Transformacja energetyczna: zatrzymanie globalnego ocieplenia wymaga praktycznie całkowitej rezygnacji z wykorzystania węgla w energetyce (patrz Specjalny Raport IPCC o ociepleniu o 1,5°C) – także w Polsce. Wiele osób uważa, że jest to scenariusz nie tylko trudny, ale i nierealny. Czy tak jest w rzeczywistości? Jak mógłby wyglądać system energetyczny kraju takiego, jak Polska, gdyby usunąć z niego elektrownie spalające paliwa kopalne? Możecie spróbować zestawić go sami, za pomocą Symulatora Polskiego Systemu Elektroenergetycznego. Od czego zacząć i w jakim kierunku dążyć podpowie Wam w poniższym tekście Marcin Popkiewicz – nasz redakcyjny kolega, ale także Przewodniczący Komitetu Monitorującego projektów z zakresu Europejskiego Zielonego Ładu w Narodowym Centrum Badań i Rozwoju.
Ropy w Polsce prawie nie mamy, własne złoża gazu ziemnego zapewniają nam zaledwie ok. 20% zapotrzebowania, wydobycie węgla energetycznego też jest w epoce schyłkowej i nawet zgodnie z przychylnymi węglowi planami rządowymi ma zostać wygaszone do lat 2040. Niezależnie od tego, czy zależy nam na ochronie klimatu, na bezpieczeństwie energetycznym kraju, czy na bilansie handlowym (przypomnę, w zeszłym roku wydaliśmy na zakup paliw kopalnych za granicą blisko 200 mld złotych), czy na innowacyjności polskiej gospodarki i przyszłościowych miejscach pracy, musimy zaplanować transformację energetyczną.
W jaką stronę miałaby iść transformacja energetyczna?
Najprościej zacząć od pytania: skoro nie paliwa kopalne, to co? Lista źródeł o dużym potencjale, którymi w Polsce dysponujemy jest zaskakująco krótka: turbiny wiatrowe, panele fotowoltaiczne, elektrownie jądrowe oraz trochę biomasy (jeśli myślimy o biomasie w pełni zrównoważonej to niedużo, energetyczny odpowiednik kilku mld m3 biometanu z różnych odpadów (głównie z produkcji rolnej), a jeśli dopuszczamy uprawy energetyczne w umiarkowanej skali, to mówimy o odpowiedniku kilkunastu mld m3 biometanu w porównaniu do obecnego zużycia 20 mld m3 metanu z gazu ziemnego rocznie). Potencjał innych źródeł energii w Polsce jest bardzo mały.
Biogaz/biometan a emisje gazów cieplarnianych
Rośliny wychwytują cząsteczki CO2 z atmosfery w procesie fotosyntezy, a znajdujący się w nich węgiel wbudowują w swoje ciała. Gdy materię organiczną (czy to bezpośrednio pochodzenia roślinnego czy zwierzęcego) kierujemy do biogazowni, a następnie pozyskany biogaz (także oczyszczony do biometanu) spalamy, atom węgla łączy się z tlenem i jako CO2 wraca do atmosfery. W rezultacie na początku i na końcu procesu mamy w atmosferze cząsteczkę CO2 – bilans netto emisji jest zerowy. Oczywiście trzeba zadbać o to, żeby z biogazowni/biometanowni do atmosfery nie ulatniał się metan (którego cząsteczki mają dużo silniejszy wpływ na wzmacnianie efektu cieplarnianego niż cząsteczki dwutlenku węgla), ale w dobrej instalacji ilość ulatniającego się metanu jest bardzo mała (a właściwie jest mniejsza niż to, co obecnie trafia do atmosfery w wyniku beztlenowego rozkładu materii organicznej trafiającej na wysypiska).
Tu w dyskusjach pojawia się mnóstwo wątków:
- czy w polskich warunkach pogodowo-klimatycznych da się oprzeć na źródłach pogodozależnych, takich jak wiatr i słońce, czy potrzebne są elektrownie jądrowe oraz ile i w jakich proporcjach;
- co z sektorami, które nie są zelektryfikowane, jak transport drogowy, ogrzewanie domów i przemysł;
- co z sektorami, których w ogóle nie da się w pełni zelektryfikować (jak lotnictwo, żegluga dalekomorska, huty, zakłady azotowe, rafinerie czy ciężki sprzęt wojskowy);
- czy i jaka jest tu rola gazu (i co w ogóle oznacza „gaz” w kontekście transformacji energetycznej);
- jaka jest rola wodoru, baterii, magazynów ciepła itd. i ile tego trzeba (oraz czy to realne ilości);
- …i wiele innych
Najlepiej jest krok po kroku zrozumieć co, jak i dlaczego.
Przyszłość jest elektryczna
Zmiana formy energii wiąże się ze stratami. Dlatego energię najefektywniej jest wykorzystywać w takiej formie, w jakiej mamy ją „na dzień dobry”. Wszystkie źródła energii o dużym potencjale (turbiny wiatrowe, PV, elektrownie jądrowe) dostarczają energii elektrycznej. To duża zmiana w stosunku do paliw kopalnych, które są chemicznym nośnikiem energii – spalając je wydzielamy ciepło, z którym coś robimy: ogrzewamy domy lub procesy przemysłowe, zasilamy cykl termodynamiczny silnika spalinowego lub w elektrowni (np. węglowej lub gazowej) podgrzewamy wodę i robimy parę, która kręci turbiną i dalej generatorem (przy czym sprawność elektrowni węglowej to 30-45%, a gazowej 40-60%).
Po drugie, elektryczność jest bardzo efektywna. O ile typowa sprawność silnika samochodowego to 30-40% (pomijamy tu zużycie energii na wcześniejszych etapach, np. w rafinerii), to silnika elektrycznego już 95% (przy uwzględnieniu innych strat energii w aucie elektrycznym, od ładowania baterii po działanie inwertera ok. 80%) – tak więc już sama zamiana pojazdu spalinowego na elektryczny blisko 3-krotnie zmniejsza zużycie energii (oczywiście jeśli jest to prąd wyprodukowany w elektrowni węglowej pracującej ze sprawnością 30%, to nie ma tu korzyści – jeśli jednak źródło energii dostarcza bezpośrednio prądu – jak wszystkie dostępne w Polsce źródła energii przyszłości o dużym potencjale – korzyści są bezdyskusyjne). W ogrzewaniu sprawność systemu grzewczego bazującego na kotle węglowym to ok. 50%, na gazie ok. 90%, a w przypadku ogrzewania pompą ciepła z 1 kWh energii elektrycznej dostarczamy do domu 3-4 kWh ciepła.
Po trzecie, po zelektryfikowaniu ogrzewania, transportu i procesów przemysłowych, można je zintegrować w ramach jednego systemu. To duża zmiana w stosunku do stanu obecnego, gdzie mamy rozłączne ścieżki: prąd z elektrowni do odbiorców sobie, paliwo z rafinerii na stacje benzynowe i do baków sobie, a węgiel czy gaz do odbiorców sobie.
A co z sektorami, których nie da się zelektryfikować, takimi jak lotnictwo długodystansowe, żegluga dalekomorska czy ciężki sprzęt wojskowy taki jak czołgi? Oraz takimi, gdzie wykorzystujemy paliwa kopalne (w szczególności gaz ziemny) jako wsad procesowy, np. w procesach rafineryjnych czy przy produkcji nawozów? Tam będziemy potrzebować wodoru – zarówno jako gazu energetycznego jak i wsadu do procesów przemysłowych, łącznie z produkcją amoniaku czy metanolu lub e-paliw. Wodór ten musi być pozyskiwany nie tak jak dzisiaj z paliw kopalnych przy dużych emisjach CO2, lecz z wody w procesie elektrolizy zasilanej bezemisyjnymi źródłami energii. W ten sposób to, czego się nie zelektryfikuje bezpośrednio, będzie zelektryfikowane pośrednio poprzez wodór z elektrolizy.
„Taki mamy klimat”, czyli wiatr i PV w Polsce tylko razem, i w określonych proporcjach.
W polskich warunkach klimatycznych instalacje fotowoltaiczne dają dużo energii latem, mało zaś zimą. Wiatr ma odwrotnie – mocniej wieje zimą, a słabiej latem. Próba oparcia się tylko na fotowoltaice dałaby olbrzymie niedobory energii zimą, a na wietrze – latem. Za to gdy w polskich warunkach pogodowych połączyć farmę wiatrową produkującą w ciągu roku 2,5-krotnie więcej energii niż farma PV, to miesiąc w miesiąc będzie zbliżona produkcja energii.
Rzecz jasna wciąż trzeba mieć na uwadze, że fotowoltaika o północy 30 czerwca wciąż będzie dawać ZERO prądu, a nawet podczas wietrznej zimy przez wiele dni z rzędu wiatr może wiać bardzo słabo. Czy można sobie z tym poradzić, biorąc pod uwagę, że energię elektryczną, w odróżnieniu od paliw kopalnych, bardzo trudno jest magazynować?
Eksperyment myślowy – zasilanie Polski z pomocą OZE
W obecnym systemie elektrownie wprowadzają do sieci elektroenergetycznej tyle prądu, by zaspokoić bieżące zapotrzebowanie. Polskie zapotrzebowanie na energię elektryczną zmienia się tak, jak na ilustracji 4, pokazującej sytuację w pierwszym tygodniu 2021 roku.
Polskie średnie zapotrzebowanie na energię elektryczną (obciążenie systemu) w 2021 roku wynosiło ok. 20 GW (gigawatów), sumując się do rocznego zużycia energii ok. 175 TWh. Z tego ponad 20 TWh zużywają same górnictwo i elektrownie węglowe, a kolejne 15 TWh tracone było na przesyle.
Zróbmy teraz eksperyment myślowy: jak spisałyby się farmy wiatrowe i fotowoltaiczne w zasilaniu Polski, gdybyśmy rozbudowali je do mocy 50 GW farm wiatrowych na lądzie, 10 GW na morzu oraz 50 GW PV (to w przybliżeniu moc źródeł turbin wiatrowych i fotowoltaiki w Niemczech w 2021 r.). Zauważmy przy okazji, że w takim scenariuszu wyłączylibyśmy kopalnie i elektrownie węglowe wraz z ich zużyciem energii, zmniejszylibyśmy też straty na przesyle – tą drogą redukując zużycie energii ze 175 TWh do ok. 150 TWh. Wykorzystamy w tym celu dostępny na stronie Narodowego Centrum Badań i Rozwoju Symulator Polskiego Systemu Elektroenergetycznego. Rozważana sytuacja odpowiada predefiniowanemu tam Scenariuszowi 1.
Spójrzmy (w oparciu o rzeczywiste warunki pogodowe w Polsce i wynikającą z nich pracę wiatraków i fotowoltaiki) wygląda sytuacja odpowiednio w styczniu i lipcu.
Widać, że mamy dwa zupełnie różne tryby pracy systemu energetycznego. W zimie fotowoltaika pracuje bardzo słabo, wiatr zaś (w miarę jak przez Polskę przechodzą układy pogodowe) przez kilka dni wieje mocno, a potem (też nawet przez kilka dni) słabo. W lecie zaś wiatr wieje znacznie słabiej, zaś fotowoltaika codziennie w godzinach dziennych daje nadprodukcję energii, w nocy zaś nie pracuje. W sumie można się było tego wszystkiego spodziewać.
Spójrzmy na roczny bilans energetyczny.
Potrzebujemy 150 TWh energii elektrycznej, podczas gdy OZE dają nam w sumie 236 TWh, czyli o ponad 2/3 więcej niż potrzeba.
Ale są tu dwa problemy: po pierwsze 108 TWh się marnuje. Jeśli jest to tania energia, można na to machnąć ręką. Ale drugi problem jest poważniejszy: czasem mamy poważne niedobory energii – ma to miejsce zarówno letnimi nocami jak i zimą, np. 8 stycznia widzimy, że Polska potrzebuje 20 GW, a wiatr i fotowoltaika dostarczają zaledwie ok. 5 GW, czyli brakuje aż 15 GW!
Taki system energetyczny nie sprawdziłby się nam najlepiej: stąd głosy, że potrzebujemy stabilnych źródeł energii, takich jak elektrownie węglowe lub jądrowe. Owszem, jest to jeden ze sposobów, w jaki można sobie radzić z zapewnieniem stabilnego działania systemu energetycznego. Ale… no właśnie, potrzebujemy nie tyle stabilnych źródeł energii, co stabilnego systemu energetycznego. A jeszcze precyzyjniej – systemu energetycznego, który zapewni nam dostawy energii zgodne z zapotrzebowaniem.
Ponieważ nie można odłączyć ludziom i firmom prądu, w ramach eksperymentu myślowego zróbmy najprostszą rzecz: uzupełnijmy te brakujące w danej godzinie 15 GW z dyspozycyjnie włączanych elektrowni gazowych. Przez tę godzinę działania elektrownie gazowe dostarczą 15 GWh energii elektrycznej. Gdyby w ten sposób uzupełnić wszystkie niedobory w ciągu roku (ciemnoszare pola na ilustracji 5), potrzeba by w tym celu spalić 4 mld m3 gazu. Dla porównania – to poziom własnego polskiego wydobycia gazu ziemnego, przy całkowitym zużyciu ok. 20 mld m3 rocznie. Gdyby paliwem dla elektrowni gazowych był gaz ziemny, z jego spalaniem związane byłyby emisje 8 mln ton CO2 (dla porównania obecnie produkcja energii elektrycznej w Polsce odpowiada za emisję ok. 130 mln ton CO2). Całkiem nieźle, a zrobiliśmy to w sposób ekstremalnie prosty – bez magazynowania energii, zarządzania popytem i sieci inteligentnych czy innych zaawansowanych rozwiązań.
Pytania: dlaczego elektrownie gazowe jako źródła bilansujące?
Elektrownie gazowe doskonale nadają się do bilansowania systemu energetycznego, ponieważ można je uruchomić bardzo szybko (do pełniej mocy w ciągu kilku-kilkunastu minut dla turbin parowych w cyklu prostym OCGT do 0,5-3h (w zależności od rozruchu ze stanu gorącego czy zimnego ) przy dużych blokach gazowo-parowych CCGT (patrz Agora Energiewende 2017).
Dla porównania proces włączania i wyłączania istniejących w Polsce bloków elektrowni węglowych trwa wiele godzin, a do tego silna zmienność parametrów pracy powoduje przyspieszoną degradację bloków. Elektrownie jądrowe również nie nadają się na źródła elastycznie uzupełniające niedobory mocy, co w przypadku nowoczesnych instalacji wynika nawet nie tyle z trudności technicznych, co z szybkiego wzrostu cen energii przy skróceniu czasu pracy. Dlatego w Symulatorze elektrownie jądrowe traktowane są jako jedno z głównych źródeł energii, a nie uzupełniające źródło dyspozycyjne.
Pytania: ale gaz to paliwo kopalne – nie dość, że emisyjne, to z importu – jak nie od rosyjskich oligarchów, to od szejków…
Mówiąc o gazie w kontekście energetycznym, mamy zwykle na myśli gaz ziemny, czyli wydobywany spod ziemi metan (CH4). Z punktu widzenia zmiany klimatu (oraz uzależnienia od importu, z którego mamy ok. 80% ze zużywanych w kraju 20 mld m3 gazu ziemnego), nie jest to coś, co chcielibyśmy promować. CH4, może jednak oznaczać także bezemisyjny (i polski) biometan.
Określenie „elektrownia gazowa” obejmuje także elektrownie na wodór (H2) – gaz, który może być wytwarzany np. w procesie elektrolizy wody, w oparciu o bezemisyjne źródła energii.
Pytania cd.
W działaniu bezemisyjnego systemu energetycznego jest też wiele innych niuansów, na które nie mamy miejsca w tym krótkim artykule. Po szczegóły odsyłam do Symulatora oraz książki „Zrozumieć transformację energetyczną”.
Magazynowanie energii
Wykonajmy kolejny krok: skoro sporo energii się marnuje, to zmagazynujmy ją – czy to w elektrowniach szczytowo pompowych czy w bateriach. Jedno i drugie jest dość kosztowne, ograniczmy więc skalę do magazynowania na nocne godziny w lecie. Jeśli chcemy zmagazynować 15 GW na 10 godzin, to potrzebujemy magazynów na 150 GWh. Na razie nie wnikając, czy to dużo czy mało, zobaczmy, co by to dało. Spójrzmy na sytuację w styczniu i lipcu – tam, gdzie są pola jasnoniebieskie, tam czerpiemy energię z baterii.
Widać, że latem prawie nie trzeba uruchamiać elektrowni gazowych, lecz są one niezbędne zimą podczas kilkudniowych okresów słabej wietrzności. W takim scenariuszu zapotrzebowanie na energię z elektrowni gazowych spada do zaledwie 8 TWh, do czego wystarcza zaledwie 1,6 mld m3 CH4 rocznie, co odpowiada raptem kilku procentom obecnego polskiego zużycia. Co najważniejsze – jest to już na tyle niewiele, że w zupełności może do tego wystarczyć biometan z samych odpadów (z punktu widzenia elektrowni gazowych, sieci przesyłowych i magazynów gazu jest to chemicznie CH4 takie samo jak w gazie ziemnym).
Czy dwa systemy to nie za dużo?
Osoba dociekliwa może zapytać: ale czy nie budujemy tu dwóch równoległych systemów energetycznych: z jednej strony pogodozależnych wiatru i fotowoltaiki a z drugiej elektrowni gazowych, których moc musi być w stanie dostarczyć całość prądu, gdy nie wieje i nie świeci. Tak, ale nie jest to poważnym problemem. Dlaczego?
Elektrownie gazowe są tanie w budowie (koszt budowy 1 GW elektrowni gazowych to ok. 4-5 mld zł) i utrzymaniu (do ich obsługi wystarcza 1/10 pracowników pracujących w elektrowni węglowej podobnej mocy). Jedyną drogą rzeczą w działaniu elektrowni gazowych jest paliwo – ale to też nie jest problemem, gdy elektrownie (jak w naszym scenariuszu) działają jedynie przez krótki czas (a do tego zwykle nawet wtedy trochę wieje lub świeci, więc nie działają pełną mocą).
Elektryfikacja gospodarki – duży wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną…
Niby pięknie, ale co będzie, jak zelektryfikujemy transport drogowy, ogrzewanie budynków i procesy przemysłowe?
Zobaczmy… Gdyby zelektryfikować transport taki jaki jest (każde auto osobowe i ciężarówkę spalinową 1:1 zamieniamy na elektryczne) oraz ogrzewanie budynków (we wszystkich budynkach przechodzimy na elektryczne ogrzewanie farelkami i matami podłogowymi) zużycie energii radykalnie by wzrosło: sam transport pochłonie ok. 100 TWh rocznie, a ogrzewanie budynków 210 TWh, a do tego dojdzie jeszcze ok. 70 TWh w przemyśle.
Zapraszam do sprawdzenia tego, co się dzieje, w symulatorze – tu zobaczymy tylko bilans.
W rozpatrywanym scenariuszu konieczne byłoby uruchamianie źródeł dyspozycyjnych zapewniających 224 TWh, co w przypadku wykorzystania do tego celu elektrowni gazowych oznaczałoby konieczność spalenia ponad 45 mld m3 metanu. Nie ma możliwości, żeby do tego celu wystarczył biometan z odpadów… To się po prostu nie spina: widać, że niemieckie OZE z 2021 roku kompletnie nie radzą sobie z zasilaniem gospodarki mającej zapotrzebowanie na energię na poziomie 500 TWh rocznie. Przy okazji: 500 TWh rocznie to mniej więcej poziom zapotrzebowania na energię elektryczną gospodarki niemieckiej – niemieckie OZE są dalece niewystarczające do zaspokojenia zapotrzebowania o tej skali – dlatego Niemcy muszą „dopalać” gazem, węglem czy wcześniej atomem.
Więcej źródeł energii
Co można zrobić w obliczu wzrostu zapotrzebowania na energię elektryczną? Rzecz jasna, można wybudować więcej źródeł turbin wiatrowych i fotowoltaiki, możemy też sięgnąć po elektrownie jądrowe. Gdybyśmy w Polsce zbudowali tyle fotowoltaiki i farm wiatrowych na km2 ile Niemcy planują do 2030 roku, mielibyśmy 175 GW w PV (to 4,6 kWp, zajmujące ok. 30 m2 na Polaka) i 90 GW w farmach wiatrowych na lądzie. Do tego dodajmy 30 GW w farmach wiatrowych na morzu oraz 10 GW w elektrowniach jądrowych (przy czym w ramach rządowego programu jądrowego planowane jest wybudowanie 6-9 GW). Co w sumie z tego wychodzi?
W rozpatrywanym scenariuszu konieczne byłoby uruchamianie źródeł dyspozycyjnych zapewniających 65 TWh, co w przypadku wykorzystania do tego celu elektrowni gazowych oznaczałoby konieczność spalenia ok. 13 mld m3 metanu. Nie jest najgorzej, ale… skala wymaganych źródeł energii jest naprawdę duża. Co można z tym zrobić?
Usługi energetyczne, a nie gigawaty
Poprawić efektywność energetyczną oczywiście.
Nasze domy to wampiry energetyczne zżerające absurdalne ilości energii – nikomu nie zależy na tym, żeby mieć ileś gigadżuli ciepła, każdemu zaś na komforcie termicznym. W domu efektywnym energetycznie mamy taki komfort, zużywając duuużo mniej energii. Spójrzmy, co można w Polsce zrobić w tym zakresie, cytując rządowy dokument z 2022 r. „Długoterminowej Strategii Renowacji Budynków”. Na poniższej ilustracji widzimy (bynajmniej nie maksymalnie ambitny) rekomendowany scenariusz, zgodnie z którym na kolejnych etapach renowacji (lata 2021, 2027, 2035, 2045 i 2050) powinny zmieniać się odsetki budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej o najmniejszym (kolor zielony) i większym (kolory od żółtego do czerwonego) rocznym zapotrzebowaniu na energię.
Stosując rozwiązania takie, jak izolacja termiczna („ocieplanie”), wentylacja mechaniczna z odzyskiem ciepła (rekuperacja), ogrzewanie pompami ciepła i in., możemy zmniejszyć zużycie energii w budynkach do ¼ obecnego.
W transporcie też można zmniejszyć zużycie energii, zarówno przez zmiany systemowe takie jak czynienie miast bardziej dostępnymi i przyjaznymi dla rowerzystów i pieszych oraz mniej zależnych od samochodów, eliminacja wykluczenia transportowego na prowincji czy przeniesienie TIRów na tory, jak i przez zwykłe zmniejszenie samochodów (duży samochód elektryczny, taki jak Tesla 3, zużywa ok. 20 kWh/100 km; mniejszy ok. 10 kWh/100 km). Więcej na ten temat przeczytasz w tekstach Jak zmienić transport z myślą o klimacie? oraz Popularność SUV-ów (także elektrycznych) to zła wiadomość dla klimatu.
Warto jednak pamiętać, że istotne jest też zużycie innych surowców, a elektromobilność nie jest czymś zerojedynkowym: przyjrzyjmy się temu na przykładzie transportu indywidualnego w Polsce. Po polskich drogach jeździ ok. 22 mln aut osobowych. Gdybyśmy w ramach dalszej motoryzacji społeczeństwa chcieli mieć w Polsce 25 mln samochodów, z dużymi bateriami o średniej pojemności 100 kWh, potrzebowalibyśmy na to w sumie baterii o pojemności 25 mln · 100 kWh = 2500 GWh. Gdyby cały świat chciał pójść w tym kierunku, pozyskanie surowców do produkcji baterii stałoby się bardzo problematyczne środowiskowo.
Jeśli w wyniku zmian systemowych (poprawa warunków dla pieszych i rowerzystów w miastach, eliminacja wykluczenia transportowego na prowincji itd.) zredukowalibyśmy liczbę aut o połowę – do 11 mln, i byłyby to mniejsze pojazdy, o bateriach 50 kWh (ze względu na mniejsze zużycie energii ich zasięg wcale nie byłby znaczą o mniejszy i wynosiłby ok. 500 km), to potrzebowalibyśmy w sumie baterii o pojemności 11 mln · 50 kWh = 550 GWh.
Czy wyprodukowanie tak dużej ilości baterii jest realne..?
Jeszcze kilka lat temu wydawałoby się to nieosiągalne, jednak kolejne gigafabryki powstają szybko jak grzyby po deszczu, a produkcja baterii bardzo prędko rośnie. Sama fabryka LG w Kobierzycach pod Wrocławiem wyprodukowała w 2022 r. 86 GWh baterii, a w ciągu kilku lat planowane jest tam zwiększenie produkcji baterii do ok. 200 GWh rocznie.
Gdybyśmy zaś każdemu Polakowi, który ze względu na wiek i stan zdrowia jest w stanie jeździć rowerem (powiedzmy 30 mln osób) dali rower elektryczny z baterią 0,5 kWh (pozwalającą na przejechanie 50-100 km), to na taką elektromobilność potrzebowalibyśmy 30 mln · 0,5 kWh = 15 GWh baterii. W tym przypadku zapewnienie surowców do produkcji baterii nie byłoby żadnym problemem.
Rzecz jasna, nie każdemu wystarczy rower elektryczny czy mały samochód – ekipa serwisowa czy handlowiec odwiedzający 20 klientów dziennie ze 100 kg towaru, będzie potrzebować większego samochodu, ale im bardziej pójdziemy w stronę efektywności, tym mniej surowców i energii zużyjemy.
Czemu akurat auta elektryczne?
Być może zastanawiasz się, dlaczego mówię o autach elektrycznych jako naturalnym wyborze, skoro są auta na wodór, na e-paliwa (paliwa syntetyczne) i biopaliwa. Przede wszystkim jest to najbardziej efektywna opcja (wyjaśniam to tutaj), ale też wygrywają one wyścig technologiczny, ich ceny szybko spadają, a parametry poprawiają się, dostępna jest też (lub dość łatwo może być dostępna, w każdym razie w porównaniu do wodoru) infrastruktura do ładowania.
Wstawmy do symulatora zmniejszenie zapotrzebowania na ciepło do 40% (oraz dostarczenie go w 80% z pomp ciepła), w transporcie do 50%, a w innych sektorach do 2/3 i (zostawiając źródła energii bez zmian) zobaczmy, jak wpłynie to na bilans energetyczny.
Mamy teraz tak dużą nadprodukcję energii elektrycznej, że dyspozycyjne elektrownie gazowe dostarczają zaledwie 3 TWh rocznie, spalając przy tym 0,6 mld m3 metanu.
Wodór w gospodarce
Nadwyżka energii może nam się przydać, wciąż bowiem mamy „zamiecione pod dywan” sektory, których nie da się bezpośrednio zelektryfikować i gdzie potrzebny jest wodór jako wsad do procesów przemysłowych (np. produkcji amoniaku do nawozów azotowych czy w procesach rafineryjnych). Obecnie Polska zużywa 1,3 mln ton wodoru, uzyskiwanego głównie z gazu ziemnego w wysokoemisyjnym procesie reformingu parowego. Gdybyśmy chcieli taką ilość wodoru dostarczyć z elektrolizerów, potrzeba by na to (przy sprawności elektrolizerów 75%) blisko 60 TWh energii elektrycznej. Rzecz jasna, przy obecnym polskim prądzie pochodzącym głównie z elektrowni węglowych nie ma to żadnego sensu.
Gdybyśmy chcieli zapewnić dodatkowo wodór do celów lotnictwa dalekodystansowego, żeglugi dalekomorskiej, wojska i hutnictwa (zależnie od sektora czy to bezpośrednio jako wodór, czy też jako zrobione z niego e-paliwa), potrzeba by na to, w zależności od efektywności energetycznej i różnych założeń (ze szczegółami oszacowań odsyłam do książki „Zrozumieć transformację energetyczną”) 120-200 TWh energii elektrycznej, co odpowiada mniej więcej całości jej obecnej polskiej produkcji. Oczywiście, alternatywnie można przyjąć, że nawozy, stal czy e-paliwa nie będą robione w Polsce, lecz sprowadzimy je z regionów dysponujących tanią energią słoneczną – tu jednak załóżmy, że będziemy chcieli utrzymać produkcję w Polsce.
Aby mogło się to spinać ekonomicznie, potrzebny jest tani prąd. Elektroliza byłaby więc prowadzona w okresach nadprodukcji energii. Żeby w ogóle był sens myśleć w Polsce o produkcji wodoru, muszą być dostępne duże i tanie moce OZE. Co więcej, zanim zaczniemy myśleć o produkcji wodoru na potrzeby transportu czy innych sektorów, gdzie dostępne są alternatywne (lepsze!) opcje (w szczególności elektryfikacja), konieczne jest zaspokojenie zapotrzebowania w kategoriach A i B.
Na razie nie będziemy robić osobnej symulacji z uwzględnieniem wodoru, ale wprowadzimy najpierw jeszcze jeden element układanki systemu energetycznego.
Magazynowanie ciepła
O ile do magazynowania energii elektrycznej czy bezemisyjnego wytwarzania wodoru wymagana jest budowa kosztownych instalacji, to magazynowanie ciepła jest dużo tańsze i prostsze. Może ono przyjmować różne formy: od prostych bojlerów na ciepłą wodę, przez duże sezonowe magazyny ciepła, po magazynowanie energii w cieple przejścia fazowego. Istotną zaletą magazynów ciepła jest możliwość grzania ich za pomocą prądu: czy to w najprostszej wersji grzałkami, czy w bardziej zaawansowanej – pompami ciepła. W ten sposób można wykorzystać dowolną ilość prądu, zupełnie eliminując problem nadprodukcji przez instalacje OZE.
Zwykle dużo łatwiej jest zrozumieć coś na przykładzie. Dziś działanie ciepłowni jest „sterowane” zapotrzebowaniem na ciepło – grzejemy domy, gdy jest zimno. W przyszłym systemie energetycznym, bazującym na prądzie z tanich źródeł pogodozależnych podejście będzie inne.
Sercem ciepłowni przyszłości jest magazyn ciepła. Jaka powinna być skala magazynów? Ciepła do ogrzewania potrzebujemy zimą. Jakie źródło energii dobrze pasuje do takiego profilu zapotrzebowania? Wiatr oczywiście, który mocno wieje właśnie w miesiącach zimowych. Oczywiście wiatr ma tak, że kilka dni wieje, a później kilka dni może nie wiać. Gdy wieje, za pomocą pomp ciepła i grzałek ładujemy ciepłem magazyn. Gdy nie wieje – korzystamy z ciepła z magazynu. Tak więc magazyny ciepła na kilka dni będą zupełnie wystarczające. Taki magazyn ciepła, pozwalający magazynować ciepło na kilka dni stabilizuje sieć elektroenergetyczną, zapewniając stabilne ciepło odbiorcom.
Pierwszy system ciepłowniczy tego typu w Polsce powstaje w Lidzbarku Warmińskim w ramach konkursu NCBR na Ciepłownię Przyszłości. Ta przebudowa istniejącego typowego polskiego systemu ciepłowniczego zasilanego ze starej elektrowni węglowej od uzyskania pozwoleń do uruchomienia zajmuje raptem kilkanaście miesięcy.
Dodajmy teraz kolejny element: dyspozycyjne źródło energii (będzie ono potrzebne, gdy wiatr i słońce nie wytwarzają wystarczającej ilości energii). Powiedzmy, że będzie to kogeneracja gazowa (czy to w oparciu o CH4 czy też o H2 wytwarzany na miejscu z nadwyżek prądu), uruchamiana wtedy, gdy potrzebne będą dodatkowe dostawy energii elektrycznej. Ciepło odpadowe będzie zaś kierowane do odbiorców i magazynu.
Czas na finał
Wstawmy to wszystko, łącznie z produkcją wodoru (i związków wodoropochodnych takich jak amoniak czy e-paliwa) oraz magazynami ciepła do symulatora. Przy okazji, za jednym zamachem, zmniejszymy moce źródeł energii (wiatr na morzu do 25 GW, wiatr na lądzie do 70 GW, PV do 125 GW, EJ do zera) oraz skalę magazynów energii elektrycznej, dodamy też wpływ sygnału cenowego taryf dynamicznych (gdy energii jest dużo, jest ona tania, droższa zaś gdy jest jej mniej). Finalne parametry symulacji widzimy na Ilustracji 16.
Do dyspozycyjnego uzupełnienia niedoborów energii z OZE trzeba wygenerować 5 TWh energii elektrycznej, zużywając przy tym 1 mld m3 metanu (czerwona ramka na ilustracji 15). To tak niewielka ilość gazu, że w zupełności wystarczy do tego mała część biometanu z odpadów.
Jak poradziłby sobie taki system energetyczny w przypadku bardziej ekstremalnych warunków pogodowych?
To uzasadnione pytanie, bo cały czas symulujemy sytuację w warunkach pogodowych 2021 r. Ten rok charakteryzował się słabszymi od przeciętnych warunkami dla OZE, w szczególności z wiatru (można porównać sytuację z dostępnym w symulatorze rokiem 2022), ale niewątpliwie możliwe są gorsze warunki. Symulator pozwala na sprawdzenie takich sytuacji, np. przez zmniejszenie (lub wręcz wyzerowanie) mocy uzyskiwanej z instalacji wiatrowych i PV oraz ustawienie mroźnych warunków pogodowych, zwiększających zapotrzebowanie na ogrzewanie. W ekstremalnej sytuacji (pół miesiąca bez wiatru i słońca, z mrozem -15°C) zużycie gazu rośnie, do poziomu 3-4 mld m3 rocznie – nie stanowi to jednak problemu, ponieważ jest to ilość gazu, którą już obecnie możemy w Polsce magazynować, a magazyny te (w ramach polisy ubezpieczeniowej na ewentualne ekstremalne warunki pogodowe), można znacząco rozbudować relatywnie niewielkim kosztem.
Dzięki dyspozycyjnej pracy elektrolizerów i magazynom ciepła udało się jednocześnie zmniejszyć straty energii (jak widać w bilansie są na poziomie 51 TWh z dostarczonych 430 TWh, czyli zaledwie 12%).
Pojemność magazynów energii elektrycznej wynosi 150 GWh, z czego 30 GWh będzie przypadać na istniejące i planowane elektrownie szczytowo-pompowe) – dzieląc pozostałe 120 GWh po połowie na dedykowane baterie stacjonarne i wykorzystywane w sieci inteligentnej baterie samochodowe, widać, że do celów sieciowych wystarczy ok. 60 GWh. Nie bez powodu wcześniej zatrzymaliśmy się na dłużej przy temacie baterii samochodowych (których pojemność dla samych samochodów osobowych oszacowaliśmy na 550 GWh) – te 60 GWh to nie raptem niecała wkrótce kwartalna produkcja baterii w jednej fabryce pod Wrocławiem. Co więcej, właściwie to baterii tych w większości nie trzeba będzie nawet specjalnie produkować, bo do celów stabilizacji sieci mogą zostać wykorzystane starsze baterie samochodowe, których pojemność spadnie o 20-30% (co zmniejszy zasięg pojazdów, lecz nie stanowi problemu w zastosowaniach stacjonarnych).
Politycy i opinia publiczna, a także wiele osób związanych z tradycyjną energetyką błędnie myślą, że nie da się zbudować systemu 100% OZE z dominującym udziałem fotowoltaiki i energii wiatrowej bez długoterminowego wielkoskalowego przechowywania energii w bateriach. Jest tak, ponieważ konwencjonalne myślenie ignoruje to, że przyszła moc wytwarzania energii słonecznej i wiatrowej znacznie przekroczy całkowitą zainstalowaną obecnie moc wytwarzania energii elektrycznej, w rezultacie czego przez większość czasu występować będzie nadprodukcja energii, a okresy jej niedostatecznej produkcji będą krótkotrwałe i łatwe do uzupełnienia bezemisyjnymi gazowymi źródłami dyspozycyjnymi, czy to biometanem czy H2 z elektrolizy.
A czy można połączyć OZE z atomem? Można. Co ważne, niezależnie od tego, czy system będzie oparty na OZE czy elektrowniach jądrowych, większość działań jest taka sama: elektryfikacja wszystkiego co się da, łącznie z pompami ciepła w domach i elektromobilnością, ambitny program poprawy efektywności energetycznej oraz wodór z elektrolizy tam, gdzie inaczej się nie da (produkcja nawozów itd.). W szczególności, gdybyśmy chcieli zaspokoić całość potrzeb energetycznych i mieć tyle wodoru z elektrolizy co w pokazanym scenariuszu 100% OZE (blisko 130 TWh energii elektrycznej do tego celu), musielibyśmy zbudować w Polsce ok. 50 GW mocy elektrowni jądrowych, co z grubsza odpowiada skalą całej obecnej chińskiej energetyce atomowej. Można też „wymieszać” OZE z atomem w różnych proporcjach. Takie scenariusze również znajdziecie już gotowe w Symulatorze systemu energetycznego.
Podsumowanie
Nie da się w krótkim artykule pokazać wszystkich możliwych scenariuszy, które mogą Cię interesować i odpowiedzieć na każde Twoje pytanie. Korci Cię, żeby dalej poeksperymentować ze źródłami energii – dołożyć (albo zabrać) trochę wiatraków, reaktorów, magazynów lub czegoś innego? A może nie cierpisz fotowoltaiki i chcesz zobaczyć, jak spisze się system bez niej, za to z rozbudowanym atomem i wiatrem? Albo atom z PV? A może chcesz zmodyfikować skalę działań na rzecz poprawy efektywności, bo uważasz zaproponowane przeze mnie za zbyt mało ambitne (lub wręcz przeciwnie – za zbyt daleko idące)?
Wszystko to możesz sprawdzić z pomocą Symulatora Bezemisyjnego Systemu Energetycznego dostępnego na stronie Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.
Marcin Popkiewicz, Przewodniczący Komitetu Monitorującego projektów z zakresu Europejskiego Zielonego Ładu w Narodowym Centrum Badań i Rozwoju. Konsultacja merytoryczna: Kacper Szulecki, profesor polityki klimatycznej w Norweskim Instytucie Spraw Zagranicznych i na Uniwersytecie w Oslo
Fajnie, że tu jesteś. Mamy nadzieję, że nasz artykuł pomógł Ci poszerzyć lub ugruntować wiedzę.
Nie wiem, czy wiesz, ale naukaoklimacie.pl to projekt non-profit. Tworzymy go my, czyli ludzie, którzy chcą dzielić się wiedzą i pomagać w zrozumieniu zmian klimatu. Taki projekt to dla nas duża radość i satysfakcja. Ale też regularne koszty. Jeśli chcesz pomóc w utrzymaniu i rozwoju strony, przekaż nam darowiznę w dowolnej wysokości
