Mity i realia OZEkoncowy

MITY I REALIA TECHNOLOGII OZE
Autor: Jacek Malko, Henryk Wojciechowski - Instytut Energoelektryki Politechniki
Wrocławskiej
(„INSTAL” – nr 3/2011)
Wprowadzenie
Po szoku, jakim dla polskiej elektroenergetyki było ogłoszenie unijnego pakietu
energetyczno-klimatycznego, którego przesłanie zawiera się w czytelnym skrócie „3 x 20”,
zapowiadane jest dalsze zaostrzenie polityki restrykcji w zakresie dopuszczalnego poziomu
emisji gazów cieplarnianych (GHG). Poważne opracowania np. Europejskiego Forum
Klimatycznego [1] czy też PricewaterhouseCoupers [2] przygotowują grunt do regulacji,
przewidujących ograniczenie emisji równoważnika CO2 (CO2e) dla państw unijnych na
poziomie 80 % roku bazowego, co oznacza dla sektora elektroenergetyki redukcję na
poziomie (95 – 100) %. Analizowane ścieżki dojścia do tych poziomów rolę kluczową
przypisują technologiom, bazującym na zasobach odnawialnych (OZE) i stąd szczególna
waga rozwiązań na temat realnych możliwości tych rozwiązań. Interesującym przyczynkiem
do toczącej się dyskusji jest opublikowany przez Energy Business Daily przegląd dość
powszechnie przyjmowanych stwierdzeń o specyficznych cechach wybranych 10 technologii
i ocena prawdziwości tych poglądów [3]. „Debata pomiędzy zwolennikami OZE i energetyki
konwencjonalnej opiera się na wielu mitach. Spróbujmy zatem dokonać ich osądu” [3].
Mit 1. Pozyskiwanie energii solarnej jest zbyt kosztowne, aby mogła być powszechnie
stosowana
Dzisiejsze ciężkie i kosztowne panele fotowoltaiczne wykorzystują jedynie 10 %
energii słonecznej, ale szybki postęp działa w kierunku zmniejszenia grubości i ciężaru
urządzeń następnej generacji,
przechwytywanie energii słońca zachodzi z większą
sprawnością, a koszty ulegają drastycznemu obniżeniu. Dominująca na rynku firma „First
Solar” utrzymuje, że jej produkty zdolne będą od roku 2012 do wytwarzania energii
elektrycznej w krajach o korzystnych warunkach nasłonecznienia po kosztach
porównywalnych z wielkimi elektrowniami cieplnymi. Obecnie energia elektryczna z ogniw
fotowoltaicznych jest jednak wyraźnie bardziej kosztowna niż z innych źródeł. Jednakże,
jeżeli najbliższa sieć elektryczna jest dalej niż 10 km od odbiorcy, a zapotrzebowanie na
energię jest małe (np. pojedynczy dom), to nawet dziś może być bardziej opłacalne
zainstalowanie ogniw fotoelektrycznych.
Dwa główne typy systemów fotowoltaicznych naziemnych są możliwe do
wykorzystania w celu wytwarzania dużej ilości energii: instalacje umieszczone na
powierzchni ziemi, które mogą zaspokajać lokalne zapotrzebowanie gospodarstw wiejskich
oraz instalacje na budynkach z kolektorami o powierzchni (50-10000) m2 i średniej dziennej
produkcji (25-5000) kWh. W obu przypadkach można stosować kolektory z koncentracją
optyczną, czyli wykorzystujące promieniowanie słoneczne rozproszone, które w naszych
warunkach występuje najczęściej.
Rys. 1. Kolektory słoneczne
Szczególnie atrakcyjnym rozwiązaniem jest połączenie kolektorów termicznych z
fotowoltaicznymi w jeden system, ponieważ większość budynków potrzebuje zarówno ciepła,
jak i energii elektrycznej. W tym przypadku powierzchnia pochłaniająca kolektorów
cieplnych jest uformowana częściowo z ogniw słonecznych, które przetwarzają część
promieniowania w energię elektryczną, pozostałe zaś około 50% promieniowania
przekształcane jest w ciepło użytkowe. Chociaż w rezultacie tego połączenia sprawność
kolektorów fotowoltaicznych ulega zmniejszeniu, to jednak w sumie instalacje takie
pozwalają łącznie spożytkować do 60% promieniowania słonecznego oraz są bardziej
efektywne gdyż wykorzystywana jest wspólna powierzchnia dla kolektorów cieplnych i
fotowoltaicznych. Jest to typowy przykład mikrosieci inteligentnej (microgrid).
Mit 2. W jakim stopniu energetyka wiatrowa daje gwarancję niezawodności
W pewnych okresach roku 2008 elektrownie wiatrowe pokrywały niemal 40 %
potrzeb Hiszpanii. Niektóre tereny północnych Niemiec wytwarzają z wiatru więcej energii,
niż wynoszą ich potrzeby. Północna Szkocja może bez trudu produkować (10 – 15) % energii
elektrycznej wymaganej dla Wielkiej Brytanii przy kosztach zbliżonych do współczesnych
elektrowni, opalanych paliwami kopalnymi. Oceny mocy wiatru dokonywane są globalnie na
podstawie pomiarów i wyników modeli numerycznych. Archer i Jacobson [4 ] opracowali
mapy mocy wiatru na wysokości 80 m. Lokalnie oceny wiatru dokonuje się używając
mezoskalowych modeli numerycznych, które pozwalają na zejście do skali (2-10) km, a
oceny mocy wiatru na skali 100-200 m dokonuje się za pomocą prostszych modeli, często
uwzględniających lokalne warunki topograficzne.
Rys. 2 . prędkości wiatru na wysokości 80 m [4 ]
W Polsce tylko w niewielu miejscach sezonowo prędkość wiatru przekracza 4 m/s, co
uznawane jest za minimum, aby mogły pracować urządzenia prądotwórcze w elektrowniach
wiatrowych Średnia roczna prędkość wiatrów nad terytorium Polski wynosi 2,8 m/s w porze
letniej i 3,8 m/s w okresie zimy. Rola energii elektrycznej uzyskiwana z elektrowni
wiatrowych w bilansie energetycznym Polski jest niewielka. Z [5] wynika , że w 2009 roku
produkcja energii elektrycznej przez elektrownie wiatrowe wyniosła 1093 GWh, a
zapotrzebowanie energii elektrycznej (rozchód) w kraju wyniósł 159111 GWh, zatem udział
elektrowni wiatrowych stanowił 0,686 %. Moc zainstalowana w elektrowniach w kraju na
koniec 2009 roku wynosiła 35660,2 MW, a moc w elektrowniach wiatrowych 724,68 MW i
stanowi to 2,03 % mocy elektrowni systemu. Najlepiej rozwiniętą w Europie energetykę
wiatrową mają Niemcy.
Rys.3. Elektrownie wiatrowe w krajobrazie
Jednakże i oni mieli już okazję zetknąć się z problemem ciszy wiatrowej. W 2003 roku upalne
lato nad większością obszaru Europy spowodowało ciszę wiatrową o rozmiarach klęski:
stanęły wiatraki i gdyby nie konwencjonalne źródła energii, na wielu terenach zabrakłoby
prądu. Problem ciszy wiatrowej wydaje się być niedocenianą do tej pory przeszkodą w
planach wykorzystania energii wiatru. W Niemczech istnieje ok. 16 tysięcy turbin
wiatrowych, mogących zaspokajać do 15% zapotrzebowania na energię elektryczną, jednak
problemy ze zjawiskiem ciszy wiatrowej powodują, że produkują tej energii zaledwie 3%.
Mit 3. Energetyka wykorzystująca zasoby mareenergetyczne nie może odegrać istotnej roli
Skonstruowanie i wyprodukowanie instalacji, zdolnej przetrwać skrajnie niekorzystne
warunki oceaniczne stanowiło i nadal stanowi poważne wyzwanie i w ostatnich
dziesięcioleciach obfitowało w niepowodzenia. Jednak w roku 2008 brytyjczycy wybudowali
pierwszą turbinę, wykorzystującą pływy morskie w Strongford Longh (Irlandia Płn.) i z
powodzeniem współpracującą z siecią przesyłową. W Portugalii w odległości 5 km od
wybrzeża wybudowano zespół wytwórczy wykorzystujący na dużą skalę energię falowania.
Falujące pod wodą boje, połączone z pompami ciśnieniowymi, sprężają wodę i rurociągiem
pod ciśnieniem przepompowują na ląd , gdzie energia sprężonej wody w hydrogeneratorze z
turbiną Peltona zamieniana jest na energię elektryczną (rys.4). Woda po rozprężeniu wraca
rurociągiem z powrotem do pomp, gdzie zostaje ponownie sprężona.
Rys. 4. Zasada działania systemu CETO
Zasoby mareenergetyczne można pozyskiwać:
- z energii pływów (przypływy i odpływy) morskich (elektrownie pływowe)
- z energii fal (elektrownie maremotoryczne),
- z energii cieplnej wód (elektrownie maretermiczne),
- z różnic zasolenia wód (gradientu zawartości soli),
- z energii prądów oceanicznych (elektrownie maremotoryczne).
Energia fal morskich jest znacząco większa od energii pływów.
Na głębokiej wodzie, fale o wysokości 3 m i okresie falowania 8 sekund, pozwalają na
uzyskanie ok. 36 kW/m
Rys.5. Potencjał energetyczny fal morskich na świecie w kW/m
( źródło :www.greenstream.info.pl)
Mit 4. Energetyka nuklearna wytwarza energie elektryczną taniej niż inne niskowęglowe
źródła
Nowa elektrownia jądrowa na wyspie Olkiluoto (Finlandia) jest przekonującym
przykładem technologii kosztownej i nieprzewidywalnej. Uruchomienie , zaplanowanej na
rok 2008 przesunięto poza rok 2012. Skutki tego dla przewidywanych kosztów są znaczne :
przy podpisywaniu kontraktu na budowę oceniano koszt elektrowni na 3 mld Euro, ale
obecnie przewiduje się więcej niż podwojenie tej wartości. Nowa elektrownia w Normandii
przeżywa podobne kłopoty. W USA przedsiębiorstwa energetyczne redukują projekty
nuklearne w obawie przed nieprzewidywalną eskalację kosztów. Dzięki już pracującym na
świecie elektrowniom jądrowym do atmosfery trafia o ponad 2 mld ton rocznie mniej
dwutlenku węgla, co stanowi 1/3 całej światowej emisji!
Rys.6. Elektrownia atomowa
Mit 5. Samochody elektryczne są powolne i brzydkie
Jesteśmy bliscy zaprojektowania samochodów elektrycznych, zdolnych do
konkurowania osiągami z pojazdami konwencjonalnymi. Elektryczny samochód sportowy
„Tesla” zdumiał wszystkich, którzy mieli okazję nim kierować. Przy cenie ponad 100 tys.
USD „Tesla” otwiera luksusowy rynek samochodów elektrycznych i wykazuje, ze taka klasa
pojazdów może być interesująca dla prestiżowych użytkowników. Tesla rozpędza się od 0 do
100 km/h w niecałe 4 sekundy i ma zasięg prawie 400 km. Szybkie ładowanie pozwoli
doładować akumulatory w 45 minut (możliwe będzie szybkie ich wymienienie).
Rys.7. Elektryczny samochód sportowy „Tesla” (teslamotors.com)
Mit 6. Biopaliwa są zawsze destrukcyjne dla środowiska
Dość powszechne jest przekonanie, iż wytwarzanie paliw silnikowych z żywności jest
niedopuszczalne, powodując głód i zagładę lasów, gdyż farmerzy dążą do wielkiego areału
upraw. W wyniku klęsk nieurodzajów, prowadzonych działań wojennych, a co za tym idzie rosnących cen żywności - w ubiegłym roku o 40 milionów ludzi zwiększyła się liczba
zagrożonych głodem (dane FAO). Jednakże niepowodzenie pierwszej generacji biopaliw nie
oznacza, że powinniśmy całkowicie wycofać się z wykorzystania surowców pochodzenia
biologicznego. Przewiduje się, że wkrótce będzie można przekształcać odpady z przemysłu
rolno-spożywczego na drodze rozkładu celulozy (będącej najbardziej powszechnym
składnikiem roślin uprawnych i drewna) na proste węglowodory.
Rys. 8. Łan jęczmienia (AFP)
Mit 7. Zmiana klimatu oznacza , że musimy stosować więcej upraw organicznych
Większość badań wskazuje na to, że plony z upraw organicznych stanowią ponad
połowę plonów w skali globalnej. O ile te szacunki nie są znacznie przesadzone, świat nie
może wyżywić swej ludności i jednocześnie produkować ogromnej ilości celulozy dla
wytwarzania paliw, jeżeli duże areały będą przekształcone na uprawy organiczne. Np.
Puszcza Amazońska (rys.9) jest schronieniem dla co najmniej połowy wszystkich gatunków
roślin, owadów i zwierząt występujących na Ziemi. Rosną tu najpiękniejsze rośliny,
mieszkają najpiękniejsze zwierzęta i niestety lasy deszczowe są także najbardziej zagrożone
wycięciem.
Rys.9. Puszcza Amazońska – lasy deszczowe( AFP)
Mit 8. „Zerowęglowe” domy są najlepszą drogą do zwalczania emisji gazów cieplarnianych z
budynków
Budynki odpowiedzialne są za około połowę emisji w skali świata, a domy
mieszkalne są najważniejszym pojedynczym źródłem gazów cieplarnianych. Jednak
sprawienie, by budynki rzeczywiście nie emitowały dwutlenku węgla jest skrajnie kosztowne
i może dotyczyć tylko ok. 1 % zasobów mieszkaniowych, budowanych rocznie, przy
pominięciu pozostałych 99 %. W Niemczech cały szereg środków oddziaływania: substydia,
niskoprocentowe pożyczki i marketing zaowocowały ekorenowacją setek tysięcy starych
budynków rocznie, przyczyniając się do uzyskania wysokich standardów przy
umiarkowanych kosztach.
Rys.10. Dom z mechaniczną wentylacją nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła
może zyskać standard budynku energooszczędnego a nawet pasywnego (źródło:BudujemyDom.pl)
Mit 9. Efekt skali jest cechą najbardziej efektywnych elektrowni
Nowe typy niewielkich źródeł skojarzonych cieplno-elektrycznych zdolne są
przekształcić w energię elektryczną blisko połowę energii chemicznej, zawartej w paliwie,
niemal dorównując sprawności wielkich bloków energetycznych. Są to obiekty dostatecznie
małe by spełnić wymagania „domowej” energetyki w pojedynczych mieszkaniach. Zdolne są
one nie tylko do wytwarzania energii elektrycznej, ale umożliwiają wykorzystanie ciepła na
potrzeby gospodarstwa domowego, sprawiając iż niemal w pełni spożytkowana jest energia
zawarta w paliwie pierwotnym (zwykle gazowym ). Możliwe jest również wykorzystanie tego
ciepła do zasilania obiektów chłodniczych i klimatyzacji pomieszczeń.
Rys.11. System ciepłowniczy
Do niedawna podstawowymi układami skojarzonymi były elektrociepłownie parowe
średniej i dużej mocy. Ze względu na dużą złożoność układu elektrociepłownie są opłacalne
dla stosunkowo dużych mocy. Jednakże od pewnego czasu na świecie pojawiły się małe
układy kogeneracyjne (tzw. agregaty kogeneracyjne, microukłady CHP, elektrociepłownie
blokowe), które stają się coraz bardziej popularne. Są to układy oparte o silniki spalinowe
bądź turbiny gazowe o mocach od kilkudziesięciu kilowatów do kilku megawatów. Mogą one
pracować bezpośrednio na potrzeby obiektu, w którym zostały zainstalowane, bądź jako
elektrociepłownie zawodowe. Cechami, którymi odznaczają się agregaty kogeneracyjne, są:
• wysoka sprawność całkowita, która mieści się najczęściej w przedziale 80 - 90 %,
osiągana chwilowa moc cieplna jest większa od mocy elektrycznej, lecz dla coraz
większych jednostek moce te ulegają wyrównaniu,
• kompaktowa budowa, pozwala to na skrócenie czasu budowy kompletnej instalacji i
zmniejszenie jej kosztu, wpływa także na zmniejszenie ilości miejsca wymaganego do
zabudowy agregatu,
• paliwo ciekłe (olej opałowy, olej napędowy) bądź gazowe (gaz ziemny, biogaz, gaz
pochodzący z odmetanowania kopalń, gazy wysypiskowe, inne gazy
niskokaloryczne), są paliwami znacznie mniej zanieczyszczającymi środowisko niż
węgiel kamienny, ponadto w przypadku niektórych gazów, wykorzystując je do celów
energetycznych unikamy zanieczyszczenia atmosfery metanem, który w znacznie
większym stopniu aniżeli dwutlenek węgla sprzyja powstawaniu efektu
cieplarnianego.
• korzystne są wskaźniki ekonomiczne realizacji inwestycji, (np. w krajach Unii
Europejskiej średni okres zwrotu nakładów wynosi kilka lat), ponadto rozwijający się
rynek na te urządzenia będzie w perspektywie skutkował obniżaniem się cen
agregatów kogeneracyjnych.
Przesłanką dla takiej decyzji może być jedynie pozytywny efekt ekonomiczny wynikający
z przeprowadzonej analizy opłacalności. Możliwy do uzyskania zysk zależy jednak od wielu
czynników, wśród których znajdują się: przebieg zmienności zapotrzebowania na energię
elektryczną i ciepło, ceny nośników energii, charakterystyka techniczna instalowanych
urządzeń (moc, sprawność, wskaźnik skojarzenia), tryb pracy systemu, możliwość
współpracy z siecią elektroenergetyczną..
Mit 10. Wszystkie proponowane dla walki z ociepleniem klimatu technologie musza być klasy
„hi – tech”
Bardziej zaawansowane technicznie kraje skupiły się na rozwiązaniach,
wykorzystujących technologie hi – tech dla redukcji emisji gazów cieplarnianych. Wiele z
tych rozwiązań cechuje się wysokimi kosztami i mogą przyczyniać się do powstawania
większej liczby problemów do rozwiązania. Dobrym przykładem jest energetyka jądrowa.
Bardziej efektywne i tańsze mogą być rozwiązania prostsze, zapewniające redukcję emisji lub
nawet wychwytujące istniejące CO2 z atmosfery.
Kilka wniosków dla strategii rozwoju sektora OZE
Z założenia przytoczona dość swobodna forma argumentacji przy zwalczaniu utartych
poglądów o cechach wybranych technologii OZE ( i kilku wątkach ubocznych) nie chroni
przed zbytnim uproszczeniem pewnych ważnych kwestii. Przykładowo biorąc sprowadzenie
ważnego problemu energetyki wiatrowej do kilku „studiów przypadku” nie daje jeszcze
dostatecznych argumentów „pro”. W istocie mamy tu do czynienia ze źródłami o pracy
nieciągłej, o mocy wytwarzanej zależnej w trzeciej potędze od trudno przewidywalnej
prędkości wiatru i lokalizacji odległej na ogół od centrów zapotrzebowania. Problemy te
dadzą się opanować przy wykorzystaniu „smart gridów” w całym spektrum zastosowań : od
mikrosieci po supergridy, ale są to działania nie zweryfikowane jeszcze dostatecznie w
realiach systemowych. W kategoriach ostrzeżenia można potraktować walkę z poglądem o
niskich (w porównaniu z OZE) kosztach energii jądrowej. W świetle podjętych w Polsce
decyzji przypadek fiński (a przypomnijmy iż Finlandia nie debiutuje w technologii jądrowej,
a eksploatowane od lat bloki znajdują się w ścisłej czołówce rankingów niezawodności i
dyspozycyjności) daje sporo do myślenia. Kogeneracja (lub trigeneracja) bazuje na
nadrzędnej roli zapotrzebowania na ciepło (ciepło/chłód), a wytwarzanie energii elektrycznej
jest zadaniem drugorzędnym, chociaż prowadzącym do znacznego podwyższenia
efektywności obiegu termodynamicznego. Wyraźnie zagadnienie to formułuje tzw. dyrektywa
kogeneracyjna 2004/8/WE.
Jedna płynie z tej czasem kontrowersyjnej argumentacji nauka o charakterze
uniwersalnym : każda decyzja strategiczna zmusza do starannego rozważenia wszelkich opcji
i ich konsekwencji w przekraczającym półwiecze horyzoncie czasowym, a postęp techniczny
(reprezentowany np. przez krzywe uczenia rozważanych technologii) zmusza do rewizji
utartych poglądów. „Ale to elementarne , drogi Watsonie” jak pisał klasyk stosowanej logiki
dedukcji.
Bibliografia
[1] European Climate Forum : Roadmap 2050 ECF, April 2010
[2] PricewaterkouseCoopers : Europe 100% Renewable : Roadmap 2050, PcW, April 2010
[3] Energy Business Daily : 10 Renewable Energy Myths. www.EnergyBuisinessDaily.com
[4] Archer C.,. Jacobson M., Evaluation of global wind power. Journal of Geophysical
Research, Vol. 110, D12110, doi:10.1029/2004JD005462, 2005
[5] Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej. 2010 Energetyka. Fakty i
liczby. Wyd. PTPiREE, Poznań, 2010
RENEWABLES : BETWEEN MYTHS AND REALITIES
The debate between renewable energy sources versus conventional energy carriers many
misunderstanding and even myths. In the paper some case studies of these debate are
presented
Streszczenie
Kontrowersje pomiędzy argumentami, przemawiającymi za wyższością czy też niższością
pewnych form wytwarzania energii elektrycznej i ciepła prowadza do wielu nieporozumień a
nawet mitów. W artykule przedstawiono pewne przykłady stosowanej argumentacji