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)[1].
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”[2].
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”)[3] bryluje np. prof. Władysław Mielczarski. W 2014 roku stwierdził[4], 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[5].
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[6], 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[7], 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[8].
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[9]
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.
[1]Mark Z. Jacobson et all: Effects of firebricks for industrial process heat on the cost of matching all-sector energy demand with 100% wind–water–solar supply in 149 countries. PNAS Nexus, 2024, 3, pgae274. https://academic.oup.com/pnasnexus/article/3/7/pgae274/7710221
[2] Instytut Energetyki Odnawialnej: Mapa drogowa rynku magazynów ciepła https://ieo.pl/raporty-i-artkuly-ieo-oze-w-polskim-cieplownictwie/1693-mapa-drogowa-rynku-magazynow-ciepla
[3] Bez węgla w Polsce zabraknie energii. https://solidarnosckatowice.pl/bez-wegla-w-polsce-zabraknie-energii/
[4]Mielczarski W: OZE, czyli ogon macha psem http://biznesalert.pl/mielczarski-oze-czyli-ogon-macha-psem/
[5] Nowy Krajowy Plan Energii i Klimatu – skutki dla gospodarki i konsumentów https://www.youtube.com/watch?v=BuJSTelmToo
[6] Strupczewski A: Co zrobić z faktami niewygodnymi dla OZE? (POLEMIKA) https://biznesalert.pl/strupczewski-co-zrobic-z-faktami-niewygodnymi-dla-oze-polemika/
[7] Wiśniewski G.: 15% OZE forever? https://odnawialny.blogspot.com/2014/11/15-oze-for-ever.html
[8] Analiza relacji udziałów OZE i cen energii jest prowadzona na bieżąco na portalu CIRE https://www.cire.pl/artykuly/autor/grzegorz-wisniewski?p=1
[9] Mark Z. Jacobson et all. No blackouts or cost increases due to 100 % clean, renewable electricity powering California for parts of 98 days. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0960148124023309
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz