Zrozumieć transformację energetyczną

Zrozumieć Transformację Energetyczną. Scenariusz 7: Plan, który się spina

Zrozumieć Transformację Energetyczną. Scenariusz 7: Plan, który się spina

Zrozumieć Transformację Energetyczną. Scenariusz 7: Plan, który się spina

Jak stworzyć w Polsce bezemisyjny system energetyczny? Oto scenariusz 7 – czyli plan, który się spina.

W poprzednim scenariuszu zobaczyliśmy, że scenariusz 100% OZE (90 GW w wietrze na lądzie + 30 GW w wietrze na morzu + 175 GW w PV + 200 GWh w magazynach prądu), wspomagany przez dyspozycyjne elektrownie gazowe zużywające rocznie 1,4 mld m3 metanu i po poprawie efektywności energetycznej, jest w stanie zapewnić prąd po zelektryfikowaniu transportu i ciepła. Mieliśmy też 320 TWh niewykorzystanych nadwyżek energii. 

Ale mamy też „zamiecione pod dywan” sektory trudne w bezpośredniej elektryfikacji: zakłady azotowe i rafinerie, żeglugę morską, lotnictwo, hutnictwo, produkcję cementu, paliwo dla ciężkiego sprzętu wojskowego i różną inną drobnicę. Tym sektorom też powinniśmy zapewnić energię. To miejsce dla bezemisyjnego wodoru oraz jego pochodnych (jak amoniak, e-paliwa itp.) Wytworzenie tego wodoru w elektrolizie wymagać będzie duuużo prądu. Co to znaczy „duuużo”? Bez poprawy efektywności energetycznej ok. 200 TWh, zaś po jej poprawie (w szczególności różnych zmianach systemowych) – ok. 120 TWh. Na pierwszy rzut oka ilość dostępnego „nadwyżkowego” prądu jest sporo większa od potrzeb, ale trzeba pamiętać, że w naszym scenariuszu z dużym udziałem wiatru i słońca czasem mamy tak duże nadwyżki prądu, że nie ma sensu budować elektrolizerów o tak dużej mocy (czyli części prądu nie wykorzystamy), a czasem nadwyżek nie będzie i elektrolizery będą stać bezużytecznie. Ze względów ekonomicznych przyjmuje się, że elektrolizery powinny być wykorzystane co najmniej przez 1/3 czasu. Więcej o wodorze. 

Dodamy też magazyny ciepła. Więcej o magazynowaniu ciepła.

W obliczeniach uwzględnimy też zarządzanie energią. Więcej na ten temat. 

Przypomnijmy: cały czas symulujemy polską samowystarczalność energetyczną (nie jest to optymalne z ekonomicznego punktu widzenia, ale pozwala zrozumieć skalę źródeł energii, magazynów itd.). 

Zacznijmy od scenariusza 100% OZE. Ponieważ już w poprzednim scenariuszu, bez magazynów ciepła i dostosowywania popytu, mieliśmy bardzo dużą nadprodukcję energii, zmniejszymy moc źródeł. Dodamy też zarządzanie popytem, magazyny ciepła i elektrolizery: 

  • wiatr na lądzie: 70 GW (obniżenie z 90 GW);
  • wiatr na morzu: 25 GW (obniżenie z 30 GW);
  • fotowoltaika: 125 GW (obniżenie ze 175 GW);
  • magazyny prądu o pojemności 100 GWh (zmniejszenie z 200 GWh);
  • magazyny ciepła o pojemności cieplnej 1500 GWh;
  • dodamy też 35 GW elektrolizerów.

Ilustracja 1 pokazuje sytuację z perspektywy zapotrzebowanie na energię (zużycie prądu przez elektrolizery pokazują zielone pola). 

Ilustracja 1. Zestawienie zapotrzebowania na energię w różnych sektorach polskiej gospodarki z produkcją prądu przez OZE jak w tekście. Po raz pierwszy pokazane jest zużycie prądu przez elektrolizery (zielone pola). Nastąpiło to dopiero w drugim tygodniu stycznia, bo najpierw ładowaliśmy magazyn ciepła (zainicjalizowany na początku roku z wypełnieniem w 50%). 

Ilustracja 1. Zestawienie zapotrzebowania na energię w różnych sektorach polskiej gospodarki z produkcją prądu przez OZE jak w tekście. Po raz pierwszy pokazane jest zużycie prądu przez elektrolizery (zielone pola). Nastąpiło to dopiero w drugim tygodniu stycznia, bo najpierw ładowaliśmy magazyn ciepła (zainicjalizowany na początku roku z wypełnieniem w 50%).

Elektrolizery włączają się wtedy, gdy dostępna jest nadwyżka prądu i wykorzystują tyle, ile są w stanie (w naszym scenariuszu 35 GW). Średnio rzecz biorąc elektrolizery wykorzystane są przez 41% czasu. Część energii marnuje się (białe pola między zieloną linią produkcji energii przez OZE a jej wykorzystaniem) – gdyby postawić więcej elektrolizerów, moglibyśmy część tej energii wykorzystać, ale wtedy elektrolizery pracowałyby przez mniej godzin w roku. Te 35 GW w sam raz pasuje do wykorzystania 120 TWh prądu do produkcji wodoru. 

Ilustracja 2 pokazuje sytuację nie od strony popytu, lecz podaży.  

Ilustracja 2. Zestawienie zapotrzebowania na energię (linia niebieska pokazuje popyt przed sygnałem taryf dynamicznych, linia czarna po jego uwzględnieniu) oraz jej produkcję przez farmy wiatrowe na lądzie i morzu oraz fotowoltaikę. Niebieskie pole z falką pokazuje pobór prądu z magazynów, a czerwone paskowane pole pobór ciepła z magazynów. 

Ilustracja 2. Zestawienie zapotrzebowania na energię (linia niebieska pokazuje popyt przed sygnałem taryf dynamicznych, linia czarna po jego uwzględnieniu) oraz jej produkcję przez farmy wiatrowe na lądzie i morzu oraz fotowoltaikę. Niebieskie pole z falką pokazuje pobór prądu z magazynów, a czerwone paskowane pole pobór ciepła z magazynów.

Niebieskiej linii zapotrzebowania przed zastosowaniem taryf dynamicznych towarzyszy czarna linia po ich uwzględnieniu. Widać, że w okresach niedoboru prądu zapotrzebowanie ulega redukcji, a w okresach nadprodukcji prądu – wzrostowi. Po dodaniu magazynów ciepła i wprowadzeniu taryf dynamicznych (w dość łagodnej wersji zresztą), generacja gazowa stała się prawie niepotrzebna. W ciągu roku zdarzają się sporadyczne krótkie okresy, kiedy uruchomilibyśmy ją na krótki czas.  

Te sytuacje widać dobrze na wykresie naładowania magazynu prądu, które w tych momentach są rozładowane. Stan naładowania magazynów prądu o pojemności 100 GWh w ciągu całego roku pokazuje Ilustracja 3. 

Ilustracja 3. Stan naładowania magazynu o pojemności 100 GWh w naszym scenariuszu od początku do końca roku. 

Ilustracja 3. Stan naładowania magazynu o pojemności 100 GWh w naszym scenariuszu od początku do końca roku.

Magazyny prądu, nawet w tak niewielkiej ilości (przypomnę: 20 GWh w ESP, 50 GWh w bateriach samochodów, oraz 30 GWh w bateriach stacjonarnych – sieciowych, domowych i stacji ładowania – łącznie 100 GWh) sprawdzają się bardzo dobrze. Właściwie nie trzeba w nie specjalnie inwestować, bo auta będą kupione tak czy inaczej, a w świecie taryf dynamicznych wraz z bateriami stacjonarnymi będą aktywną częścią systemu energetycznego. 

Problem zimowego zapotrzebowania na ciepło i tego, że zimą wiatr, choć średnio rzecz biorąc wieje mocno, to miewa kilkudniowe przerwy, elegancko załatwiło nam magazynowanie ciepła. 

Ilustracja 4 pokazuje stan naładowania magazynu ciepła o pojemności cieplnej 1500 GWh w naszym scenariuszu od początku do końca roku.  

Ilustracja 4. Stan naładowania magazynu ciepła o pojemności cieplnej 1500 GWh w naszym scenariuszu od początku do końca roku. Magazyn jest cały czas mniej lub bardziej naładowany. Jeśli chcemy mieć większy bufor w sytuacji szczególnie niekorzystnych warunków pogodowych, można zwiększyć do powiedzmy 2000 GWh – więcej nie ma sensu, bo wykorzystanie magazynów byłoby już zbyt rzadkie, by było opłacalne.  

Ilustracja 4. Stan naładowania magazynu ciepła o pojemności cieplnej 1500 GWh w naszym scenariuszu od początku do końca roku. Magazyn jest cały czas mniej lub bardziej naładowany. Jeśli chcemy mieć większy bufor w sytuacji szczególnie niekorzystnych warunków pogodowych, można zwiększyć do powiedzmy 2000 GWh – więcej nie ma sensu, bo wykorzystanie magazynów byłoby już zbyt rzadkie, by było opłacalne.

Magazyn jest cały czas mniej lub bardziej naładowany. Jeśli chcemy mieć większy bufor w sytuacji szczególnie niekorzystnych warunków pogodowych, można go zwiększyć do powiedzmy 2000 GWh – więcej nie ma sensu, bo wykorzystanie magazynów byłoby już zbyt rzadkie, by było opłacalne. 

Można wręcz zadać pytanie, czy w takim systemie w ogóle warto bawić się w kogenerację (uwaga: piszę tu o stanie docelowym, w którym zapotrzebowanie na dyspozycyjne źródła energii będzie bardzo niewielkie; w najbliższych latach, kiedy to źródła energii bazujące na spalaniu będą wciąż wykorzystywane na znaczącą skalę, kogeneracja jest jak najbardziej wskazana). Może lepiej postawić elektrownie gazowe jako dyspozycyjne źródła energii bez kogeneracji? Wyjdzie taniej i przy trochę wyższej sprawności. Wpływa to też na dobór miejsc do budowy elektrowni gazowych: przy pracy z kogeneracją stawialibyśmy je w pobliżu miejsc odbioru ciepła; gdy nie jest to potrzebne, możemy stawiać je w miejscach dogodnego magazynowania dużych ilości gazu, takich jak kawerny solne. Ale w sumie to drobiazg. 

Spójrzmy jeszcze na bilans zużycia i produkcji energii, pokazany na Ilustracji 5. pokazującej podsumowanie zużycia energii w TWh rocznie (na górze) oraz jej produkcji (na dole) z podziałem na źródła.  

Ilustracja 5. Podsumowanie zużycia energii w TWh rocznie (na górze) oraz jej produkcji (na dole) z podziałem na źródła. 

Ilustracja 5. Podsumowanie zużycia energii w TWh rocznie (na górze) oraz jej produkcji (na dole) z podziałem na źródła.

W ciągu roku źródła dyspozycyjne dostarczają 3 TWh prądu. Wystarczyłoby do tego celu 0,6 mld m3 metanu. Z punktu widzenia zapotrzebowania na gaz (czy to biometan, czy wodór) to bardzo małe ilości. 

A co, jeśli trafiłby się gorszy rok dla produkcji prądu z OZE? Co prawda rok 2021 już i tak był rokiem słabych warunków pogodowych dla OZE (szczególnie wietrzności), ale może być przecież gorzej… Zróbmy skrajnie brutalne stress-testy i zasymulujmy, jak wiele energii ze źródeł dyspozycyjnych potrzebowalibyśmy, gdyby przez cały styczeń nie było nawet tchnienia wiatru i promienia słońca, a do tego nieprzerwanie utrzymywałaby się średnia dzienna temperatura minus 15°C. Jedziemy tu maksymalnie po bandzie zarówno z brakiem wiatru i słońca, jak i temperaturą – tak zimnego stycznia nie było w całej historii pomiarów prowadzonej od XVIII wieku. 

W przypadku wystąpienia takiej sytuacji, potrzebowalibyśmy dodatkowo 3,4 mld m3 gazu ziemnego, czyli łącznie w ciągu roku 4 mld m3. Polskie magazyny gazu ziemnego pozwalają dziś zmagazynować 3,2 mld m3, a w planach jest rozbudowa ich pojemności do blisko 6 mld m3. Wystarczy to nawet w przypadku wystąpienia tak skrajnie ekstremalnej sytuacji pogodowej. Jeśli chcemy jeszcze bardziej zwiększyć margines bezpieczeństwa i mieć jeszcze większą „baterię” w zmagazynowanym gazie, powiedzmy o pojemności 10 mld m3, możemy to zrobić za kwotę dodatkowych kilkunastu mld zł, czyli równowartość kosztu kilkudziesięciu dni importu paliw kopalnych. 

Można też skorzystać z magazynów sąsiadów – dużo mniejsze od Polski Czechy, Węgry czy Austria posiadają magazyny gazu po ok. 4 mld m3, Niemcy mają 20 mld m3, a Ukraina 32 mld m3. Możemy też wspomóc się importem energii z innych krajów, bo nawet jeśli nie wiałoby nad naszym terytorium, to wiałoby wtedy gdzie indziej. 

Jak ktoś chce, można też zmniejszyć ilość wiatru i PV, wprowadzając trochę atomu. Będzie drożej, później, z mniejszymi korzyściami dla polskiej gospodarki oraz paroma innymi problemami, ale też zadziała. W skrajnym przypadku scenariusza „100% atomu, bez OZE”, moc elektrowni jądrowych pozwalająca na zaspokojenie potrzeb energetycznych (wraz ze 120 TWh na elektrolizę) wyniesie trochę ponad 50 GW. Dla porównania – to trochę większe moce w energetyce jądrowej niż w 2021 roku miały Chiny.


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

Podobne wpisy