Odnawialne źródła energii (OZE) w pigułce

OZE, czyli odnawialne źródła energii, to zasoby, które przyroda odtwarza szybciej, niż człowiek zdąży je zużyć: promieniowanie słoneczne, wiatr, woda, biomasa i ciepło Ziemi. O odnawialności decyduje tempo odtwarzania się zasobu, a nie sama naturalność, bo węgiel i gaz też powstały w przyrodzie, tyle że przez miliony lat. Dlatego polska ustawa nie zalicza do OZE energetyki jądrowej, choć jest ona niskoemisyjna. Złoża uranu się kończą.

Co oznacza skrót OZE i kiedy źródło energii jest odnawialne?

OZE to skrót od „odnawialne źródła energii”. Oznacza zasoby, które przyroda odtwarza na bieżąco, szybciej, niż człowiek zdąży je zużyć. Definicję prawną zawiera art. 2 ustawy o OZE, czyli ustawy z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii. Jej pkt 22 mówi o odnawialnych, niekopalnych źródłach energii i wylicza je w zamkniętym katalogu.

Sama „naturalność” zasobu nie przesądza o odnawialności. Węgiel, ropa i gaz też powstały w przyrodzie, ale ich odtworzenie trwa miliony lat, dlatego paliwa kopalne należą do nieodnawialnych źródeł energii. Kryterium jest więc tempo odnawiania się zasobu w porównaniu z tempem zużycia oraz to, czy długotrwałe korzystanie z niego nie wyczerpuje zasobu. Ustawa stosuje tę logikę do biomasy. Energię z paliw z biomasy i z biopłynów wlicza się do udziału OZE tylko wtedy, gdy te paliwa spełniają kryteria zrównoważonego rozwoju.

Trzy pojęcia bywają używane zamiennie z OZE, choć znaczą co innego. „Alternatywne źródła energii” to określenie potoczne, które obejmuje wszystko poza konwencjonalnym spalaniem paliw kopalnych. Z kolei „zielona energia” funkcjonuje głównie w języku marketingu. Określenie „niskoemisyjne” opisuje emisje, a nie to, czy zasób się odnawia.

Czy w takim razie elektrownia jądrowa to OZE? W rozumieniu polskiej ustawy nie. Energetyka jądrowa jest niskoemisyjna, ale korzysta z uranu wydobywanego ze skończonych złóż i nie figuruje w ustawowym katalogu. Spór OZE czy atom dotyczy więc dwóch grup technologii niskoemisyjnych, z których tylko jedna korzysta z odnawialnego zasobu.

Rodzaje OZE

Ustawowy katalog OZE w obecnym brzmieniu obejmuje też energię otoczenia oraz energię z biomasy, biogazu, biogazu rolniczego i biometanu. Wszystkie pozycje da się przypisać do trzech pierwotnych źródeł energii, z których Słońce działa na trzy sposoby:

• Słońce bezpośrednio – energia promieniowania słonecznego, którą instalacja zamienia w prąd albo ciepło w chwili, gdy pada na nią światło.
• Słońce przez atmosferę i wodę – wiatr bierze się z nierównego nagrzewania powietrza, hydroenergia z obiegu wody napędzanego parowaniem, a fale i prądy morskie głównie z wiatru.
• Słońce przez fotosyntezę – biomasa gromadzi energię światła w tkankach roślin, a biogaz, biogaz rolniczy i biopłyny to paliwa z niej wytwarzane.
• Grawitacja – pływy morskie wywołuje przyciąganie Księżyca i Słońca.
• Wnętrze Ziemi – energia geotermalna pochodzi z ciepła, które planeta oddaje z głębi.

Rodzaje ciepła z katalogu różnią się miejscem, w którym je zgromadzono. Według ustawy energia aerotermalna to energia o charakterze nieantropogenicznym, zmagazynowana w postaci ciepła w powietrzu, a hydrotermalna to ciepło wód powierzchniowych. Obie mają niską temperaturę i pochodzą głównie od słońca, natomiast energia geotermalna to energia o charakterze nieantropogenicznym skumulowana w postaci ciepła pod powierzchnią ziemi. Ta różnica przekłada się na sposób wykorzystania, opisany niżej przy instalacjach.

Biometan i wodór odnawialny to nośniki energii wytwarzane z OZE, a nie osobne zasoby natury. Biometan, czyli biogaz oczyszczony do jakości gazu ziemnego, ustawa wymienia w definicji OZE wprost, podobnie jak biopłyny i wodór odnawialny. Odnawialny jest tylko wodór wytworzony energią z OZE, na przykład w elektrolizie zasilanej prądem z wiatru lub słońca.

Jak pracują instalacje OZE?

Instalacje OZE najprościej uporządkować według głównego efektu, czyli prądu, ciepła albo paliwa:

• Prąd – instalacja fotowoltaiczna zamienia światło w prąd w ogniwach półprzewodnikowych, farma wiatrowa napędza generator obrotem wirnika, a elektrownia wodna przepływowa korzysta z bieżącego nurtu rzeki.
• Ciepło – kolektor słoneczny podgrzewa ciecz oddającą ciepło wodzie w zasobniku, a pompa ciepła przenosi ciepło z powietrza, gruntu lub wody do budynku.
• Paliwo – biogazownia rozkłada biomasę bez dostępu tlenu i wytwarza biogaz, który potem spala się w agregacie.

Urządzenia te równie wyraźnie dzielą się według skali. Gospodarstwo domowe może realnie zamontować panele fotowoltaiczne, kolektory słoneczne i pompę ciepła. Domowa fotowoltaika mieści się w kategorii mikroinstalacji, czyli instalacji o mocy elektrycznej nie większej niż 50 kW. Farmy wiatrowe, zwłaszcza morskie, a także elektrownie wodne i biogazownie to obiekty przemysłowe budowane do zasilania sieci. Także ciepłownia geotermalna wymaga głębokich odwiertów i sieci ciepłowniczej, więc ogrzewa osiedla albo całe miasta.

Czy pompa ciepła jest w całości urządzeniem OZE? Tylko częściowo, bo sprężarka potrzebuje do pracy prądu. Dlatego ustawa liczy jako energię odnawialną jedynie część ciepła użytkowego, według wzoru Qusable × (1 − 1/SPF), gdzie SPF to sezonowy współczynnik wydajności. Przy SPF równym 4 za odnawialne uznaje się trzy czwarte wytworzonego ciepła. Im wyższy SPF, tym większy udział energii otoczenia.

Emisje w cyklu życia, pogodozależność, magazynowanie to ograniczenia OZA

Źródła odnawialne nie są bezemisyjne w ścisłym sensie. W całym cyklu życia – od wydobycia surowców po demontaż – emitują jednak wielokrotnie mniej CO2 na kilowatogodzinę niż elektrownie węglowe i gazowe. W fotowoltaice i energetyce wiatrowej emisje powstają głównie przy produkcji modułów, stali i betonu. Sama praca tych instalacji nie wymaga spalania. Wyjątkiem jest biomasa. Jej spalanie daje lokalne emisje CO2, pyłów i tlenków azotu. Bilans klimatyczny wychodzi przy tym korzystnie tylko wtedy, gdy spalony surowiec odrasta.

Druga słabość wynika z pogodozależności, czyli z tego, że produkcja idzie za słońcem i wiatrem, a nie za zapotrzebowaniem. W bezwietrzne zimowe wieczory energii brakuje i lukę muszą wypełnić inne źródła. W słoneczne dni o niskim zużyciu, typowo wiosną w weekendy, produkcja przewyższa zapotrzebowanie i zagraża równowadze sieci. Operator systemu przesyłowego, w Polsce PSE, wydaje wtedy polecenia redukcji produkcji. W ostatnich latach takie wymuszone wyłączenia stały się w miesiącach wiosenno-letnich zjawiskiem regularnym.

Magazyny energii łagodzą oba problemy, bo przesuwają nadwyżkę z południa na wieczór. Baterie wyrównują wahania w skali godzin, ale długie okresy bez wiatru nadal wymagają źródeł, których pracę da się zaplanować. Wśród OZE taką rolę mogą pełnić przede wszystkim biogazownie. Energia wodna ze zbiorników retencyjnych ma w Polsce ograniczony potencjał.

Jak mierzyć udział OZE w Polsce?

Największy udział OZE mają w polskim miksie energetycznym w produkcji energii elektrycznej. Jako grupa są drugim po węglu filarem wytwarzania prądu. W słoneczne południa potrafią pokryć większość krajowej generacji.

Udział w końcowym zużyciu energii brutto jest wyraźnie niższy. Ten wskaźnik obejmuje też ciepło i transport, w których wciąż dominują węgiel i paliwa ropopochodne. To od niego liczy się cele unijne. W 2020 r. Polska miała osiągnąć 15% energii z OZE w końcowym zużyciu brutto. Cała Unia ma do 2030 r. osiągnąć co najmniej 42,5%. Skąd więc sprzeczne liczby w doniesieniach? Zwykle z pomylenia trzech miar: produkcji prądu, końcowego zużycia energii brutto i mocy zainstalowanej.

Spośród tych wskaźników moc zainstalowana daje najwyższy wynik, bo opisuje możliwości urządzeń, a nie ich faktyczną pracę. W strukturze mocy OZE w Polsce zdecydowanie dominuje fotowoltaika, w dużej części prosumencka, przed energetyką wiatrową na lądzie. Biomasa, woda i biogaz zajmują dalsze miejsca. Fotowoltaika przepracowuje w roku mniej godzin z pełną mocą niż wiatraki, więc jej udział w produkcji jest mniejszy niż w mocy.

Punktem odniesienia przy porównaniach mocy są dane Urzędu Regulacji Energetyki, który prowadzi rejestry wytwórców i zestawienia mocy instalacji OZE. Przy takiej strukturze mocy branża OZE rozwija się po fali fotowoltaiki w stronę magazynów energii i morskich farm wiatrowych, które wyrównują profil produkcji.