MMEE cv.3 Cíl: Procvičení výpočtu parametrů energetických soustav (ENS) a elektroenergetických soustav - elektrizačních soustava (ES) 1. Podle jakých parametrů lze porovnávat energetické soustavy? 2. Proč je nutné používat poměrné ukazatele? 3. Jaké jsou optimální parametry ENS a ES?
Parametry ENS a ES – energetické ukazatele (indikátory). Porovnání funkce systému (jeho činnosti = provozu) se provádí podle tzv. indikátorů = parametrů systémů - Key Performance Indicators (KPI), nebo se jim říká taky indikátory úspěšnosti naplnění cílové funkce - Key Success Indicators (KSI). Parametry = indikátory nám umožňují měřit úspěšnost naplnění nastavené cílové funkce. Parametry všech soustav se tedy definují proto, aby bylo možné posoudit:
schopnost systému plnit jeho funkci – cílovou funkci, porovnávat jednotlivé systémy plnící stejnou funkci mezi sebou navzájem
Parametry mohou být: a) absolutní, (Compound Indicators) číselné hodnoty těchto parametrů vyjadřují absolutní velikost v jednotkách měřené (sledované) veličiny. Mezi tyto veličiny patří: spotřeba primárních zdrojů (PZ), spotřeba koncových zdrojů (KZ) , znečištění CO2 vlivem použití PZ atd. b) poměrné (relativní), c) (Key Indicators) absolutní parametry vztažené na příslušné množství jednotkové veličiny kterým je energetická forma zásobována – energetická náročnost jednotky hrubý domácí produkt (HDP - spotřeba pro materiální produkci), spotřeba primárních zdrojů na 1 obyvatele v dané oblasti systému apod. Absolutní parametry lze zjistit z energetického bilancování systému. Poměrné ukazatele jsou pro porovnávání kvalit systému důležitější. Samotná absolutní hodnota je sice ukazatelem celkové spotřeby, ale nevyjadřuje efektivitu jejich využití. Hodnocení je vždy založeno na zákonu zachování energie v systému:
Koncové zdroje zušlecht´ovací procesy
Bilancovatelné PZ
Elektřina Teplo Tuhá Paliva Kapalná paliva Plynná paliva
Doprava Stavebnictví Zemědělství Průmysl Služby
Zboží ke směně HDP
transformační procesy
Osobní
Energetické hodnocení lze provádět na straně zásobovacích systémů, spotřeby i celého systému.
Hodnocení zásobovacích systémů Do zásobovacího systému (ZS) vstupují bilancovatelné PZ, které se mohou ještě ve výrobním systému transformovat do jiné koncové energetické formy, nebo paliva mohou projít také zušlechťovacím procesem (palivo se netransformuje na teplo nebo elektřinu). Ve výrobních i dopravních systémech vznikají energetické ztráty. Největší energetickou ztrátu v ZS, představují ztráty v tepelných elektrárnách, což jsou z výrobního hodnocení energetické transformovny měnící energetickou formu bilancovatelného PZ na elektřinu. Jejich čistá účinnost je přibližně 32%, tj., že 68 % energetického vstupu při procesu transformace jsou ztráty. Př.: Bilancování energetického zásobovacího systému ČR na základě dat z ČSÚ. Statický úřad vede evidenci energetického systému státu = energetického hospodářství, na základě kterého se provádí výpočet energetických indikátorů. První částí energetického systému je systém zásobovací, jehož parametry (absolutní hodnoty = energetické jednotky TJ) jsou za jeden rok uvedeny v tabulce. Jednotlivé bilancovatelné PZ jsou označeny barevně – elektrická, tepelná, Paliva (kapalné, plynné, tuhé)
Ukazatel-Indicator Přírodní zdroje - Natural Sources Dovoz-Import Vývoz-Export Změna stavu zásob u dodavatelů - Supplier Stock Changes Změna stavu zásob u spotřebitelů - Consumer Stock Changes Jiné zdroje - Other Sources PZ - Primary Energy Sources Druhotné a obnovitelné zdroje - Secondary Sources and Renewables Výroba - Production Zdroje celkem vč. výroby - Total Sources (incl.production) VS Při zušlechťování paliv - Input into Fuel Upgrading ÁZ Při výrobě tepelné energie - Input into Heat Generation KA Při výrobě elektrické energie - Input into Electricity Generation PROVO Při zušlechťování paliv - Operation Consumption on Fuel Upgrading ZOVACÍ Při výrobě tepelné energie - Operation Consumption on Heat Gen. SPOTŘE Při výrobě elektrické energie - Operation Consumption on El. Gen. BA Při těžbě, úpravě a dopravě paliv - Fuel Mining Z t r á t y doprava - Distribution Losses KZ celkem - Total Final Consumption
tuhá Solid 1052585 86532 -234781 18307 10536 0 933179 0 117708 1050887 177521 146980 556656 3425 0 0 56 1216 165033
Paliva-Fuels kapalná plynná Liquid Gaseous 10351 6413 428358 299581 -27994 -19309 2793 8898 8296 10 168 4743 421972 300335 0 0 266536 85934 682922 386269 326601 0 13835 66457 2205 30406 1542 21059 0 0 0 0 480 374 558 3475 337701 264499
celkem Total 1069349 814471 -282085 24412 18842 4911 1649900 0 470178 2120078 504122 227272 589267 26025 0 0 910 5249 767233
Měrná jednotka /Unit/ : TJ Energie - E n e r g y Celkem tepelná elektrická Total Heat Electricity 279853 7978 1357180 0 36734 851205 116 -94885 377087 0 0 24412 0 0 18842 4911 0 0 1879464 279737 -50173 8649 8649 0 184254 309535 963967 472640 259362 2852080 0 0 504122 0 0 227272 279393 2131 870791 9404 2109 37538 0 5350 5350 0 24430 24430 5631 6566 13107 18102 17694 41045 160110 201082 1128425
Je vidět, že celková spotřeba PZ v roce 2007 byla 1879,464 PJ. Do systémů se mohou ještě přivádět druhotné zdroje, popřípadě odpady které se energeticky využívají – 8,649 PJ. Druhotný zdroj: Je to množství energie, které bylo po použití v určitém energetickém nebo technologickém procesu (jiné odvětví národního hospodářství) znovu využito ve formě paliv nebo tepla, buď v tomtéž procesu nebo pro jiné energetické účely. PZ prochází procesy zušlechťování nebo transformace na KZ. Vsázka představuje vstup do těchto výrobních systémů. V tabulce jsou uváděny v tabulce 3 – výroba tepla, výroba elektřiny a zušlechtění paliv. Z tabulky je patrné, že pokud provedeme porovnání bilančních vstupů do elektráren tvořenými tuhými jednotlivými bilancovatelnými PZ je jejich celková hodnota 870,791 PJ, přičemž 556, 656 PJ představuje uhlí pro uhelné elektrárny – 41 % a 38 % se provádí výroba teplem z reaktorů v jaderných tepelných elektrárnách.
19%
0% 38%
tuhá kapalná plynná celkem tepelná
0% 41%
elektrická
2%
Jestliže provedeme porovnání např. celkového množství elektřiny v KZ se vstupem PZ do elektráren dostaneme účinnost transformačních řetězců na výrobu elektřiny s respektováním ztráty v dopravě: Účinnost transformace PZ a jejich dopravy k zákazníkům ve formě KZ (elektřiny):
201082,4 0,231 870791,2
Z příkladu je zřejmé, že snaha o maximalizaci účinnosti transformace PZ na elektřinu je jedním z nejdůležitějších cílů pro řízení elektroenergetiky. Př. Spočtěte úsporu PZ pro ENS ČR pokud by se podařilo zvýšit účinnost transformace v tepelných elektrárnách o 5%. Ilustrativní je rovněž vývoj spotřeby PZ v ČR v jednotlivých letech:
Hodnocení spotřebitelských systémů KZ se spotřebovávají v jednotlivých odvětvích NH, viz. základní obrázek bilancí. Je tedy možné na základě statistických dat provádět rozklíčování spotřeby na jednotlivé oblasti a stanovit absolutní ukazatele:
Rok Paliva tuhá
kapalná
Energie
plynná
celkem
tepelná
elektrická
Celkem paliva a energie
Year Fuels Solid
Liquid
2004
165 000
290 900
2005
163 799
2006 Spotřeba v zemědělství 2004 a lesnictví 2005
Konečná spotřeba celkem
Energy
Gaseous
Total fuels Electrical and energy
Total
Heat
290 836
746 736
183 461
Total Final 188 528 1 118 725 Consumption
306 299
286 591
756 689
180 706
193 429 1 130 824
183 920
307 645
280 891
772 456
174 512
199 947 1 146 915
2 003
10 545
3 027
15 575
1 620
3 809
Consumption in 21 004 Agriculture and Forestry
1 526
10 818
3 177
15 521
1 696
4 162
21 379
2006
1 771
14 155
3 047
18 973
1 612
4 399
2004
89 942
50 692
124 163
264 797
115 219
75 776
24 984 Consumption in 455 792 Industry
2005
93 715
49 047
122 749
265 511
115 303
82 476
463 290
2006
96 825
40 545
121 365
258 735
112 898
87 541
459 174
2004
851
8 459
2 514
11 824
1 767
1 483
Consumption in 15 074 Construction
2005
840
8 343
2 658
11 841
2 083
1 505
15 429
2006
1 048
2 969
2 722
6 739
2 144
1 724
10 607
2004
0
220 321
4 646
224 967
0
10 026
2005
0
237 202
4 817
242 019
0
7 852
249 871
2006
0
248 317
5 192
253 509
0
7 999
261 508
2004
16 537
453
55 059
72 049
15 122
45 144
Consumption in other 132 315 Sectors
2005
14 804
459
54 964
70 227
12 733
44 446
127 406
2006
8 731
1 113
52 188
62 032
11 266
43 571
116 869
2004
55 667
430
101 427
157 524
49 733
52 290
Consumption in 259 547 Households
2005
52 914
430
98 226
151 570
48 891
52 988
253 449
2006
75 545
546
96 377
172 468
46 592
54 713
273 773
Spotřeba v průmyslu
Spotřeba ve stavebnictví
Spotřeba v dopravě
Spotřeba ostatních odvětví
Spotřeba v domácnostech
Consumption in 234 993 Transport
Na základě těchto bilancí, lze například hodnotit energetickou efektivnost např. investic do zateplování bytů a domů v osobním vlastnictví apod. Rovněž u KZ je názorný jejich časový vývoj.
Poměrné ukazatele –key indicators. Z hlediska spotřeby energetických zdrojů a jejich efektivního využití pro materiální produkce je nejdůležitější poměrný parametr energetické náročnosti systému na tvorbu HDP (ENHDP). Lze tedy definovat spotřeba zdrojů buďto spotřebu primárních nebo koncových energetických forem na jednotku vytvořeného HDP. Pak tedy celková spotřeba primárních zdrojů (bilančních) na tvorby jedné jednotky HDP je energetická náročnost ENS na tvorbu HDP. EN ENS HDP
PZ J / p. j. ,
HDP Kde: p.j. - peněžní jednotka
Je zřejmé, že v tomto parametru jsou započítané všechny bilancovatelné primární zdroje na vstupu do ENS, tj. i ty které se spotřebovávají pro osobní spotřebu obyvatelstva. Pro EEN lze definovat spotřebu elektřiny na jednotku HDP., tj. už koncové energetické formy vstupující do spotřeby: EN ES HDP
KZelekt . Ws / p. j. HDP
Pro stanovení těchto parametrů je důležité znát hodnotu HDP.
Co je to HDP Motto: Hrubý domácí produkt není všespasitelným ukazatelem, který ukazuje všechny světlé i stinné stránky vývoje ekonomiky, ale pro svou jednoduchou zjistitelnost i interpretovatelnost zůstává hojnou pomůckou statistiků, vděčným tématem novinářů a silným argumentem politiků. Náš problém při stanovení indikátorů, neboli poměrných ukazatelů (energetického systému ENS a elektroenergetického systému -ES, je stanovit potřebu jednotlivých energetických forem (primárních, koncových), na materiální produkci. Problém 1: Jak hodnotit materiální produkci hospodářství? Jak bylo řečeno na přednášce materiální produkce se může hodnotit na principu: Územním – produkce provedena na daném území (domácím hřišti -území) Národním – produkce provedena subjekty hlásící se k danému území (je jedno kde hraje jestli doma nebo venku) Mírou materiální produkce je pak hodnota produkce nezývaná produkt (P) za stanovené časové období (1.rok). Celkový produkt – hrubý (absolutní ukazatel) lze tedy vyjadřovat pomocí: HDP (GDP) = hrubý domácí produkt (gross domestic product)
HDN (GNP) = hrubý národní produkt (gross national product) Hrubý je proto, že čistou hodnotu nedokážeme nikdy přesně zjisti – domácí produkce neprocházející evidencí (daňovým systém), černá ekonomika atd.
Problém 1: Jak zjistit aspoň ten hrubý produkt? Existují v podstatě tři metody: Výrobková metoda - Sečte se jen hodnota výrobků a služeb v daném roce a pouze jednou – HDP = suma přidaných hodnot - peněžním vyjádřením celkové hodnoty statků a služeb nově vytvořených v daném období na určitém území. Výdajová metoda – Sečtou se výdaje na finální zboží a služby v daném roce, přičemž rozeznáváme výdaje na spotřebu, investice, veřejné výdaje a čistý vývoz HDP = agregátní výdaje. Důchodová metoda – Sečte se hodnota důchodových statků, které získali občané na daném území - HDP = agregátní výdaje = agregátní důchody, tj. suma důchodů: o mzdy (+ ostatní náhrady zaměstnancům) o nájemné(důchody z pronájmu pozemků a nemovitostí) o úroky (čisté úroky získané domácnostmi) o zisky (zisky firem a důchody osob výdělečně činných - OSVČ) Dále budeme provádět vyhodnocení HDP na na základě výrobkové metody (výrobní). Dle této metody je HDP definován jako tržní hodnota finální produkce dosažené za jeden rok, na území daného státu. Musíme ohodnotit tržní produkci, přičemž hodnota přidaných hodnot je tvořena nesourodými výrobky a službami, HDP je tady dán sečtením počtem výrobků jednotlivých druhů vynásobených průměrnou tržními cenou podle rovnice: HDP = tržní cena x množství A + tržní cena x množství B
[1]
Jednotlivé výrobky, služby tvořící HDP jsou zkategorizovány do následujících oblastí:
výdaje domácností na nákup zboží a služeb, čili vše co občané utratí v obchodech a za služby = C – konečná spotřeba (consumption) vládní nákupy zboží a služeb, tj. vše co nakoupí vlády = G - goverment hrubé soukromé domácí investice, což jsou zejména investiční nákupy firem, jak za suroviny, tak na rozšíření i obnovu tzv. kapitálových statků (tj. i škody po hurikánu) = I - investice exporty = X importy = M Často se konečná spotřeba produkce na domácím území spojuje dohromady a hodnotou C je pak: C= C+G
[2]
Součet celkové domácí spotřeby a cen zaplacených za investice se dá definovat jako domácí poptávka neboli absorpce A:
A= C+I
[3]
Lze tedy definovat jako domácí poptávka a nabídka: HDP= A+(X-M)
[4]
Nyní umíme spočítat HDP v příslušném roce. Vezme ceny daného roku, tj. běžnými cenami v příslušném roce, a pronásobíme ho počtem výrobků. Takovýto HDP se nezývá Nominální HDP. Porovnání vývoje HDP v čase je důležité abychom mohli hodnotit vývoj fungování výrobních řetězců v systému HDP. Problém je že v presentovaném výpočtu HDP dochází v jednotlivých letech jak ke změně počtu výrobků materiální produkce, tak i ke změně cen jednotlivých výrobků. Problém 3: Jak mezi sebou porovnávat materiální produkci v jednotlivých letech na daném území? Lze obecně říci že vyšší spotřeba výrobků bude v rovnici HDP vždy mít za následek nárůst HDP, pokud ceny zůstanou zachovány. Ceny se ovšem mění, tj. stoupají nebo klesají – tento pohyb se nazývá inflace a deflace. Za stejné peníze si můžeme koupit menší nebo větší počet výrobků. Vzájemný poměr ceny v jednotlivých letech se nazývá deflátor: def= pn/p(n-1)
[5]
kde: p – cena v n-tém a (n-1) předchozím roce Tím můžeme dostat HDP daného roku (běžného) v cenách (průměrných) roku předcházejícího:
HDPn i p i ,n1 * q i ,n
[6]
kde: q – cena v n-tém a (n-1) předchozím roce. Takto by bylo možné přepočítávat HDP do určitého roku v minulosti. Je nutno zvolit nějaký rok jako základní, který bude tvořit bázi (bazický rok – referenční rok) vůči kterému se HDP bude přepočítávat. Přepočtený HDP v cenách tohoto roku bude pak bude reálný HDP, tj. HDP v porovnání s tímto rokem. Ceny v referenční roce budou tzv. stálé ceny. Tento rok se přibližně za 5 let posunuje vždy dopředu. Současný přepočetní rok je 2000, předchozí byl 1995. Tak např. přepočet HDP v n-tém roce na stálé ceny roku 1995 pak je:
HDPn i p i ,1995 * q i ,n [7] Závěr tedy je že HDP lze vyjadřovat: v běžných cenách (příslušný rok,) v průměrných cenách předchozího roku,
ve stálých cenách referenčního roku – nyní rok 2000 (což lze provést skokovým výpočtem [7] nebo zřetězením údajů v průměrných cenách předchozího roku odpovídajícím objemovým indexem podle rovnice [6] do příslušného referenčního roku) Poslední varianta je nejlepší a nezpůsobí jistou diskontinuitu změn temp růstu reálného HDP vlivem skoku výsledky a reálný HDP není závislý na zvolené bázi v časové řadě, resp. na průměrných cenách jednoho referenčního roku. Pokud chceme tedy spočítat reálný HDP v n- tém roce vůči referenčnímu roku (r.r), který je v časové řadě v roce (t) musí platit: r .r .t t n
HDP
b .c . t
HDP
HDPtPCPR HDPtPCPR 1 n * * ... * b .c . HDPt HDPtb.nc. 1
[8]
p i,t * q i ,t 1 * ... * p i ,tn1 * q i ,t n p i ,t * q i ,t * p i ,t * q i,t p i ,tn1 * q i ,t n1 t n1 r .r .t t n
HDP
b .c . t
HDP
*
k t
Kde:
HDPkPCPR 1 HDPkb .c.
b.c – běžné ceny, PCPR – průměrné ceny předchozího roku.
Lze definovat i tzv. objemový index: HDPtr.rn. t HDPtb .c . * d t 1 * ... * d t n
[9]
Obdobně se dá jít obráceně (časem zpět): 1
r .r t n
HDP
b .c . t
HDP
HDPtPCPR HDPtPCPR n 1 * * ... * b .c . b .c . HDPt1 HDPt n
1
[10] Uvedenou metodiku si ukážeme na příkladu: Př. K dispozici jsou údaje o HDP ČR v běžných cenách v letech 2002 až 2004. Přepočtěte HDP a jeho komponenty z roku 2004 na stálé ceny roku 2002.
C I X M
běžné ceny (tis. Kč) 2002 2003 2004 1 789 946 1 910 819 1 995 086 674 195 696 094 765 844 1 485 525 1 590 488 1 962 125 1 534 997 1 646 647 1 971 980
průměrné ceny předchozího roku (tis. Kč) 2002 2003 2004 1 761 910 1 873 751 1 923 268 691 743 693 093 759 008 1 572 387 1 594 442 1 922 907 1 676 295 1 656 871 1 951 608
Řešení: a) výpočet HDP v běžných a průměrných cenách v jednotlivých letech HDP= A+(X-M)= C + I +X – M běžné ceny (tis. Kč) 2002 2003 C 1 789 946 1 910 819 I 674 195 696 094 X 1 485 525 1 590 488 M 1 534 997 1 646 647 HDP 2 414 669 2 550 754
2004 1 995 086 765 844 1 962 125 1 971 980 2 751 075
průměrné ceny předchozího roku (tis. Kč) 2002 2003 2004 1 761 910 1 873 751 1 923 268 691 743 693 093 759 008 1 572 387 1 594 442 1 922 907 1 676 295 1 656 871 1 951 608 2 349 745 2 504 415 2 653 575
b) hodnota deflátorů vypočtené z poměrů běžných cen roku a průměrných cen předchozího roku (tis. Kč) 2002
2003
2004
C
101,5912
101,9783
103,7342
I
97,4632
100,4330
100,9006
X
94,4758
99,7520
102,0395
M
91,5708
99,3829
101,0439
102,7630
101,8503
103,6743
HDP
b) přepočet HDP 2004 na stálé ceny roku 2002 = běžné ceny 2002, pomocí deflátorů HDPtr.rn. t HDPtb .c . * d t 1 * ... * d t n
C I X M HDP
běžné ceny 2004 1 995 086 765 844 1 962 125 1 971 980
v cenách roku 2003 1 923 268 759 008 1 922 907 1 951 608
v cenách roku 2002 1 885 959 755 736 1 927 687 1 963 725
2 653 575 2 605 656
Umíme už vypočítat nominální HDP a spočítat reálný HDP na daném území. Nyní chceme porovnávat jednotlivá území (jednotlivé země) mezi sebou navzájem. Pokud mají stejnou měnu, tak by to neměl být problém. Pokud různé měny mohli bychom jednotlivá HDP pronásobit směným kurzem. Takovéto porovnání HDP by ale nemuselo být objektivní, protože občané jednotlivých států si za stejné peníze mohou koupit různé množství výrobků (někde jsou prostě ceny výrobků i v přepočtu měn menší nebo větší). Proto by bylo vhodné korigovat HDP s tímto respektováním. To se provádí tzv. – paritou kupních sil (Purchasing Power Parity- PPP) měny XY, která vyjadřuje počet jednotek národní měny, za který lze koupit stejné množství výrobků a služeb na vnitrostátním trhu jako za jednotku měny XY na vnitrostátním trhu měny
XY. Konverzní poměr, umělý kurz, jenž převádí jednu měnu do druhé tak, že lze koupit stále stejný objem zboží a služeb: PPP= Pd/Pf
[11]
Základem výpočtu parit je porovnání cen v národních měnách u dostatečného počtu shodných výrobků a služeb na vnitrostátních trzích. To se zpravidla provádí metodou spotřebního koše vyjadřujícího běžné náklady domácnosti. V České republice toto porovnání provádí a obsahem spotřebního koše se zabývá Český statistický úřad. V makroekonomii je spotřební koš používán pro měření cenové hladiny, resp. míry inflace. V tomto případě představuje spotřební koš reprezentativní skupinu statků, který obsahuje výdaje na bydlení, stravu, kulturu. Pořídíme-li reprezentativní koš komodit v ČR za 30 000,- Kč (Pd) a tentýž koš v eurozóně za 1 000,- € (Pf), pak se rovnovážný nominální kurz (ED/F) ustálí na hodnotě 30,- Kč za 1,- € V následující tabulce je ukázaná energetická bilance ČR v tunách*103 ropného ekvivalentu– zdroj EIA. (toe = výhřevnost 41,868 GJ (giga joulu))
Semestrální práce: Na základě údajů http://www.iea.org/ - International Energy Agency (IEA), porovnejte indikátory energetického systému ČR s ostatními zeměmi EU v energetických jednotkách J, BTU, v hmotnostních jednotkách ropného ekvivalentu toe.
