Potencjał efektywności energetycznej kołem ratunkowym dla

Waldemar Jędral1)
Politechnika Warszawska
Instytut Techniki Cieplnej
Potencjał efektywności energetycznej
kołem ratunkowym dla gospodarki
Potential of energy efficiency
as a lifebelt to economy
W Europie i na świecie rozpoczęła się już rewolucja w obszarze użytkowania i wytwarzania energii. Główną przyczyną jest
walka z globalnym ociepleniem i emisją do atmosfery dwutlenku
węgla, uważanego za głównego sprawcę ocieplenia. Twierdzi
się, że emisję spowodowaną działalnością człowieka należy radykalnie obniżyć, aby zapobiec katastrofie klimatycznej. Wartość
wprowadzonej w UE obligatoryjnej obniżki emisji CO2 – o 20%
do roku 2020, podwyższy się zapewne do 30%, zaś w roku 2050
z 50% – do 80%. Jednym ze sposobów wymuszenia tego są
ostre i szybko malejące w kolejnych latach limity bezpłatnych
emisji, których przekroczenie będzie niosło dotkliwe skutki finansowe dla emitentów i całych gospodarek.
W celu radykalnego obniżenia emisji CO2 dąży się do zbudowania w ciągu najbliższych 20-40 lat niskoemisyjnej gospodarki, w tym – energetyki [1,2], m.in. przez stopniową eliminację
energetyki węglowej [3], szeroki rozwój źródeł odnawialnych
i wykorzystanie znacznego potencjału efektywności energetycznej. Niewiele się mówi natomiast o przyszłych źródłach dużej
mocy; sprawia to wrażenie, że w nieodległej przyszłości powinny
one całkowicie zaniknąć. Także, rysując obiecujące perspektywy
lat 2050-tych nie wskazuje się, jak możliwie bezboleśnie przebyć
okres przejściowy najbliższych kilkudziesięciu lat.
Źródła dużej mocy
Obecnie możemy tylko domniemywać, jakie w roku 2050
i później będą stosowane metody wytwarzania energii i sposoby jej użytkowania. Być może, jeśli uda się zrealizować najbardziej śmiały ze scenariuszy przedstawionych np. w [2], nie będą
w ogóle potrzebne duże bloki energetyczne. Jednak w okresie
przejściowym niezbędne będzie posiadanie źródeł dużej mocy,
choćby do zasilania aglomeracji miejskich, takich, jak Warszawa. Konieczne jest więc szybkie oszacowanie, jaka powinna być
znamionowa moc źródeł, które niezwłocznie należałoby wybudować w celu zastąpienia najbardziej wyeksploatowanych bloków 125 MW i 200 MW (10 GW? 15 GW?), i jakiego rodzaju:
[email protected]
1)
kwiecień
2014
wysokosprawne węglowe na parametry supernadkrytyczne (ale
bez CCS) czy jądrowe, a może źródła obu rodzajów? Ze względu
na długi okres procesu inwestycyjnego decyzje powinny zostać
podjęte właściwie natychmiast i konsekwentnie realizowane.
Deficyt mocy
Ponad 50% mocy polskich elektrowni dostarczają bloki węglowe ponad 30-letnie, niskosprawne (32-36%) i o coraz
gorszym stanie technicznym. Najstarsze z nich trzeba będzie już
wkrótce wycofać z eksploatacji. Tymczasem wypadają z planu
kolejne bloki węglowe, przewidywane w elektrowniach Opole
i Ostrołęka, blok gazowy w Puławach; pod znakiem zapytania
stanęła budowa Elektrowni „Północ” koło Pelpina, oprotestowana przez ekologów [4]; coraz bardziej odwleka się ustalenie lokalizacji pierwszej polskiej elektrowni jądrowej, z której – jeśli powstanie, prąd popłynie dopiero ok. 2024 r. Wobec przyjętych założeń, dotyczących wycofywania mocy wytwórczych, w 2017 r.
wystąpi deficyt mocy rzędu 1100 MW [5], zaś zwłoka w budowie
nowych mocy sprawi, że deficyt ten może się szybko pogłębić.
Polsce grozi więc poważny kryzys, a może wręcz katastrofa
energetyczna, której nie zapobiegnie mocno lansowana budowa
dużych farm wiatrowych. Należy tu zauważyć, że w celu wyprodukowania w ciągu roku takiej samej ilości energii elektrycznej
jak z bloku jądrowego lub nowoczesnego bloku węglowego (bez
instalacji CCS) o mocy 1000 MW należałoby postawić kilka farm
wiatrowych liczących łącznie 1500 turbin o mocach po 3 MW
[6,7]. Jest to całkowicie nierealne, nie mówiąc już o ogromnych
kosztach takich farm, wskutek konieczności zbudowania równocześnie wspomagających elektrowni gazowych oraz baterii akumulatorów.
Co zamiast bloków węglowych?
Pisze się wiele o konieczności rozwoju energetyki wiatrowej
i o znaczeniu elektrowni solarnych. Oba te sposoby wytwarzania
energii są znakomite, ale w źródłach rozproszonych. O ­dużych
www.energetyka.eu
strona 225
farmach wiatrowych była mowa wyżej. Duże elektrownie fotowoltaiczne wymagałyby w polskich warunkach ogromnych
powierzchni, rzędu co najmniej 20 km2 na 1 GW [6,7]. Według
[8] średniej wielkości przedsiębiorstwo produkcyjne potrzebuje
strumienia energii przechwyconego z 25 m2 elektrowni solarnej
na każdy metr kwadratowy powierzchni produkcyjnej przedsiębiorstwa. Kolektory słoneczne nadają się zaś głównie do podgrzewania wody użytkowej w małych instalacjach domowych
i w obiektach użyteczności publicznej.
Perspektywy wykorzystania w Polsce innych źródeł odnawialnych do produkcji energii na większą skalę omówiono w [7].
Mówiąc najkrócej:
• możliwości budowy w Polsce nowych elektrowni wodnych
są bardzo ograniczone,
• współspalanie biomasy (czytaj: dobrego drewna) w kotłach
energetycznych jest już powszechnie krytykowane i jak najszybciej powinno przestać być traktowane jako sposób produkowania „zielonej” energii 2),
• biopaliwa, a ściślej – negatywne skutki ich produkcji, są również coraz częściej krytykowane, także w oficjalnych raportach UE2),
• geotermia jest doskonała jako zbiór wielu źródeł rozproszonych, ale do celów ogrzewnictwa, a nie produkcji energii
elektrycznej.
Z kolei budowa elektrowni jądrowych, ciągle stoi pod dużym znakiem zapytania.
Alternatywne źródła energii nie są więc w najbliższej przyszłości sposobem na produkcję energii elektrycznej na dużą skalę.
Sukcesywna eliminacja najstarszych elektrowni węglowych, bez
natychmiastowego podjęcia działań kompensacyjnych, doprowadzi wkrótce do konieczności importu znacznych ilości energii elektrycznej z państw sąsiednich, m.in. z budowanej w okręgu królewieckim elektrowni jądrowej. Inny możliwy skutek, to powrót stopni
zasilania i wyłączeń całych grup odbiorców energii elektrycznej.
Rozwiązania racjonalne
Nawet, jeśli spełni się prognoza, że po 2080 r. (2050?) energetyka węglowa w Polsce nie będzie już potrzebna, to do tego
czasu będą musiały funkcjonować duże, wysokosprawne bloki
na węgiel lub gaz ziemny i/lub jądrowe. Rząd Polski powinien
zdecydowanie przeciwstawiać się zbyt szybkiemu tempu obowiązkowego ograniczania emisji CO2 przez energetykę i przemysł. Równocześnie, zdając sobie sprawę z ograniczonych
szans na sukces, powinien spowodować:
• jak najszybsze ustalenie minimalnej liczby, rodzaju i lokalizacji dużych, wysokosprawnych i niskoemisyjnych bloków
energetycznych,
• jak najszybsze uruchomienie pierwszych procesów inwestycyjnych,
• stworzenie warunków do możliwości natychmiastowego
sięgnięcia po koło ratunkowe, jakim jest wykorzystanie potencjału efektywności energetycznej, wspomaganego przez
możliwie szeroki rozwój małych, rozproszonych i rozsianych
źródeł odnawialnych.
Bardzo wiele doniesień można znaleźć m.in. na portalu
www.chronmyklimat.pl
2)
strona 226
Potencjał efektywności energetycznej,
jego zalety i wykorzystanie
Ocenia się, że energochłonność polskiej gospodarki w 2010
roku była ponad dwukrotnie wyższa niż średnia w UE [9,10], przy
bardzo wolnym tempie wzrostu oszczędności energii [9].
Równocześnie szacuje się ilość energii elektrycznej możliwej do zaoszczędzenia w wyniku różnorodnych działań modernizacyjnych na co najmniej 25-30% jej aktualnej produkcji [10,11],
tj. obecnie 40-47 TWh/rok. Jeszcze większe oszczędności przewiduje się w zużyciu ciepła do ogrzewania budynków mieszkalnych i usługowych [2]. Z tego względu efektywność energetyczna nazywana jest „czwartym paliwem” [9].
Wykorzystanie potencjału efektywności w zakresie energii
elektrycznej pozwoliłoby na szybkie wycofanie z eksploatacji najstarszych, niskosprawnych i mało produktywnych bloków węglowych o łącznej mocy (uwzględniając 10% straty przesyłu) nawet
8400 - 9800 MW. Równocześnie przewidując wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną, choćby z powodu spodziewanego
rozwoju przemysłu, można by rozpocząć i racjonalnie rozłożyć
w czasie budowę nowych, wysokosprawnych bloków węglowych lub jądrowych o łącznej mocy co najmniej 5500 - 7000 MW,
o wysokim stopniu wykorzystania mocy zainstalowanej.
Dodatkowe, bardzo ważne zalety uruchomienia zasobów
efektywności energetycznej, to:
• bardzo krótki okres zwrotu kosztów modernizacji proefektywnościowych; w przypadku modernizacji u odbiorców
końcowych w przemyśle i gospodarce komunalnej jest on
zwykle rzędu 1-2 lat, choć w wielu przypadkach – często
poniżej 1 roku [12],
• podobnego rzędu, a wyjątkowo – niewiele dłuższy, okres
zwrotu kosztów modernizacji wielu instalacji potrzeb własnych w elektrowniach i elektrociepłowniach [6],
• 3- do 6-krotnie, a niekiedy nawet 10-krotnie mniejsze nakłady inwestycyjne na uzyskanie 1 kW zaoszczędzonej mocy
niż w przypadku budowy najtańszego z nowych źródeł, jakim jest elektrownia gazowa,
• zmniejszenie emisji CO2 , w skali całej gospodarki, rzędu 3441 Mton CO2 /rok,
• w porównaniu z budową nowych źródeł – brak dodatkowych
kosztów, związanych z terenem pod budowę, infrastrukturą,
paliwem, obsługą, płacami personelu,
• zmniejszenie obciążenia i strat w sieci przesyłowej.
Wobec znacznych już opóźnień w rozpoczęciu budowy
nowych źródeł dużej mocy i nieuniknionej rozciągłości czasowej
budowy dużej liczby małych źródeł rozproszonych i rozsianych,
kluczowa wydaje się szybkość wykorzystania zasobów efektywności energetycznej. Okres wykonania modernizacji proefektywnościowych nie przekracza na ogół 1,5-2 lat, wyliczając czas na
wykonanie projektu oraz ogłoszenie i rozstrzygnięcie przetargu
na zakup niezbędnych urządzeń.
Zdecydowane sięgnięcie po zasoby efektywności energetycznej pozwoli z jednej strony na uniknięcie deficytu mocy,
z drugiej zaś – na wydatne zmniejszenie opłat za przekroczenia
limitów emisji CO2. Potrzebne są jednak szybkie działania i to
nie w formie systemu różnokolorowych certyfikatów i mechanizmu ich umarzania, ale w postaci konkretnych pieniędzy za
udokumentowaną, zaoszczędzoną w ciągu roku ilość energii
– na przykład – 0,10 zł/kWh. Za zaoszczędzone w ciągu roku
www.energetyka.eu
kwiecień
2014
10 TWh energii elektrycznej beneficjenci uzyskaliby wówczas
miliard złotych, podczas gdy uzyskanie takiej samej ilości energii wymagałoby zbudowania nowoczesnego bloku węglowego
lub jądrowego o produktywności 8000 h/rok i mocy 1400 MW
(z uwzględnieniem 10% strat przesyłu) za sumę dziesięcio-piętnastokrotnie wyższą i w wielokrotnie dłuższym cyklu inwestycyjnym. Odpowiednie postanowienia wraz z ustaleniem sposobu
weryfikacji oszczędności, deklarowanych przez beneficjentów,
można by zawrzeć w jednym z rozporządzeń do obowiązującej
ustawy o efektywności energetycznej [13]. Przy tym beneficjentami mogliby być nie tylko odbiorcy końcowi, ale także producenci energii modernizujący instalacje potrzeb własnych. W tym
ostatnim przypadku premia mogłaby być niższa, np. 0,05 zł/kWh,
ponieważ zaoszczędzoną energię wytwórca mógłby sprzedać,
albo też zaoszczędzona energia mogłaby być potraktowana jako
energia „zielona”.
Rozproszone i rozsiane źródła odnawialne
W najbliższej perspektywie, to jest do roku 2030 (a może
i 2050) z pewnością nie uda się oprzeć całego systemu elektroenergetycznego na źródłach odnawialnych. Źródła te, zwłaszcza rozproszone i rozsiane3) o niewielkich mocach, mogą jednak w znacznym stopniu odciążyć „dużą” energetykę. Dotyczy
to zarówno źródeł energii elektrycznej jak i źródeł ciepła. Geotermia, pompy ciepła, gaz z wysypisk i oczyszczalni ścieków,
słoma i inne odpady z produkcji rolnej i leśnej, małe wiatraki,
niewielkie kolektory słoneczne i panele fotowoltaiczne, a także
mikroelektrownie wodne powinny otrzymać „zielone światło”,
zwłaszcza w postaci uproszczenia strony formalnoprawnej ich
budowy. Szeroki rozwój takich źródeł, wspierających zasoby
efektywności energetycznej, może być dodatkowym sposobem
uniknięcia kryzysu energetycznego, a także nadmiernych opłat
emisyjnych.
Rzeczywiste powody odchodzenia
od spalania paliw kopalnych
Dwutlenek węgla ogłoszono wrogiem ludzkości, sprawcą
nadchodzącej katastrofy klimatycznej. Z tego powodu dąży się
do szybkiego wyeliminowania spalania paliw kopalnych i przestawienia całych gospodarek, zwłaszcza w UE, na źródła odnawialne. Tymczasem nie ma żadnych dowodów, że to CO2 emitowany w wyniku działalności człowieka (5% całej jego emisji) jest
powodem globalnego ocieplenia. Jest to tylko wniosek wyciągany z analizy wyników rozwiązań modeli klimatycznych, to jest
numerycznych rozwiązań równań opisujących zmienne w czasie
zjawiska zachodzące w atmosferze Ziemi, na jej powierzchni
i w oceanach. Są to bardzo złożone, nieliniowe równania różniczkowe, na których rozwiązania bardzo silnie wpływają warunki początkowe i brzegowe oraz wartości wielu współczynników
doświadczalnych, związanych m.in. z pochłanianiem/odbijaniem
promieniowania słonecznego od powierzchni Ziemi, oceanów
i obszarów lodowych, pochłanianiem CO2 przez lasy, naturalną
To znaczy służące tylko potrzebom własnym użytkowników (niepodłączone
do sieci)
3)
kwiecień
2014
emisją CO2 np. przez wulkany, z modelem turbulencji atmosfery
i wieloma innymi zjawiskami z zakresu ciepła i mechaniki płynów.
Niewielkie różnice wartości założonych wielkości mogą powodować znaczne różnice wyników; umiejętnie je zmieniając można
uzyskać dobrą zgodność z przyjętymi od hoc tezami.
Klimat na Ziemi zmieniał się od zawsze, z wahaniami
temperatur rzędu nawet ± 4 - 8oC. Przyczyną kolejnych ociepleń i ochłodzeń były zmiany natężenia promieniowania słonecznego docierającego do Ziemi, a nie działalność człowieka;
nie mógł on mieć np. wpływu na wielkie ocieplenie, w wyniku
którego zakończyła się ostatnia epoka lodowcowa i lodowiec
wycofał się m.in. z terenów dzisiejszej Polski. Można też łatwo
pokazać, że to powodowane przez Słońce zmiany temperatury
atmosfery są przyczyną zmian w niej zawartości CO2 , a nie na
odwrót [14,15].
Rzeczywiste powody, dla których powinno się w rozsądnym
tempie ograniczać spalanie paliw kopalnych, zwłaszcza węgla,
to:
• wyczerpywanie się zasobów węgla i wzrost kosztów jego
wydobycia,
• konieczność eliminacji wielu naprawdę szkodliwych zanieczyszczeń, powstających w procesie spalania (tlenki siarki
i azotu, pyły, metale ciężkie),
• ograniczanie wycinania lasów, powodowanego pozyskiwaniem drewna do współspalania,
• wyeliminowanie negatywnych skutków uprawy roślin energetycznych.
Paliwa są ponadto zbyt cennymi surowcami dla przemysłu
chemicznego, aby je tylko spalać.
Zmniejszenie emisji CO2 będzie korzystnym efektem ubocznym, dzięki któremu mniej (albo wcale) zapłacimy za przekroczenie limitów emisji, jeśli te będą utrzymane.
Warto podkreślić, że wprowadzenie nakazu stosowania
technologii CCS byłoby podwójnie niekorzystne, powodując
zwiększenie ilości spalonego węgla oraz generując ogromne
koszty związane z wychwytywaniem, skraplaniem, transportem
i magazynowaniem pod ziemią dużych ilości CO2 [16]. Bezpieczeństwo tego magazynowania jest zresztą poważnie kwestionowane. Wychwytywanie CO2 ze spalin miałoby sens tylko
wtedy, gdyby udało się opracować skuteczną technologię jego
przeróbki na paliwa ciekłe, po rozsądnych kosztach.
Podsumowanie
Należy racjonalnie, w procesie rozciągniętym, na co najmniej kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt lat, ograniczać spalanie węgla, z powodu wyczerpywania się zasobów i konieczności
zmniejszenia emisji zanieczyszczeń. Zmniejszenie emisji CO2
będzie korzystnym skutkiem dodatkowym.
Odważne sięgnięcie do zasobów efektywności energetycznej na dużą skalę jest najszybszym i najtańszym sposobem
kompensacji ubytku mocy spowodowanego wycofaniem z użytkowania najstarszych bloków węglowych. Wymaga to jednak dodatkowych regulacji / zachęt dla odbiorców końcowych.
Ważnym, choć wolniejszym, działaniem wspomagającym
będzie wspieranie na dużą skalę rozproszonych, małych źródeł
odnawialnych, zamiast forsowania źródeł dużych mocy, zwłaszcza dużych farm wiatrowych.
www.energetyka.eu
strona 227
PRZY WSPÓŁPRACY Z
Do roku 2050, a być może jeszcze dłużej, konieczne będzie
eksploatowanie pewnej liczby dużych, wysokosprawnych bloków węglowych i/lub jądrowych. Konieczne jest jak najszybsze
uruchomienie procesu ich budowy.
Powyższe przedsięwzięcia powinny być uzupełniane energicznymi działaniami kolejnych rządów w celu racjonalizacji limitów emisji CO2, narzuconych przez Komisję Europejską oraz
zaniechania forsowania pomysłu wychwytywania CO2 ze spalin
i magazynowania go pod ziemią.
Piśmiennictwo
ORGANIZUJE XV KONFERENCJĘ NAUKOWO-TECHNICZNĄ
UDZIAŁ CHEMII
ENERGETYCZNEJ
WE WZROŚCIE
EFEKTYWNOŚCI
URZĄDZEŃ
Wisła, Hotel STOK, 21-23 maja 2014 r.
T E M A T Y K A
K O N F E R E N C J I
Stara/nowa energetyka – aktualne problemy wodno-cheBloki energetyczne na parametry nadkrytyczne –
miczne
nowe wyzwania dla chemii energetycznej Nowe wytyczne
dotyczące jakości czynnika w obiegach wodno-parowych
Spalanie niskoemisyjne – rozwiązania, efekty, potrzeby. Bilans
zysków i strat
Trwałość powierzchni ogrzewalnych po proekologicznej modernizacji kotłów Chemiczne oczyszczanie
kotłów i innych instalacji technologicznych
Zabezpieczenia
antykorozyjne urządzeń energetycznych na czas postojów
Zarządzanie wiedzą o stanie technicznym urządzeń – zdalny
nadzór diagnostyczny
Nowe technologie i usługi z zakresu
chemii energetycznej oraz ochrony środowiska
www.pronovum.pl
PATRO NI MEDI A L NI
PRZEGLĄD
ENERGETYCZNY
strona 228
[1] Niskoemisyjna Polska. Refleksje autorskie. Instytut na rzecz
Ekorozwoju. Warszawa 2012.
[2] 2050.pl-podróż do niskoemisyjnej przyszłości. Instytut Badań
Strukturalnych; Instytut na rzecz Ekorozwoju; European Climate
Foundation. Warszawa 2013.
[3] Wilczyński M., Zmierzch węgla kamiennego w Polsce,
www.chronmyklimat.pl/publikacje/książki-raporty/15913zmierzch-węgla-kamiennego-w-polsce.
[4] Organizacje ekologiczne chcą unieważnienia decyzji środowiskowej dla elektrowni „Północ”. www. chronmyklimat.pl, opubl.
27-08-2013.
[5] Czy grozi nam deficyt mocy szczytowych? www.chronmyklimat.pl,
opubl. 22-08-2013.
[6] Jędral W., Porównanie kosztów wykorzystania zasobów efektywności energetycznej w energetyce i ciepłownictwie z kosztami budowy nowych źródeł energii. Energetyka 3-4 (2012), s. 177-182.
[7] Jędral W., Odnawialne źródła energii – tak, ale jakie? Rynek Instalacyjny, 9 (2012), s. 25-27.
[8] Malko J., Wojciechowski H., Produktywność a zrównoważona
energia. Case Study: USA. Instal, 3 (2013), s. 14-18.
[9] Arcipowska A., Tomaszewska A., Efektywność zużycia energii.
Instytut na rzecz Ekorozwoju, Warszawa 2012.
[10] Bez odpowiedniej polityki klimatycznej Polska skazuje się na
zacofanie. www.chronmyklimat.pl, opubl. 27-02-2013.
[11] Jędral W., Efektywność energetyczna w Polsce. Wykorzystanie
potencjału efektywności energetycznej czy budowa nowych
źródeł energii? Rynek Instalacyjny (4) 2012, s. 34-36.
[12] Jędral W., Efektywność energetyczna jako ważny zasób energetyczny – porównanie z wybranymi źródłami energii. Rynek
Energii, (4) 2011, s. 90-96.
[13] Ustawa o efektywności energetycznej z 15 kwietnia 2011 r.
(Dz.U. nr 94 z 2011 r., poz. 551 z późn. zmianami).
[14] Jędral W., Wpływ antropogennej emisji CO2 na zmiany klimatyczne na Ziemi. Archiwum Spalania, (1-2) 2009, s. 1-11.
[15] Jędral W., Z motyką na Słońce. O globalnym ociepleniu racjonalnie. Rynek Instalacyjny, (1-2) 2010, s. 32-35.
[16] Jędral W., Technologie CCS i ochrona klimatu – za i przeciw.
Rynek Energii, (3) 2010, s. 113-119.
W wykazach literatury do pozycji [6], [7], [12], [14]-[16] powołano się na bardzo wiele publikacji krajowych i zagranicznych, dotyczących wpływu CO2 na klimat, polityki klimatycznej, technologii
CCS oraz efektywności energetycznej, których nie umieszczono
w wykazie powyżej.
www.energetyka.eu
kwiecień
2014