Zrozumieć transformację energetyczną. Scenariusz 3: Elektryfikacja transportu i ciepła
Jak stworzyć w Polsce bezemisyjny system energetyczny? Oto kolejny element układanki: scenariusz 3.
Transport
Zelektryfikowanie obecnego transportu drogowego (czyli zamiana 1:1 wszystkich jeżdżących dziś po drogach pojazdów, zarówno osobowych jak i ciężarowych na elektryczne) to wzrost zapotrzebowania na prąd o 100 TWh.
Zużycie paliw ciekłych w transporcie w Polsce to ok. 1000 PJ, albo średnio ok. 20 kWh na Polaka dziennie, a biorąc pod uwagę średnią sprawność silnika samochodu spalinowego na poziomie 30%, energia użyteczna to ok. 6 kWh/o/d (Czyli 6 kWh na osobę (Polaka) dziennie). Na transport drogowy przypada ponad 90% zużycia energii (mniej więcej 5,5 kWh/o/d), na nim się więc skupimy. Gdyby wymienić samochody spalinowe, zarówno osobowe, jak i ciężarowe, na elektryczne, dla zapewnienia tych 5,5 kWh/o/d „na kołach”, ze względu na dużo wyższą sprawność silników elektrycznych (sprawność silnika elektrycznego to ok. 95%, a z całością cyklu przesyłu prądu, ładowania baterii, zmiany prądu stałego na przemienny ok. 80%), wystarczyłoby nam do tego niecałe 7 kWh/o/d energii elektrycznej.
Transport szynowy (tramwaje i pociągi) jest już w większości (licząc przewozy pasażerokilometrami i tonokilometrami) zelektryfikowany (to raptem ok. 3% obecnego zużycia prądu, zresztą już uwzględnione w naszej symulacji). Lotnictwo dalekodystansowe i transport morski wymagałyby zbyt dużych i ciężkich baterii, żeby ich elektryfikacja w oparciu o obecnie dostępne technologie była wykonalna – na razie niech nam wystarczy informacja, że oba te sektory łącznie to tylko kilka procent zużycia energii. Dla prostoty oszacowań na razie je zignorujemy, ale ponieważ zdecydowanie nie można „zamieść ich pod dywan”, więc temu, co z nimi zrobić, przyjrzymy się w dalszej części książki.
Te 100 TWh prądu rocznie, czyli 100 000 GWh, w pierwszym przybliżeniu rozłożonych po równo na 8760 godzin w ciągu roku, daje średnie zapotrzebowanie na prąd do zasilania transportu na poziomie 100 000/8760 = 11,4 GW.
Transport szynowy (tramwaje i pociągi) jest już w większości (licząc przewozy pasażerokilometrami i tonokilometrami) zelektryfikowany (to raptem ok. 3% obecnego zużycia prądu, zresztą już uwzględnione w naszej symulacji). Lotnictwo dalekodystansowe i transport morski wymagałyby zbyt dużych i ciężkich baterii, żeby ich elektryfikacja w oparciu o obecnie dostępne technologie była wykonalna – na razie niech nam wystarczy informacja, że oba te sektory łącznie to tylko kilka procent zużycia energii. Dla prostoty oszacowań na razie je zignorujemy. Ponieważ zdecydowanie nie można „zamieść ich pod dywan”, przyjrzymy się tym sektorom w dalszej części (oraz innym, których nie można bezpośrednio zelektryfikować, takim jak produkcja nawozów azotowych, ciężki sprzęt wojskowy itd.).
Ciepło
Ilość ciepła, którą przy obecnym zapotrzebowaniu trzeba użytecznie dostarczyć do domów i przemysłu, to ok. 280 TWh rocznie – z czego 170 TWh na ogrzewanie budynków, 40 TWh do ogrzewania wody, a 70 TWh na procesy przemysłowe (w większości są to para technologiczna i gorąca woda). Te 280 TWh to średnia moc 280 000/8760 = 32 GW. Zapotrzebowanie w ciągu roku nie jest jednak stałe.
Ilość ciepła potrzebnego do ogrzewania budynków zmienia się wraz z temperaturą zewnętrzną – potrzeby grzewcze są bardzo duże zimą, a zerowe latem. Miarą zapotrzebowania na ciepło są tzw. stopniodni grzewcze: jeśli średnia temperatura powietrza T danego dnia jest większa niż 15°C, przyjmuje się, że nie trzeba grzać; jeśli jest chłodniej, przyjmuje się, że liczba stopniodni jest równa 18°C-T. Przykładowo, jeśli średnia temperatura w jakimś dniu wynosi 10°C, liczba stopniodni wynosi 18-10 = 8; jeśli zaś średnia temperatura szczególnie mroźnego dnia wynosi -14°C, liczba stopniodni wynosi 18-(-14) = 32. W tym drugim przypadku potrzeby grzewcze są 4-krotnie większe niż w pierwszym. Te 170 TWh należy więc rozłożyć na dni roku proporcjonalnie do stopniodni w danym dniu, obliczonych w oparciu o dane meteorologiczne (w naszej symulacji w oparciu o dane rzeczywiste z 2021 roku).
Zapotrzebowanie na ciepłą wodę (40 TWh) można uznać za stałe.
Z kolei zapotrzebowanie na ciepło w przemyśle (70 TWh) w pierwszym przybliżeniu można uznać za proporcjonalne do zapotrzebowania na prąd w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym. Ponieważ w większości jest to ciepło wysokotemperaturowe, które będzie dostarczane za pomocą prądu, dodamy je jako bezpośrednie zużycie prądu, zwiększające pobór energii elektrycznej w KSE o 70 TWh rocznie, czyli 40% całkowitego zapotrzebowania 175 TWh w 2021 roku (część tego ciepła jest niskotemperaturowa i w związku z tym łatwiejsza do dostarczenia od ciepła wysokotemperaturowego, ale celowo podnieśmy sobie poprzeczkę). Łącznie odpowiada to wzrostowi zapotrzebowania na prąd z 85% obecnego (przypomnę, nie potrzebujemy już prądu do zasilania kopalń węgla i samych elektrowni węglowych) do 125%.
Rezultaty elektryfikacji transportu i ciepła
Uwzględnijmy to zapotrzebowanie w symulatorze systemu energetycznego Polski. Jak przy tych założeniach wyglądają rezultaty? Spójrzmy na zestawienie zapotrzebowania w naszych trzech sektorach z produkcją energii przez OZE (cały czas jak we wcześniejszych scenariuszach 50 GW w PV, 50 GW w wietrze na lądzie oraz 10 GW na morzu).
Zestawienie zapotrzebowania na energię w różnych sektorach polskiej gospodarki z produkcją prądu przez OZE jak w tekście.
Zapotrzebowanie na energię praktycznie przez cały czas przekracza poziom jej produkcji. To zresztą mało powiedziane, bo średnie niedobory energii wynoszą 33 GW, a maksymalne blisko 110 GW. I nic dziwnego, bo średnie zapotrzebowanie wynosi 60 GW, a maksymalne 120 GW.
Zapotrzebowanie silnie zmienia się wraz z porami roku – szczególnie wysokie jest zimą podczas mroźnych dni. 18 stycznia (na ilustracji środek trzeciego tygodnia stycznia), kiedy to podczas fali mrozów średnia dzienna temperatura w Warszawie (będącej miejscem referencyjnym dla średniej temperatury w Polsce) spadła poniżej -15°C, zapotrzebowanie na energię do samego ogrzewania sięga 72 GW!
Zobaczmy teraz tę samą sytuację nie od strony popytu, lecz produkcji energii. Jak wygląda uzupełnianie niedoborów za pomocą tak ładnie radzącej sobie wcześniej dyspozycyjnej generacji gazowej?
Zestawienie zapotrzebowania na energię (linia ciemnoszara) oraz jej produkcji przez farmy wiatrowe na lądzie i morzu oraz fotowoltaikę, uzupełnione o dyspozycyjną generację gazową (pracującą w kogeneracji, przeznaczającą 30% ciepła odpadowego na potrzeby grzewcze).
Potrzeba jej teraz bardzo, bardzo dużo. Zbyt dużo.
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 229 TWh, nadprodukcji energii praktycznie nie ma, prawie całe ciepło wytwarzane w kogeneracji jest wykorzystywane (poza 2 TWh latem, kiedy nie ma znaczącego popytu na ciepło).
Żeby zaspokoić zapotrzebowanie, elektrownie gazowe wytwarzają 229 TWh prądu, zużywając do tego blisko 50 mld m3 metanu. To ilość dalece wykraczająca poza możliwości wytwarzania biometanu, co oznacza spalanie olbrzymich ilości gazu ziemnego i emisje ponad 90 mln ton CO2 rocznie. A tych dyspozycyjnych elektrowni gazowych potrzebujemy… aż 84 GW. Sytuację trochę ratuje kogeneracja, czyli zaspokajanie potrzeb grzewczych za pomocą ciepła odpadowego z elektrowni gazowych. W symulacji przyjęliśmy szacunkowo, że do sieci ciepłowniczej trafia 30% ciepła odpadowego z elektrowni gazowych.
Przy niewielkiej ilości generacji gazowej, na poziomie kilku GW, ciepło odpadowe można sensownie wykorzystać w obszarach gęstej zabudowy z sieciami ciepłowniczymi. Jednak przy tak gigantycznych mocach, jak w tym scenariuszu, przyjęte tu wykorzystanie 30% ciepła odpadowego towarzyszącego produkcji prądu jest mocno optymistycznym założeniem. W kolejnych symulacjach dalej będziemy zakładać wykorzystanie tych 30% ciepła odpadowego.
Zauważmy jeszcze, że nasze magazyny prądu o pojemności 200 GWh niczemu sensownemu w tym scenariuszu nie służą. Magazyny – jak sama nazwa wskazuje – służą do magazynowania nadwyżek energii. Tutaj w ogóle nie ma nadwyżek energii, którą można by zmagazynować na później, tylko jej permanentne niedobory (jakaś nadwyżka pojawia się tylko sporadycznie podczas szczególnie słonecznych dni, kiedy fotowoltaika przez kilka godzin dostarcza dużo prądu).
Często można spotkać się z tezą, że system energetyczny oparty głównie na OZE nie może działać bez dużego wsparcia konwencjonalnych źródeł energii, a za przykład podaje się Niemcy, które pomimo rozbudowy dużych mocy w wietrze i PV, do uzupełnienia ich działania spalają dużo gazu i węgla. Widzieliśmy w poprzednim scenariuszu, że farmy wiatrowe i fotowoltaiczne o mocy tych zainstalowanych w Niemczech bardzo skutecznie mogą zasilać system energetyczny o zapotrzebowaniu na poziomie 150 TWh rocznie, z jedynie marginalnym zapotrzebowaniem na źródła dyspozycyjne. Tu widzimy, że gdy zapotrzebowanie na prąd jest rzędu 500 TWh rocznie (tak się składa, że takie właśnie jest niemieckie zużycie prądu), to źródła te są po prostu za małe. To, że Niemcy w celu produkcji prądu muszą spalać sporo węgla i gazu, nie świadczy o tym, że system oparty na wietrze i słońcu wymaga wsparcia elektrowni na paliwa kopalne, lecz o tym, że trzeba zbudować odpowiednią ilość OZE, w tym przypadku mniej więcej 3-krotnie większą.
Ponieważ obecne niemieckie OZE jak widać „nie dają rady”, w kolejnym scenariuszu zwiększymy ich moc, dodatkowo zaś sięgniemy po atom. Zobaczmy, na ile odmieni to sytuację i pozwoli odejść od paliw kopalnych w całej gospodarce.
Więcej materiałów na podstawie książki „Zrozumieć transformację energetyczną” wraz z symulatorem systemu energetycznego znajdziesz w tym miejscu.
