proste kalkulatory obliczeń i doboru OZE dostępne w ramach kanadyjskiego systemu RETScreen , ale nie jest to system dostosowany do potrzeb rolników ani dobowo-godzinowej symulacji wydajności OZE i zmienności taryf, niezbędnej przy uwzględnianiu w procesie projektowania OZE koncepcji ISE. W UE narzędzia komputerowe do projektowania zintegrowanych systemów energetycznych w gospodarstwach rolnych składające się z różnych OZE były rozwijane ze wsparciem FAO na początku lat 90-tych  - kalkulator SIENA  i potem testowane w kilku krajach, w tym testowane także w Polsce, ale z uwagi na ówczesną słabość rynku technologii OZE i mało elastyczne sieci (pozbawione komponentu informatycznego)  nie przyjęły się do praktycznego stosowania.

 

Stan rozwoju koncepcji prosumenckich z wykorzystaniem mikroinstalacji OZE w systemach zintegrowanych  i koncepcji inteligentnych sieci w Polsce

Budowa inteligentnych sieci od niedawna zyskała poparcie polityczne także w Polsce, czego efektem są propozycje zawarte w projekcie ustawy o  odnawialnych źródłach energii. Projekt ustawy opracowany w 2012 roku w Ministerstwie Gospodarki jest niczym inny jak próbą wprowadzenia energetyki prosumenckiej w Polsce. Szereg zapisów projektu tej nowoczesnej regulacji odnosi się do rolników jako prosumentów (np. zwolnionych z obowiązku prowadzenia działalności gospodarczej), ale jednocześnie proponowane rozwiązania wpisują się w inicjatywy służące budowie w Polsce inteligentnych sieci energetycznych (ISE), w szczególności na obszarach wiejskich. W maju 2011 r. Urząd Regulacji Energetyki (URE) opublikował stanowisko w sprawie tzw. Advance Metering Infrastructure (AMI), a już od 2012 roku tzw. lokalne obszary pilotażowe w Polsce korzystać będą mogły ze wsparcia nowego programu Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (NFOSiGW), w szczególności w zakresie instalowania inteligentnych liczników (smart metering) i integracji OZE. Pod patronatem Ministerstwa Gospodarki w ramach projektu Buildup Skills prowadzone są też prace mające na celu przygotowanie firm instalacyjnych do projektowania, dobru i instalowania mikrositalacji OZE pojedynczo lub w systemach zintegrowanych (hybrydowych) np. w gospodarstwach domowych i rolnych.

Instytut Energetyki Odnawialnej od 2006 roku rozwija kalkulatory i programy komputerowe do obliczeń, doboru i projektowania małoskalowych OZE u użytkowników końcowych. Należą do nich kalkulatory do dobory kolektorów słonecznych i biogazowni oraz programy komputerowej do ich projektowania (Kolektorek.pl, BiogazInwest.pl). Rozpoczęte zostały prace and opracowaniem kalkulatora dla małych elektrowni wiatrowych i systemów fotowoltaicznych, które lokalizowane i dobierane w Polsce bez wstępnych analiz lokalizacyjnych, danych wiatrowych i optymalizacji z uwagi na dobór technologii, pracują mało efektywnie.  Dotychczasowe prace Instytutu nad integracją tych źródeł OZE, prowadzone m.in. w ramach badania możliwości tworzenia na obszarach wiejskich tzw. „autonomicznych rejonów energetycznych”  prowadzą do wniosku, że istnieją daleko idące możliwości tworzenia oddolnego lokalnych grup energetycznych i bilansowania energii z wysokim udziałem OZE na jak najniższym szczeblu (służyć to będzie późniejszej implementacji ISE). Zaczynać jednak trzeba od najtańszych metod poprawy efektywności i bilansowania „niestabilnych” OZE w systemach zintegrowanych poprzez magazynowanie energii w gorącej wodzie, która jest jednocześnie najpowszechniejszym nośnikiem energii końcowej w gospodarstwach rolnych. Na rysunku poniżej przedstawiono syntetyczne  wyniki badań porównawczych  Instytutu Energetyki Odnawialnej nad kosztami lokalnego  magazynowania energii, z których wynika, ze koszty magazynowania w gorącej wodzie są o 2-4 rzędy wielkości niższe niż bezpośredniego magazynowania energii elektrycznej (oraz kilkukrotnie niższe niż koszty bilansowania w sieci).

dokumenty/o_projekcie/2.png

Rys. 2 Koszty magazynowania energii w różnych nośnikach. źródło: Instytut Energetyki Odnawialnej

Dotychczasowe badania własne Instytutu wskazują, że lokalne integrowanie takich źródeł jak kolektory słoneczne, mikrobiogazownie, małe elektronie wiatrowe (MEWi), ale także i systemów fotowoltaicznych (PV) oraz kotłów na biomasę i pomp ciepła, w szczególności w gospodarstwach rolnych, powinno odbywać się zaczynając od wspólnej gospodarki ciepłem z wykorzystaniem jego magazynowania, a dopiero w drugiej kolejności powinny być uwzględniane interakcje z siecią elektroenergetyczną. Badania ankietowe wśród użytkowników MEWi, pokazują że co czwarty inwestor w MEWi, w szczególności na obszarach wiejskich,  stosuje magazynowanie energii w ciepłej wodzie i szuka integracji z takimi urządzeniami jak kolektory słoneczne (które mają zasobniki ciepła „w standardzie”), a tylko co 10-ty użytkownik MEWi od razu integruje urządzenia z obecną siecią energetyczną (brak przyjaznych OZE  mikrosieci oraz ISE ogranicza rozwój małych źródeł).

Systemy doradcze (kalkulatory) dla rolników oraz programy symulacyjne i programy doboru OZE powinny być nie tylko dostosowane dla potrzeb gospodarstwa rolnego z uwagi na jego specyficzne profile potrzeb energetycznych, lokalnych uwarunkowań meteorologicznych i możliwej dobowo-godzinowej zmienności taryf za energię z zewnątrz, ale zostaną także dostosowane do uwzględniania przy projektowaniu poszczególnych OZE szerszej koncepcji ich integracji z uwzględnieniem uzupełnia się w wspólnego magazynowania energii. Efekty te mogą być jeszcze większe, o ile w system bilansowania produkcji energii z OZE i potrzeb energetycznych włączone zostaną inteligentne urządzenia odbiorcze w gospodarstwach rolnych, w tym np. AGD. Takie zabiegi wpływają na optymalny dobór OZE, niższe ogólne koszty inwestycyjne i lepsze wykorzystanie każdego z urządzeń oraz ułatwią włączenie ich we wspólnie zarządzany system i w inteligentne mikrosieci. Zintegrowane wewnętrznie OZE w gospodarstwach rolnych, wraz z urządzeniami odbiorczymi pozwalają m.in. w oparciu o wyniki wcześniejszego monitoringu wybranych grup gospodarstw i warunków meteorologicznych oraz dostosowany do ich indywidualnych potrzeb system zarządzania energią. W przyszłości systemy te pozwolą nie tylko na inteligentne zarządzanie całą gospodarką energetyczną w określonych typach  gospodarstw rolnych, ale też w grupach gospodarstw, w tym tzw. lokalnych grupach bilansujących składających się z kilku/kilkunastu gospodarstw i korzystających zarówno na efekcie skali jak i wzajemnej synergii i komplementarności. Z czasem staną się zaczątkiem ISE na obszarach wiejskich.



Opracowanie: Instytut Energetyki Odnawialnej na potrzeby projektu OZERISE.
Warszawa 2013 rok

Blog OZERISE

  • Słońce nie przyśle nam rachunku – artykuł nt. rynku fotowoltaiki p. Barbary Warpechowskiej w Pulsie Biznesu
    2017-06-26 09:27:01

    Czytaj więcej...

  • Szerokie i zaskakujące założenia do kolejnej nowelizacji ustawy o odnawialnych źródłach energii
    2017-06-12 12:02:29

    Czytaj więcej...

  • Uwaga: zmiana terminu seminarium networkingowego z francuskimi firmami w Ambasadzie RP we Francji, 13 października 2017
    2017-06-06 07:41:25

    Czytaj więcej...

Newsletter

captcha

Kontakt

Instytut Energetyki Odnawialnej
ul. Mokotowska 4/6
00-641 Warszawa

Telefon:
+48 22 825 46 52
+48 22 875 86 78

Fax:
+48 22 875 86 78

E-mail:
Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

Polityka plików cookies