Predmet Energetsko ekonomski modeli izgradnje EES-a EEMIE Prof.dr.sc. Željko Tomšić Dr.sc. Ivan Rajšl Matea Filipović
ELEKTRANE i PLANIRANJE EES-a
KARAKTERISTIKE EES Budući da ne postoji mogućnost akumuliranja većih količina električne energije u svakom trenutku mora biti zadovoljena jednakost između proizvodnje i potražnje tj. Proizvodnja = Potražnja Elektrane u sustavu moraju biti tako dimenzionirane da u svakom trenutku mogu udovoljiti ovom uvjetu 3
KARAKTERISTIKE EES Primjer dnevnog dijagrama opterećenja dva karakteristična opterećenja, maksimalno opterećenje, P max, i mimimalno opterećenje, P min. 4
KARAKTERISTIKE EES W d Faktor opterećenja, m, definiran je kao omjer između ukupne energije W d i energije koja bi se mogla proizvesti snagom P max kroz zadani period, npr. 24 sata tj. m = W d 24 P max 5
KARAKTERISTIKE EES Faktor opterećenja možemo definirati i kao omjer između srednjeg opterećenja tijekom zadanog perioda npr. dana P sr i maksimalnog opterećenja P max P = sr W d 24 m = P sr P max 6
KARAKTERISTIKE EES Drugu karakterističnu veličinu, m o, dobivamo iz omjera minimalnog i maksimalnog opterećenja m = 0 P P min max 7
EES RH 8
EES RH 9
KARAKTERISTIKE EES W k U dijagramu opterećenja razlikujemo konstantnu i varijabilnu energiju. Konstantnom energijom, W k, nazivamo energiju proizvedenu snagom koja je jednaka minimalnoj snazi P min W k = 24* P min 10
KARAKTERISTIKE EES W v U dijagramu opterećenja razlikujemo konstantnu i varijabilnu energiju. Za proizvodnju varijabilne energije, W v, mora se uporabiti snaga jednaka razlici P max i P min. Iznos varijabilne energije određujemo pomoću izraza W v = W d W k 11
KARAKTERISTIKE EES - elektrane Ako je P M maksimalni (instalirani) kapacitet elektrane tijekom promatrane godine, a W god energija koju je elektrana proizvela u promatranoj godini, te ako uzmemo u obzir da godina ima 8760 sati, faktor kapaciteta elektrane, m, računamo kao m W god = 8760 P Max 12
KARAKTERISTIKE EES - elektrane Opterećenje odnosno iskorištenje elektrane često se prikazuje i pomoću trajanja korištenja maksimalne snage, T M. Veličinu T M računamo: T = M W P god Max 13
SIMULIRANJE RADA SUSTAVA I RADNE KARAKTERISTIKE TERMOELEKTRANA 14
SIMULIRANJE RADA SUSTAVA PROBABILISTIČKA SIMULACIJA Prikaz opterećenja sustava - kronološki i pomoću krivulje trajanja opterećenja Kronološka krivulja opterećenja EES Krivulja trajanja opterećenja EES 15
PROBABILISTIČKA SIMULACIJA Popunjavanje dijagrama opterećenja u slučaju 100%-tne raspoloživosti jedinice 1 16
PROBABILISTIČKA SIMULACIJA Popunjavanje dijagrama opterećenja u slučaju 100%-tne raspoloživosti jedinice 1 Popunjavanje dijagrama opterećenja u slučaju neraspoloživosti jedinice 1 kad je 1. jedinica neraspoloživa, u pogon ulaze vršne jedinice 9 i 10, koje u normalnom pogonu uopće ne proizvode 17
TERMOELEKTRANE I Tipovi termoelektrana PLANIRANJE EES TE na ugljen (na ugljenu prašinu, izgaranje u fluidiziranom sloju AFBC i PFBC, kombinirani ciklus sa rasplinjavanjem ugljena IGCC) TE na tekuća goriva (mazut, lož ulja, dizel) TE na plinovita goriva: parne, plinske turbine, kombinirani ciklus Nuklearne elektrane Kogeneracijeske elektrane TE na biomasu 18
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Vrsta rada Nominalni god. Faktor kapaciteta Bazno 65% Srednje 30% Vršno 10% Vrsta rada Faktor troškova Mali troškovi goriva i veliki investicijski troškovi Srednji troškovi goriva i umjereni i veliki investicijski troškovi Veliki troškovi goriva i mali investicijski troškovi Karakteristike Konstruirani za visoku pouzdanost i veliku efikasnost Elastične karakter- istike Elastične karakteristike, brzi start, kratki period gradnje Tipična vrsta elektrane HE, NE, elektrane na ugljen i mazut Male elektrane na ugljen, elektrane na mazut i velike plinske elektrane Male plinske elektrane, plinske turbine, dizel generatori 19
Radne karakteristike termoelektrana Raspoloživost goriva i mogućnost uskladištenja na lokaciji elektrane Neplanirani ispadi iznenadni i neplanirani ispadi s mreže Održavanje planirano i preventivno održavanje Karakteristike pokretanja (vrući i hladni start) 20
Održavanje rezervne snage rotirajuća rezerva radi održavanja pouzdanosti sustava Rotirajuća rezerva Vrsta elektrane Raspoloživo u % Potrebno Hladni start nazivne snage vrijeme (s) Elektrana na ugljen 15-20 10-30 Sati Plinske i na tekuće gorivo (parne) 30 30 Sati NE 8-20 10-30 Sati Plinske turbine 100 5 1-10 min. Hidro visokog pada 100 10 1-5 min. Hidro niskog pada 100 10 1-5 min 21
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Minimalno opterećenje minimalna snaga na kojoj elektrana može raditi (elektrane na ugljen i NE oko 40-50% nazivne snage, plinske turbine i HE 10-25% Utjecaj na okoliš faktori emisija (propisi o emisijama) 22
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Specifični potrošak Specifični potrošak definira se za svaku jedinicu u MJ/kWh kao energija goriva potrebna za proizvodnju jednog kwh električne energije Na nominalnoj snazi i na ostalim radnim točkama Faktor kapaciteta Faktor kapaciteta = Ukupno proizvedena el. energija/(nazivna snaga x sati u periodu) Primjer P=100 MW i proizvedeno 6.1 10 8 kwh Godišnji faktor kapaciteta = 0,696 23
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Raspoloživost Raspoloživost jedinice je uvjetovano održavanjem, neplaniranim ispadima i popravcima Ukupni sati u periodu (PH) = sati rada (SH) + sati planiranog održavanja (MOH) + sati neplaniranih ispada (FOH) + sati rada kao rezerva (RSH) PH = SH + MOH + FOH + RSH 24
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Raspoloživost Raspoloživo vrijeme uključuje sate rada i sate rada kao rezerva AH = SH + RSH sati rada (SH) sati rada kao rezerva (RSH) Ukupni sati u periodu (PH) = sati rada (SH) + sati planiranog održavanja (MOH) + sati neplaniranih ispada (FOH) + sati rada kao rezerva (RSH) PH = SH + MOH + FOH + RSH 25
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Raspoloživost Faktor planiranog održavanja MOR MOR = MOH/PH sati planiranog održavanja (MOH) Ukupni sati u periodu (PH) = sati rada (SH) + sati planiranog održavanja (MOH) + sati neplaniranih ispada (FOH) + sati rada kao rezerva (RSH) PH = SH + MOH + FOH + RSH 26
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Raspoloživost Faktor ukupnog vremena neplaniranih ispada FOR FOR= FOH / (SH + FOH) sati rada (SH) sati neplaniranih ispada (FOH) Ukupni sati u periodu (PH) = sati rada (SH) + sati planiranog održavanja (MOH) + sati neplaniranih ispada (FOH) + sati rada kao rezerva (RSH) PH = SH + MOH + FOH + RSH 27
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Raspoloživost Ekvivalentno vrijeme neplaniranih ispada EFOH EFOH = Σ (neplanirani djelomični sati ispada x faktor smanjenja snage jedinice) sati rada (SH) sati planiranog održavanja (MOH) sati neplaniranih ispada (FOH) sati rada kao rezerva (RSH) Ukupni sati u periodu (PH) = sati rada (SH) + sati planiranog održavanja (MOH) + sati neplaniranih ispada (FOH) + sati rada kao rezerva (RSH) PH = SH + MOH + FOH + RSH 28
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Raspoloživost Faktor ekvivalentnih neplaniranih ispada (EFOR) uključuje potpune i djelomične ispade EFOR = (FOH + EFOH) / (SH+FOH) sati rada (SH) sati neplaniranih ispada (FOH) Ukupni sati u periodu (PH) = sati rada (SH) + sati planiranog održavanja (MOH) + sati neplaniranih ispada (FOH) + sati rada kao rezerva (RSH) PH = SH + MOH + FOH + RSH Ekvivalentno vrijeme neplaniranih ispada EFOH 29
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Raspoloživost Ekvivalentna raspoloživost (EA) je definirana faktorima MOR i EFOR EA = (1-MOR) x (1-EFOR) EA je maksimalni faktor kapaciteta postignut u periodu Faktor planiranog održavanja MOR Faktor ekvivalentnih neplaniranih ispada (EFOR) Ukupni sati u periodu (PH) = sati rada (SH) + sati planiranog održavanja (MOH) + sati neplaniranih ispada (FOH) + sati rada kao rezerva (RSH) PH = SH + MOH + FOH + RSH 30
Radne karakteristike termoelektrana važne za planiranje Raspoloživost Primjer: Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 31
PRIMJER 100 MW PROIZVODNA JEDINICA 1000 SATI U RAZDOBLJU (PH) 620 RADNIH SATI (SH) 170 RASPOLOŽIVIH, ALI NEISKORIŠTENIH SATI (RSH) 150 SATI PLANIRANOG ODRŽAVANJA (MOH) 60 SATI PUNOG PRISILNOG ISPADA (FOH) 50 SATI MANJE SNAGE ZA 60% 20 SATI MANJE SNAGE ZA 50% P(MW) 100 50 Ukupni sati u razdoblju (PH) = Sati rada (SH) + Sati planiranog održavanja (MOH) + Sati prisilnog ispada (FOH) + Sati isključenja u rezervi (RSH) FOH MOH RSH 1000 32
Radne karakteristike TE Raspoloživo vrijeme AH = SH + RSH AH = 620 + 170 =790 sati Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 33
Radne karakteristike TE Faktor planiranog održavanja MOR = MOH/PH MOR =150/1000 =0,15 Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 34
Radne karakteristike TE Faktor ukupnog vremena POTPUNIH neplaniranih ispada FOR= FOH / (SH + FOH) FOR = 60/(620+60) = 0,088 Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 35
Radne karakteristike TE Ekvivalentno vrijeme neplaniranih ispada EFOH = Σ (neplanirani djelomični sati ispada x faktor smanjenja snage jedinice) EFOH = (50 X 0,6 + 20 X 0,5) = 40 sati Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 36
Radne karakteristike TE Faktor ekvivalentnih neplaniranih ispada (EFOR) uključuje potpune i djelomične ispade EFOR = (FOH + EFOH) / (SH+FOH) EFOR = (60+40) / (620+60) = 0,147 Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 Ekvivalentno vrijeme neplaniranih ispada EFOH 40 37
Radne karakteristike TE Ekvivalentna raspoloživost (EA) je definirana faktorima MOR i EFOR - EA = (1-MOR) x (1-EFOR); MOR=0,15; EFOR=0,147 EA = 0,85 x 0,853 = 0,725 Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 Faktor ekvivalentnih neplaniranih ispada) EFOR 0.147 Faktor planiranog održavanja MOR 0.15 38
Radne karakteristike TE MAKSIMALNA MOGUĆA PROIZVODNJA = = SNAGA x Ekvivalentna raspoloživost x PH 100 MW x 0,725 x 1000 sati = 72 500 MWh Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 Ekvivalentna raspoloživost EA 0.725 39
Radne karakteristike TE Stvarna proizvodnja = =100MW x (620-70) sati + 40 MW x 50 sati + 50 MW x 20 sati = 58 000 MWh Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 Zašto razlika između stvarne i maksimalno moguće proizvodnje? 40
Radne karakteristike TE Faktor kapaciteta = Stvarna proizvodnja / (P x PH) Faktor kapaciteta = 0,58 Snaga jedinice 100 MW Sati u periodu PH 1000 Sati rada SH 620 Sati rada kao rezerva RSH 170 Sati planiranog održavanja MOH 150 Sati potpunog neplaniranog ispada FOH 60 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 60% 50 Sati nepotpunog neplaniranog ispada sa 50% 20 41
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES 42
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES 66 zemalja sa više od 50% proizvodnje električne energije iz hidroelektrana 24 zemlje sa više od 90% proizvodnje električne energije iz hidroelektrana Proizvodnja HE Pumpne HE Konstrukcija brana Razvoj višenamjenskog korištenja akumulacija HE 43
Modeliranje rada hidroelektrana Stohastička priroda dotoka Višestruko povezane akumulacije Upravljanje velikim regulacijskim akumulacijama Višenamjenske akumulacije Ograničeni resursi Nivo akumulacije Visina i protok Izlazna snaga 44
Stohastička priroda dotoka vode M. m 3 series of 40 years inflows 25000 20000 15000 10000 5000 0 1956 1965 1980 1995 years hm 3 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 monthly inflows Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Dry Year (1992) Wet Year (1960) Mean Year Padaline mogu značajno varirati: Iz godine u godinu Distribucija tijekom godine 45
Općenito o problemu optimalne uporabe hidroenergije rijeka b Kaskada 1 rijeka c HE 2 HE 1 rijeka a HE 5 HE 3 T/P HE 4 HE 6 Za zadani raspoloživi skup elektrana, potrebno je odrediti neka operativna pravila odlučivanja koja će voditi najekonomičnijem i najpouzdanijem upravljanju sustavom, uzimajući u obzir stohastičku prirodu okoliša i samog sustava (prilivi u HE, raspoloživost opreme i neprekidne promjene u potražnji energije) 46
Upravljanje regulacijom akumulacija Veliki dotok Mali dotok TRANSFER VODE IZMEĐU PERIODA UVOĐENJE IDEJE VRIJEDNOST VODE Rezultira iz TRADE-OFF između zarade odmah i očekivanja budućeg profita 47
Nivo akumulacije visina izlazna snaga Maximum mogućeg protoka Maximalna snaga 200 190 180 170 160 Snaga (MW) 160 140 120 100 80 150 56 60 64 68 72 76 80 84 88 92 96 97 60 150 156 161 166 171 175 180 184 189 193 197 198 Visina (m) Protok (m 3 /s) 48
Višenamjensko korištenje vode Opskrba vodom Razvoj turizma Navodnavanje Kontrola poplava... 49
Prednosti tehnologija HE Obnovljivi izvor Poznata tehnologija Velika raspoloži vost Velika pouzdanost Lako automatizira Niski operativni troškovi Dobra ukupna učinkovitost Velika fleksibilnost u radu 50
Uloga HE Proizvodnja Potrošnja Veliki nivo fleksibilnosti Brzi odgovor Promjenjivost potrošnje Rotirajuća rezerva Karakteristike velikog raspona snage Fina regulacija Dobre performanse 51
Model upravljanja HE PODSISTEMI KOMPLETNO RAZDVOJENI Kaskade hidroelektrana Turbine/pumpe HE Detaljno upravljanje akumulacijama HE Varijabilnost visine Gubici visine 52
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES Karakteristike EES sustava s velikom komponentom hidroelektrana Kapitalni troškovi su veliki i koncentrirani. Ti troškovi su povezani s potrebom proizvodnje, vršna snaga s malim inkrementalnim troškovima Proizvodnja električne energije iz HE ovisi o raspoloživoj količini vode u svakoj HE. Nije moguće unaprijed točno znati buduće dotoke pa je korist od gradnje HE moguće izraziti jedino probabilistički 53
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES Karakteristike EES sustava s velikom komponentom hidroelektrana Raspoloživost vršne snage ovisi o visini vode u akumulaciji i hidrološkim uvjetima Mnogi rezervoari su višenamjenski, osim proizvodnje el. energije i navodnjavanje, kontrola vodotokova i dr. koji mogu utjecati na planiranje proizvodnje iz HE 54
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES Karakteristike EES sustava s velikom komponentom hidroelektrana HE obično locirane daleko od glavnih potrošačkih centara, pa su potrebni dugi prijenosni vodovi Za iskorištenje hidroenergetskog potencijala dva su parametra važna: protok vode Q - visina vodenog pada H Električna snaga HE: P (kw) = 9.81 Q (m/s 3 ) H n (m) η t η g 55
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES Tipovi HE - HE koje koriste prirodni pad - HE koje koriste izgrađeni pad zbog brane - Protočne - Akumulacijske - dnevna, tjedna, - mjesečna, - sezonska i - godišnja akumulacija - Pumpno-akumulacijske HE 56
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES KARAKTERISTIKE HE VAŽNE KOD PLANIRANJA EES Brzi start i elastičnost u promjeni izlazne snage, brzi odgovor na promjene u potrošnji Osiguravaju rotirajuću rezervu u izvanrednim situacijama i Omogućuju ekonomičnu proizvodnju vršne snage Mali troškovi održavanja i proizvodnje, dugi životni vijek, manji neplanirani ispadi 57
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES KARAKTERISTIKE HE VAŽNE KOD PLANIRANJA EES Godišnja proizvodnja određena godišnjim dotokom vode i veličinom rezervoara, Marginalni troškovi dodatne proizvodne snage su vrlo mali Proizvodnja električne energije može biti ograničena zbog drugih potreba za vodom (navodnjavanje itd.) 58
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES KARAKTERISTIKE HE VAŽNE KOD PLANIRANJA EES Gradnja i rad HE na istoj rijeci (kaskada) zahtjeva definiranje specifičnih pravila gospodarenja vodom Potrebno statistički analizirati višegodišnje hidrološke uvjete 59
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES ODREĐIVANJE NAČINA ISKORIŠTAVANJA VODE U HE - Iskorištavanje hidroenergije u kombiniranim termo-hidro sustavima, - Korištenje pumpno akumulacijskih HE - da li iskoristiti vodu odmah ili ju sačuvati uz veću buduću korist (rizik preljeva) - dugoročni raspored, - srednjoročni raspored - kratkoročni raspored 60
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES ODREĐIVANJE NAČINA ISKORIŠTAVANJA VODE U HE Način iskorištavanja hidroenergije može utjecati na potrebu za novoizgrađenim termoelektranama 61
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES PROCJENA TROŠKOVA GRADNJE HE NA RAZNIM POTENCIJALNIM LOKACIJAMA specifičnost svake lokacije (teren, hidrologija) - Parametarska analiza određivanje troškova potencijalne HE pomoću parametarskih krivulja (krivulje koje daju ovisnost troškova o veličini neke komponente HE) troškova određenih komponenti 62
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES PROCJENA TROŠKOVA GRADNJE HE NA RAZNIM LOKACIJAMA Parametarska analiza troškova pojedinih komponenti: brana, dovodni tunel, turbina i generator, strojarnica, pomoćna oprema, prijenosni dalekovodi itd. 63
HIDROELEKTRANE I PLANIRANJE EES PROCJENA TROŠKOVA GRADNJE HE NA RAZNIM LOKACIJAMA Parametarski troškovi mogu varirati ±25% od precizno utvrđenih podataka, ali mogu se koristiti kod inicijalnog sagledavanja potencijalnih kandidata 64
MODELIRANJE HIDRO-TERMO SUSTAVA I OIE 65
Satna proizvodnja vjetroelektrana 66
Satna proizvodnja vjetroelektrana 67