Program dela za projekt V2-2271

GLAVNI SKLOP 1: Razvoj metodologije, opredelitev tehnologije, obravnava sektorskih scenarijev, ključni potenciali za oceno optimalnih rešitev sektorske integracije za doseganje energetskih in podnebnih ciljev

SKLOP 1.1. Analiza obstoječih rešitev v EU ter preučitev strokovne in znanstvene literature

Trajanje: 1.10.2022-31.3.2023

V tem sklopu bomo pregledali obstoječe rešitve, ki so ključne za nabor potencialnih rešitev energetske integracije. Analiza strokovne in znanstvene literature bo zajemala:

pregled načrtovalskih orodij za energetske sisteme, npr. EnergyPlan, TIMES, HOMER itd.
TRL nivoje obstoječih tehnologij in tehnologij v razvoju za pretvarjanja energije iz ene oblike v druge,
obstoječe in obetajoče shranjevalnike toplote, električne energije in hranilnike energije v kemijske vezi (npr. hranilniki vodika in metana),
tehnične zahteve dobavnih sistemov (cevovodov) predvsem za možnosti dobave vodika in metana.

Pri pregledu literature bomo še posebej pozorni na

prednosti določenih načrtovalskih orodij za energetske sisteme, ki jih lahko potem vgradimo v naš obstoječ model za optimizacijo oskrbovalne mreže energetskega sistema,
analizo tehniško obetajočih novih tehnologij,
vrsto, kapaciteto in ceno hranilnikov in iv) vrsto dobavnih omrežij.

Rezultat 1.1: Tabela načrtovalskih orodij z vključenimi prednostmi in slabosti teh orodij, tabela obstoječih tehnologij in tehnologij v razvoju z osnovnimi informacijami o pretvorbi in njihovih tehno-ekonomskih zahtev, Tabela obstoječih in obetavnih shranjevalnikov toplote, električne energije in hranilnike energije v kemijskih vezeh s poudarkom na njihovih vrstah kapacitetah in cenah ter tabela vrst cevovodov ter njihovih tehno-ekonomskih zahtev.

SKLOP 1.2. Razvoj metodologije za pripravo nadaljnjih strategij za Slovenijo, pri čemer se definirajo osnovni pojmi

Trajanje: 1.1.2023-31.3.2024

Razvoj metodologijo bomo izvedli z nadgradnjo že obstoječega modela za optimizacijo dobavne mreže energentov, pri kateri smo upoštevali raznovrstne geografsko in časovno pogojene razpoložljive vire, raznovrstne tehnologije za energijske pretvorbe, hranilnike in celotno distribucijsko mrežo za dobavo energije do porabnikov. Model temelji na iskanju optimalnih rešitev z uporabo matematičnega programiranja, natančneje mešano-celoštevilskega linearnega optimizacijskega modela. Metodologija je bila že razvita in uporabljena na primeru EU, kjer smo predstavili scenarije za postopen prehod na energetski sistem na obnovljivih vire energije do leta 2050 na podlagi smernic EU [1]. V tej študiji so bili vključeni sledeči obnovljivi viri energije (OVE) in odpadki: vetrna, sončna, hidroenergija, geotermalna, lesna biomasa, ostanki iz kmetijstva, miskantus (trstikovec), komunalni odpadki (frakcija bioloških odpadkov), odpadno jedilno olje in olje iz alg. Za proizvodnjo električne energije in toplote so bile v model vključene naslednje tehnologije: vetrne turbine na kopnem, vetrne turbine na morju, sončne fotovoltaične elektrarne, proizvodnja toplote in elektrike iz geotermalne energije, soproizvodnja toplote in električne energije (SPTE) na biomaso, sončni kolektorji za ogrevanje, toplotne črpalke in tehnologije za pretvorbo odpadkov v energijo (angl. WtE). Model upošteva tudi možnost preoblikovanja trenutno delujočih termoelektrarn na premog v SPTE na biomaso. Kot možnosti za shranjevanje se bile obravnavane črpalne hidroelektrarne (HE) in hranilniki toplote. Za proizvodnjo biodizla, nadomestkov bencina in vodika so bile upoštevane naslednje sintezne poti: uplinjanje in fermentacija sinteznega plina za proizvodnjo bioetanola in vodika; uplinjanje in katalitična sinteza za proizvodnjo bioetanola in vodika; hidroliza lignocelulozne biomase za proizvodnjo bioetanola; Fischer-Tropscheva sinteza (FT-sinteza) za proizvodnjo FT dizelskega goriva in „zelenega“ bencina; uplinjanje, reakcija sinteznega plina z vodo (angl. water-gas shift reaction) in membranska separacija za proizvodnjo vodika; in transesterifikacija odpadnega jedilnega olja in olja iz alg za proizvodnjo biodizla. V superstrukturo (nabor vseh možnih alternativ) bi za potrebe tega projekta dodali še proizvodnjo vodika iz ostalih obstoječih tehnologij in proizvodnjo bioplina ter sintetičnega metana. Proučili bomo tudi ostale obetajoče tehnologije na podlagi predlogov projektnega konzorcija ter pregleda literature. Za večje lokacije bomo identificirali tudi potencial odpadne toplote za namene daljinskega ogrevanja. Poleg shranjevanja viškov električne energije iz OVE s povezovanjem med sektorji bi upoštevali tudi vgradnjo baterijskih zmogljivosti in hranilnikov toplote v sistemih daljinskega ogrevanja, kot tudi uporabo plinovodnih sistemov za shranjevanje viškov električne energije v obliki SNP/H2. Zaradi kompleksnosti problema bo optimizacija posameznih tehnologij izvedena posebej v podrobnih modelih, v glavni optimizacijski model bomo pa tehnologije opisali v obliki poenostavljenih (surogatnih) modelov (funkcij), ki bodo vsebovali vse ključne podatke, kot so učinkovitost, poraba energije in vode, investicijski in obratovalni stroški, itd. Določanje lokacije virov, upoštevanje lokacij obstoječih tehnologij ter predlogi postavitev novih tehnologij, lokacije hranilnikov in lokacije porabnikov se vrši na podlagi geografske mreže, ki se bo prilagodila Sloveniji, pri čemer bo celotna država razdeljena na manjše cone. Večje bo število con, večja bo natančnost določitve lokacij. Za obstoječo infrastrukturo se bodo upoštevale znane lokacije z ustrezno oceno realne oddaljenosti.

Sinteza energetskega oskrbovalnega omrežja bo temeljila na osnovi 4-nivojskega modela, pri čemer se vsi štirje nivoji optimirajo hkrati. Prvi nivo predstavljajo različne vrste potencialnih virov energije na različnih območjih v Sloveniji, medtem ko so na drugem nivoju predvidene predobdelovalne tehnologije in vmesno skladiščenje (v primeru biomase), ter proizvodnja elektrike in toplote iz virov energije, kjer predobdelava ni potrebna (npr. sončna in vetrna energija). Na tretjem nivoju sledi proizvodnja elektrike, toplote in biogoriv (vodik, bioplin, sintetični metan, itd.) iz ostalih razpoložljivih tehnologij (pri katerih je potrebna predobdelava surovin) ter shranjevanje viškov električne energije in toplote, medtem ko četrti nivo predstavlja porabo energije v vseh sektorjih rabe energije.

Razviti model postopne transformacije energetskega sistema upošteva dinamične spremembe v razpoložljivosti obnovljivih virov energije in povpraševanju (večperiodno optimiranje). Letne periode bodo služile za oceno prehoda na nizkoogljični energetski sistem v Sloveniji do leta 2050, mesečne periode bodo uporabljene za razpoložljivost biomase in proizvodnjo biogoriv ter njihovo povpraševanje, medtem ko bodo proizvodnja električne energije in toplote iz OVE ter povpraševanje po le-teh določeni na urni osnovi. Na ta način bomo zagotovili dobavo energije tudi ob največjem povpraševanju (angl. peak demand), prav tako pa bomo določili presežke energije iz OVE, ki jo lahko uporabimo v prometnem sektorju ali za pretvorbo v drugo obliko energije (obnovljiva električna energija-plin in toplota), s čimer je omogočena tudi sezonska hramba obnovljive energije.

Z matematičnim modelom bomo ovrednotili različne scenarije, med katerimi izberemo optimalnega glede na izbrani kriterij. Kriterij je lahko ekonomski, npr. maksimiranje neto sedanje vrednosti, vse bolj pa se uporabljajo tudi okoljski, npr. minimiranje emisij TGP. Pogosto je potrebno upoštevati več kriterijev hkrati, npr. poleg ekonomskih še okoljske in socialne. Takrat uporabimo večkriterijsko optimiranje, s katerimi iščemo kompromisne rešitve, ki najbolje ustrezajo vsem zahtevanim kriterijem. Večkriterijsko optimiranje lahko izvedemo na več načinov, najpogostejši je ta, da uporabimo en glavni optimizacijski kriterij, preostale kriterije pa zapišemo v obliki pogojnih neenačb. Druga možnost je uporaba sestavljenih trajnostnih kriterijev, ki smo jih razvili v Laboratoriju za procesno sistemsko tehniko in trajnostni razvoj [2]. Ti združujejo v denarnih enotah izražen ekonomski, okoljski in socialni kriterij (npr. trajnostna neto sedanja vrednost ali trajnostni profit), pri čemer dobimo uravnoteženo rešitev med vsemi tremi stebri trajnostnega razvoja. Pridobivanj rešitev pri nominalnih podatkih ne zagotavlja dovoljšne fleksibilnosti energetskega sistema, zato bomo model nadgradili z metodami za doseganje fleksibilnih sistemov.

Pri oblikovanju scenarijev za medsektorsko integracijo bomo upoštevali aktualne strategije in politike, ki jih oblikujeta EU in Republika Slovenija na področju energetskih in podnebnih ciljev. Na ta način bomo za različne scenarije ovrednotili prispevek sektorske integracije pri doseganju ciljev zmanjševanja emisij TGP, prav tako pa tudi pri doseganju ciljev deleža OVE in učinkovite rabe energije. Glede na uporabo različnih optimizacijskih kriterijev, bodo rezultati prikazali: i) optimalno izbiro tehnologij z ekonomskega vidika, pri čemer bodo določeni najnižji investicijski stroški za doseganje ciljev, in ii) optimalne rešitve iz okoljskega vidika, ki zagotavljajo čim višje zmanjšanje emisij TGP). Tretji vidik trajnostnega sistema je socialni vidik, ki se v tem primeru lahko upošteva kot število zaposlenih v energetskem sektorju, saj ta vidik tudi prispeva k blaginji v državi z vplačanimi prispevki zaposlenih na eni strani kot tudi razbremenitev javnega sektorja kot posledica zmanjšanja socialnih transferjev.

Rezultat 1.2: Metoda za optimiranje energetskega sektorja ter medsektorske integracije za potrebe Slovenije (model)

Rezultat tega sklopa je osnovni model za optimiranje tako energetskega sektorja kot tudi prometnega ter nenazadnje tudi gospodarskega sektorja za raziskovanje možnosti integracije vodika in metana kot energenta.

SKLOP 1.3. Postopno izboljšanje energetskih sistemov z identifikacijo prioritetnih tehnologij in virov sektorske integracije

Trajanje: 1.5.2023-30.9.2023

Spremembo energetskih sistemov je potrebno izvesti zelo preudarno, saj je od njih odvisna blaginja celotne družbe. Zato mora biti prehod iz obstoječega sistema na učinkovitejši sistem z medsebojno integracijo različnih sektorjev postopen. Pri tem moramo imeti v mislih, da imajo morebitne napake/nezgode v načrtovanju sistema z večanjem deleža integracije sistemov veliko večje posledice. Zato je tudi osnovni model za načrtovanje energetske mreže že v osnovi postavljen tako, da se spremembe uvedejo postopno. Pri tem se upoštevajo najverjetnejši možni trendi cen in razpoložljivosti surovin, tehnologij, hranilnikov ter porabe energentov. Pri takem načrtovanju se v prvih prihodnjih letih načrtovanja (najprej) izberejo tehnologije, ki so že zdaj cenovno sprejemljive in dajejo učinkovito nadgradnjo/alternativo za predelavo obstoječih virov za pokrivanje energetskih potreb. Uporaba (trajnostne) neto sedanje vrednosti upošteva vrednost denarja in tako daje večjo utež sedanjim (trajnostnim) denarnim tokovom v primerjavi s prihodnjimi trendi, vendar vseeno upošteva celotno življenjsko dobo načrtovanega sistema. Enostavno opisano je prihodnja vrednost denarja izražena v današnji vrednosti denarja, pri čemer se upošteva tako inflacija kot obrestna mera. S takim kriterijem dosegamo izbor alternativ z najvišjo učinkovitostjo izboljšanja energetskega sistema z izborom prioritetnih tehnologij z najmanjšim investicijskim vložkom. To razmerje med vloženim denarjem in izboljšanjem celotnega sistema se hkrati upošteva tudi za medsektorsko integracijo. Tako je jasno, da so alternative za integracijo med sektorji, kjer so po navadi prisotni dvojni pozitivni učinki, ob zmerni investiciji ena izmed stroškovno in okoljsko bolj privlačnih rešitev.

Rezultat 1.3: Poročilo o potencialnih postopnih izboljšanj energetskega sistema z identifikacijo prioritetnih tehnologij in virov

Rezultat je analiza dobljenih rezultatov modela razvitih v sklopu 1.2, na podlagi katerih lahko podamo vrednotenje ključnih potencialov, še zlasti medsektorske integracije, in načrt potrebnih ukrepov za razvoj preučevanega sektorja.

SKLOP 1.4 Identifikacija ključnih tehnologij in ključnih ukrepov za medsektorsko integracijo

Trajanje: 1.10.2023-31.1.2024

Na podlagi rezultatov optimalnih energetskih dobavnih mrež z vključenimi možnostmi medsektorske integracije se izberejo tudi potrebne tehnologije za delujočo mrežo. Pri tem se upošteva trenutno stanje sistema in se predlaga postopna dograditev sistema z izbiro in kapaciteto optimalne tehnologije, pri čemer se hkrati upoštevajo tudi razpoložljivi viri za izbrano tehnologijo, možnosti skladiščenja ter porabe. Preko nabora tehnologij in hranilnikov so upoštevane tudi možnosti medsektorske integracije. Tako lahko tudi identificiramo možnosti le-teh, vključno z optimalno lokacijo in kapaciteto ključnih tehnologij za pretvorbo energije in hranilnikov.

Rezultat 1.4: Ovrednotenje ključnih potencialov, vozlišč za povezavo energetskega in prometnega sektorja, in ukrepov (poročilo)

SKLOP 1.5. Identifikacija omejitev in ključnih ovir sektorske integracije

Trajanje: 1.10.2023-31.3.2024

Namen tega sklopa je analiza prenosa ključnih tehnologij in ključnih ukrepov v realni sektor, pri čemer se upoštevajo tako tehnoekonomski vidiki izbranih ključnih tehnologij in ukrepov kot tudi politični regulativni razlogi. Pri tem sklopu bomo vključili deležnike tako energetskega sektorja kot tudi transporta, s pomočjo katerih bomo lahko predlagali možno naslavljanje tehnologij in virov sektorske integracije po prioritetah, ki bi jih naj država spodbujala.

Rezultat 1.5: Ovrednotenje ključnih omejitev sektorske integracije (poročilo)

GLAVNI SKLOP 2: Povezovanje vodikove infrastrukture in drugih plinastih goriv obnovljivega izvora v okviru integracije sektorjev za prehod na čist promet

SKLOP 2.1. Pregled tehnologij proizvodnje, transporta in skladiščenja vodika in metana ter ocena primernosti stopnje tehnološke pripravljenosti ter ocena potenciala za Slovenijo

Trajanje: 1.10.2022-1.4.2023

V tem delovnem sklopu bomo identificirali potrebe po energentih v prometu v voznem parku. V skladu z razvojem sektorske integracije potencialnih virov energije in njene rabe bomo pregledali različne tehnologije proizvodnje, skladiščenja in transporta vodika ter metana. Za postavitev obrata vodika bi v skladu z Uredbo o vzpostavitvi infrastrukture za alternativna goriva (AFIR) preverili, kje so najprimernejše lokacije za postavitev obrata v Sloveniji. Uredba določa gradnjo polnilnih postaj alternativnih virov za primer vodika na vsakih 150 km, kjer sta predvideni lokaciji Maribor in Ljubljana. Preverili bomo obstoječo infrastrukturo za proizvodnjo obnovljive električne energije iz solarnih in vetrnih elektrarn kot tudi kogeneracijskih enot, ki uporabljajo bioplin kot gorivo ter možnosti združevanja različnih sektorjev v energijskem sistemu, kot je proizvodnja električne energije, toplote, vodika in metana, ki je že prisotna v Sloveniji in bi lahko bila nadgrajena oziroma združena. Primerjavo tehnologij tako proizvodnje bioplina kot sintetičnega metana lahko izvedemo na osnovi različnih parametrov, kot so: čistost proizvedenega plina, količina proizvedenega plina, energijski izkoristek, kompleksnost procesa, ekonomičnost procesa itd. Razvidno je, da je integracija tehnologij za proizvodnjo plinastih goriv z ostalimi tehnologijami energetskega sektorja kompleksna naloga in se ne more obravnavati povsem ločeno od ostalega energetskega sistema.

Rezultat 2.1: Analiza trenutnega stanja in projekcija potreb za naprej (poročilo)

SKLOP 2.2. Določitev ključnih vozlišč, kjer je potencial za povezavo energetskega in prometnega sektorja

Trajanje: 1.5.2023-30.11.2023

Praksa nakazuje, da morata biti ustreznost in potencial tehnološki postopkov ocenjena v okviru celotnih dobavnih mrež. Zato morajo biti procesi, kot sta proizvodnja bioplina in sintetičnega metana integrirana v dobavno mrežo, ki zajema omrežje obnovljivih surovin, električno in transportno omrežje ter omrežje podpornih tehnologij. Primarna vozlišča v danih omrežjih so i) obstoječe lokacije obnovljivih virov (biomase) in ii) obstoječe kapacitete proizvodnje električne energije, obstoječe lokacije ključnih uporabnikov energentov (večja mesta, tovorniški terminali). Vozlišča so med seboj povezana preko obstoječega transportnega, plinovodnega in električnega sistema. Sekundarna vozlišča so potencialno nove lokacije zbiranja biomase, potencialno nove lokacije njene predelave v metan in potencialno nove kapacitete skladiščenja metana, ki so med seboj že povezane z obstoječim transportnim in plinovodnim omrežjem ter tudi tiste ki bodo med seboj povezane v skladu z načrtom dolgoročnega razvoja plinovodnega in transportnega omrežja.

Rezultat 2.2: Določitev ključnih vozlišč za povezovanje energetskega in prometnega sektorja

SKLOP 2.3 Preučitev načinov transporta metana in identifikacija lokacij za vzpostavitev oskrbovalne infrastrukture za metan

Trajanje: 1.1.2023-30.11.2023

K učinkoviti preučitvi možnosti transporta metana moramo pristopiti z upoštevanjem že obstoječih transportnih omrežij (cestni, vlakovni, ladijski transport) in plinovodnih omrežij, ki vključujejo tako obstoječe in predvidene skladiščne kapacitete v okviru plinovodnih omrežij ter obstoječe in predvidene skladiščne kapacitete v okviru hranilnikov utekočinjenega metana. Pri tem moramo upoštevati tudi obstoječe in potencialno nove kapacitete in lokacije proizvodnje metana. Ključnega pomena pri oceni integracije energetskega in transportnega sektorja bi pomenila tudi ocena vpliva preusmeritve različnih deležev tranzitnega tovornega prometa s cest na železnico. Celovit odgovor na vprašanje vzpostavitve infrastrukture za metan lahko dobimo z večperiodno optimizacijo celotne dobavne verige za različna prihodnja časovna obdobja (5, 10, 15, 20 let), predvidene trende cen energentov, potreb po energentih, cen tehnologij za predelavo surovin v energente, predviden razvoj transportnega in plinovodnega omrežja itd. Pri tem kot optimizacijski kriterije upoštevamo okoljske, ekonomske in družbene kazalnike ali njihovo kombinacijo. Robustnost optimalne rešitve lahko preverimo z občutljivostno analizo, pri kateri spremljamo kazalnike učinkovitosti infrastrukture glede na spreminjanje parametrov, kot so cene energentov, spremembe v potrebah po energentih itd. Optimizacijski model bo temeljil na zbranih statističnih podatkih (kapacitete biomase, lokacije biomase, potreba in poraba energentov v posameznih sklopih transportnega sektorja, trenutne in predvidene kapacitete obnovljive električne energije, trenutna in predvidena potreba po električni energiji itd.), razvitih matematičnih modelih dobavnih mrež in matematičnih modelih tehnologij za proizvodnjo metana.

Rezultat 2.3: Preučitev potencialih lokacij za vzpostavitev oskrbovalne infrastrukture za metan

****************************************************************************************

Ganntov diagram časovne razporeditve sklopov

10/2022

11/2022

12/2022

1/2023

2/2023

3/2023

4/2023

5/2023

6/2023

7/2023

8/2023

9/2023

10/2023

11/2023

12/2023

1/2024

2/2024

3/2024

Sklop 1.1: Analiza obstoječih rešitev EU ter preučiitev strokovne in znanstvene literature

Sklop 1.2: Razvoj metodologije za pripravo nadaljnjih strategih za Slovenijo, pri čemer se definirajo osnovni pojmi

Sklop 1.3: Postopno izboljšanje energetskih sistemov z identifikacijo prioritetnih tehnologij in virov sektorske integracije

Sklop 1.4: Identifikacija ključnih tehnologij in ključnih ukrepov za medsektorsko integracijo

Sklop 1.5: Identifikacija omejitev in ključnih ovir sektorske integracije

Sklop 2.1: Pregeled tehnologij proizvodnje, transporta in skladiščenja vodika in metana ter ocena primernosti stopnje tehnološke pripravljenosti ter ocena potenciala za Slovenijo

Sklop: 2.2: Določitev ključnih vozlišč, kjer je potencial za povezavo energetskega in prometnega sektorja

Sklop: 2.3: Preučitev načinov transporta metana in identifikacijo lokacij za vzpostavitev oskrbovalne infrastrukture za metan