ABC energetyki – cz. 1

  • Adam Czyżewski
30-09-2014, 19:45

Po mechanizmach rynku ropy naftowej i paliw, który starałem się przybliżyć w ramach cyklu ABC cen ropy naftowej i paliw, pora na kolejny segment naszej działalności.

Wybrałem energetykę, ze względu na jej centralna pozycję w sektorze energii, zarówno w Polsce jak i na świecie. Energetyka ma nie tylko największy udział w bilansie energii ale także korzysta z najszerszego spektrum konkurencyjnych) technologii, wykorzystujących wszystkie jej pierwotne źródła: paliwa kopalne, atom oraz odnawialne.

Na tym polu toczy się nieustanna batalia pomiędzy technologiami o różnym stopniu dojrzałości i sprawności energetycznej. Chodzi o to, by wytwarzać energię bezpiecznie i tanio, zarówno dzisiaj, jak i w odległej przyszłości. Kontrolę nad bezpieczeństwem i ciągłością dostaw sprawują instytucje państwa, które także określają zasady gry rynkowej, w której biznes poszukuje równowagi pomiędzy cenami energii i rozwojem nowych technologii. Z tych względów energetyka nie jest zwykłą gałęzią lecz zalicza się do fundamentów gospodarki. W cyklu wpisów poświęconych energetyce będę starał się zwracać uwagę na wybrane aspekty technologiczne, regulacyjne oraz gry rynkowej, które w ostatecznym rachunku wpływają na ceny prądu i ciepła w naszych domach.

Ponieważ ceny kojarzą się z konkretnymi produktami, a mechanizmy ich ustalania z rynkiem, zaczniemy od tego, co jest produktem na rynku energetycznym oraz jak jest zorganizowany rynek energetyczny. Wyjaśnimy również, co się kryje za nazwami urządzeń do wytwarzania energii elektrycznej i ciepła.

Co jest produktem na rynku energetycznym?
Na rynku energetycznym handluje się energią, która może mieć kilka podstawowych form, stanowiących produkty energetyczne:
Paliwo jest formą energii chemicznej, zawartej w danej substancji. Paliwa dzieli się na stałe (węgiel, drewno, torf, biomasa, itd.), ciekłe (oleje opałowe, itp.) i gazowe (gaz ziemny, gazy przemysłowe lub odpadowe, biogazy itd.). Do paliw zalicza się także paliwa atomowe, np. uran, gdzie energię paliwa mierzy się w sposób odmienny od paliw konwencjonalnych.

W przypadku paliw konwencjonalnych ilość energii chemicznej paliwa mierzy się w GJ (giga-julach). Często mówi się też o kaloryczności paliwa, ze względu na używanie historycznie jednostki, jaką jest kaloria, jako miary jakości paliwa. Jedna kaloria (1 cal) to około 4,2 J. Zależnie od stanu skupienia paliwa, miarę energii zawartej w paliwie przelicza się na miary jednostek paliwa. W przypadku paliw stałych i ciekłych używa się przeważnie miary GJ/kg, a w przypadku gazów GJ/Nm3[1], przy czym do celów porównawczych sprowadza się miarę energii dla wszystkich stanów skupienia do GJ/kg.

Określając zdolność pozyskania energii z jednostki paliwa używa się często takich pojęć, jak wartość opałowa lub ciepło spalania. Oba pojęcia mówią o ilości ciepła, którą można pozyskać z paliwa, przy jego całkowitym i zupełnym spaleniu i wyrażana jest w jednostkach J/kg. W przypadku wartości opałowej paliwa bilans ciepła nie obejmuje ciepła pozostającego w parze wodnej zawartej w spalinach. Rozróżnienie to ma znaczenie ze względu na stan skupienia paliwa.

Ciepło jako produkt energetyczny jest energią zawartą głownie w dwóch nośnikach: parze wodnej lub wodzie. Woda pod postacią płynną czy pary stanowi czynnik umożliwiający przetwarzanie i transport potrzebnej energii. Energia chemiczna paliwa po jego przetworzeniu (najczęściej spaleniu) przekazywana jest wodzie lub parze (zależnie od parametrów ciśnienia i temperatury), a następnie przy pomocy tych czynników (nośników) może być rurociągami transportowana w inne miejsce i użyta do różnych celów (grzewczych, napędu maszyn, innych).

Ciepło jest mierzone i handlowo rozliczane w GJ. Przy czym należy pamiętać, że także woda, stanowiąca czynnik (nośnik) ma w sobie pewną ilość energii cieplnej. W układach cieplnych tę energię określa się najczęściej mianem ciepła powrotu lub kondensatu.

W przypadku wody i pary używa się często pojęcia entalpii, rozróżniającej przydatność ilości czynnika do wykonania pracy. Dla przykładu 1 tona pary o temperaturze 250oC i ciśn. 0,75 MPa ma znacznie mniejszą entalpię niż 1 tona pary o temp. 550oC i ciśn. 13 MPa, a co za tym idzie mniejszą zdolność do wykonywania pracy. A więc wysyłając 1 tonę pary o różnej entalpi na np. turbinę parową, otrzymamy różną liczbę MW (mega watów). Oznacza to, że cena za 1 tonę pary o wysokiej entalpii powinna być wyższa od ceny za 1 tonę pary o niższej entalpii. Rozliczanie wprawdzie odbywa się w GJ, jednak czynnik musi zachować parametry ciśnienia i temperatury (z których wylicza się następnie entalpie).

Energia elektryczna jest wytwarzana z paliw i jest produktem procesów przemiany energii chemicznej paliwa. Przemianie tej towarzyszy pojęcie sprawności wytwarzania, przyrównujące ilość energii chemicznej zakupionej w paliwie do ilości energii elektrycznej sprzedanej do sieci. Energię elektryczną na rynku energii mierzy się i rozlicza w MW. Ponieważ energię paliw i ciepło mierzy się i rozlicza w GJ, dla uproszczonego wyliczenia sprawności można przyjąć, że 1 MW=3,6 GJ.

Jak jest zorganizowany rynek energetyczny?
Rynek energetyczny dzieli się na poszczególne segmenty, których działania wiążą się ze sobą, tworząc łańcuch wartości:

 * Wydobycie. Rolą wydobycia jest dostarczanie paliw, zawierających niezbędną energię w postaci chemicznej, dla energetyki opartej na węglowodorach.
 * Wytwarzanie. Jego zadaniem jest przetworzenie różnych postaci energii (np. energii kinetycznej w przypadku wiatru, czy też chemicznej w przypadku elektrowni opartych na spalaniu) na energię elektryczną.
 * Przesył. Ta działalność odpowiada za transport energii elektrycznej na dużych odległościach, pomiędzy źródłami wytwórczymi a systemami dystrybucyjnymi (bardzo rzadko do odbiorców końcowych).
 * Dystrybucja. Podobnie jak w przypadku przesyłu, dystrybucja odpowiada za transport energii elektrycznej, lecz na mniejsze odległości, liniami o mniejszym napięciu oraz głównie do odbiorców końcowych.
 * Handel hurtowy (Obrót). W tym segmencie uczestnicy kupują energię elektryczną (lub produkty z nią związane, takie jak certyfikaty pochodzenia czy też prawa do emisji CO2) w hurtowych ilościach, aby sprzedać je dalej, do kolejnych uczestników obrotu. W tym segmencie występują transakcje z fizyczną dostawą lub też transakcje wirtualne (w celu spekulacji lub zabezpieczenia).
 * Handel detaliczny. Tu energia trafia od podmiotów zajmujących się obrotem energią elektryczną już do odbiorców końcowych.

Jakie urządzenia służą do produkcji energii elektrycznej?

Turbina energetyczna
Turbina jest maszyną przepływową, gdzie czynnik przepływając między stopniami turbiny oddaje energię do łopatek wirnika i napędza w ten sposób wał turbiny. Jeśli czynnikiem jest para, mówimy o turbinie parowej, jeśli czynnikiem są gorące spaliny mówimy o turbinie gazowej. Również w elektrowniach wiatrowych mówi się o turbinie wiatrowej, której łopatki (tu śmigła) napędzane są energią wiatru. Turbiny są podstawowymi maszynami w energetyce zawodowej. Także w elektrowniach atomowych turbiny są napędzane para powstałą w wyniku chłodzenia reaktora.

Kocioł energetyczny
Kocioł jest urządzeniem, gdzie spalane paliwo oddaje ciepło do wody i/lub pary. Następuje w ten sposób zmiana energii chemicznej paliwa w energię cieplną pary wodnej lub gorącej wody. Kotły mogą być zasilane każdym rodzajem paliwa palnego stałego (jak węgiel, biomasa), ciekłego (oleje opałowe), czy gazowego, możliwe jest również stosowanie kotłów opalanych jednocześnie różnymi paliwami jak np. kotły gazowo-olejowe.

Generator elektryczny
Tak określa się urządzenie przetwarzające inne rodzaje energii, głównie energię mechaniczną, na energię elektryczną w elektrowniach. Generatory napędzane są turbinami lub innymi silnikami energetycznymi, a do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystują zjawisko indukcji elektromagnetycznej.

Turbozespół
Turbozespołem określa się zespół maszyny napędowej jak turbina i generator wytwarzający energię. Ponieważ maszyny te musza znajdować się w niewielkiej odległości (są połączone wałem przekazującym energię), dlatego często posiadają wspólne systemy (jak olejowe, pomiarowe, wspólny fundament itp.) Turbozespół pracuje razem i z reguły w tym samym czasie jest odstawiany do remontu.
Kondensator (skraplacz) parowy i układ chłodzenia turbin parowych
Jest to urządzenie umieszczone na wylocie turbiny parowej, gdzie para, która przepracowała w turbinie skrapla się oddając ciepło skraplania do wody chłodzącej. Kondensator z reguły zawiera tysiące rurek w których przepływa woda chłodząca, a z zewnątrz omywa je skraplająca się para, na dole kondensatora znajduje się zbiornik skroplonej wody, która jest z powrotem przepompowywana do kotła.
Elektrownie posiadające kondensator nazywa się kondensacyjnymi, czasami możliwe jest wysyłanie całej pary z wylotu turbiny jako pary procesowej, lub ciepła grzewczego. Para posiada jednak wtedy w sobie pewną entalpię, która już nie zostanie zamieniona na energię elektryczną.
Układ chłodzenia może być otwarty (woda z rzek, jeziora lub morza jest przepompowywana przez skraplacz ogrzewając się) lub zamknięty (woda chłodząca krąży pomiędzy skraplaczem, a np. chłodnią kominową).
Przy niewielkiej dostępności wody stosuje się czasami kondensatory chłodzone powietrzem, lub układy półsuche.

Układ parowo-wodny
W elektrowni kondensacyjnej jest to układ zamknięty gdzie czynnik (woda) krąży pomiędzy górnym (kocioł), a dolnym (skraplacz) źródłem ciepła zamieniając stan skupienia na parę w kotle, a skraplając się ponownie w kondensatorze. W ten sposób jest możliwy transport i transformacja energii z paliwa na energię mechaniczną turbiny.

Transformator blokowy
Służy do transformowania napięcia z generatorowego (niskiego ca 20 kV) do przesyłowego (wysokiego 220 czy 400 kV). Transformacja zależy od napięcia w sieci do jakiej przyłączony jest blok energetyczny.


[1] Nm3 (Normalny metr sześcienny) jest miarą objętości, stosowaną w przypadku substancji lotnych (gazu, pary), które zmieniają objętość w zależności od ciśnienia i temperatury. NM3 jest stałą wartością przy zmieniającym się ciśnieniu i temperaturze. NM3 oblicza się przy znanej gęstości i masie gazu i pary.

© ℗
Rozpowszechnianie niniejszego artykułu możliwe jest tylko i wyłącznie zgodnie z postanowieniami „Regulaminu korzystania z artykułów prasowych” i po wcześniejszym uiszczeniu należności, zgodnie z cennikiem.

Podpis: Adam Czyżewski, główny ekonomista PKN ORLEN

Być może zainteresuje Cię też:

Polecane

Inspiracje Pulsu Biznesu

Puls Biznesu

Energetyka / ABC energetyki – cz. 1