Multikriterijalna procjena održivosti energetskih postrojenja

Transcription

1 Fajik Begi} 1, Naim Afgan 2, Anes Kazagi} 1 1 JP Elektroprivreda BiH, Sarajevo, Bosna i Hercegovina 2 Institut za nuklearne nauke Vin~a, Beograd, Srbija i Crna Gora Multikriterijalna procjena održivosti energetskih postrojenja Originalni nau~ni rad UDC: /.98 BIBLID: X, 32 (2006), 1-4, U radu je predstavljena multikriterijalna procjena održivosti energetskih sistema razli~itih izvora na jednom realnom i kompleksnom primjeru elektroenergetskog sistema. Analiza je bazirana na procjeni održivosti rekonstrukcije bloka 110 MW na sprašeni ugalj, kao i uporedivih opcija kao što su termoblok sa sagorijevanjem u fluidiziranom sloju, kombi ciklus, rekonstrukcija hidroenergetskog postrojenja, solarna elektrana, farma vjetroelektrana, i postrojenje na biomasu. Korištena metodologija je bazirana na sistemu stohasti~kih modela neodre enosti, koja omogu}ava realizaciju procjene uz pomo} razli~itih sistema, kao i dobijanje razli~itih normalizacijskih indeksa korištenjem nenumeri~ke (ordinalne), neta~ne (intervalne) i nekompletne informacije dobijene iz izvora razli~ite pouzdanosti i vjerovatno}e. Kroz analizu multikriterijalne procjene održivosti razli~itih opcija energetskih sistema, donosiocima odluka se nudi mogu}nost procjenjivanja razli- ~itih opcija, te izbor optimalne opcije kao finalni rezultat multikriterijalne analize. Klju~ne rije~i: energetski sistem, održivost, multikriterijalna procjena Uvod Ve}ina modela za odlu~ivanje koji se danas koriste u procjeni kompleksnih sistema bazirani su na jednokriterijalnoj analizi. Me utim, u današnjem modernom svijetu, ovakav pristup procjeni postaje neprihvatljiv, ako postavimo prioritete koji 65

2 podrazumijevaju razli~ite zahtjeve, odnosno mogu}nosti, rizike i troškove koje ti zahtjevi sa sobom nose. U tom smislu, ~esto je neophodno razmatrati nekoliko aspekata istovremeno [1 4]. Energetski sistem predstavlja jedan kompleksan sistem ~ija evaluacija zavisi od niza ekonomskih, okolinskih, socijalnih i tehnoloških parametara [1 3]. Jedna od perspektivnih metoda za evaluaciju kvaliteta energetskog sistema multikriterijalna procjena održivosti bazirana na analizi i sintezi indikatora koji odražavaju razli~ite aspekte sistema [1 4]. Primjena ove metode u slu~ajevima nedostatka informacija (ASPID metodologija Anal y sis and Synthessis of In dex at In for ma tion Deficiency) omogu}ava evaluaciju razli~itih energetskih sistema. U ovom radu, primjena multikriterijalne procjene održivosti energetskih sistema razli~itih izvora istražena je na primjeru proširenja proizvodnog kapaciteta unutar elektroenergetskog sistema Bosne i Hercegovine, ~ime je metod prvi put ispitan na jednom realnom i kompleksnom energetskom sistemu. Predmet istraživanja U posljednjih pet godina, kao rezultat intenzivnih napora na rekonstrukciji cjelokupnog elektroenergetskog sektora, opskrba elektri~ne energije u BiH je zna~ajno poboljšana, sl. 1. Slika 1. Trend potrošnje i proizvodnje elektri~ne energije u okviru elektroenergetskog sistema BiH u periodu godine (1) termoelektrane, (2) hidroelektrane, (3) male hidroelektrane, (4) potro{nja Procjene potrošnje elektri~ne energije u domenu JP Elektroprivreda BiH, izvršene od strane brojnih svjetskih konsultantskih firmi, pokazale su da }e porast potrošnje u narednom periodu (do 2020.) biti nastavljen. Ovaj porast zahtjeva za elektri~nom energijom name}e potrebu za skorim instaliranjem novih proizvodnih objekata. Dodaju}i tome izvozne mogu}nosti elektroenergetskog sistema BiH, potreba za novim objektima postaje još izraženija. U tom smislu, multikriterijalna procjena održivosti iskorištena je za procjenu održivosti energetskih sistema razli~itih izvora u okviru JP Elektroprivreda BiH. 66

3 F. Begi}, N. Afgan, A. Kazagi}: Multikriterijalna procjena odr`ivosti... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXXII, (2006) U okviru analize, razmotreno je osam opcija za obezbje enje dodatne snage za period od 15 godina. Obnovljivi izvori i ~iste tehnologije fosilnih goriva su uklju~ene u razmatranje. Sljede}e opcije su razmotrene: Opcija 1: Rekonstrukcija bloka na sprašeni uglj u kondenzacionom režimu, Opcija 2: Rekonstrukcija bloka na sprašeni uglj u kogeneracijskom režimu, Opcija 3: Instaliranje bloka sa sagorijevanjem u fluidiziranom sloju, Opcija 4: Instaliranje kom bi ciklusa, Opcija 5: Rekonstrukcija hidroelektrane, Opcija 6: Instaliranje solarne elektrane, Opcija 7: Instaliranje vjetroelektrana, i Opcija 8: Instaliranje postrojenja na biomasu. Procjena održivosti energetskih sistema razli~itih izvora Karakteristike razmatranih opcija Zahtjev za sve razmatrane opcije je proizvodnja od 7875 GWh elektri~ne energije za vrijeme životnog vijeka od 15 godina. To daje prosje~nu godišnju proizvodnju od 525 GWh. Neki od razmatranih energetskih sistema simultano proizvode elektri~nu i toplinsku energiju (kogeneracija), pri ~emu proizvodnja toplinske energije ne ulazi u zahtjevanu proizvodnju od 7875 GWh za vrijeme od 15 godina, ve} se ta dodatna energija uzima u obzir kod prora~una indikatora održivosti. U sklopu Opcije 1 razmotren je kondenzacioni blok 110 MW sa kotlom na sprašeni ugalj i te~nim odvodom šljake. Investiranje kod ove opcije ima za cilj poboljšanje efikasnosti kotla i nadogradnju snage. Rekonstrukcijom kotla, efikasnost se poboljšava sa 85% na 87%; produženjem ložišta za 2 m i uvo enjem novog sistema loženja sa Low NO x vrtložnim gorionicima. Dodatno, rekonstrukcijom tur bine snaga na stezaljkama generatora se pove}ava sa 110 MW na 118,55 MW. Sve ove mjere uti~u na smanjenje zaga ivanja okoline, odnosno redukciju emisije CO 2, NO x i SO 2 po proizvedenom kwh. Kod Opcije 2 razmotren je blok 110 MW sa kotlom na sprašeni ugalj i te~nim odvodom šljake koji radi u kogeneracijskom režimu. Dodatne investicije u odnosu na Opciju 1 odnose se na regulaciju oduzimanja pare sa tur bine i na toplinske stanice. Dodatnih 80 MW energije u toplini obezbje uje se regulisanim oduzimanjem sa tur bine. Opcija 3 predstavlja novi objekat blok 110 MW sa sagorijevanjem u fluidiziranom sloju. Elektrana radi u kogeneracijskom režimu, obezbje uju}i dodatnih 80 MWh/h toplinske energije. Moderni dizajn ložišta sa sagorijevanjem u fluidiziranom sloju i unutrašnjom cirkulacijom omogu}ava sagorijevanje ugljeva niže toplinske mo}i, uz specifi~ni utrošak topline od 8050 kj/kwh (efikasnost bloka 45%). Opcija 4 predstavlja kombinirani ciklus gasne i parne tur bine. Instalirana snaga ove elektrane je 102 MW, a predpostavka je da se ulazna energija transformiše isklju~ivo u elektri~nu energiju. Gorivo je prirodni gas toplotne mo}i kj/kg. Specifi~ni utrošak topline bloka je 6545 kj/kwh. 67

4 U slu~aju Opcije 5, rekonstrukcijom hidroenergetskog bloka 6 25 MW, obezbje uje se nadogradnja instalisane snage za dodatnih 30 MW, kao i pove}anje efikasnosti za 4%. Ovo se postiže kroz pove}anje projektnog pada za 6 m, pove}anje instalisanog protoka za 10%, te uvo enje novih moderniziranih Francisovih turbina. Opcija 6 predstavlja solarnu elektranu (PV sistem) sa ukupnim instalisanim kapacitetom od 210 MW. Odgovaraju}a površina ovog polja je m 2, ili 1,26 m 2 /kw. Opcija 7 podrazumijeva korištenje energije vjetra. Prema raspoloživim podacima o karakteristikama vjetra na izabranim mikrolokacijama, prora~unato je da je potrebno instalisati 438 jedinica snage 600 kw da bi se ostvarila godišnja proizvodnja od 525 GWh. Pri tome je projektovani godišnji pogon 2000 h [7, 8]. U sklopu Opcije 8 razmotreno je instaliranje postrojenja na biomasu. Instalisani kapacitet je 80 MW. Ukupna efikasnost je 20%. Emisija CO 2 kod ove opcije se smanjuje za koli~inu karbondioksida koju u procesu fotosinteze absorbuju biljke korištene kao gorivo u ovoj elektrani. Indikatori održivosti Procjena održivosti je bazirana na definisanju i odre ivanju indikatora održivosti u radu [1 4, 7, 8]. U radu [1], definisani su indikatori održivosti koji odražavaju 4 kriterija održivosti, tabl. 1. Tablica 1. Indikatori održivosti Tip indikatora Naziv indikatora Jedinica 1 Indikator goriva kg/kwh 2 Idikator nehr aju}eg ~elika kg/kwh Indikator resursa (RI) 3 Indikator ugljeni~nog ~elika kg/kwh 4 Indikator bakra kg/kwh 5 Indikator aluminijuma kg/kwh 6 Indikator izulacije kg/kwh 1 Indikator CO 2 kg/kwh Okolinski indikator (EI) 2 Indikator SO 2 kg/kwh 3 Indikator NO x kg/kwh 1 Indikator cijene energije EUR/kWh Ekonomski indikator (EcI) 2 Indikator investicija EUR/kWh 3 Indikator efikasnosti 1/kWh Socijalni indikator (SI) 1 Indikator posla h/kwh 2 Indikator raznolikosti Indikatori iz tabl. 1. su izra~unati za sve razmatrane opcije, na bazi ~ega se može izvršiti jednokriterijalna analiza. 68

5 F. Begi}, N. Afgan, A. Kazagi}: Multikriterijalna procjena odr`ivosti... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXXII, (2006) Rezultati jednokriterijalne analize Ni`e je dat izvod iz rezultata jednokriterijalne analize [1]. Upore uju}i razmatrane opcije po osnovu okolinskih indikatora, npr. sl. 2 indikator emisije sumpordioksida, može se primjetiti da obnovljivi izvori, hidroenergija, i ~iste tehnologije fosilnih goriva kao što su kom bi ciklus i sagorijevanje u fluidiziranom sloju, su u prednosti u odnosu na konvencionalne blokove na ugalj. Slika 2. Pore enje indikatora SO 2 u okviru jednokriterijalne analize [1] Suprotno ovome, komparacija po ekonomskim indikatorima, npr. ekonomski indikator investicija sl. 3, opcije konvencionalnih elektrana na ugalj su u prednosti u odnosu na sve ostale opcije, posebice obnovljive izvore energije. Slika 3. Pore enje indikatora investicija u okviru jednokriterijalne analize [1] Ovo je o~igledan primjer nepouzdanosti jednokriterijalne analize, kada izbor najpovoljnije opcije energetskog sistema zavisi isklju~ivo od odabranog kriterija. Posljedi~no, prilikom odlu~ivanja dolazi do izražaja subjektivnost donosioca odluke. Metod multikriterijalne procjene održivosti U radu je korištena multikriterijalna procjena održivosti na bazi ASPID metodologije [5, 6]. Metodologija je bazirana na sistemu stohasti~kog modela neodre enosti, 69

6 omogu}uju}i vršenje procjene pomo}u razli~itih sistema za podršku na kompjuteru, kao i dobijanje razli~itih normalizacionih indeksa korištenjem nenumeri~ke, neta~ne i nekompletne informacije (NNN- informacija), dobijene iz izvora razli~ite pouzdanosti i vjerovatno}e. Multikriterijalna analiza je bazirana na odre ivanju indikatora održivosti, te specifi~nih kriterija adaptiranih težinskim faktorima, koji se potom aglomeriraju u Generalni indeks održivosti. Prema tome, Generalni indeks održivosti se formira prema sljede}oj proceduri: (1) Formiranje vektora x = (x 1,..., x m ) svih polaznih atributa (karakteristika) koji su nužni za potpunu procjenu odre enih kvaliteta ispitivanih objekata; atributi su predstavljeni pomo}u ~etiri grupe indikatora: indikatora resursa, okolinskih indikatora, socijalnih indikatora i ekonomskih indikatora. (2) Formiranje vektora specifi~nih kriterija q = (q 1,..., q m ) kojima se procjenjuju polazni atributi x = x 1,..., x m, a u ovom slu~aju to su indikatori. (3) Uvo enje težinskih koeficijenata w i, ~ime se multikriterijska procjena opcija izražava pomo}u aditivne agregatne funkcije, odnosno sintetiziraju}e funkcije oblika: Q + (q; w) = å w i q i (4) Izbor vektora w = (w 1,..., w m ), w i 0, w , + w m = 1, tj. težinskih koeficijenata. U praksi se naj~eš}e susre}emo sa situacijom da zbog nedovoljnih informacija ne možemo vektor w = (w 1,, w m ) ta~no odrediti. U tom slu~aju koristimo postupak randomizacije koji nam omogu}ava da pri zadanim prioritetima pojedinih kriterijuma mo`emo odrediti vrijednosti te`inskih faktora za svaki razmatrani slu~aj. (5) Kao rezultat ove evaluacije dobija se prioritetna lista razmatranih opcija pri zadanim kriterijumima. Rezultati multikriterijalne procjene održivosti Multikriterijalna analiza održivosti uzima u obzir sve kriterije istovremeno, pri ~emu se ti kriteriji adaptiraju odgovaraju}im težinskom faktorima. Na ovaj na~in dobija se jedna realna i pouzdana rang lista opcija koje se razmatraju. Razmatraju}i slu~aj kada je u okviru multikriterijalne analize ekonomskom kriteriju kod kojeg dominira indikator investicija pridata najve}a važnost, tj. dodijeljen najve}i težinski faktor, sl. 4, može se primjetiti da je opcija sa najve}im generalnim indeksom održivosti Opcija 5 rekonstrukcija hidroenergetskog postrojenja, sl. 5. Opcija 2 rekonstrukcija bloka na sprašeni uglj u kogeneracijskom režimu u ovom slu~aju Slika 4. Težinski faktori za slu~aj EcI2 > EI2 = SI = RI u okviru multikriterijalne analize [1] 70

7 F. Begi}, N. Afgan, A. Kazagi}: Multikriterijalna procjena odr`ivosti... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXXII, (2006) rangirana je na tre}e mjesto, mada je u slu~aju jednokriterijalne analize ova opcija preferabilna. Slika 5. Generalni indeksi održivosti za slu~aj EcI2 > EI2 = SI = RI u okviru multikriterijalne analize [1] Nadalje, kada se u okviru multikriterijalne analize za slu~aj u kojem se ekonomskom kriteriju sa dominacijom indikatora investicija ponovo dodijeli najve}i težinski faktor, ali se pri tome preostalim indikatorima da razli~ita važnost, kako je to prikazano na sl. 6, tada Opcija 2 pada na ~etvrto mjesto na rang listi prioritetnih opcija, usljed uticaja razli~itih težinskih faktora na preostale indikatore, sl. 7. Slika 6. Težinski faktori za slu~aj EcI2 > RI > EI2 > SI u okviru multikriterijalne analize [1] Slika 7. Generalni indeksi održivosti za slu~aj EcI2 > RI > EI2 > SI u okviru multikriterijalne analize [1] 71

8 Zaklju~ak Ve}ina modela za odlu~ivanje koji se danas koriste u procjeni energetskih sistema bazirani su na jednokriterijalnoj analizi. Zbog izražene potrebe za jednom realnom procjenom održivosti energetskog sistema, ovi modeli su unapre eni i adaptirani za multikriterijalnu procjenu održivosti. Me utim, nedostatak informacija ne dozvoljava dobijanje jedne jasne procjene kvaliteta opcija energetskog sistema. Jedna od perspektivnih metoda za procjenu održivosti energetskog sistema je multikriterijalna procjena održivosti na bazi ASPID metodologije. Ova metodologija je bazirana na sistemu stohasti~kih modela neodre enosti, koja omogu}ava realizaciju procjene uz pomo} razli~itih sistema, kao i dobijanje razli~itih normalizacijskih indeksa korištenjem nenumeri~ke (ordinalne), neta~ne (intervalne) i nekompletne informacije dobijene iz izvora razli~ite pouzdanosti i vjerovatno}e. Multikriterijalna procjena održivosti energetskih sistema razli~itih izvora je bazirana na definiciji sljede}ih indikatora: indikatorima resursa, okolinskim indikatorima, socijalnim indikatorima i ekonomskim indikatorima, uklju~uju}i težinske faktore pomo}u kojih se pojedinim indikatorima pridaju odgovaraju}e važnosti (težine). U ovom radu, izvršena je procjena održivosti odabranih opcija energetskog sistema JP Elektroprivreda BiH, zasnovana na jednom realnom primjeru potrebe za pove}anjem proizvodnje elektri~ne energije za pe riod od 15 godina. Kroz multikriterijalnu procjenu održivosti odabranih opcija, donosiocima odluka je omogu}eno da formiraju relevantno mišljenje u odnosu na izbor optimalne opcije energetskog sistema, ~ime se predstavljena metoda multikriterijalne procjene održivosti bazirane na ASPID metodologiji name}e kao relevantan alat za donošenje odluka u izboru tipa novog energetskog postrojenja. Literatura [1] Begi}, F., Metoda procjene stepena odr`ivosti energetskih postrojenja razli~itih izvora u Bosni i Hercegovini, Doktorska disertacija, Univerzitet u Sarajevu, Ma{inski fakultet Sarajevo, oktobar 2003 [2] Afgan, N. H., Multicriteria In di ca tors for Clean Air Tech nol o gies, UNESCO Chair Holder, Instituto Superior Técnico, Lis bon, Estoril, Portugal, 2000 [3] Afgan, N. H., Carvalho, M. G., Sus tain able As sess ment Method for En ergy Sys tems, Kluwer Academic Pub lisher, New York, 2000 [4] Begi}, F., Kazagi}, A., Odr`ivi razvoj Bosne i Hercegovine Osnov strategije razvoja Bosne i Hercegovine (na bosanskom), V me unarodna konferencija Energetska i procesna postrojenja, Dubrovnik 2002, Energetika Mar ket ing, Zagreb, 2002 [5] Hovanov, N., Fedotov, Yu., Zakharov, V., The Mak ing of In dex Num bers Un der Un cer tainty, Environmental Indices: Systems Analysis Approach, EOLSS Pub lish ers Co., 1999, Ox ford, UK, [6] Hovanov, N., Analysis and Synthesis of Parameters under Information Deficiency (in Russian), St. Pe ters burg State Uni ver sity Press, St. Pe ters burg, Rus sia, 1996 [7] Begi}, F., Kazagi}, A., Afgan, N., Possibilities Assessment for Wind Energy Utilisation in Bosnia and Herzegovina, RENEWABLES 2004 In ter na tional Con fer ence on New and Re - newable Energy Technologies for Sustainable Development, 2004, Evora, Por tu gal [8] Begi}, F., Afgan, N., Sustainability As sess ment as a Ba sis for the De ci sion-mak ing in Se lec - tion of En ergy Sys tem, RENEWABLES In ter na tional Con fer ence on New and Re new - able Energy Technologies for Sustainable Development, 2004, Evora, Por tu gal 72

9 F. Begi}, N. Afgan, A. Kazagi}: Multikriterijalna procjena odr`ivosti... TERMOTEHNIKA broj 1-4 godina XXXII, (2006) Abstract Multicriteria Sustainability As sess ment of Energy Systems by Fajik BEGI] 1, Naim H. AFGAN 2, and Anes KAZAGI] 1 1 Public Electric Power Industry of BiH d.d. Sarajevo, Bosnia and Herzegovina 2 VIN^A Institute of Nuclear Sciences, Belgrade, Serbia and Montenegro In this pa per the multicriteria sustainability as sess ment of the en ergy power sys - tems of var i ous sources is per formed, us ing a real and com plex en ergy power sys tem as ex - am ple. The anal y sis is based on re ha bil i ta tion of a 110 MW ther mal power unit, which is con sid ered and then com pared with some other com pa ra ble op tions, such as thermal power unit with coal fu eled boiler with com bus tion in fluidized bed, combined cy cle gas tur bine plant, hy dro power plant, power plant based on so lar en ergy (PV sys tems), wind tur bines and bio-mass power plant. Used meth od ol ogy is based on a sys tem of sto chas tic mod els of un cer tainty, en abling to re al ize the as sess ment from var i ous sup port ing sys - tems, as well as en abling to ob tain var i ous nor mal iza tion in dexes by us ing Non-nu meric (ordinal), Non-exact (interval) and Non-complete information (NNN-information) ob - tained from sources of var i ous re li abil ity and prob a bil ity. Trough the anal y sis of multicri te ria as sess ment of var i ous op tions of en ergy sys tems, the de ci sion-mak ers are of fered to eval u ate dif fer ent op tions and make se lec tion of the op ti mal op tion which meet the muticriteria eval u a tion. Key words: en ergy sys tem, sustainability, multicriteria as sess ment Odgovorni autor / Corresponding author (F. Begi}) f.begic@elektroprivreda.ba 73