Integrated impact assessment of emissions from the Polish energy sector for determination of the optimal mix of energy generation and pollution control technologies

Abstract

The objective of this Thesis is twofold: scientific and practical. The scientific objective is to build an Integrated Assessment Model for determination of the optimal mix of energy generation and pollution control technologies for the Polish power sector. The model combines the features of the Impact-Pathway and the Energy-Economic models and is built in the General Algebraic Modelling System. Each boiler of the power system is considered individually. Such generation unit- oriented approach makes it possible to estimate individual emissions and costs, both external and internal. A special effort has been put on developing the SO2 source-receptor matrix for Poland, used in analysis of plant location. The main practical objective is to provide a support tool for decision making in developing the Polish power sector. Influence of internalisation of the external costs due to $SO_{2}, NO_{X}$, PM and $CO_{2}$ emissions on the shape of the Polish energy sector in 2020 was assessed. The results show that, even with full internalisation of external costs (including climate costs) coal will remain the main fuel used for power generation in Poland. With the assumed cost parameters, the ultra critical pulverised fuel technology clearly dominates in power generation. An important observation is that the model suggests to use pure biomass in smaller CHP units, rather than co-firing it in power plants of large capacities.

Niniejsza praca ma dwa aspekty: naukowy i utylitarny. Aspektem naukowym pracy było zbudowanie modelu zintegrowanej oceny (ang. Integrated Assessment Model) przeznaczonego dla systemu eneretycznego w Polsce w celu optymalizacji doboru technologii konwersji energii i redukcji emisji. Model zbudowany został przy wykorzystaniu języka modelowania algebraicznego GAMS i wiąże ze sobą cechy modeli typu łańcuch-wpływu (ang. Impact Pathway Approach) oraz modeli ekonomiczno-energetycznych. Model obejmuje poziom kotłów/technologii konwersji energii i rozważa każdą jednostkę z osobna. Takie podejście umożliwia oszacowanie indywidualnych emisji oraz kosztów prywatnych i społecznych (zewnętrznych). W ramach pracy przygotowano macierz transferu zanieczyszczeń ditlenku siarki, która została wykorzystana w analizie lokalizacji jednostek wytwórczych. Aspektem utylitarnym jest zastosowanie modelu jako narzędzia wsparcia decyzyjnego. Oceniony został wpływ internalizacji kosztów zewnętrznych spowodowanych emisją $SO_{2}, NO_{X}$, pyłów oraz $CO_{2}$ na sektor energetyczny w roku 2020. Otrzymane rezultaty wskazują, że nawet przy całkowitej internalizacji kosztów zewnętrznych (włączając koszty zmian klimatycznych) węgiel pozostanie głównym nośnikiem energii w Polsce. Przy założonych parametrach kosztowych, elektrownie węglowe na parametry nadkrytyczne dominują w sektorze elektrowni zawodowych. W przypadku biomasy korzystniejsze jest jej spalanie w mniejszych jednostkach kogeneracyjnych niż jej współspalanie w dużych elektrowniach systemowych.