ArtykulyRozwiązania systemowe

ABC nowego systemu energetycznego

Słyszymy, że udział odnawialnych źródeł energii, szczególnie z
niestabilnych źródeł takich jak wiatr czy słońce nie może być wyższy od
20%, biomasy jest za mało, warunków do znaczącej rozbudowy energetyki
wodnej nie ma, więc… bez paliw kopalnych się nie da. To jak to jest,
że Niemcy, Duńczycy i coraz liczniejsze inne kraje twierdzą, że to możliwe? Przyjrzyjmy się szkicowi spójnego systemu energetycznego w całości opartego na lokalnych zasobach odnawialnych. Wyjdźmy od obecnego systemu energetycznego.

System oparty na paliwach kopalnych jest koncepcyjnie bardzo prosty. Jego schemat widzimy go na poniższym rysunku.

Prześledźmy sytuację od końca, czyli od zużycia. Energię zużywamy przede wszystkim w transporcie, jako prąd zasilający nasze urządzenia w domach, fabrykach, biurach i sklepach oraz do ogrzewania. Aby mieć energię w użytecznej dla nas formę potrzebne są urządzenia do przetwarzania w nią energii węgla, gazu i ropy. Prąd wytwarzamy więc w elektrowniach (głównie z węgla i gazu), ciepło w piecach (zwykle spalających gaz i węgiel), a transport funkcjonuje dzięki zasilanym ropą silnikom spalinowym. Jeśli chcemy mieć więcej energii, po prostu spalamy więcej. Proste, prawda?

Ponieważ duże elektrownie, zwłaszcza węglowe, „lubią” pracować ze stałą mocą, a popyt zmienia się, korzysta się z magazynowania energii w zbiornikach elektrowni szczytowo-pompowych, które w okresie zwiększonego zapotrzebowania na prąd (drogiej energii) działają jak zwykłe elektrownie wodne, a w okresie małego zapotrzebowania na prąd (taniej energii) pompują wodę do górnego zbiornika, magazynując w ten sposób energię.

W Polsce niestety nie mamy aż tak dobrych warunków do budowy elektrowni szczytowo-pompowych jak kraje „górskie” takie jak Szwajcaria, Austria czy Norwegia, mogą więc pełnić tylko rolę pomocniczą.

Rewolucja Energetyczna, aby była efektywna kosztowo i mogła sprawnie przebiec, powinna bazować na istniejącej infrastrukturze. Najprostsze byłoby zastąpienie paliw kopalnych biomasą. Można nią palić w elektrowniach i biogazowniach, można grzać mieszkania a także produkować z niej biopaliwa. W zasadzie mogłaby być bezpośrednim zamiennikiem paliw kopalnych…

…gdyby nie jedno małe ‘ale’ – ilość energii możliwej do pozyskania z dostępnej biomasy jest wielokrotnie mniejsza od energii zużywanych paliw kopalnych. W Polsce realistycznie rzecz biorąc za pomocą biomasy moglibyśmy zaspokoić 10%, a co najwyżej kilkanaście procent aktualnych potrzeb energetycznych, przy czym optymalną formą wykorzystania biomasy (o czym pisaliśmy wcześniej) będzie biogazownia.

Możemy tą proporcję poprawić, optymalizując energetycznie transport, zużycie elektryczności i ciepła. W zasadzie bez problemu można by dostarczyć usług energetycznych na obecnym poziomie przy zużyciu 1/3 zużywanej dziś energii.

Bądźmy jednak mniej ambitni (w końcu telewizory są coraz większe, zbudowane dziś nieefektywne energetycznie domy będą z nami jeszcze przez jakiś czas itd.), załóżmy więc spadek całkowitego zużycia energii pierwotnej o połowę (przy czym zużycie prądu na końcu pozostanie zbliżone do obecnego, za to zużycie innych nośników energii w transporcie i ogrzewaniu radykalnie spadnie). W takim scenariuszu naszej własnej biomasy wystarczyłoby nam na zaspokojenie 20-30% potrzeb.

Kluczową myślą przy planowaniu Rewolucji Energetycznej jest integracja. O ile w świecie paliw kopalnych mieliśmy trzy relatywnie osobne ścieżki wykorzystania energii (transport, prąd i ciepło), to – o ile chcemy mieć system w 100% oparty na odnawialnych źródłach energii – będziemy musieli te wszystkie elementy ze sobą zintegrować.

Pierwszym krokiem będzie przejście na wytwarzanie ciepła w kogeneracji. W elektrowni (np. na węgiel czy gaz) cieplnej jedynie 30-50% energii spalanego w elektrowni paliwa zmienia się w prąd. Reszta wydziela się jako ciepła i zwykle ogrzewa powietrze lub pobliską rzekę. Ciepło to można wychwytywać i rozprowadzać siecią ciepłowniczą do odbiorców – elektrownia zmienia się w elektrociepłownię. W Polsce zresztą po czasach PRL odziedziczyliśmy całkiem nieźle rozwiniętą infrastrukturę ciepłowniczą, trzeba tylko lepiej ją wykorzystać. Mamy tu do rozwiązania dwie kwestie.

Pierwszą jest to, że małe, lokalne sieci ciepłownicze zasilane są obecnie ciepłem z nie wytwarzających prądu ciepłowni, zwykle opalanych węglem. Wszystkie te instalacje należy przerobić na opalane biogazem lub biomasą elektrociepłownie, tak, żeby oprócz ciepła produkowały też prąd.

Drugą kwestią, którą trzeba zaadresować jest dominacja w systemie elektroenergetycznym nielicznych wielkich bloków o mocy setek megawatów. Sieci ciepłownicze mogą efektywnie przesyłać ciepło jedynie na niewielkie odległości, rzędu kilkunastu kilometrów, tak więc w sytuacji, kiedy w systemie energetycznym istnieje niewiele wielkich bloków, ciepło sieciowe może być dostępne jedynie w ich pobliżu (to dlatego elektrociepłownie buduje się w miastach). Lepiej sprawdziłyby się mniejsze generatory o mocy setek kilowatów lub pojedynczych megawatów (dla porównania, moc silnika typowego samochodu osobowego jest rzędu 50-100 kW, ciężarówki 250-500 kW, a lokomotywy 2000-4000 kW), położone blisko odbiorców ciepła.

Dodatkową zaletą małych bloków jest możliwość ich szybkiego włączania i wyłączania, zależnie od potrzeb. Możliwości takiej nie mamy w przypadku wielkich bloków, których włączanie i wyłączanie zajmuje wiele godzin, powoduje też ich przyspieszone zużywanie się. Z tego powodu elastyczne dostosowywanie mocy wielkich bloków do potrzeb jest praktycznie niemożliwe, a (jak zobaczymy) potrzebujemy źródeł mogących dynamicznie dostosowywać swoją moc do potrzeb i w ten sposób uzupełniać generację prądu z niestabilnych źródeł energii, takich jak wiatr czy słońce.

Doskonale, dzięki wykorzystaniu ciepła sprawność wykorzystania paliwa rośnie z ok. 40% do 90%. Do ogrzewania możemy też wykorzystać inne źródła ciepła, np. kolektory słoneczne (na budynkach i centralne), w niektórych miejscach ciepło geotermiczne, ciepło przemysłowe i ze spalarni (te ostatnie mogą pracować też jako bloki kogeneracyjne, podobnie jak np. biogazownie.

Problem w tym, że niektóre z tych źródeł ciepła produkują ciepło nie wtedy kiedy jest potrzebne, ale wtedy kiedy im to pasuje (spalarnie i ciepło przemysłowe non-stop, a kolektory słoneczne głównie w lecie). Jeszcze do tej kwestii wrócimy.

Możemy też wykorzystać źródła energii odnawialnej, takie jak wiatr i słońce. Ich potencjał jest bardzo duży. Polskie zapotrzebowanie na prąd (bez zużycia własnego kopalni i elektrowni) to średnio około 15 GW – na dostarczenie 40% polskiego zapotrzebowania na elektryczność (6 GW) wystarczyłoby zbudować 3500 wiatraków o mocy 5 MW (pracujących ze średnią wydajnością 34%, co jest wartością raczej zaniżoną), zgrupowanych w farmy wiatrowe zajmujące około 3000 km2, czyli niecały 1% powierzchni Polski (przestrzeni tych nie tracimy, bo pod wiatrakami mogą być pola); dla zaspokojenia kolejnych 40% zapotrzebowania na prąd należałoby zbudować farmy fotowoltaiczne o mocy 60 GW (dla porównania, w 2015 roku Niemcy w fotowoltaice mieli prawie 40 GW), co dla paneli o stałym ustawieniu i sprawności 15% oznaczałoby konieczność zajęcia panelami powierzchni 400 km2, czyli 0,11% powierzchni Polski. Dla porównania, to niecała połowa powierzchni dachów w Polsce, wynoszącej 850 km2. Panele można też umieszczać na terenach mniej użytecznych, a jeśli nawet są to użytki rolne, to położony pod panelami teren nadal może być wykorzystywany jako pastwisko (a nawet powinien, bo dzięki temu roślinność nie zablokuje dostępu światła do paneli). W sumie farmy wiatrowe i panele fotowoltaiczne zajęłyby (i to nie na wyłączność) 1% powierzchni Polski. Jeśli chcielibyśmy produkować dwukrotnie więcej prądu, musielibyśmy zająć na te cele 2% powierzchni Polski.

Taki system energetyczny by się jednak nie sprawdził – czasem mielibyśmy ilości prądu kilkukrotnie przekraczające zapotrzebowanie, czasem zaś – w ogóle. Farmy wiatrowe i słoneczne dołączone do obecnego systemu ze względu na stabilność sieci nie powinny raczej przekraczać jakichś 20% mocy systemu energetycznego. Problem da się złagodzić, wprowadzając zarządzanie popytem. Mogą w tym pomóc dynamiczne ceny prądu – kiedy farmy wiatrowe i słoneczne produkowałyby dużo prądu, byłby on tani, a kiedy podaż elektryczności z tych źródeł byłaby mała, cena by rosła. Zachęcałoby to odbiorców do przenoszenia zużycia prądu z okresów wysokich cen (niskiej podaży) na czas niskich cen (wysokiej podaży). Takie bilansowanie może pomóc w stabilizacji systemu i zwiększyć udział energii z niestabilnych źródeł o kilka procent, jednak potrzebne są inne działania, w szczególności polegające na wykorzystaniu i magazynowaniu nadwyżek energii. Zacznijmy od magazynów ciepła.

Upraszczając – to duża dziura w ziemi. Aby zmagazynować ciepło z lata na zimę na ogrzewanie powietrza i wody dla jednej osoby potrzeba magazynu z około 15 m3 wody, podgrzewanej z 45C do 95C. Dla osiedla/miejscowości zamieszkałej przez 5000 osób oznacza to walcowaty zbiornik o promieniu 35 m i wysokości 20 m. Woda w zbiorniku byłaby częścią obiegu centralnego ogrzewania i nie byłaby wymieniana, zaś woda użytkowa ogrzewałaby się przez wymiennik płytowy lub znajdującą się w zbiorniku wężownicę.

Ale po co tyle zachodu? Po to, żeby móc wykorzystać nadwyżki prądu z farm wiatrowych i słonecznych. Kiedy produkują dużo prądu (więcej niż potrzeba), grzałki (a jeszcze lepiej pompy ciepła) podgrzewają wodę w magazynach ciepła.

Co istotne, magazyn ciepła może być ogrzewany na wiele sposobów równocześnie, nie tylko prądem z nadwyżek wiatru i słońca, ale też ciepłem z kogeneracji, kolektorów, geotermii itp. Hasło dnia: integracja.

Pompy ciepła mogące działać jak klimatyzatory mogą też w miarę potrzeb chłodzić wodę (być może magazynując ją w formie lodu) w zbiornikach magazynów chłodu (to drugi mniejszy zbiornik obok zbiornika ciepła) – w zależności od potrzeb wodę z sieci ciepłowniczej będzie można skierować do wężownicy w magazynie ciepła (żeby kaloryfery dawały ciepło) lub w magazynie chłodu (żeby chłodziły w upalne dni – coraz częstsze w miarę postępowania nieuniknionej już zmiany klimatu).

Rozwiązanie z magazynami ciepła pozwala zrezygnować z domowych bojlerów. Większość domów byłaby podłączona do sieci ciepłowniczej, a te, które byłyby od niej zbyt daleko, również miałyby swoje mniejsze (wystarczające na kilka-kilkanaście dni) magazyny ciepła i byłyby ogrzewane prądem (być może za pośrednictwem pomp ciepła) z nadwyżek z wiatru i słońca.

Kolejna korzyść uwidacznia się w elektrowniach cieplnych (biogazowych i opalanych biomasą), które teraz byłyby uruchamiane jedynie wtedy, kiedy farmy wiatrowe i słoneczne nie produkowałyby dość energii. Dziś elektrociepłownie muszą działać zależnie od popytu na ciepło, niezależnie od tego, czy prąd z nich jest potrzebny czy nie. W nowym systemie złożonym z małych i elastycznych jednostek wytwarzane przez nie ciepło byłoby magazynowane i wykorzystywane wtedy, kiedy byłoby potrzebne.

Wszystko to daje systemowi energetycznemu znaczącą elastyczność, umożliwiając zwiększenie udziału energii z niestabilnych źródeł energii.

Zajmijmy się teraz transportem. Jakieś 70-80% transportu można zelektryfikować (nie da się tego raczej zrobić z ciężkim transportem drogowym, samolotami czy czołgami, ale tym zajmiemy się później). Auta elektryczne mają akumulatory, które można ładować, gdy w sieci są nadwyżki taniego prądu. Kiedy zaś prądu jest mało (i jest on drogi), a samochód akurat nie będzie używany, prąd z akumulatorów (z zyskiem dla właścicieli) może wracać do sieci.

Elektryfikacja transportu umożliwia dalszy wzrost udziału niestabilnych źródeł energii w Miksie energetycznym.

Czas teraz na kolejną integrację – lepsze wykorzystanie biomasy i nadwyżek prądu. Nadwyżki taniego prądu przeznaczamy na elektrolizę wody, dzięki czemu możemy otrzymać wodór. Kierujemy go do biogazu (składającego się w 2/3 z metanu a w 1/3 z dwutlenku węgla). Tam wodór reaguje z dwutlenkiem węgla, tworząc metan (w reakcji CO2 + 4 H2 -> CH4 + 2 H2O). W rezultacie otrzymujemy biometan, który jest już funkcjonalnym odpowiednikiem gazu ziemnego. Uzyskany biometan znakomicie można wykorzystać w zupełnie zwyczajnych elektrowniach gazowych, w sieci gazowej, a wreszcie zmagazynować w (pozwalających magazynować gaz na wiele miesięcy magazynach gazu, już istneijących zresztą).

Warto podkreślić, że w odróżnieniu od wydobytego spod ziemi gazu ziemnego jest to paliwo bezemisyjne. Jest tak, ponieważ wyemitowany podczas spalania biometanu dwutlenek węgla został wcześniej pobrany z atmosfery przez roślinę – bilans netto dwutlenku węgla w tym procesie (CO2 w atmosferze – węgiel w roślinie – biogaz – CO2 w atmosferze) jest zerowy.

Zamiast energii z niestabilnych źródeł mamy teraz gotowy do wykorzystania w istniejącej infrastrukturze i łatwy w magazynowaniu metan. W przemyśle petrochemicznym (bazującym dziś na gazie ziemnym), w lwiej części zastosowań tak naprawdę potrzebny jest nie metan, lecz wodór, którego mamy teraz w bród. Francja-elegancja. W zasadzie to mogłoby już wystarczyć, ale wcale nie musimy się tu zatrzymywać.

Skoro już wytwarzamy wodór w tak dużych ilościach, że aż nie starcza na niego dwutlenku węgla, możemy zacząć przetwarzać biomasę w procesie szybkiej pirolizy (upraszczając – podgrzewamy biomasę bez dostępu tlenu) i następnie uwodorniania na paliwa syntetyczne. A te magazynuje się bardzo łatwo.

Tak oto zbudowaliśmy system energetyczny, w którym paliwa kopalne są już zbędne.

Według oszacowań duńskich koszt energii w tym systemie byłby może o 10% wyższy (a uwzględniając koszty środowiskowe paliw kopalnych znacznie niższy) niż obecnie (przy obecnych cenach paliw kopanych). Struktura kosztów będzie jednak diametralnie inna.

Porównanie powyższego diagramu z pierwszym diagramem z trzema oddzielnymi ścieżkami zużycia paliw kopalnych wyraźnie uświadamia, że oparty w pełni na OZE system energetyczny jest bardziej złożony (od strony działania, nie użytkownika końcowego) i będzie on wymagać pracochłonnej obsługi przez wielu wysoko wykwalifikowanych specjalistów, którym trzeba będzie za to zapłacić. Tak więc koszty importu paliw kopalnych (wraz z rozlicznymi kosztami zewnętrznymi obecnego systemu) spadną do zera, pieniądze zaś trafią do lokalnej gospodarki, tworząc wiele dobrze płatnych miejsc pracy przy budowie i obsłudze nowego innowacyjnego systemu energetycznego.

Podobne wpisy

Więcej w Artykuly