Spis treści
Kosztowny proces transformacji energetyki będzie długotrwały i zajmie jeszcze kilka dekad. Podstawowym celem jest odejście od energetyki opartej na nośnikach kopalnych, o zmiennych cenach, nierzadko generujących inflację i wpływających negatywnie na środowisko przyrodnicze. Mają być one zastąpione dwoma rodzajami źródeł energii elektrycznej – zero- i nisko eksmisyjnymi. Te pierwsze to praktycznie odnawialne źródła energii i elektrownie jądrowe.
Energia ze słońca czy wiatru staje się konkurencyjna ekonomicznie, choć nadal potrzebuje wsparcia, jest praktycznie bezemisyjna, ale zależna od sił natury. Gwałtowny rozwój tych form, zwłaszcza fotowoltaiki prosumenckiej, niesie ze sobą pewne problemy wynikające z ich zmienności i braku możliwości sterowania tymi źródłami.
Systemowe straty energii
W ostatnich dniach mieliśmy sytuacje nadpodaży energii – okres niskiego popytu na energię i dużego nasłonecznienia spowodował konieczność wyłączania elektrowni słonecznych. Poza elektrowniami wiatrowymi na morzu (offshore), stopień wykorzystania mocy elektrowni odnawialnych jest relatywnie niski, w skali roku wynosi ok. 20%.
Konsekwencją tego jest konieczność utrzymywania w ruchu dużych mocy sterowalnych – w naszym systemie są to obecnie elektrownie węglowe i nieliczne gazowe – które odpowiedzą na nagły wzrost zapotrzebowania na energię np. po zachodzie słońca. W ostatnim okresie znacząco wzrosły ceny uprawnień do emisji dwutlenku węgla, które muszą kupować elektrownie węglowe czy gazowe. To wszystko generuje wysokie koszty energii i w konsekwencji wzrost inflacji.
Sam rozwój OZE nie zapewni nam stabilnego, bezpiecznego systemu elektroenergetycznego. Rodzi się pytanie, co można zatem zrobić. Niestety nie ma rozwiązań, które dałyby efekty w krótkim terminie. W dłuższej perspektywie konieczna jest budowa elektrowni niezależnych od paliw kopalnych i warunków atmosferycznych, czyli jądrowych lub spalających biomasę. Możliwości tych ostatnich będą ograniczone dostępnością surowca. Polska rozpoczęła proces inwestycji w duże elektrownie jądrowe o mocach reaktorów rzędu 1400MW. Jest on jednak na wstępnym etapie przygotowań do rozpoczęcia budowy. Na horyzoncie jest też nowa i niesprawdzona jeszcze w pełni technologia małych – modułowych elektrowni jądrowych.
Jeżeli trzeba zwiększyć wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, musimy na wielką skalę magazynować wytworzoną w nich energię elektryczną. Funkcje magazynu mogą pełnić baterie litowe albo paliwo wodorowe wytworzone w procesie elektrolizy wody. Problem w tym, że te technologie są na razie nieosiągalne w dużej skali. Co nie znaczy, że się to wkrótce nie zmieni – plany przewidują uzyskanie znaczących mocy w prosumenckich i wielkoskalowych magazynach energii do roku 2040.
Grawitacja w służbie energetyki
Jedyną sprawdzoną technologią, która jest obecnie dostępna do magazynowania energii elektrycznej na wielką skalę są elektrownie szczytowo-pompowe – ESP. Zasada ich działania jest dość prosta. Potrzebne są dwa duże zbiorniki wody położne na różnych wysokościach. Woda spływająca ze zbiornika górnego do dolnego napędza turbiny, a te generatory energii elektrycznej. Ten sposób wykorzystujemy w wielu elektrowniach wodnych.
W elektrowni szczytowo-pompowej jednak w okresach niskich cen energii elektrycznej i dużej produkcji przekraczającej zapotrzebowanie, czyli na przykład w nocy czy w okresach silnego nasłonecznienia lub wietrznych, woda jest pompowana ze zbiornika dolnego do górnego. W ten sposób wykorzystuje tanią energię z OZE i gromadzi duże ilości wody, która zostanie wykorzystana do wytworzenia energii elektrycznej w okresie wysokiego zapotrzebowania.
Elektrownie szczytowo-pompowe są więc w rzeczywistości wielkoskalowymi magazynami energii, które umożliwiają pełniejsze wykorzystanie zielonej energii wytworzonej ze źródeł odnawialnych. Stabilizują ponadto system, który musi być zbilansowany- popyt musi być pokryty generacją w każdej minucie.
Elektrownie szczytowo – pompowe odgrywają zatem dużą rolę w systemie elektroenergetycznym. Ich budowa jest jednak racjonalna tylko w miejscach, gdzie są sprzyjające warunki naturalne.
W Polsce działa obecnie sześć takich elektrowni: Żarnowiec, Porąbka Żar, Solina-Myczkowce, Żydowo, Niedzica i Dychów. Ich łączna moc to około 1,4 GW czyli tyle, ile dwie duże elektrownie węglowe, a ich możliwości magazynowania to mniej niż 10 GWh, czyli tyle ile elektrownia węglowa czy jądrowa o mocy 1 GW wytworzy w ciągu 10 godzin. To za mało, by w pełni wykorzystać dynamicznie rosnącą moc odnawialnych źródeł energii. Dlatego planuje się budowę kolejnych elektrowni, co podkreślono w dokumentach polityki energetycznej Polski, gdzie planuje się wzrost ich mocy do 4,8 GW. Poprawi to stabilność systemu, ale dalej konieczna jest budowa elektrowni jądrowych.
Poza typowymi położonymi w górach elektrowniami szczytowo – pompowymi są plany wykorzystania zbiorników i zwałowisk pozostałych po kopalniach węgla brunatnego a nawet wykorzystanie różnic wysokości w zamkniętych kopalniach węgla kamiennego.
Woda vs baterie
Z powyższego opisu wynika, że są trzy konkurujące technologie, przy czym magazynowanie wodoru jak na razie nie jest dostępne w dużej skali. Z pozostałych dwóch można wybrać ESP lub magazyny bateryjne – MB, które mają się stać dostępne komercyjnie w ciągu dekady. Obie technologie mają wady i zalety:
- ESP wymaga odpowiednich warunków geograficznych, limitem dla magazynów jest dostępność materiałów – pierwiastków krytycznych i ich ceny. Koszty budowy ESP są większe niż magazynów bateryjnych.
- Czas budowy ESP jest znacznie dłuższy, ale wielkoskalowe MB są obecnie na etapie instalacji pilotowych.
- ESP ma czas życia ponad 100 lat (tama, około 40 lat urządzenia; MB wymagać będzie wymiany pakietu baterii co 2-3 dekady (optymistycznie, zależy od dopuszczalnej liczby cykli ładowania/ rozładowania).
- ESP ma niewątpliwie większy wpływ na środowisko niż MB, to powstawanie jednego lub dwu dużych zbiorników wody w rejonach najczęściej górskich, co kompletnie zmienia ekosystem. Ale przy zbiorniku może powstać rejon rekreacyjny, poprawiający sytuacje ekonomiczną regionu. Może tytułem anegdoty wspomnimy, że najbardziej zadowoleni z zapory w Niedzicy są flisacy, którym nie grożą niskie stany wód Dunajca i brak możliwości spływu.
- Magazyn bateryjny to instalacja wielkości elektrowni, nie zmieniająca znacząco ekosystemu, ale poważnym zagrożeniem byłyby pożary takich instalacji, doświadczamy obecnie (choć dość rzadko) pożarów samochodów elektrycznych i trudności w ich opanowaniu.
- MB reagują szybciej niż ESP, to znaczy szybciej oddadzą zmagazynowaną energię, ale różnica jest niewielka.
Nie ma zatem jednoznacznej odpowiedzi, jaki wybrać, w tak złożonym systemie jak wytwarzanie energii elektrycznej powinny się znaleźć obie technologie.
Budowę ESP możemy zacząć już dzisiaj, co pomoże wkrótce, choć w części, rozwiązać problem magazynowania nadmiaru energii wytworzonej w źródłach odnawialnych. Analiza opinii energetyków wielu krajów potwierdza takie podejście, wiele krajów podejmuje inwestycje, jak na razie w ESP, ale także inwestycje w magazyny bateryjne są planowane.
Prof.Wojciech Suwała jest kierownikiem Katedry Zrównoważonego Rozwoju Energetycznego Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie.
