Zrozumieć transformację energetyczną. Scenariusz 2: Krótkoterminowe magazynowanie energii

Zrozumieć transformację energetyczną. Scenariusz 2: Krótkoterminowe magazynowanie energii

Jak stworzyć w Polsce bezemisyjny system energetyczny? Oto kolejny element układanki: scenariusz 2.

A co z nadwyżkami energii z okresów, gdy wiatraki i panele fotowoltaiczne dostarczają nam więcej energii, niż potrzebujemy? Warto tę nadwyżkę energii jakoś wykorzystać – na przykład zmagazynować. 

Sposoby na magazynowanie energii elektrycznej. Po lewej magazyn bateryjny produkowany przez Vattenfall. Po lewej elektrownia szczytowo-pompowa w Żarnowcu.

Magazyny prądu będą ładować się w okresie nadwyżek prądu, a oddawać go w okresach niedoborów. W godzinach dziennych w słonecznej połowie roku mamy zwykle bardzo dużą produkcję prądu przez panele fotowoltaiczne, zaś w nocy, przy braku słońca i słabym wietrze, występują niedobory. Gdyby więc wprowadzić dobowe magazynowanie energii, powinno to wyraźnie zmniejszyć zapotrzebowanie na dyspozycyjną generację gazową. 

Z pomocą symulatora systemu energetycznego Polski można oszacować, do jakiego poziomu zmalałoby roczne zapotrzebowanie na gaz (CH4), gdybyśmy mieli magazyny prądu (przez chwilę nie wnikając, czy elektrownie szczytowo-pompowe, czy baterie stacjonarne czy udostępnione dla celów sieciowych baterie pojazdów elektrycznych, czy w innych technologiach), o pojemności: 

Widać, że wzrost pojemności magazynów redukuje zapotrzebowanie na prąd z elektrowni gazowych – im większe te magazyny są, tym bardziej. 

Tu pojawia się oczywiście pytanie o to, jaka skala magazynów prądu jest realna. Czy wystarczy na to baterii oraz elektrowni szczytowo-pompowych (pominiemy tu na razie inne sposoby magazynowania)? Wystarczy, ale nie na najbardziej ambitne scenariusze (patrz dyskusja potencjału elektrowni szczytowo-pompowych oraz baterii w Polsce) – na razie do dalszych obliczeń przyjmiemy wariant magazynów prądu o pojemności 200 GWh. 

Elektrownie szczytowo-pompowe (ESP) 

Obecnie mamy w nich w Polsce blisko 10 GWh, planowana jest rozbudowa do 20 GWh. Pojawiają się propozycje zrobienia dużych ESP w odkrywkach w Turowie czy Bełchatowie, co potencjalnie pozwoliłoby osiągnąć do 200 GWh, ale nawet przy szybkim podjęciu decyzji, do 2050 r. nie rozpoczną one pracy. Realnie do końca lat 40. możemy więc tu mieć jakieś 20 GWh. 

Baterie 

Zacznijmy od kwestii samochodów elektrycznych, bo skala zapotrzebowania w tym sektorze przyćmiewa potrzeby bilansowania sieci. Żeby było jasne: jeśli chcemy mieć samochody i nie planujemy masowo przesiąść się na rowery, hulajnogi itp. oraz do pociągów, to elektryfikacja transportu drogowego jest w zasadzie jedyną sensowną opcją. Dlaczego wodór, e-paliwa i biopaliwa w transporcie rokują dużo gorzej, to temat na dłuższą historię i nie będziemy tego wątku tu rozwijać.  

Warto zaznaczyć, że zapotrzebowanie na elektromobilność i akumulatory będzie niezależne od tego, czy prąd będzie z elektrowni jądrowych czy z wiatru i PV. 

Zrealizowanie planu wymiany ok. 25 mln polskich samochodów osobowych na elektryki wymagałoby baterii o pojemności 25 mln · 60 kWh = 1500 GWh. 

Jeszcze kilka lat temu takie ilości baterii wydawały się nieosiągalne, jednak kolejne gigafabryki powstają bardzo szybko, a ich produkcja rośnie. W 2021 r. globalne zdolności produkcyjne wyniosły 700 GWh. Na 2030 r. planowane jest ich zwiększenie do 5500 GWh (i mowa tu o już planowanych fabrykach – co chwila deklaruje się powstanie nowych, przy zapotrzebowaniu na baterie w 2030 r. szacowanym na 8800 GWh rocznie). Tylko fabryka LG w Kobierzycach pod Wrocławiem zwiększa swoje zdolności produkcyjne do 100 GWh rocznie. 

Oszacujmy, czy to wystarczy. To, jakie będą zdolności produkcyjne za 20 lat, można tylko zgadywać. Załóżmy ostrożnie średnią produkcję baterii w ciągu następnych 20 lat na poziomie 10 000 GWh rocznie, czyli w sumie 200 000 GWh. Przyjmując, że wyprodukowane baterie będą trafiać do poszczególnych krajów proporcjonalnie do ich PKB, to do Polski (odpowiadającej za 1% globalnego PKB liczonego siłą nabywczą) trafią baterie o pojemności 2000 GWh (2 TWh). O jedną trzecią więcej, niż potrzeba  dla samochodów osobowych. 

Ale oprócz nich mamy też pojazdy ciężarowe (obecnie drugie tyle zużycia energii, co pojazdy osobowe), zapotrzebowanie na baterie domowe, na stacjach ładowania pojazdów i do zastosowań sieciowych (magazynowanie i stabilizowanie prądu w sieci energetycznej). Oznacza to, że potrzebowalibyśmy jakieś dwa razy więcej baterii. Jest też możliwe, że za gwałtownym wzrostem zapotrzebowania na baterie nie nadąży wydobycie surowców (zresztą uciążliwe środowiskowo), ceny wzrosną, a w rezultacie tak wysoki wolumen produkcji nie zostanie osiągnięty. Rozsądniej byłoby więc zredukować zapotrzebowanie na baterie co najmniej dwukrotnie. Do tego będziemy potrzebować zmian systemowych, takich jak kopenhagizacja miast, eliminacja wykluczenia transportowego poza nimi, „TIRy na tory” itd. Przy 10 mln aut w Polsce, z umiarkowanej wielkości akumulatorami po 40 kWh, otrzymalibyśmy 400 GWh. Przyjmując zachowawczo, że 15% GWh z tych baterii samochodowych byłoby dostępne dla usług sieciowych, mielibyśmy do dyspozycji 60 GWh (załóżmy do tego konserwatywnie, że ciężkie pojazdy drogowe, jak ciężarówki i autobusy nie uczestniczyłyby w bilansowaniu sieci). 

Mamy więc 20 GWh w ESP oraz 60 GWh z baterii samochodowych. Do 200 GWh brakuje więc jeszcze 120 GWh w bateriach stacjonarnych (łącznie domowe, sieciowe, na stacjach ładowania pojazdów itd.). Te 120 GWh to 3 kWh na osobę, co mniej więcej odpowiada pojemności 4 standardowych akumulatorów samochodowych 80 Ah. Albo inaczej: te 120 GWh to trochę ponad rok produkcji jednej fabryki baterii pod Wrocławiem. Łącznie składa się to na 200 GWh. 

Te 200 GWh to jednak dużo… Docelowo zejdziemy do 100 GWh (20 GWh w ESP, 50 GWh z baterii pojazdów oraz 30 GWh z baterii stacjonarnych – to już tylko kwartalna produkcja fabryki w Kobierzycach). Zanim to zrobimy, trzeba będzie jednak jeszcze parę cegiełek do naszej układanki dodać – ale do tego dojdziemy w kolejnych scenariuszach. 

Tak wygląda zestawienie roczne produkcji prądu z wiatru i słońca (górny wykres) ze stanem naładowania magazynu (dolny wykres). 

Górny wykres: produkcja energii z wiatru i słońca (PV). Dolny wykres: stan naładowania magazynu o pojemności 200 GWh w naszym scenariuszu od początku do końca roku. Zimą (początek wykresu: styczeń oraz koniec: grudzień) magazyn szybko ładuje się w pełni w okresach dużej wietrzności, a rozładowuje w okresach braku wiatru. Z kolei latem (środek wykresu) magazyn jest zwykle przynajmniej częściowo naładowany, ładując się w dzień, a oddając energię do sieci w nocy.

A tak wygląda zbliżenie na dostawy energii w przykładowych miesiącach różnych pór roku.  

Jak poprzednio, ale dodatkowo z magazynowaniem energii. Kreskowane niebieską falką pola pokazują pobór energii z magazynu. Ma to miejsce wtedy, gdy po okresie nadwyżek energii pojawiają się jej niedobory. Po pewnym czasie, gdy magazyn ulega rozładowaniu, brakująca energia jest uzupełniana przez dyspozycyjną generację gazową.

Widać, że zapotrzebowanie na dyspozycyjną generację gazową (szare pola) mocno spadło. Przeanalizowanie sytuacji godzina po godzinie pokazuje, że wprowadzenie magazynowania energii zmniejsza zapotrzebowanie na dyspozycyjną generację gazową z 20 TWh do 7 TWh rocznie, a ilość potrzebnego w tym celu metanu spada z 4,1 do 1,5 mld m3.  

Podsumowanie zużycia energii w TWh rocznie (na górze) oraz jej produkcji (na dole) z podziałem na źródła.

Taką ilość można bezproblemowo zapewnić z samego biometanu z odpadów organicznych, bez żadnych upraw energetycznych. A nawet gdyby miał to być gaz ziemny, to polskie emisje CO2 z całej produkcji prądu zmalałyby do zaledwie… 3 mln ton (w porównaniu z ok. 140 mln ton obecnie)! Nawet gdyby dyspozycyjnym źródłem energii były elektrownie węglowe, emisje wyniosłyby 9 mln ton; a przy racjonalnym podziale po połowie między węgiel i gaz ziemny – 6 mln ton. 

Czyżbyśmy więc skutecznie rozwiązali problem emisji i pozbyli się paliw kopalnych, do tego bez sięgania po elektrownie atomowe? Niezupełnie: prąd zaspokaja tylko część naszych potrzeb energetycznych – gdy dojdą do tego elektryfikacja transportu, ogrzewania oraz procesów przemysłowych, zużycie prądu mocno wzrośnie. 

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