Coraz powszechniej transformację energetyczną rozumie się
jako elektryfikację wszystkich sektorów (transportu, przemysłu i usług oraz potrzeb
bytowych - budownictwa) poprzez dostarczanie energii elektrycznej i ciepła za
pomocą bezpaliwowych i zeroemisyjnych, a jednocześnie pogodozależnych OZE.
Wszystkie oficjalne statystki wydają się potwierdzać ten już nieodwracalny
trend dążenia do 2050 roku do uzyskania niemalże 100% udziałów OZE, poprzez
podnoszenie udziałów energii z OZE w dotychczas niedocenianych, a nawet zaniedbanych sektorach ciepłownictwie
i transporcie. Ale czym bliżej do realizacji powyższej wizji transformacji energetycznej
(udziału OZE pogodozależnych przekraczają już standardowo w krajach
rozwiniętych, w tym w Polsce 20-30%, a w niektórych krajach czy regionalnych
nawet 60-70%), tym opór ze strony tych co tracą udziały w rynku staje się
większy, bez zwracania uwagi na fakty. Warto zatem przytoczyć fakty, przykłady
i pokazać trwały postęp w tym zakresie.
Źródła pogodozależne i technologie je wspierające
Lista technologii wytwórczych spełniających kryterium
produkcji energii bez procesów wydobycia paliw i ich spalania jest bardzo
ograniczona - chodzi o elektrownie wiatrowe, słonecznych i wodne zwane przez
prof. Marca Jacobsona z Uniwersytetu Stanforda „WWS” (od wind-water-solar). Prof.
Jacobson od ponad dekady konsekwentnie, zarówno poprzez modele matematyczne i
symulacje krajowych i regionalnych systemów energetycznych jak i zbieranie
danych empirycznych całego Globu, próbuje potwierdzić, że do 2050 roku możliwe
jest przejście każdego kraju, w tym z Polski, na 100% OZE w technologiach WWS.
Większym wyzwaniem jest jednak dążenie w kierunku 100% bez
energetyki wodnej, która co prawda w dłuższych okresach jest zależna od pogody,
ale nie jest powszechnie dostępna i nie jest motorem transformacji energetycznej.
Nawet jak w niektórych krajach pełni od lat role głównego źródła energii, to jej
udziały nie rosną. Dlatego w niniejszym
artkule skupiono się na pogodozależnych technologiach przełomowych – używając nomenklatury
prof. Jacobsona można nazwać je WS (wind-solar), które wymagają odpowiedniego otoczenia
(technologicznego i regulacyjnego), aby dalej skutecznie i szybko prowadzić transformację
energetyczną w kierunku niskich cen energii i zeroemisyjności.
W swoich analizach Jacobson coraz wyraźniej dostrzega
potrzebę rozwoju technologii wspierających. Na początku chciał problem rozwiązać
tylko magazynami zielonego wodoru (magazynowanie długoterminowe energii) i
magazynami bateryjnymi (magazynowanie krótkoterminowe energii elektrycznej).
Dostrzegając oczywisty problem, że łączne moce zainstalowane technologii WWS
muszą przekraczać znacząco bieżące zapotrzebowanie kraju na moc, we współpracy
z zespołem prof. Henrika Lunda z duńskiego Uniwersytetu w Aalborgu, doszedł do
skądinąd też oczywistego wniosku, że plan przejścia na 100% może zrealizować
tylko wtedy gdy wykorzysta się łączenie sektorów energii elektrycznej i ciepła
poprzez technologie „power-to-heat” (P2H) oraz magazyny ciepła, w tym duże
sezonowe magazyny wodne niskotemperaturowe
(PTES) dedykowane dla ciepłownictwa i wielogodzinne, wysokotemperaturowe
magazyny ceramiczne dedykowane dla przemysłu, wśród których wyróżnił cegły ogniotrwałe (Firebricks).
Fakt, że magazyny ciepła są obecnie najbardziej ekonomicznie
uzasadnionym sposobem zagospodarowania zarówno godzinowych, dobowych jak i
sezonowych nadwyżek energii z tzw. pogodozależnych OZE został potwierdzony w
Polsce w nowym raporcie IEO „Mapa drogowa rynku magazynów ciepła”.
W różnych modelach WS wyposażone w ww. „enabling
technologies” stosowane w systemach korzystających z „sector coupling”, w niemal wszystkich symulacjach prowadzą krok
po kroku po niskich kosztach do 100% OZE we wszystkich krajach na świecie,
nawet bez korzystania z bilansowania się eksportem i importem energii.
Oczywiście powyższe tezy wywołują odruchy niedowierzania, a przede wszystkim
niezadowolenia w sektorze paliw kopalnych.
Kontrowersje wokół źródeł pogodozależnych
Przedstawiciele tych sektorów najpierw podważali koszty
transformacji, a teraz realność techniczną oraz zresztą już od dawana,
przepowiadają blackouty. W Europie, w tym w Polsce, szczególnie atakowane są
wysokie udziały energii wiatru i słońca WS. W Polsce z przyczyn oczywistych
atak idzie na WS, gdyż nie mamy możliwości zwiększania produkcji energii w
elektrowniach wodnych.
Stopniowo przesuwa się próg udziałów energii z OZE przy
których ma dojść do złowieszczego zawyżenia kosztów energii i wyłączeń prądu. Ok.
25 lat temu (wtedy, gdy w Polsce przyjmowana była „Strategia rozwoju energetyki
odnawialnej do 2020 roku” granicą bólu
miało być 5-10% WS w produkcji energii. Ok. 10 lat temu tradycyjni energetycy
uznali, że granica nieprzekraczalną
udziału WS jest 15%. W takich przepowiedniach i celebryckich wstąpieniach (np. po
listopadowym tygodniowym „dunkelflaute”)
bryluje np. prof. Władysław Mielczarski. W 2014 roku stwierdził,
że 15 procentowy udział WS w KSE nie powinien być przekroczony, a przekroczenie
20% może spowodować katastrofa ekonomiczną dla całego kraju. Jest to do tej
pory (bez względu na fakty) obowiązująca
wykładania takich organizacji jak Towarzystwo Gospodarcze Elektrownie Polskie,
która pod hasłem ochrony interesów gospodarki i konsumentów energii wybrzmiała
miesiąc temu na XIII Meetingu Gospodarczym KIG.
Analogiczną, aczkolwiek ostatnio zniuansowaną narracje
prowadzą środowiska związane z energetyką jądrową, które szacują bardzo wysoko
minimum niezbędnej mocy konwencjonalnej do „pracy w podstawie” i do niedawana
straszyło energetyką wiatrową. Tu
brylował np. prof. Andrzej Strupczewski, który za pieniądze publiczne (jako
rzecznik prasowy NCBJ) toczył odwieczną walkę z energetykę wiatrową, którą atom
uznał za największego konkurenta. Po tym jak państwowy monopol „dobrał się” do
wsparcia dla morskiej energetyki wiatrowej (ciągle równie drogiej co atom), już
tylko wybiórczo zwalczał wiatraki realizowane przez prywatnych inwestorów,
rzekomo w imię wyższych celów publicznych- tu uwaga – bezpieczeństwa
energetycznego.
Nasilający się atak na podstawowy transformacji
energetycznej rozumianej jako dalszy rozwój pogodozależnych OZE, skierowany
jest przede wszystkim na Krajowy plan działań na rzecz energii i klimatu (KPEiK)
i jego i tak znacząco zaniżone cele klimatyczno-energetyczne, których nie da się
zrealizować bez "szybkich"i zeroemisyjnych WS, nawet jeżeli miałyby być okresowo ograniczane. Krytycy żądają dalszego spowolnienia transformacji,
ale nie mając poważnych argumentów poza jednym „dzisiaj nie jesteśmy w stanie przejść
na 100% OZE”, który skądinąd na dzisiaj jest prawdziwym. Krytycy nie zajmują się
jednak analizą przyczyn ani tym, że nikt nie wzywa, aby w 2025 roku było 100%
OZE, a co najwyżej jest mowa o 50% OZE w 2030 roku.
Podejmowane w przeszłości, także przez moją skromna osobę,
nieliczne polemiki z takimi poglądami spotykały się z lekceważeniem, gdyż w obu
przypadkach chodziło o to, aby energia elektryczna była droga i aby nie było
konkurencji ze strony prywatnych inwestorów. Pseudonaukowe teorie nie zważają
na fakty, gdyż ich autorzy kierują się partykularnym interesem
krótkoterminowym. A fakty są takie, że w
Polsce udział energii ze źródeł WS w zużyciu energii brutto (bez strat i
potrzeb własnych), licząc ostatnie 12 miesięcy
(listopad 2023-październik 2024) wyniósł 22,5% (21,4% w produkcji
energii) i właśnie zeroemisyjne źródła słoneczne i wiatrowe w Polsce najbardziej
skutecznie ograniczają nie tylko emisje do atmosfery, ale przede wszystkim ceny
energii, obecnie największy problem polskiej gospodarki.
Realistyczne udziały OZE pogodozależnych na dzisiaj i na
najbliższe lata
Oczywiście nie wolno bagatelizować realnych problemów z
bilansowaniem mocy WS w KSE, ale nie wolno też nie zauważać jak szybko rosną
udziały WS w bilansach poszczególnych krajów (poza dyktaturami „żywiącymi się” paliwami kopalnymi).
W 2022 roku Polska była na 33 miejscu na świecie pod
względem udziałów WS. Na rysunku
zaprezentowano mapę z pierwszą 60-tę krajów z najwyższym udziałem energii z wiatru
i słońca w wytwarzaniu energii elektrycznej w 2022 r. Dominują na niej kraje
europejskie, azjatyckie i Ameryki Południowej. W 10 krajach udziały OZE w
produkcji energii już 2 lata temu przekraczały 30%. W UE liderami są Dania
(60%) i Litwa (44%), które w celu bilansowania mocy też umiejętnie korzystają z
wymiany międzynarodowej. Udziały pogodozależnych OZE na świecie szybko
rosną.
Rysunek ‑1 Pierwsza 60-tka krajów
z najwyższym udziałem energii z wiatru i słońca w wytwarzaniu energii
elektrycznej w 2022 r. Źródło: G. Wiśniewski na podstawie danych IEA,
prezentacja z XII Meetingu Gospodarczy KIG, Warszawa, 25 listopada 2024 r.
Razem z energetykę wodną 19 krajów ma więcej niż 90% WWS w
produkcji energii, a cztery kraje nie spalają już paliw kopalnych ani biomasy.
Póki co nie są to kraje uprzemysłowione ani bogate (np. Albania,
Bhutan, Lesotho) i dzięki niskiemu zapotrzebowaniu na energię
wystarczają im elektrownie wodne z relatywnie niewielkim dodatkiem WS. W grupie
90+ są też kraje uprzemysłowione, np. Islandia czy Norwegia oraz niezależne
energetycznie regiony z silnym przemysłem jak Szkocja czy Południowa Australia,
które dzięki odpowiednio energii geotermalnej (Islandia), wodnej (Norwegia) oraz
mieszance energii wiatrowe i słonecznej (Szkocja i Południowa Australia) porzuciły
spalanie paliw (konwersje termochemiczną) jako sposób na wytwarzanie energii.
Nie potwierdza się stawiana często teza, że liderami w energii słonecznej i
wiatrowej są USA i Chiny, które mają mniejsze udziały WS niż np. Polska.
W USA liczą się jednak poszczególne stany, które mają
własnych operatorów (TSO), a niektórzy z nich biją rekordy, jeśli chodzi o
udziały WWS i WS. Największe udziały WS w zużyciu energii, dzięki energetyce
wiatrowej mają Południowa Dakota (79,7%), Iowa (78,5%) oraz Kansas (70,4%). Ale
wątpiący zawsze mogą powiedzieć, że są to stany rolnicze o relatywnie
niewielkim zużyciu energii elektrycznej (10-30%
zapotrzebowania na energię elektryczną w Polsce).
Niezmordowany prof. Jacobson po raz kolejny w artykule sprzed
kilku dni
wykazał, że praktycznie wszystkie kraje i
samodzielne energetycznie regiony mogą mieć niezawodne, tanie systemy
elektroenergetyczne zasilane do 100% czystą energią z OZE z dużym udziałem
wiatru i słońca oraz niemal wszystkimi zelektryfikowanymi odbiorcami końcowymi.
Poparł swoje modele i symulacje danymi z najbardziej uprzemysłowionego stanu
Kalifornia, z własnym operatorem sieci przesyłowej - CAISO i 5-tej na świecie
gospodarki świata, która w praktyce przechodzi na 100% WS z niewielkim udziałem
energetyki wodnej we wszystkich sektorach końcowego zużycia energii (elektryczności
i ciepła).
Case study – Kalifornia (brak blackoutu pomimo 132 dni w 2024r. z udziałem
OZE powyżej 100%
Kalifornia to kraj/stan o podobnej liczbie mieszkańców do
Polski, z istotnym udziałem energii wiatrowej i relatywnie umiarkowanym
udziałem energetyki wodnej w produkcji energii oraz niezwykle wysokim udziałem
energii słonecznej (drugi stan po Newadzie). Dobremu nasłonecznieniu (ok. 30% lepszemu niż w Polsce) towarzyszy specjalna
rola PV prosumenckiej. Na koniec czerwca 2024 r. moc zainstalowana
prosumenckich mikroinstalacji PV wynosiła 15,3 GW (w Polsce 11,3 GW). Dzięki aktywnym prosumentom działającym w
systemie autokonsumpcji behind-the-meter (BTM PV), czemu sprzyja system
rozliczeń i bardzo już popularne magazyny energii, które nie wprowadzają
energii do sieci oraz letnie potrzeby w zakresie klimatyzacji (autokonsumpcja w
szczycie generacji), Kalifornia istotnie zmniejsza zapotrzebowanie na energię
wprowadzaną do sieci.
W tabeli porównano w okresie 12 miesięcy od października
2023 do września 2024 dane systemów energetycznych Polski i Kalifornii pod
kątem roli WWS i WS, biorąc pod uwagę produkcje energii z OZE i zużycie energii,
po uwzględnieniu strat sieciowych oraz roli autokonsumpcji prosumenckiej, która
w Polsce jest relatywnie niska i niezwykle trudna do oszacowania. Analiza na
poziomie zużycia energii końcowej (a nie produkcji energii) podwyższa udziały OZE,
gdyż Kalifornia jest eksportem energii netto, a ponadto przy ocenie udziałów
OZE do licznika nie wliczane są straty na przesyle i dystrybucji energii.
Tabela ‑1 Porównanie roli OZE
(WWS i WS) w systemach energetycznych Polski i Kalifornii w okresie od października
2023 do września 2024.
*analiza
niespójnych danych ENTSO-E, PSE i PTPiRE,
przy braku danych o curtailmentach wskazuje, że autokonsumpcja u
polskich prosumentów wynosi niewiele więcej niż 11%. Temat wymaga głębszych
analiz, ale wskazuje na możliwą porażkę idei prosumeryzmu w Polsce.
Kalifornia, po uwzględnianiu znanego tamże faktu, że prosumenci
obniżają zapotrzebowanie na energię końcowa (nie korzystają z rocznego
darmowego magazynowania w sieci) ma 36,5% udział energii słonecznej i wiatrowej
WS w zużyciu energii elektrycznej. W Polsce tak liczony udział może przekraczać
nawet 27%. Udział WWS w Kalifornii wynosi 53,4% (wspieranych też energią
geotermalną), podczas gdy w Polsce było to 28,5%. W Kalifornii znacznie korzystnie
na system energetycznym oddziaływają prosumenci. Pozostałe źródła w Kalifornii: gaz, biomasa i
energia jądrowa tracą na znaczeniu i stają się uzupełnieniem miksu wobec
ekspansji WWS.
Ale Kalifornia w ciągu ostatnich 12 analizowanych miesiącach
miała też inne wyzwania i osiągnięcia. Od
7 marca do 30 czerwca 2024 dostawy WWS przekraczały 100% zapotrzebowania na
energię elektryczną przez 116 dni w sieci energetycznej Kalifornii przez okres
od kilku minut do nawet ponad 10 godzin dziennie. Przez cały rok 2024 podaż WWS
przewyższała popyt w sieci CAISO przez okres 132 dni, w tym 7 dni od 1 stycznia
do 6 marca, 98 dni od 7 marca do 30 czerwca i 27 dni od 1 lipca do końca września
br. Całkowity curtailment w 2024 roku
(do końca września) nie przekraczał 2,2%, czyli był na poziomie Polski.
Dane pokazują, że w ciągu zaledwie jednego roku Kalifornia doświadczyła
niezwykłego wzrostu w zakresie fotowoltaiki słonecznej, wiatru i magazynowania energii,
w połączeniu ze spadkiem zapotrzebowania sieciowego z powodu wzrostu udziału
BTM PV. Pomimo szybkiego wzrostu i wysokiej penetracji WS, cena spot energii
elektrycznej w tym okresie spadła o ponad 50% w porównaniu z tym samym okresem
w roku poprzednim i nie wystąpiły żadne przerwy w dostawie prądu. Trzeba uwzględniać
różnice w systemach energetycznych w różnych krajach (nawet jeżeli jest duże podobieństwo
statystyczne do Polski), ale ten dowód empiryczny z kraju przemysłowego daje niemal
pewność, że dodanie w Polsce większej ilości energii słonecznej, wiatrowej i
akumulatorów energii wraz z wykorzystaniem DSR oraz tworzeniem hybryd
wiatrowo-słonecznych nie powinien powodować obaw o stabilność systemu
energetycznego, czy wzrost cen energii.
Relatywnie, w stosunku do innych stanów, wysokie ceny
energii elektrycznej w Kalifornii wynikają z czynników innych niż wzrost WS. W
rzeczywistości inne stany z jeszcze większym udziałem WS (w szczególności
wiatru) niż Kalifornia, np. Dakota,
Iowa, Washington, Kansas, Wyoming, mają
jedne z najniższych cen energii elektrycznej w USA.
Wnioski
Kraje, stany, prowincje i miasta na całym świecie przechodzą
transformację w kierunku coraz większego wykorzystania energii słonecznej i
wiatrowej w celu zapewnienia ciągłych dostaw taniej energii elektrycznej.
Wyniki badań zespołu prof. Jacobsona oraz zwykle statystyki
(także cytowane wcześniej krajowe), wskazują,
że sieci z penetracją energii do lub nawet powyżej 100% nie tylko z WWS, ale
także z WS (po wyłączeniu ze statystyk energetyki wodnej) mogą być zarówno
niezawodne w unikaniu przerw w dostawie prądu jak i gospodarczo wykonalne, przynosząc
korzyści konsumentom energii pod względem finansowym i zdrowotnym.
Przewidziany w najnowszym projekcie Krajowego Planu na rzecz
Energii i Klimatu (KPEiK-WAM) na 2030
rok udział pogodozależnych OZE w produkcji energii elektrycznej brutto (liczony
bez strat na przesyle i dystrybucji energii, ale też bez faktycznego obniżenia
zużycia energii przez błędnie stymulowanych prosumentów i salda wymiany
zagranicznej) na poziomie 48,7% w 2030 roku i 58,4% w 2040 roku wydaje się
niedoszacowany. O ile Polska chce
utrzymać konkurencyjność gospodarki i nie zatrzymać transformacji energetycznej,
cele WS 2040 rok trzeba ponieść znacząco, a w przypadku 2030 tylko umiarkowanie, gdyż
dekada obstrukcji tradycyjnej energetyki opóźniła transformację, zachwiała megatrendem
przerzucając koszty na odbiorców energii, i powrót na właściwą ścieżkę wymaga czasu,
woli politycznej i konsekwencji.
Oczywiście dalsze stopniowe zwiększenie ilości energii z
pogodozależnych OZE wprowadzonej do krajowego systemu energetycznego możliwe
jest dzięki poprawie funkcjonalności KSE poprzez uelastycznienie popytu,
zwiększeniu zdolności magazynowych, w tym sezonowe magazynowanie ciepła,
elektryfikację kolejnych sektorów gospodarki (sector coupling), a także
zwiększenie zdolności regulacyjnych istniejących jednostek konwencjonalnych. Od
strony gospodarczej, rynkowej i biznesowej nie ma już powrotu do modelu centralnej,
nieelastycznej elektrowni z wymarzoną pracą w podstawie. Transformacji
energetycznej nie da się zatrzymać przy maksymalnie 20 procentowym udziale WS w
KSE. Przetrwają tylko te elektrownie konwencjonalne, które elastycznością dostosują
się do OZE i tylko ci operatorzy, których sieci będą wystarczająco inteligentne.
