Zrozumieć transformację energetyczną

Zrozumieć transformację energetyczną. Scenariusz 1: Większe moce pogodozależnych źródeł energii + gaz dyspozycyjnie

Zrozumieć transformację energetyczną. Scenariusz 1: Większe moce pogodozależnych źródeł energii + gaz dyspozycyjni

Zrozumieć transformację energetyczną. Scenariusz 1: Większe moce pogodozależnych źródeł energii + gaz dyspozycyjni

Jak stworzyć w Polsce bezemisyjny system energetyczny? Oto kolejny element układanki: scenariusz 1.

Zobaczmy w symulatorze systemu energetycznego Polski, jak spisałyby się farmy wiatrowe i fotowoltaiczne w zasilaniu Polski, gdybyśmy rozbudowali je do mocy zbliżonych do tych, które w 2021 roku, w podobnych do polskich warunkach klimatycznych i pogodowych, posiadali Niemcy. Weźmy 50 GW farm wiatrowych na lądzie, 10 GW na morzu oraz 50 GW fotowoltaiki i w oparciu o przeskalowaną rzeczywistą produkcję prądu z wiatru i słońca w Polsce w 2021 roku (patrz opis działania symulatora) przyjrzyjmy się, jak wyglądałaby sytuacja, bazując na symulacji godzina po godzinie. Po stronie zapotrzebowania na energię odejmiemy zużycie prądu na własne potrzeby przez kopalnie i elektrownie węglowe, których w nowym systemie energetycznym już byśmy nie potrzebowali, co zmniejszy nasze zużycie energii o ok. 15% – ze 175 do 150 TWh. 

Symulacja pokazuje, że w warunkach pogodowych 2021 roku produkcja prądu przez farmy wiatrowe i PV wyniosłaby 236 TWh. To sporo więcej od zapotrzebowania.  

Czy więc wszystko jest super? Nie, nie jest. 

Potrzeba stabilnego systemu, a nie stabilnych źródeł

Przyjrzyjmy się, jak zmienia się produkcja energii elektrycznej przez turbiny wiatrowe i panele fotowoltaiczne w różnych porach roku (miesiące styczeń, kwiecień, lipiec, październik) zestawiona z zapotrzebowaniem na prąd. 

Zestawienie zapotrzebowania na energię (linia niebieska) oraz jej produkcji przez farmy wiatrowe na lądzie i morzu oraz fotowoltaikę (dane wejściowe jak w tekście). Kropkowane na ciemnoszaro pola pokazują okresy niewystarczającej produkcji energii.

Zestawienie zapotrzebowania na energię (linia niebieska) oraz jej produkcji przez farmy wiatrowe na lądzie i morzu oraz fotowoltaikę (dane wejściowe jak w tekście). Kropkowane na ciemnoszaro pola pokazują okresy niewystarczającej produkcji energii.

Prawdopodobnie nie ma tu dla Ciebie niespodzianki: w zależności od pogody OZE (tutaj dyskutujemy wyłącznie o farmach wiatrowych i PV) okresowo wytwarzają więcej energii niż potrzeba, a czasem (w tym scenariuszu przez 34% czasu) zbyt mało. Sytuacje, w której podaż energii nie wystarcza do zaspokojenia zapotrzebowania, pokazują szare, kropkowane pola. Ma to miejsce m.in. zarówno zimą (np. przełom 1. i 2. tygodnia stycznia), jak i letnimi nocami. 

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. 

Najprostszym rozwiązaniem problemu okresowych niedoborów prądu jest przyjęcie, że kiedy nie wieje i nie świeci wystarczająco, żeby zaspokoić zapotrzebowanie, uruchamiana jest generacja gazowa, uzupełniająca brakujące gigawaty. W naszej symulacji możemy więc policzyć, jak wiele mocy w danej chwili brakuje i jak wiele gazu byłoby potrzeba dla zbilansowania systemu. 

Przykładowo: gdy w danej godzinie turbiny wiatrowe i fotowoltaika produkują prąd z mocą 5 GW, a zapotrzebowanie wynosi 15 GW, to niedobór mocy do uzupełnienia wynosi 10 GW. W ciągu tej godziny elektrownie gazowe (przyjmując ich sprawność na poziomie 50%, typową dla nowoczesnych bloków gazowo-parowych, pracujących ze zmienną mocą) dostarczą 10 GWh prądu, zużywając przy tym 2 mln m3 metanu i emitując 4 tys. ton CO2. W ten sposób analizujemy sytuację godzina po godzinie przez cały rok: gdy występują okresy niedoboru energii (34% czasu), uruchamiamy elektrownie gazowe, które zwykle wykorzystywałyby tylko część mocy (bo na ogół trochę jednak wieje lub świeci). Choć ich moc maksymalna, potrzebna w bezwietrzne noce (kiedy nie ma prądu z fotowoltaiki), wynosiłaby ponad 20 GW, to w ciągu całego roku działałyby one ze średnią mocą zaledwie 2,4 GW, wytwarzając przy tym 20 TWh prądu. 

Podsumowanie zużycia energii w TWh rocznie (na górze) oraz jej produkcji (na dole) z podziałem na źródła. W rozpatrywanym scenariuszu konieczne jest uruchamianie źródeł dyspozycyjnych, zapewniających 20 TWh, pojawia się też okresowa nadprodukcja energii w łącznej wysokości 108 TWh. Na razie niech nam się marnuje, później coś z nią zrobimy.

Podsumowanie zużycia energii w TWh rocznie (na górze) oraz jej produkcji (na dole) z podziałem na źródła. W rozpatrywanym scenariuszu konieczne jest uruchamianie źródeł dyspozycyjnych, zapewniających 20 TWh, pojawia się też okresowa nadprodukcja energii w łącznej wysokości 108 TWh. Na razie niech nam się marnuje, później coś z nią zrobimy.

Gdyby gazowe elektrownie dyspozycyjne działały na gazie ziemnym, w ciągu roku zużyłyby go ok. 4 mld m3 rocznie (to ok. 20% całości obecnego polskiego zużycia gazu), a emisja CO2 wyniosłaby 20 TWh · 4000 tCO2/TWh = 8 mln ton CO2. Dla porównania, emisje z obecnego systemu elektroenergetycznego wynoszą 140 mln ton rocznie – czyli blisko 20-krotnie więcej. To całkiem niezły spadek emisyjności. Miłą wiadomością jest też to, że taka ilość metanu jest już na tyle niewielka, że można ją brać nie z gazu ziemnego, lecz z biometanu.


DLACZEGO GAZ, A NIE WĘGIEL?

Pytanie: Dlaczego gaz, a nie węgiel? Jako źródło dyspozycyjne, uzupełniające generację prądu z OZE, przyjęliśmy elektrownie gazowe (jaki by to gaz nie był…). A czy mogłyby być to również elektrownie węglowe? Odpowiedź brzmi: tak, nie, to zależy. Wyjaśnienie. 

Jako źródło dyspozycyjne, uzupełniające generację prądu z OZE, przyjęliśmy elektrownie gazowe (jaki by to gaz nie był…). A czy mogłyby być to również elektrownie węglowe? Odpowiedź brzmi: tak, nie, to zależy. 

Dlaczego „tak”? Elektrownie węglowe mogłyby działać dyspozycyjnie (zresztą teraz też tak działają), zapewniając brakujący prąd. Zastąpienie gazu polskim węglem pozwoliłoby poprawić bilans handlowy i nasze bezpieczeństwo energetyczne, bo obecnie „gaz” jest gazem ziemnym, którego import kosztuje nas krocie i jest bardzo niekorzystny geopolitycznie. Miałoby też tę zaletę, że pozwoliłoby utrzymać miejsca pracy w górnictwie i energetyce węglowej przez jakiś czas, łagodząc transformację. 

Dlaczego „nie”? W porównaniu z elektrowniami gazowymi, mogącymi łatwo i szybko zmieniać swoją moc, wielkie bloki elektrowni węglowych są bardzo nieelastyczne – ich włączanie i wyłączanie zajmuje wiele godzin, powoduje też ich przyspieszone zużywanie się. Można sobie z tym poradzić, nie wygaszając w pełni bloków podczas spadku zapotrzebowania na ich moc, ale oznacza to zużywanie większych ilości paliwa i większe emisje. W pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że system oparty na OZE i uzupełniany za pomocą elektrowni węglowych miałby emisje CO2 3-krotnie wyższe (24 mln ton) od systemu, w którym rolę tę pełniłby gaz ziemny (8 mln ton). Ponadto „gazem” może być bezemisyjny biometan (ponieważ to taki sam CH4 jak w gazie ziemnym, można wykorzystać te same elektrownie, sieci przesyłowe i magazyny gazu). 

To zależy. W naszej symulacji szukamy odpowiedzi na pytanie, czy zapewnienie energii bez paliw kopalnych jest możliwe i jak taki system może wyglądać. Nie wnikamy przy tym głęboko w szczegóły ewolucji systemu w trakcie transformacji. W stanie docelowym nie ma miejsca na węgiel. Kropka. Z drugiej strony obecnie węgiel dominuje w naszym miksie elektroenergetycznym i nie zmieni się to z dnia na dzień. W etapie przejściowym, powiedzmy do lat 30., węgiel może działać wraz z gazem – bloki węglowe, pracując „w podstawie” (ale nie tak jak obecnie, że działają cały czas, lecz będąc uruchamiane tylko, gdy będzie to potrzebne – na przykład podczas zimowego bezwietrznego tygodnia; w trakcie tygodnia z silnym wiatrem byłyby w ogóle wyłączone), zmieniając swoją moc powoli, a bloki gazowe bardziej dynamicznie. Takie podejście pozwoli zmniejszyć zakupy gazu w okresie przejściowym do poziomu nie tylko pozwalającego na zupełne zaprzestanie importu, ale wręcz udostępnienie sąsiadom nadwyżki z własnego wydobycia oraz importu LNG i z Norwegii. Odstawione elektrownie węglowe mogą zaś pełnić rolę zabezpieczenia systemu na wyjątkowe okoliczności – będą zamykane stopniowo, wraz z budową nowego systemu energetycznego. Zamykanie instalacji nie musi też oznaczać natychmiastowej rozbiórki wyłączanych instalacji – przez pewien czas mogą być one wycofane z użytkowania (uśpione) i gotowe do podjęcia pracy. 

Reasumując: Elektrownie węglowe na etapie przejściowym powinny pełnić rolę dyspozycyjną wraz z elektrowniami gazowymi (na zasadzie opisanej w poprzednim akapicie). Zapotrzebowanie na węgiel będzie spadać mniej więcej proporcjonalnie do spadku wydobycia w kopalniach z docelowym zakończeniem ich pracy w latach 30.


Więcej materiałów na podstawie książki „Zrozumieć transformację energetyczną” wraz z symulatorem systemu energetycznego znajdziesz w tym miejscu.

 

Podobne wpisy