W artykule przedstawiono cele, założenia, algorytm oraz zadania realizowane w modelach systemu bilansowania dostaw węgla kamiennego dla potrzeb programowania rozwoju podsystemu wytwarzania energii elektrycznej. Podstawowym celem budowy systemu bilansowania jest wyznaczenie optymalnej struktury dostaw węgla, zarówno ze względu na warunki pozyskania, jak i warunki jego użytkowania w agregatach tworzących PWEE. System złożony jest z dwóch modeli: podaży węgla i bilansowania dostaw węgla. Współpracują one z modelem IPM, który jest stosowany w Polskich Sieciach Elektroenergetycznych S.A. do optymalizacji rozwoju wytwarzania energii elektrycznej. System bilansowania dostaw węgla jest obecnie wdrażany w PSE S.A., co pozwoli w najbliższym czasie przedstawić wyniki jego stosowania dla długoterminowego programowania rozwoju wytwarzania energii elektrycznej.

Wstęp

Węgiel kamienny pozostanie jeszcze przez wiele lat najważniejszym paliwem pierwotnym dla gospodarki narodowej, będzie też podstawowym paliwem dla wytwarzania energii elektrycznej. Stąd badania prognostyczne dotyczące kosztów pozyskania, cen i rynku węgla mają duże znacznie dla analiz i planowania rozwoju wielu gałęzi gospodarki, w tym przede wszystkim elektroenergetyki. Prowadzone dotąd prace nad prognozami rozwoju pozyskania węgla miały na celu przede wszystkim określenie skutków proponowanych programów restrukturyzacji górnictwa węgla kamiennego [Reforma górnictwa, 1998] [Radetzki, 1997]. Opracowano również zestaw modeli służących dla analiz perspektyw górnictwa i rynku węgla [Suwała, 1995].

Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. prowadzą od kilku lat prace nad długoterminowymi perspektywami rozwoju wytwarzania energii elektrycznej. Rzetelnie przeprowadzona analiza możliwości dostaw węgla kamiennego dla elektroenergetyki (zarówno w zakresie rzeczowym jak i kosztowym) jest jednym z warunków określenia wiarygodnych wariantów rozwoju wytwarzania energii elektrycznej. O znaczeniu problematyki węglowej do wytwarzania energii elektrycznej z jednej strony świadczy fakt, że ok. 58% tej energii jest wytwarzane w Polsce z węgla kamiennego, a z drugiej, że elektroenergetyka w 1997 roku zapłaciła za niego prawie 5 mld. zł. Dlatego równolegle podjęto szereg prac, które miały na celu szczegółową analizę rynku węgla dla potrzeb elektroenergetyki oraz dostarczenie wiarygodnych prognoz dostaw węgla [Analiza problemów..., 1993; Studium rynku..., 1995; Metodyka bilansowania, 1996; System komputerowego bilansowania, 1997]. Niniejszy artykuł przedstawia cele i założenia budowy systemu bilansowania dostaw węgla kamiennego, przyjęty algorytm bilansowania oraz zadania realizowane w modelach bilansujących dostawy węgla dla elektroenergetyki.

1. Cele systemu bilansowania dostaw węgla kamiennego

Do prognozowania i optymalizacji rozwoju Podsystemu Wytwarzania Energii Elektrycznej (w dalszej części artykułu używany będzie skrót PWEE) w PSE S.A. stosowany jest system IPM – Integrated Planning Model opracowany w amerykańskiej firmie ICF Resources. Jest on jednym z narzędzi zaliczanych do modeli zintegrowanego planowania (alokacji) zasobów (integrated resources planning). System ten w wersji stosowanej do roku 1997 odwzorowywał podaż węgla kamiennego poprzez określone gatunki jakościowe węgla, które charakteryzowane były wskaźnikami jakościowymi oraz ekonomicznymi (kosztami jednostkowymi i maksymalną ilością dostaw). Wytwarzanie energii elektrycznej reprezentowane było poprzez zbiór tzw. agregatów, z których każdy odpowiadał pewnemu typowi bloków energetycznych w wyróżnionych elektrowniach systemowych. Każdy z agregatów miał przypisany jeden gatunek węgla, którego charakterystyki jakościowe były podawane za pomocą jednostkowych emisji powstających przy spalaniu tego gatunku węgla w tym agregacie. Taki sposób odwzorowania nie odpowiadał funkcjonującemu systemowi dostaw węgla, w szczególności nie umożliwiał symulowania i optymalizacji dostaw. Niedogodności te mogły być usunięte poprzez zastosowanie rozszerzonej wersji modelu IPM, wyposażonej w nowe możliwości, w tym tak zwany moduł węglowy. Ideą tej wersji w odniesieniu do dostaw węgla kamiennego jest dobór węgla dla agregatów spośród gatunków węgla, z których każdy charakteryzowany jest parametrami jakościowymi oraz schodkowymi krzywymi podaży. Parametrami jakościowymi gatunków węgla są jego charakterystyki emisyjne, np. emisje dla średnich warunków całej elektroenergetyki. Dodatkowo, każdy agregat może mieć przypisane modyfikacje charakterystyk emisyjnych w zależności od posiadanych instalacji redukcji emisji. Schodkowe krzywe podaży podają zależność kosztu danego gatunku węgla od podaży, w tym wypadku dostaw węgla dla elektroenergetyki. Każdy schodek odpowiada jednemu producentowi lub dostawcy danego gatunku węgla i jest charakteryzowany kosztem oraz dostępną ilością węgla. Model IPM dobiera dostawy gatunków dla każdego agregatu tak, aby zminimalizować koszt dostaw przy spełnieniu ograniczeń dotyczących ilości dostarczanej energii chemicznej węgla oraz poziomu dozwolonych emisji.

Można wyróżnić dwa zasadnicze cele budowy systemu bilansowania dostaw węgla kamiennego i jego współpracy z modelem IPM. Podstawowym celem jest wyznaczenie optymalnej struktury dostaw węgla, zarówno ze względu na warunki pozyskania węgla, jak i warunki jego użytkowania w agregatach tworzących PWEE. Dla realizacji tego celu zakłada się niejako spełnienie dwóch kryteriów: minimalizacji kosztu pozyskania węgla i minimalizacji kosztu wytwarzania energii elektrycznej. Konieczna jest więc współpraca systemu bilansowania z modelem IPM celem znalezienia takiej struktury dostaw węgla do elektrowni, która zapewni najniższe koszty dostaw węgla i wytwarzania energii elektrycznej. Ponieważ współpracować będą dwa odrębne systemy optymalizacji, które będą wymieniać między sobą pewne zbiory informacji, warunkiem koniecznym do spełnienia jest zgodność struktury dostaw węgla i struktury zapotrzebowania. Wyznaczenie takiej struktury jest drugim najważniejszym celem współpracy systemu bilansowania dostaw węgla i modelu IPM.

Zastosowanie nowej wersji modelu IPM wymagało radykalnej zmiany podejścia do problemu przygotowania danych dotyczących węgla kamiennego. Najważniejszym zadaniem było wprowadzanie schodkowych krzywych podaży węgla. Ilość informacji, jaka była niezbędna dla ich prawidłowego odwzorowania sprawiła, że konieczne stało się opracowanie systemu bilansowania dostaw węgla dla elektroenergetyki, który spełniałby następujące zadania:

• określenie możliwości podaży węgla dla wytwarzania energii elektrycznej i ciepła z uwzględnieniem popytu pozostałych kierunków użytkowania węgla (innych sektorów gospodarki),
• możliwość reagowania na zmieniające się opcje rozwoju górnictwa węgla kamiennego czy elektroenergetyki,
• wstępna optymalizacja dostaw węgla dla elektrowni (agregatów),
• przygotowanie danych dla modelu IPM w postaci i formacie przez niego wymaganym.

• podaży węgla kamiennego,
• bilansowania dostaw węgla dla PWEE.

Problem bilansowania dostaw węgla przy ustalonym zapotrzebowaniu sprowadza się do dystrybucji dostępnego węgla. Dystrybucja musi spełniać kryteria ilościowe, jak i jakościowe (samego węgla, jak i możliwych wielkości emisji). W tej procedurze powinny być analizowane szczegółowe zagadnienia dostaw węgla dla PWEE, w szczególności problem powiązania elektrowni i kopalń, przy możliwej substytucji klas jakościowych węgla. Model o wymaganej dla tego rodzaju badań strukturze został oparty o wcześniejsze konstrukcje, których celem jest minimalizacja kosztów dostaw węgla dla wszystkich odbiorców. Wynikami modelu są, tak jak poprzednio, charakterystyki podaży węgla ze szczególnym uwzględnieniem PWEE.

Taki zestaw współpracujących ze sobą modeli pozwala na przeprowadzenie wielowariantowych obliczeń uwzględniających szereg opcji rozwojowych sfery pozyskania i użytkowania węgla kamiennego.

2. Założenia budowy systemu bilansowania dostaw węgla kamiennego

Opracowanie założeń dla procedur bilansowania poprzedzone zostało próbą zdefiniowania samego zadania bilansowania dostaw:

Zadanie bilansowania dostaw paliw pierwotnych dla potrzeb długoterminowego programowania rozwoju podsystemu wytwarzania energii elektrycznej polega na znalezieniu takiego zbioru dostaw gatunków węgla dla agregatów (elektrowni) analizowanych w programie rozwoju PWEE, który:
• zapewni zgodność dostaw z wymaganiami agregatu (elektrowni) pod względem ilości i jakości paliw,
• zapewni zgodność dostaw paliw od poszczególnych dostawców z ilościową i jakościową strukturą ich produkcji oraz krajowym bilansem paliw.

Współpraca systemu bilansowania dostaw węgla kamiennego z modelem IPM powinna opierać się na podstawowej zasadzie podporządkowania konstrukcji systemu bilansowania dostaw potrzebom modelu IPM. Wyraża się to takim ustaleniem mechanizmów funkcjonowania systemu bilansowania, aby w jak największym stopniu zaspokoić potrzeby modelu IPM i jego modułu węglowego. Ponadto dążono do tego, by przepływ informacji między IPM a systemem bilansowania dostaw był maksymalnie sprawny, tak by dane o zapotrzebowaniu na węgiel mogły być łatwo aktualizowane. Należało również zapewnić dostarczanie z modelu IPM wszystkich danych dotyczących użytkowania węgla. Choć informacje te nie są aktualnie wykorzystane, mogą być w przyszłości ważnym źródłem danych o kierunkach usprawnienia dostaw węgla.

Wyniki modelu bilansowania dostaw powinny również dostarczyć współrzędne punktu startowego (w zakresie dostaw węgli) dla optymalizacji w modelu IPM. Zazwyczaj obniża to znacząco czas obliczeń modeli.

Istotnym założeniem ekonomicznym przyjętym w modelach bilansowania jest wybór zasad formowania cen węgla kamiennego w dostawach dla PWEE. Istnienie wielu czynników, które wpływają na poziom cen węgla dla elektroenergetyki powoduje, że trudno jednoznacznie prognozować jego ceny. Stosowany obecnie system oparty na parytecie węgla importowanego jest jedynie pewnym uproszczeniem. Przy konstrukcji systemu bilansowania zasady formowania cen węgla oparto na następujących przesłankach:

• podstawą określenia ceny węgla krajowego jest jego koszt ekonomiczny,
• sposób formowania poziomu cen węgla zależy od struktury rynku.

Przy wyznaczaniu kosztu ekonomicznego przyjmuje się założenie, że koszty poszczególnych czynników produkcji są wyliczane na podstawie ich cen rynkowych oraz, że czynniki te są zużywane w procesie produkcyjnym w ilościach właściwych dla danego procesu technologicznego. Ten ostatni warunek ma zapewnić pokrycie racjonalnych kosztów, bez marnotrawstwa i nadmiernego zatrudnienia.

Innym istotnym czynnikiem rzutującym na wysokość cen węgla jest struktura rynku węgla. Podmiotami rynku węgla są przede wszystkim spółki węglowe oraz samodzielne kopalnie. W modelach stosuje się szereg algorytmów symulujących zachowanie się dostawców węgla, opartych na założeniu racjonalności zasad ich postępowania. Kopalnie należące do jednej spółki mają zróżnicowane koszty i dla określenia kosztu ekonomicznego węgla oferowanego przez spółkę (faktycznego sprzedawcy węgla) i jako podstawę wyznaczenia minimalnej ceny przyjęto średni ekonomiczny jednostkowy koszt wydobycia węgla w spółce. Tak wyznaczony jednostkowy koszt określa minimalną średnią cenę węgla oferowanego przez producenta. Uzyskanie takiej ceny pozwoli pokryć wszystkie koszty, zapewni więc funkcjonowanie i utrzymanie wydobycia. Przy wyznaczaniu kosztów poszczególnych produktów końcowych (gatunków jakościowych węgla) konieczny jest podział kosztów całkowitych na poszczególne produkty. Przyjmuje się tu zasadę, że koszty są rozdzielane proporcjonalniedo cen poszczególnych produktów. Taki podział zapewnia zachowanie proporcji kosztów, która odpowiada relacjom wartości użytkowej różnych węgli (miernikiem są ceny osiągane obecnie na rynku węgla).

W pracach wykonanych w zakresie bilansowania dostaw węgla przyjmować można szereg systemów klasyfikacji węgli różniących się stopniem szczegółowości. Im więcej gatunków, tym większa dokładność, lecz zwiększa się rozmiar zadań. Dlatego przyjęto propozycje zakładające najmniejszą liczbę gatunków, to jest teoretycznie 72 klasy węgla (Tab.1). Analiza struktury produkcji wykazała, że liczba gatunków wyniesie 41, w tym 38 gatunków miałów. Tak znaczne zmniejszenie wynika z tego, że pewne gatunki w ogóle nie są produkowane, a ponadto nie uwzględnia się gatunków, które są produkowane przez krótki okres czasu lub w bardzo małych ilościach.
 
 

Tab. 1 Przyjęty system klasyfikacji węgli

Klasa wg wartości opałowej MJ/kg			Klasa wg zawartości popiołu %			Klasa wg zawartości siarki %
Granice	Oznaczenie literowe	Oznaczenie cyfrowe	Granice	Oznaczenie literowe	Oznaczenie cyfrowe	Granice	Oznaczenie literowe	Oznaczenie cyfrowe
<19.0	A	19	<18.0	A	18	< 0.80	A	08
19.1 - 21.0	B	21	18.1 - 20.0	B	19	0.81 - 1.0	B	10
21.1 - 22.0	C	22	20.1 - 21.0	C	21	>1.0	C	12
> 22.1	D	24	21.1 - 22.0	D	22
			22.1 - 23.0	E	23
			>23.1	F	24

Bilansowanie dostaw węgla dla PWEE może być dokonywane na różnych stopniach agregacji, począwszy od dostaw dla całego PWEE, jak na przykład w modelu górnictwa [Suwała, 1995], poprzez bilansowanie na poziomie regionów (model rynku węgla we wspomnianej pracy), a wreszcie poprzez wiązanie poszczególnych kopalń i elektrowni, jak w pracy [Studium rynku, 1995]. Dla potrzeb niniejszej pracy konieczne jest dokonanie bilansowania na możliwie niskim poziomie agregacji, to jest opracowanie powiązań kopalń i elektrowni (agregatów).

Założenia przyjęte przy opracowywaniu modelu IPM determinują sposób ujęcia elementów Podsystemu Wytwarzania Energii Elektrycznej. Bloki poszczególnych elektrowni są reprezentowane przez tzw. agregaty [Kwiatkowski, 1996]. W systemie bilansowania dostaw węgla należy zatem przyjąć analogiczne rozwiązanie z tym, że może być ono modyfikowane tam, gdzie nie zmniejszy to stopnia dokładności rozwiązania modeli. Nieco inaczej jest w modelu IPM reprezentowana grupa elektrociepłowni. Zostały one podzielone na 12 rejonów ciepłowniczych [Kwiatkowski, 1996]. Z punktu widzenia obliczeń dokonywanych w procedurach bilansowania dostaw nie różnią się one od ujęcia agregatów i z tego względu nie ma potrzeby ich specjalnego wyróżnienia.

Stopień agregacji dostawców i odbiorców w modelach podaży (Rys. 1) i rynku (Rys. 2) jest różny. W obu modelach jako dostawcy występują pojedyncze kopalnie i źródła importowe. Odbiorcy są zagregowani do poziomu rejonów (Rys. 1). Liczba regionów jest różna dla PWEE i pozostałych odbiorców. Dla tych ostatnich musi być jak najmniejsza - aby uprościć obliczenia utworzono 10 regionów. Liczba regionów dla PWEE wynika z rozkładu terytorialnego elektrowni i tylko elektrownie położone blisko siebie są agregowane. Struktura zapotrzebowanie każdego z regionów jest sumą potrzeb każdej z elektrowni.

Powiązania kopalń i elektrowni - agregatów mogą być traktowane jako ustalone, np. poprzez przyjęcie ustalonych obecnie kontraktów, lub też mogą to być powiązania dowolne. Powiązania stałe wynikają z kilku przyczyn, z których do najważniejszych należą istniejące kontrakty długoterminowe i ograniczenia w możliwościach transportu węgla. Powiązania te są trwałe dla kilku lub kilkunastu następnych lat. Zmiany w strukturze górnictwa (likwidacja kopalń) i wytwarzania energii elektrycznej wymuszają zmiany tych związków. Dlatego w procedurze bilansowania dostaw nie można ich traktować jako ustalonych dla całego okresu analizy, ale należy dopuścić pewne ich zmiany. Bilansowanie dostaw ma za zadanie uzupełnić braki wynikłe z likwidacji kopalń lub zmiany ich produktów końcowych (np. poprzez wprowadzenie wzbogacania węgla). Jest to pierwszy wariant bilansowania. Drugi sposób bilansowania dostaw oparty jest na optymalizacji powiązań kopalń i elektrowni. Nie są to jednak powiązania dowolne, uwzględniać bowiem muszą ograniczenia co do jakości spalanego węgla oraz inne ograniczenia wynikające ze szczególnych warunków dostaw.

Zmiana systemu gospodarczego i wprowadzenie określonych przepisów ochrony środowiska (norm emisji) w radykalny sposób zmieniły wzajemne relacje między górnictwem i elektroenergetyką. Ograniczenie emisji zanieczyszczeń jest równie ważnym zadaniem bilansowania dostaw, jak zapewnienie ilości węgla. Z punktu widzenia dotrzymania przyjętych norm ekologicznych w praktycznej realizacji procedur bilansowania można zastosować dwa podejścia. Pierwsze, to uwzględnianie jedynie parametrów jakościowych węgla. W założeniu muszą one spełniać poziom emisji dopuszczalny dla danego agregatu dla funkcjonujących przy nim instalacji redukcji emisji. Rozwiązanie to ogranicza działania procedur bilansujących do problemów zapewnienia jakości dostaw. Drugie podejście polega na uwzględnieniu poziomu emisji z danego agregatu w bilansowaniu dostaw węgla dla tego agregatu. Trzeba przy tym pamiętać, że emisje nie będą równe wprost tym, jakie wynikałyby z jakości dostarczanego węgla, gdyż instalacje redukujące emisję będą istotnie wpływały na poziom emisji. Zatem w bilansowaniu dostaw węgla uwzględnia się instalacje redukcji emisji narzucone przez rozwiązania modelu IPM. Porównanie parametrów jakościowych węgli wsadowych dla danego agregatu oraz jego emisji pozwala wyliczyć wskaźniki emisji, które są uwzględnione w procesie bilansowania.

Rozważane w niniejszej pracy możliwości dostaw węgla kamiennego odpowiadają określonym warunkom funkcjonowania PWEE, górnictwa i całej gospodarki narodowej. Warunków tych nie można określić w sposób jednoznaczny, stąd konieczne jest wykonywanie obliczeń dla scenariuszy reprezentujących warunki najbardziej prawdopodobne. Przyjmuje się, że scenariusze te są zgodne z przyjętymi w obliczeniach modelu IPM i dostosowane do nich pod względem merytorycznym i ilościowym.

Z punktu widzenia potrzeb bilansowania dostaw węgla najważniejszymi elementami scenariuszy są:

• wielkość zapotrzebowania na węgle ze trony PWEE;
• wysokość limitów emisji zanieczyszczeń,
• poziom rozwoju gospodarczego, wyrażony zapotrzebowaniem na węgiel ze strony odbiorców przemysłowych, koksowni i pozostałych odbiorców,
• możliwości importu węgla i pojemność rynków eksportowych,
• wysokość cen importowych węgla.

Algorytm bilansowania dostaw węgla dla PWEE obejmuje współdziałanie trzech modeli oraz kilku procedur. Modele te to:

• model podaży węgla, mający za zadanie opracowanie prognoz podaży węgla,
• model bilansowania dostaw, który ma za zadanie zbilansowanie ilościowo-jakościowe dostaw węgla dla PWE,
• model IPM, który optymalizuje rozwój PWEE oraz określa optymalny poziom zapotrzebowania na gatunki węgla.

1. Określenie wartości wstępnych niezbędnych danych (podaży, popytu oraz zapotrzebowania PWEE na węgiel) na podstawie dotychczasowych wyników modelu IPM,
2. Agregowanie danych elektrowni (agregatów) do poziomu wyróżnionych regionów,
3. Obliczenie prognoz podaży za pomocą modelu podaży węgla,
4. Obliczenie modelu bilansowania węgla dla otrzymanych wyników modelu podaży oraz danych elektrowni (agregatów),
5. Optymalizacja rozwoju PWEE (model IPM) z wykorzystaniem wyników modelu bilansowania i określenie optymalnej struktury zapotrzebowania na węgiel,
6. Określenie zgodności zapotrzebowania z dostawami; istnienie zgodności kończy obliczenia, brak zgodności oznacza przejście do kroku 7,
7. Modyfikacja poziomu zapotrzebowania,
8. Rozwiązanie modelu bilansowania ze zmodyfikowanych zapotrzebowaniem; jeśli istnieje rozwiązanie optymalne - powrót do kroku 5, jeśli nie ma rozwiązania optymalnego - przejście do następnego kroku,
9. Przejście do kroku 3 - rozwiązanie modelu podaży ze zmodyfikowanym zapotrzebowaniem.

4. Modele systemu bilansowania dostaw węgla

Jak już wcześniej podkreślono, prawidłowe wypełnienie zadań w systemie bilansowania dostaw węgla wymaga zastosowania dwóch modeli: podaży węgla oraz bilansowania dostaw. Choć z formalnego punktu widzenia modele te mogłyby być połączone w całość, to praktyczna realizacja tego zamierzenia napotyka na problemy obliczeniowe, ze względu na złożona postać matematyczna i dużą ilość zmiennych.

4.1 Model podaży węgla

Zadaniem modelu podaży węgla (Rys. 4) jest opracowanie prognozy podaży węgla dla warunków określonych przede wszystkim przez poziom rozwoju gospodarczego, w tym także wielkości popytu na węgiel ze strony różnych odbiorców.

Danymi wejściowymi dla modelu są prognozy - charakterystyki techniczno-ekonomiczne kopalń, ceny węgla na rynkach międzynarodowych, wielkość krajowego popytu na węgiel. Jako dane uzupełniające występują charakterystyki sytuacji gospodarczej, w tym przede wszystkim wysokość oprocentowania kredytów. Lista danych obejmuje zatem następujące pozycje:

1. koszty pozyskania węgla w poszczególnych kopalniach, z rozbiciem na najważniejsze składniki (płace, energia, itp.),
2. nakłady inwestycyjne w kopalniach,
3. wysokość stopy procentowej dla kredytów,
4. poziom produkcji węgli z podziałem na grupy sortymentowe i jakościowe,
5. jakość produkowanego węgla, to jest wartość opałowa, zawartość siarki, zawartość popiołu,
6. ceny importowe węgli dla określonych grup jakościowych (gatunków),
7. prognozy popytu sektorów gospodarki na węgiel (poza podsystemem wytwarzania energii elektrycznej),
8. określenie gatunków jakościowych węgli zużywanych przez sektory gospodarki,
9. wstępne prognozy zapotrzebowanie PWEE na węgiel wg następującego schematu:

• dane elektrowni (agregatów) zagregowane do rejonów,
• wysokość zapotrzebowania wyrażona energią chemiczną,
• określenie gatunku węgla lub jego parametrów jakościowych, to jest wartości opałowej, zawartości siarki, zawartości popiołu.

Z uwagi na sposób odwzorowania zagadnienia likwidacji lub uruchamiania kopalń model ten jest modelem liniowym mieszanym, ze zmiennymi binarnymi i rzeczywistymi.

Zmiennymi decyzyjnymi w modelu są:

• zmienne zero-jedynkowe odnoszące się do likwidacji lub budowy kopalń w określonym momencie czasu,
• dostawy węgla dla poszczególnych sektorów gospodarki z rozróżnieniem gatunków węgla,
• dostawy węgla dla PWEE według:

• rejonów zużycia węgla,
• źródeł dostaw (kopalnie GZW, LZW, import),
• gatunków,
• lat analizy.

4.2 Model bilansowania dostaw węgla

Podstawowym zadaniem modelu bilansowania dostaw węgla jest ustalenie szczegółowej struktury dostaw węgla dla podsystemu wytwarzana energii elektrycznej. Danymi wejściowymi dla tego modelu są wyniki modelu podaży węgla w zakresie dotyczącym dostaw dla PWEE. Z nich konstruuje się szczegółową prognozę podaży poszczególnych gatunków węgla. W odróżnieniu od poprzedniego modelu, tu rozpatruje się każdy agregat (elektrownię) oddzielnie i dzięki temu można rozważać szczegółowe warunki dostaw.

Jako charakterystyki popytu ze strony PWEE występują dla każdego agregatu:

• ilość wyrażona energią chemiczną węgla,
• ograniczenia wartości opałowej, zawartość popiołu i zawartości siarki dla węgla, jaki może być zużywany w agregacie,
• odległość agregatu od źródeł dostaw,
• współczynniki dla przeliczenia jakości węgla na poziom emisji,
• dopuszczalne limity emisji w agregatach,
• ograniczenia dotyczące możliwości powiązań między dostawcami określonego gatunku węgla (kopalniami), a agregatami (elektrowniami),
• możliwości substytucji gatunków węgli (np. możliwy udział węgli koksowych w dostawach),

Model bilansowania (Rys. 5) dokonuje optymalizacji dostaw węgla dla poszczególnych agregatów. Jego wynikiem jest struktura dostaw węgla dla PWEE, uwzględniająca warunki użytkowania węgli w agregatach. Składają się na nie bezpośrednie lub pośrednie ograniczenia na strukturę jakościową dostaw. Ograniczenia bezpośrednie to granice parametrów jakościowych lub dopuszczalne klasy dostaw węgla; ograniczenia pośrednie to dopuszczalny poziom emisji, który wynika z jakości węgla.

Zmiennymi decyzyjnymi modelu są:

• dostawy gatunków węgli do poszczególnych agregatów,
• emisje polutantów w agregatach.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono cele, założenia i konstrukcję systemu bilansowania dostaw węgla kamiennego dla potrzeb programowania rozwoju podsystemu wytwarzania energii elektrycznej. System złożony jest z dwóch modeli podaży węgla i bilansowania dostaw węgla. Współpracują one z modelem IPM, który jest stosowany w Polskich Sieciach Elektroenergetycznych S.A. do optymalizacji rozwoju wytwarzania energii elektrycznej. Przy konstruowaniu systemu bilansowania kierowano się potrzebami modelu IPM, co wymagało odpowiedniego doboru reprezentowania elementów funkcjonujących w systemie pozyskania i użytkowania węgla oraz odpowiedniego przygotowania wyników.

Pozytywne wyniki przeprowadzonych obliczeń i symulacji wskazują, że połączone możliwości obliczeniowe (IPM i system bilansowania dostaw węgla) pozwalają na:

• określenie racjonalnej struktury pozyskania węgla kamiennego, to jest dokonanie wyboru kopalń pozyskujących węgiel po kosztach konkurencyjnych,
• określenie racjonalnego poziomu importu węgla ze względu na koszty importu oraz wymagania jakościowe węgla spalanego w elektrowniach,
• bilansowanie zużycia węgla na poziomie całego kraju z uwzględnieniem wymagań co do struktury jakościowej węgla,
• bilansowanie i optymalizacja dostaw węgla dla potrzeb wytwarzania energii elektrycznej z uwzględnieniem struktury jakościowej węgla oraz ograniczeń ekologicznych w elektroenergetyce,
• określenie dostępności węgli substytucyjnych (np. koksowych) dla potrzeb elektroenergetyki,
• przygotowanie danych o podaży węgla dla systemu IPM z uwzględnieniem zależności cen od wielkości zapotrzebowania (krzywe podaży),
• określanie racjonalnych powiązań między kopalniami i elektrowniami przy różnych scenariuszach rozwoju elektroenergetyki i górnictwa (w szczególności programu wzbogacania węgli),
• racjonalizacja zakupów węgla z uwzględnieniem zjawiska sezonowości w popycie na węgiel,
• efektywne tworzenie zapasów węgla w celu łagodzenia skutków nieplanowanych przerw w dostawach, określenie efektywności narzędzi polityki ekologicznej dla elektrowni spalających węgiel kamienny i brunatny, racjonalizacja dostaw węgla dla elektroenergetyki dla różnych form regulacji i ograniczeń środowiskowych.

Literatura:

Analiza problemów ekonomicznych i Środowiskowych związanych z zasilaniem elektroenergetyki w węgiel kamienny, badanie modelowe. CPPGSMiE PAN, Kraków 1993.

Kwiatkowski M., 1996, Rozwój istniejących elektrowni i elektrociepłowni zawodowych, Materiały Seminarium Zintegrowany program rozwoju źródeł energii elektrycznej - założenia i wstępne wyniki drugiej pętli obliczeniowej (ZPR2)., Warszawa, 1996.

Metodyka bilansowania dostaw paliw pierwotnych dla potrzeb długoterminowego programowania rozwoju podsystemu wytwarzania energii elektrycznej. CPPGSMiE PAN, Kraków 1996.

Radetzki M., Polish Hard Coal - the Road to economic Health, SNS Energy Institute of Sweden, 1997

Reforma górnictwa węgla kamiennego w Polsce w latach 1998-2002, Program Rządowy, Warszawa lipiec, 1998

Suwała. W., Badania modelowe perspektyw górnictwa i rynku węgla kamiennego w Polsce, Studia, Rozprawy, Monografie CPPGSMIE PAN, Kraków, 1995,

Studium rynku węgla kamiennego dla potrzeb energetyki w latach 1995-2020, CPPGSMiE PAN, Kraków 1995.

System komputerowego bilansowania dostaw węgla kamiennego dla potrzeb długoterminowego programu rozwoju podsystemu wytwarzania energii elektrycznej, CPPGSMiE PAN, Kraków 1997-1998.