Battery used Battery charging

LOW←TECH MAGAZINE

Jak (Nie) Zasilać Nowoczesnego Świata Wyłącznie Słońcem i Wiatrem

Próba ciągłego dopasowywania podaży energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych do popytu na prąd jest skomplikowanym, powolnym, drogim i niezrównoważonym przedsięwzięciem.

Przekład: Michał Kolbusz

image sailboat

Zdjęcie: Oko Wiatru

Chociaż potencjał wiatru i słońca, do zapewniania wystarczającej ilości energii elektrycznej społeczeństwom ery przemysłowej jest więcej niż wystarczający, to niestety źródła te nie są dostępne cały czas. Żeby móc zaspokoić ciągły popyt na energię elektryczną, sieć elektryczna energii odnawialnej musi mieć około dziesięciokrotny zapas mocy i możliwości przesyłowej. Wymaga również równoważenia niedoborów produkcji przez pracę elektrowni konwencjonalnych lub systemem magazynowania energii.

Z tych powodów, próby zapewniania energii z OZE zaspokajającej nieustający popyt jest skomplikowanym, powolnym, drogim i niezrównoważonym przedsięwzięciem. Jednak, jeśli postaralibyśmy się dostosować nasze zapotrzebowanie do zmiennego i nieciągłego charakteru energii wiatrowej i słonecznej to „zielona” infrastruktura energetyczna, którą od dekad konstruujemy, miałaby więcej sensu. Wykorzystywanie wiatru i słońca tylko wtedy, kiedy są one dostępne jest tradycyjnym podejściem, od którego my współcześni możemy się wiele nauczyć.

100% Odnawialnej Energii

Szeroko rozpowszechniona jest wiara w to, że w przyszłości OZE zakończą uzależnienie nowoczesnych społeczeństw od paliw kopalnych. Często przytacza się fakt, że energii słońca i wiatru jest wystarczająco dużo, aby zasilić globalną cywilizacje przemysłową, nawet jeśli miałaby urosnąć jeszcze kilkukrotnie.

Na przykład w Europie możliwy do wykorzystanie potencjał energii wiatrowej, zarówno morskiej i lądowej, szacuje się na 30.000 TWh/rok, czyli dziesięć razy więcej niż obecne zużycie prądu. 1 W USA ten potencjał szacuje się na 400.000 TWh/rok, czyli 100 razy więcej niż aktualne zapotrzebowanie. 2

Chociaż te stwierdzenie są teoretycznie prawdziwe, to w praktyce jest to bardziej skomplikowane. Jest tak, ponieważ szacunki te bazują na średniej rocznej produkcji energii odnawialnej, a nie biorą pod uwagę wysokiej zmienności i niepewności, którą charakteryzuje się energia słońca i wiatru.

Uśredniona roczna produkcja energii odnawialnej ukrywa zmienny i niepewny charakter energii słonecznej i wiatrowej.

Zapotrzebowanie i podaż energii elektrycznej muszą być zawsze dopasowane, co jest stosunkowo łatwe do osiągnięcia w przypadku elektrowni, które można dowolnie włączać i wyłączać. Jednak moc turbin wiatrowych i paneli słonecznych jest całkowicie zależna od kaprysów pogody.

Jeśli chcemy dowiedzieć się czy można nowoczesne gospodarki zasilać wyłącznie słońcem i wiatrem, musimy porównać ze sobą popyt na energię i produkcję energii wiatrowej i słonecznej, synchronizując te trzy wartości w czasie. 345 Jeśli to zrobimy (patrz wykres poniżej) to stanie się jasne, że produkcja energii odnawialnej słabo pokrywa się z zapotrzebowaniem.

Nieciągłość produkcji energii słonecznej i wiatrowej na tle zapotrzebowania

Wykres: Wizualizacja 30 dni gdzie zostały nałożone na siebie dane zapotrzebowania na energię (czerwony), produkcji energii wiatrowej (niebieski) i poziomu nasłonecznienia (żółty). Wartości średnie są reprezentowane przez podkoloryzowane czarne linie. Dane pobrane z Boneville Power Administration, kwiecień 2010. Źródło: 21

Nieciągłość Energii Słońca

Energię słoneczną określa się jako jednocześnie przewidywalną i nieprzewidywalną. Jej przewidywalność wynika z dziennych i sezonowych cyklów, które są następstwem dobrze poznanego i (prawie) niezmiennego ruchu słońca po niebie. 67

Kiedy słońce jest nisko nad ziemią, jego promienie muszą przebić większą masę powietrza co osłabia ich energię (w części absorbowaną przez cząsteczki atmosfery). W tym wypadku, promienie padają również na większą powierzchnię poziomą (poziomą do powierzchni ziemi, przyp. tłum.) obniżając ilość energii na jednostkę powierzchni płaskiej.

Moc szczytową słońce osiąga w południe latem. Kiedy znajduje się 60º ponad horyzontem, nadal świeci na poziome powierzchnie z 87% swojej maksymalnej intensywności. Jednak w miarę zmniejszania się kąta słonecznego stopień radiacji szybko spada osiągając wartość 25% z maksimum przy 15º nad horyzontem.

Kąt uniesienia/elewacji słońca, który zmienia się na przestrzeni roku, wpływa na dzienną ilość godzin słońca. Kiedy słońce jest nisko nad horyzontem (zimą na półkuli północnej) ilość energii słonecznej docierającej za dnia na powierzchnie Ziemi spada. Na koniec dodajmy, że łatwo przewidzieć, że w nocy nie możemy liczyć na promienie słońca.

Średnie zachmurzenia 2002-2015

Zdjęcie: Średnie zachmurzenie w latach 2002 – 2015. Źródło: NASA

Chociaż łatwo nam obliczyć ilość możliwej do pozyskania energii słonecznej w prawie każdej godzinie roku, to nie możemy być jednak pewni ile rzeczywiście dostaniemy energii, ponieważ całą sprawę komplikują chmury. Chmury rozpraszają i pochłaniają promieniowania słoneczne, obniżając jego wartość docierającą do powierzchni Ziemi. Przy nieznacznym zachmurzeniu uzyskamy 80% maksymalnego promieniowania, jednak jeśli pojawią się gęste, ciężkie chmury ta wartość spadnie do 15%. 8910

Ponieważ systemy fotowoltaiczne nie mają, ani mechanicznej, ani termicznej bezwładności, reagują bardzo szybko i drastycznie na zmiany zachmurzenia. Np. pod zmiennym zachmurzeniem, moc wyjściowa wielomegawatowej elektrowni fotowoltaicznej na Południowym Zachodzie USA, przeżywa zmiany w produkcji na poziomie 50% w przeciągu zaledwie 30 do 90 sekund i zmienności rzędu 70% w przedziale od 5 do 10 minut.* 6

W Londynie, jeden panel słoneczny wytwarza 65 razy mniej energii w mocno zachmurzony dzień 10 grudnia, niż w słoneczne południe czerwca.

*Komentarz tłumacza: Kolejnym czynnikiem, który podnosi nieprzewidywalność produkcji energii słonecznej jest zapylenie. Drobiny pyłów osiadające na powierzchni paneli fotowoltaicznych mogą obniżyć ich sprawność nawet o kilkadziesiąt procent. 42 Energię związaną z potrzebą okresowego mycia paneli, można uznać za dodatkowy czynnik wpływający na ogólną sprawność fotowoltaiki.

Połączenie cech przewidywalności i nieprzewidywalności energii słonecznej sprawia, że moc wyjściowa instalacji solarnych może ulegać dramatycznym wahaniom w czasie. W Phoenix w stanie Arizona, najbardziej słonecznym regionie Stanów Zjednoczonych, panele słoneczne produkują średnio 2.7 raza mniej energii w grudniu niż w czerwcu. Jeśli weźmiemy jedno słoneczne południe w czerwcu i porównamy je do silnie zachmurzonego dnia 10 grudnia, to różnica w wytworzonej mocy dobowej będzie różniła się dwudziestokrotnie. 11

W Londynie, który nie jest najlepszym miejscem na instalacje fotowoltaiczne, jeden panel słoneczny wytwarza 10 razy mniej energii dziennie w grudniu niż w czerwcu. Podczas mocno zachmurzonego dnia 10 grudnia, panel zbierze 65 razy mniej energii, niż w słoneczne czerwcowe południe. 89

Nieciągłość Energii Wiatru

W porównaniu z energią słoneczną, zmienność wiatru jest jeszcze większa. Chociaż energię wiatru możemy pozyskiwać zarówno w dzień jak i w nocy, to jest bardziej nieprzewidywalna i trudniej na niej polegać. Za dnia zawsze możemy liczyć na odrobinę słońca, jednak wiatr może nie wiać przez długie dni, a nawet tygodnie. Co więcej, zdarza się że wiatr jest za silny i wtedy trzeba wyłączyć turbiny, żeby uniknąć ich uszkodzenia.

W zależności od położenia, nowoczesna farma wiatrowa (na lądzie, przyp. tłum.) osiąga roczny współczynnik wykorzystania mocy średnio na poziomie od 10 do 45%*. Można powiedzieć, że jest to z grubsza dwa razy więcej niż roczny współczynnik wykorzystania mocy przez instalację fotowoltaiczną (5-30%). 6121314 W praktyce, turbina wiatrowa może pracować w każdej chwili z mocą sięgającą od 0 do 100% mocy maksymalnej.

  • Współczynnik wykorzystania mocy jest to stosunek pomiędzy mocą jaką w danym czasie wytwarza turbina wiatrowa, a mocą maksymalną jaką mogłaby wytworzyć. Jeśli turbina pracowałaby bez przerwy z mocą maksymalną to współczynnik wyniesie 100%. Jeśli z różnych powodów turbina nie pracuje, albo pracuje z niższą mocą, to wartość współczynnika spada, przyp. tłum.

image solar wind output

Wykres godzinowej produkcji mocy farmy wiatrowej w Kalifornii w czasie 29 dni. Źródło: 6

Dla wielu lokacji dostępne są jedynie uśrednione prędkości wiatru. Popatrzmy na wykres powyżej, który pokazuje wartość produkowanej energii przez jedną 600 MW farmę wiatrową w Kalifornii. Widać na nim wykresy produkcji mocy. Krzywe to dni (w sumie 29 dni) dla których podano wartości produkcji mocy w każdej godzinie dnia. Można zauważyć, że każdego dnia, w każdej godzinie, produkcja energii elektrycznej może wahać się od 0 do 600 MW. 6

Nawet niewielkie zmiany prędkości wiatru mają duży wpływ na produkcję energii elektrycznej: jeśli prędkość wiatru spadnie o połowę, to produkcja energii zmniejszy się ośmiokrotnie. 15 Zasoby energii wiatrowej również mogą podlegać fluktuacji. W Niemczech, Danii i Holandii można zaobserwować zmienność pomiędzy kolejnymi latami dochodzącą do 30%. 1 Roczne różnice w zasobach energii słonecznej również mogą być znaczące. 1617

Jak Dopasować Podaż Do Popytu?

Do pewnego stopnia energie wiatru i słońca nawzajem się uzupełniają. Na przykład, zimą wiatr wieje z reguły z dwa razy większą siłą, a słońca w tym czasie jest mniej. 18 Miejmy cały czas na uwadze, że odnosi się to jedynie do uśrednionych wartości. Zawsze istnieje ryzyko, że w danym momencie nie będzie ani wiał wiatr, ani nie będzie świeciło słońce, i wtedy zabraknie prądu.

Zapotrzebowanie na prąd również zmienia się sezonowo i dobowo, lecz wahania te są łatwiej przewidywalne i mniej drastyczne. Szczyt zapotrzebowania przypada na wieczór, a najmniej prądu zużywamy w nocy. Jednak pamiętajmy, że nawet w nocy pobór prądu wynosi ok. 60% maksimum.

Zawsze istnieje ryzyko, że w danym momencie nie będzie ani wiał wiatr, ani nie będzie świeciło słońce, i wtedy zabraknie prądu.

Jeśli dostępną moc źródeł odnawialnych będziemy obliczać na podstawie średniej rocznej produkcji energii wiatrowej i słonecznej, i na tej podstawie stwierdzimy czy zaspokoi ona nasz średni roczny popyt na prąd elektryczny, to możemy się spodziewać ciągłych braków w dostawie prądu. Jeśli chcemy być pewni, że podaż prądu zawsze zaspokoi popyt, musimy inaczej podejść do naszych szacunków i opracować nowe, skuteczniejsze strategie.

Pierwsze, co możemy zrobić to zbudować zapasową moc energetyczną opartą na zawsze dyspozycyjnych i szybkich w rozruchu elektrowniach na paliwa kopalne (elektrowniach gazowych), które włączymy kiedy nie starczy energii odnawialnej. Drugą możliwością jest przeskalowanie mocy energii odnawialnej, tak żeby mogła starczyć nawet w najmniej sprzyjających warunkach pogodowych. Trzecią opcją jest połączenie odległych i rozproszonych geograficznie farm wiatrowych i solarnych, żeby „wygładzić” wahania w produkcji energii. Czwartym wyjściem, mogłoby być magazynowania wystarczającej ilości energii w czasie, kiedy zasoby wiatru i słońca są słabe lub znikają.

Niestety, wszystkie te pomysły mają wspólną słabą stronę. Jeśli będziemy próbować zastosować je w skali, wystarczająco dużej do zasilenie współczesnych gospodarek ery przemysłowej, to zadanie jakie mają spełnić, czyli zredukować emisję dwutlenku węgla, nie zostanie wykonane. Nawet jeśli połączymy już istniejące instalacje z nowymi, to budowa i utrzymanie kolejnej gigantycznej infrastruktury będzie tak emisyjna jak obecna sieć energetyczna (co wynika z analiz cyklu życiowego instalacji energii wiatrowych i słonecznych).

Strategia Nr 1: Zapasowe Elektrownie

Względnie niewielki, jak do tej pory (patrząc na całość produkcji energii) przyrost mocy OZE trafiającej do sieci, został zrównoważony przez szereg dyspozycyjnych źródeł energii elektrycznej - przede wszystkim elektrowniami gazowymi. Chociaż to podejście w całości „rozwiązuje” problem nieciągłości produkcji energii, to jednocześnie stworzyło paradoks, ponieważ clue przejścia na energię odnawialną jest niezależność od paliw kopalnych, od gazu także. 19

Większość opracowań naukowych zgłębiających ten temat, skupia się na Europie która najambitniej podchodzi do energii odnawialnej. Zrównoważenie produkcji energii odnawialnej w scenariuszu zakładającym, że sieć elektryczna jest 100% oparta na OZE, bez zdolności magazynowania energii, za to z połączonymi ze sobą sieciami krajowymi, wymaga utrzymania zapasowych elektrowni na paliwa kopalne o mocy równej szczytowemu zapotrzebowaniu na prąd elektryczny. 12 Innymi słowy, źródeł energii nie-odnawialnej w tym wypadku będzie co najmniej tyle samo co dzisiaj.

every power plant in the usa

Wszystkie elektrownie w USA. Wizualizacja wykonana przez The Washington Post

Taka hybrydowa sieć elektryczna obniży zużycie paliw kopalnych na rzecz produkcji prądu, ponieważ jeśli wiatru i słońca będzie wystarczająca dużo, to źródła odnawialne mogą pracować i odciążać elektrownie konwencjonalne. Jednakże, należy zainwestować ogromne ilości energii i materiałów, żeby tak naprawdę zdublować już istniejącą infrastrukturę. Energię, którą zaoszczędzimy na paliwach kopalnych zużyjemy do wytworzenia, instalacji i podłączenie milionów ogniw fotowoltaicznych i turbin wiatrowych.*

*Będzie się to wiązało z emisją CO2 do atmosfery ponieważ produkcja turbin wiatrowych (w mniejszym stopniu ogniw fotowoltaicznych) i sieci przesyłowych jest prawie w całości uzależniona od procesów przemysłowych spalających paliwa kopalne. W tym momencie nie istnieją skuteczne alternatywy elektryfikacji, kluczowych dla budowy OZE procesów przemysłowych takich jak np. wytop stali, wypalania wapna na cement, produkcja szkła. przyp. tłum. 41

Strategia nr 2: Przeskalować Produkcję Energii Odnawialnej

Innym sposobem na uniknięcie niedoborów energii, jest instalacja większej liczby paneli słonecznych i turbin wiatrowych. Jeśli moc energii solarnej zostania dostosowana do zapotrzebowania w najkrótsze i najciemniejsze zimowe dni, a moc turbin wiatrowych dostosowana do najniższych prędkości wiatru, to możemy uniknąć ryzyka niedoborów prądu. Jednak, oczywistą wadę tego podejścia będzie nadpodaż energii przez większość część roku.

W momencie kiedy mamy do czynienia z nadpodażą energii, produkcję energii wiatrowej i słonecznej ogranicza się w celu uniknięcia ryzyka przeładowania sieci. Niestety, ta praktyka jest problematyczna, ponieważ ma negatywny wpływ na stopień zrównoważenia sieci energii odnawialnej jako całości. Zmniejsza ona ilość energii elektrycznej jaką przez swoje życie wygeneruje panel słoneczny czy turbina wiatrowa, niemniej jednak energia potrzebna na wytworzenie, instalację, podłączenie, utrzymanie i wycofanie z eksploatacji elementów sieci, pozostaje stała. Konsekwencją tego jest spadek współczynnika wykorzystania mocy i spadek EROI* OZE. 20

(*nota od tłumacza: EROI, ang. Energy Returned on Energy Invested. Jest to stosunek pomiędzy tym, ile energii uzyskaliśmy z danego źródła, a tym ile energii zainwestowaliśmy w jego pozyskanie. Jeśli np. zainwestujemy jedną baryłkę ropy naftowej i wydobędziemy dzięki niej 100 kolejnych baryłek to EROI wydobytej baryłko wyniesie 100. Jeśli zainwestujemy jedną baryłkę ropy naftowej, żeby uzyskać jedną baryłkę biopaliw (jest to ogólnie przyjęta i potwierdzona średnia wartość dla biopaliw) to EROI biopaliwa wyniesie 1. Najbardziej poszukiwane są źródła energii o wysokiej wartości EROI (na dzień dzisiejszy to konwencjonalne rodzaje paliw kopalnych), ponieważ charakteryzują się wysokim „zwrotem energetycznym” i uwalniają dla społeczeństwa energię na inne potrzeby niż samo wytwarzanie energii, przyp. tłum.)

Instalacja większej liczby paneli słonecznych i turbin wiatrowych pozwala uniknąć niedoborów prądu ale powoduje także nadwyżki produkcji.

Ze wzrostem udziału słońca i wiatru w miksie energetycznym, stopień ograniczania rośnie spektakularnie, ponieważ zależność nadprodukcji energii odnawialnej od jej udziału w miksie rośnie wykładniczo. Naukowcy obliczyli, że jeśli europejska sieć energetyczna będzie w 60% zasilana ze źródeł odnawialnych, to zapas mocy energii słonecznej i wiatrowej będzie musiał zdublować szczytowe zapotrzebowanie na elektryczność, co spowoduje pojawienie się 300 TWh nadwyżki prądu rocznie (mniej więcej 10% rocznego zużycia elektryczności w Europie).

Jeśli źródła odnawialne osiągną 80% parytetu energetycznego, zapas mocy będzie musiał sześciokrotnie przewyższyć szczytowy pobór z sieci, a nadwyżka energii wyniesie 60% rocznej konsumpcji elektryczności w Unii Europejskiej. Jeśli kiedyś wielkoskalowe OZEj osiągną 100% parytetu energetycznego, to ich zapas mocy będzie musiał być 10 razy większy niż szczytowe zapotrzebowanie, a roczna nadwyżka w produkcji przekroczy roczne zapotrzebowanie w UE. 212223

Będzie to oznaczało potrzebę wyprodukowania, aż do dziesięciu razy więcej turbin wiatrowych i paneli fotowoltaicznych. Energia jaka zostanie zużyta w tym procesie sprawi, że transformacja energetyczna na OZE okaże się daremnym przedsięwzięciem, ponieważ czas zwrotu energetycznego paneli i turbin wzrośnie sześcio-, dziesięciokrotnie.

W sieci energetycznej w 80% opartej na źródłach odnawialnych, energia zużyta na produkcję paneli fotowoltaicznych zwróci się po, od 12 do 24 latach, a w sieci w 100% zasilanej wiatrem i słońcem, po 20 do 40 latach. Ponieważ średnia żywotność paneli fotowoltaicznych wynosi około 30 lat, to może okazać się, że ogniwo fotowoltaiczne nie zdąży za swojego życia wyprodukować energii równej, tej zużytej na jego produkcję. Turbiny wiatrowe pozostaną, w obu przypadkach, producentami energii netto, ponieważ ich czas zwrotu energetycznego jest krótszy, jednakże ich przewaga nad paliwami kopalnymi zmaleje. 24

Strategia Nr 3: Supersieć

Zmienność produkcji energii wiatrowej i słonecznej można ograniczyć przez łączenie, na dużych obszarach geograficznych, różnych elektrowni odnawialnych. Np. stamtąd gdzie w danym momencie mocno wieje i mamy nadwyżkę w produkcji energii wiatrowej, możemy przesłać elektryczność do regionów gdzie panuje cisza wiatrowa. 19

Łączenie pozwala również na mieszanie ze sobą różnych technologii charakteryzujących się zmiennością, takich jak np. energia fal i pływów. 3 Co więcej, łącząc ze sobą regionalne sieci energetyczne można lepiej wykorzystać zapasowe elektrownie na paliwa kopalne.

wind map of europe

Mapa wiatrów na obszarze Europy, 2 września 2017, godz. 23:48. Źródło: Windy

Chociaż dzisiejsze sieci energetyczne w Europie i USA pokrywają wystarczająco duże obszary, to ich infrastruktura nie jest na tyle mocna (w sensie możliwości przesyłowej, przyp. tłum.), żeby pozwolić na włączanie do niej nowych, licznych OZE. Rozwiązaniem tego problemu byłaby potężna sieć wysokiego napięcie prądu stałego (współczesna sieć przesyła prąd zmienny, przyp. tłum.). Plany budowy takich „supersieci” są podstawową wielu ambitnych strategii osiągnięcie 100% parytetu energii odnawialnej, szczególnie w Europie. 25 Podobnie jak w scenariuszu nr 2, problem jest taki, że należy pociągnąć nowe linie transmisyjne na bardzo długich dystansach. 19

Dla europejskiej sieci energetycznej opartej w 60% na energii odnawialnej (optymalny miks energii słońca i wiatru), pojemność sieci musiałaby wzrosnąć co najmniej siedmiokrotnie. Jeśli poszczególne kraje zlekceważyłyby obawy dotyczące narodowego bezpieczeństwa energetycznego, a moc rezerwowa byłaby równomiernie rozłożona po całym kontynencie, to wystarczyłoby aby wzrost zdolności przesyłowej sieci powiększył się tylko trzykrotnie. Dla Europejskiej sieci w 100% opartej na OZE, pojemność sieci musiałaby być dwanaście razy większa niż dzisiaj. 212627

Nawet w Wielkiej Brytanii, która może się pochwalić najlepszymi zasobami energii odnawialnej, przejście na połączone siły energii wiatru, słońca, fal morskich i pływów, spowoduje przerwy w dostawie prądu 65 dni w roku.

Wynikają z tego trzy problemy. Po pierwsze, budowa infrastruktury wież i ich fundamentów, linii przesyłowych, stacji transformatorowych, rozdzielni itd. wymaga ogromnej ilości energii i materiałów. Musi to zostać wzięte pod uwagę przy opracowywaniu analiz cyklu życiowego sieci energii odnawialnej. Przeskalowana moc OZE, wymaga przeskalowanej infrastruktury przesyłowej, które będzie bezczynna przez większość czasu. To spowoduje znaczący spadek współczynnika pojemności linii przesyłowej (czyli stosunku pomiędzy możliwością przesyłową linii, a mocą w danym momencie przesyłaną, przyp. tłum.).

Po drugie, przesył energii elektrycznej po liniach zawsze odbywa się ze stratą, co znaczy że więcej turbin i paneli będzie musiało zostać zamontowanych, żeby zrekompensować te straty (straty na liniach przesyłowych wysokiego napięcie wynoszą średnio kilkanaście procent, przyp. tłum.). Po trzecie, jeśli budowa nowych linii przesyłowych zostanie rozpoczęta, to ich budowa może zająć nawet dziesięć lat. 2025 Nie będzie to jedynie wynikiem biurokratycznej obstrukcji, ale również oporu lokalnych mieszkańców, którzy boją się, lub nie chcą, nowych linii. Dzisiaj jest to jedną głównych przeszkód w rozwoju OZE.

Co więcej, powstanie „supersieci” nie eliminuje całkowicie ryzyka wystąpienie dni niskiej produkcji energii na dużym obszarze Europy. Jeśli parytet energii odnawialnej sięgnie 100%, a pojemność sieci wzrośnie 12 razy, to potrzeba zrównoważenia produkcji elektrowniami na paliwa kopalne spadnie do 15% całkowitego rocznego zapotrzebowania na energię. To jest maksimum korzyści jakie może dać łączenie ze sobą krajowych sieci w Europie. 28

Nawet w Wielkiej Brytanii, która może się pochwalić najlepszymi zasobami energii odnawialnej, przejście na połączone siły energii wiatru, słońca, fal morskich i pływów, spowoduje przerwy w dostawie przez 18% czasu w skali roku (około 65 dni). 293031

Strategia Nr 4: Magazynowanie Energii

Ostatnią strategią jakiej się przyjrzymy jest magazynowanie nadwyżki energii i jej wykorzystanie, kiedy produkcja ze źródeł odnawialnych słabnie. Dzięki magazynowaniu energii unikamy wymuszonego ograniczenia produkcji i jest to jedyna strategia, oparta na gospodarowaniu zasobami a nie na produkcji energii, która może sprawić że zapasowe elektrownie konwencjonalne staną się zbędne. W praktyce magazynowanie energii odnawialnej napotyka szereg problemów.

Zacznijmy od tego, że chociaż odpada nam potrzeba budowy i utrzymania zapasowej infrastruktury paliw kopalnych, to korzyści wynikające z tego faktu są negowane przez potrzebę budowy i utrzymania infrastruktury magazynowania energii odnawialnej. Po drugie, ładowanie i rozładowywanie wszystkich nośników energii wiąże się ze stratami energii, przez co konieczne będzie zainstalowanie dodatkowej mocy OZE, aby zrekompensować te straty.

live windmap usa

Żywa mapa wiatrów w USA

Po trzecie, projektując „supersieć” musimy wziąć to pod uwagę budowę i utrzymanie infrastruktury magazynowania energii odnawialnej (oraz dodatkowych turbin i paneli), co wymaga zużycia energii i materiałów. Analogicznie nie możemy o tym zapomnieć pisząc analizy cykli życiowych sieci energii odnawialnych wykorzystujących magazynowanie energii. Badania pokazuję, że w praktyce lepiej będzie (ze względu na zagospodarowanie energii) ograniczyć produkcję energii odnawialnej wiatru niż ją magazynować, ponieważ ilość energii potrzebnej na postawienie infrastruktury magazynowania i jej pracy (razem ze stratami ładowania-rozładowania) przewyższa ilość energii traconą w wyniku wymuszonego ograniczania. 23

Jeśli postawimy na samochody elektryczne, jako magazyn nadwyżek energii odnawialnej, to ich baterie trzeba będzie powiększyć 60 razy.

Obliczono, że dla europejskiej sieci energetycznej w 100% opartej na energii odnawialnej (670 GW energii wiatrowej i 810 GW energii słonecznej) bez żadnych zapasowych elektrowni konwencjonalnych, pojemność magazynów energii powinna być półtora raza większa niż średnie miesięczne obciążenie sieci i być w stanie pomieścić do 400 TWh energii, nie licząc strat ładowania i rozładowywania. 323334

Żeby wyobrazić sobie co znaczy 400 TWh pojemności przyjrzyjmy się następującym liczbom: najbardziej optymistyczne obliczenia potencjału elektrowni hydro-pompowych w Europie wynoszą 80 TWh, 35 a zamiana wszystkich 250 milionów samochodów osobowych na kontynencie na auta elektryczne z baterią pojemności 30 kWh, da nam łącznie 7.5 TWh. Innymi słowy, jeśli postawimy na samochody elektryczne, jako magazyn nadwyżek energii odnawialnej, to ich baterie trzeba będzie powiększyć 60 razy (albo zwiększyć liczbę aut do 15 miliardów, przyp. tłum.), przymykając oczy na fakt, że pojawienie się elektryków znacząco zwiększy pobór energii z sieci.

Jeśli do powyższych obliczeń dołączymy 85% sprawność ładowania-rozładowania baterii samochodowych, to wyprodukowanie baterii litowo-jonowych o pojemności 460 TWh (400 TWh razy 1.15) będzie wymagało zużycia 644 milionów teradżuli energii pierwotnej, czyli piętnaście razy więcej niż roczne zużycie energii pierwotnej w Europie. 36 Tę operacje będziemy musieli powtarzać minimum co dwadzieścia lat, czyli tyle ile najdłużej działają najlepsze baterie litowo-jonowe. Istnieje wiele innych technologii magazynowania nadwyżki energii odnawialnej, niestety każda z nich ma swoje własne specyficzne wady, które sprawiają że zastosowane ich na większą skalę staje się problematyczne. 37 38

Dopasowywanie Podaży Do Popytu = Budowa Większej Niż Potrzeba Infrastruktury

Podsumowując. Szacowanie czasu zwrotu energetycznego tylko dla pojedynczych paneli słonecznych, czy turbin wiatrowych, ogromnie zawyża stopień zrównoważenia sieci energii odnawialnej. Jeśli chcemy, żeby cały czas podaż zaspokajała popyt, to musimy liczyć się z tym, że trzeba będzie przeskalować moc OZE i możliwości linii przesyłowych. Musimy również pamiętać o energii potrzebnej do wybudowania infrastruktury magazynowania energii lub zapasowych elektrowni. Przeskalowanie systemu zwiększa również koszta inwestycji i wydłuża czas transformacji energetycznej.

Szacowania czasu zwrotu energetycznego tylko dla pojedynczych paneli słonecznych czy turbin wiatrowych ogromnie zawyża poziom zrównoważenia sieci energii odnawialnej.

Połączenie różnych strategii jest podejściem bardziej synergistycznym, poprawiającym stopień zrównoważenia sieci energii odnawialnej, jednak korzyści jakie z niego wynikają nie rozwiązują fundamentalnego problemu. 333940

Budowa paneli słonecznych, turbin wiatrowych, linii przesyłowych, równoważenie niedoborów produkcji i magazynowanie energii z użyciem energii odnawialnej zamiast paliw kopalnych, również nie rozwiązuje tego problemu, ponieważ także zakłada budowę nowej infrastruktury. Musielibyśmy wybudować dodatkową infrastrukturę OZE, żeby wybudować infrastrukturę OZE.

Dostosowując Popyt Do Podaży

Powyższa krytyka przedstawionych strategii nie dowodzi, ze sieć elektryczna oparta w całości na źródłach odnawialnych jest niemożliwa. Jest jeszcze piąta strategia, która nie próbuje dostosować podaży do popytu, ale stawia sobie za cel dostosować popyt do podaży. W takim scenariuszu, energia odnawialna będzie wykorzystywana tylko wtedy, kiedy jest dostępna.

Jeśli udałoby się nam dopasować całe zapotrzebowanie energetyczne do zmiennej natury słońca i wiatru, potrzeba rozbudowy sieci, równoważenie niedoborów produkcji czy dodatkowo elektrownie źródeł odnawialnych, nie byłyby potrzebne. Dzięki temu, cała wyprodukowana energia zostałaby wykorzystana, bez strat na przesyle, bez wymuszonych ograniczeń i bez potrzeby magazynowania.

image windmiill belgium

Zdjęcie: Wiatrak w Moulbaix, Belgia, XVII-XVIII wiek. Zdjęcie: Jean-Pol GrandMont

Oczywiście, ciągłe i całkowite dostosowywanie popytu do podaży energii odnawialnej jest niemożliwe, ponieważ nie wszystkie czynności wykorzystujące energię mogą być wstrzymywane (np. wytop stali w piecach martenowskich musi trwać dwadzieścia cztery godziny na dobę, siedem dni w tygodniu, inaczej piec zatka się zastygłą surówką, przyp. tłum.). Jednakże, dostosowanie popytu do podaży musi stać się priorytetem, a pozostałe strategie muszą pełnić role jedynie uzupełniające. Jeśli odpuścimy sobie potrzebę dostępu do prądy przez 24 godziny, 365 dni w roku, to uda nam się znacznie szybciej dokonać transformacji energetycznej, wybudować całą potrzebną infrastrukturę niższym kosztem i będzie ona bardziej zrównoważona.

Jeśli tylko udałoby się nam dopasować całe zapotrzebowanie energetyczne do zmiennej natury słońca i wiatru, potrzeba rozbudowy sieci, równoważenie niedoborów produkcji czy dodatkowe elektrownie źródeł odnawialnych, nie byłyby potrzebne.

Nawet małe kroki na rzecz dopasowania popytu do podaży, niosą bardzo pozytywne korzyści. Np. Wielka Brytania, jeśli pogodziłaby się z 65 dniami w roku, kiedy prąd jest w niedoborze, to mogłaby być w 100% zasilana z OZE (słońca, wiatru, fal i pływów) bez potrzeby magazynowania energii, bez wspomagania się w potrzebie elektrowniami gazowymi i węglowymi, i bez konieczności przeskalowania zdolności produkcyjnych.* 29

Jeśli dzisiaj, mówi się cokolwiek o zarządzaniu podażą, to ogranicza się to z reguły do tzw. „inteligentnych urządzeń domowych”, takich jak zmywarka czy pralka, które włączą się automatycznie w momencie kiedy energii odnawialnej w sieci będzie pod dostatkiem. Jednak takie pomysły to zaledwie ułamek tego co możliwe. Przed Rewolucją Przemysłową, transport i przemysł były w równym stopniu zależne od zmiennych źródeł energii odnawialnej. Wahania w produkcji energii były prawie w całości rekompensowane dostosowywaniem popytu. Na przykład, wiatraki i łodzie żaglowe działały tylko wtedy kiedy wiał wiatr. W kolejnym artykule, wyjaśnię jak to dawne podejście może zostać z powodzeniem zastosowane w nowoczesnym przemyśle i transporcie towarowym.

*Pamiętajmy, że ten artykuł odnosi się jedynie do produkcji energii elektrycznej na potrzeby sieci elektrycznej. „[…]w całości zasilana ze źródeł odnawialnych[…]” oznacza, że sieć elektryczna w całości przejdzie na OZE. Nie oznacza to, że automatycznie zniknie sieć gazowa czy pojazdy zasilane paliwami kopalnymi, przyp. tłum.

Kris De Decker (redakcja by Jenna Collett)


  1. Swart, R. J., et al. „Europe’s onshore and offshore wind energy potential, an assessment of environmental and economic constraints”. No. 6/2009. European Environment Agency, 2009. 

  2. Lopez, Anthony, et al. „US renewable energy technical potentials: a GIS-based analysis” NREL, 2012. Zobacz również: „Here’s how much of the world would need to be covered in solar panels to power Earth”, Business Insider, Listopad 2015. 

  3. Hart, Elaine K., Eric D. Stoutenburg, and Mark Z. Jacobson. “The potential of intermittent renewables to meet electric power demand: current methods and emerging analytical techniques.” Proceedings of the IEEE 100.2 (2012): 322-334. 

  4. Ambec, Stefan, Crampes C. „Electricity production with intermittent sources of energy:. No. 10.07. 313. LERNA, University of Toulouse, 2010. 

  5. Mulder, F. M.“Implications of diurnal and seasonal variations in renewable energy generation for large scale energy storage.” Journal of Renewable and Sustainable Energy 6.3 (2014): 033105. 

  6. INITIATIVE, MIT ENERGY. “Managing large-scale penetration of intermittent renewables.” (2012). 

  7. Richard Perez, Mathieu David, Thomas E. Hoff, Mohammad Jamaly, Sergey Kivalov, Jan Kleissl, Philippe Lauret and Marc Perez, “Spatial and temporal variability of solar energy”, Foundations and Trends in Renewable Energy: Vol. 1: No. 1, pp 1-44. 2016 http://dx.doi.org/10.1561/2700000006 

  8. „Sun Angle and Insolation”. FTExploring. 

  9. „Sun position calculator”, Sun Earth Tools. 

  10. Burgess, Paul. ” Variation in light intensity at different latitudes and seasons effects of cloud cover, and the amounts of direct and diffused light.” Forres, UK: Continuous Cover Forestry Group. Dostępny online na http://www. ccfg. org. uk/conferences/downloads/P_Burgess.pdf , 2009. 

  11. Produkcja energii solarnej może zostać zwiększona, szczególnie zimą, przez nachylenie paneli pod kątem 90 stopni do kąta padania promieni słonecznych. Nie wpływa to oczywiście na rozpraszanie promieni słońca przez cząsteczki atmosfery, ani nie zwiększa ilości godzin słońca. Pochylanie paneli jest rozwiązaniem kompromisowym, ponieważ ich zimowe ustawienie nie jest idealne latem i odwrotnie. Rozwiązaniem mogą być moduły śledzenie słońca ustawiające automatycznie panele, lecz wymagają one dodatkowych kosztów i zużywają część energii. 

  12. Schaber, Katrin, Florian Steinke, and Thomas Hamacher. “Transmission grid extensions for the integration of variable renewable energies in europe: who benefits where?.” Energy Policy 43 (2012): 123-135. 

  13. „German offshore wind capacity factors”. Energy Numbers, July 2017. 

  14. „What are the capacity factors of America’s wind farms?”. Carbon Counter, 24 July 2015. 

  15. Sorensen, Bent. „Renewable Energy: physics, engineering, environmental impacts, economics & planning”; Fourth Edition. Elsevier Ltd, 2010. 

  16. Jerez, S., et al. “The Impact of the North Atlantic Oscillation on Renewable Energy Resources in Southwestern Europe.” Journal Of Applied Meteorology And Climatology 52.10 (2013): 2204-2225. 

  17. Eerme, Kalju. “Interannual and intraseasonal variations of the available solar radiation.” Solar Radiation. InTech, 2012. 

  18. Archer, Cristina L., and Mark Z. Jacobson. “Geographical and seasonal variability of the global practical wind resources.” Applied Geography 45 (2013): 119-130. 

  19. Rugolo, Jason, and Michael J. Aziz. “Electricity storage for intermittent renewable sources.” Energy & Environmental Science 5.5 (2012): 7151-7160. 

  20. Nawet dzisiaj, przy nieznacznym udziale OZE w energetyce, zdarza się ograniczać produkcję prądu. Wynika to z przeciążeń linii przesyłowych, niedostatecznych zdolności przesyłowych i potrzeby utrzymania elektrowni termalnych (węglowych i atomowych) w minimalnej zdolności operacyjnej. Przeczytaj: Debra Lew et al., “Wind and solar curtailment”, National Renewable Energy Laboratory, 2013. Np. Chiny, na ten moment największy producent energii wiatrowej na świecie, ogranicza około 1/5 produkcji energii wiatrowej. Przeczytaj: Sue-Lin Wong & Charlie Zhu, „Chinese wind earnings under pressure with fifth of farms idle”, Reuters, Maj 17, 2015. 

  21. Barnhart, Charles J., et al. “The energetic implications of curtailing versus storing solar- and wind-generated electricity.” Energy & Environmental Science 6.10 (2013): 2804-2810. 

  22. Schaber, Katrin, et al. “Parametric study of variable renewable energy integration in europe: advantages and costs of transmission grid extensions.” Energy Policy 42 (2012): 498-508. 

  23. Schaber, Katrin, Florian Steinke, and Thomas Hamacher. “Managing temporary oversupply from renewables efficiently: electricity storage versus energy sector coupling in Germany.” International Energy Workshop, Paris. 2013. 

  24. Podziemne linie przesyłowe mogą po części rozwiązać problem, niestety są sześć razy droższe od linii napowietrznych. 

  25. Szarka, Joseph, et al., eds. „Learning from wind power: governance, societal and policy perspectives on sustainable energy”. Palgrave Macmillan, 2012. 

  26. Rodriguez, Rolando A., et al. “Transmission needs across a fully renewable european storage system.” Renewable Energy 63 (2014): 467-476. 

  27. Co więcej, nowe możliwości przesyłowej są często wymagane do podłączenie nowych instalacji OZE do istniejącej sieci. Farmy słoneczne i wiatrowe należy ustawiać tam gdzie znajdują się zasoby energii odnawialnej, a często są to lokacje znacznie oddalone od miejsc, w których energia ma być konsumowana. 

  28. Becker, Sarah, et al. “Transmission grid extensions during the build-up of a fully renewable pan-European electricity supply.” Energy 64 (2014): 404-418. 

  29. Paul Allen et al. „Zero Carbon Britain: Rethinking the Future”. Centre for Alternative Technology, 2013. 

  30. Energię fal można korelować z energią wiatrową. Tam gdzie nie ma wiatru z reguły nie ma też fal. 

  31. Nawet budowa „Większych Supersieci”, wykorzystujące jeszcze większe obszary geograficzne, a może całą planetę, mogłaby zlikwidować potrzebę balansowania produkcji. Jednak taka inwestycja byłaby niezwykle kosztowna i zwiększyłaby straty na przesyle. Koszty przesyłu rosną szybciej niż liniowo ze wzrostem długości sieci, ponieważ szczyty produkcji energii muszą zostać przesłane, a będą one rosły razem z powiększeniem się powierzchni z której zbierana jest energia. 5 Ta strategia musi się zmierzyć również z wieloma praktycznymi przeszkodami. Np. istnienie „supersieci” zakłada pokojowe relacje pomiędzy krajami i wspólnotę interesów, ale w rzeczywistości jedne podmioty zyskują więcej na połączeniu niż inne. 22 

  32. Heide, Dominik, et al. “Seasonal optimal mix of wind and solar power in a future, highly renewable Europe.” Renewable Energy 35.11 (2010): 2483-2489. 

  33. Rasmussen, Morten Grud, Gorm Bruun Andresen, and Martin Greiner. “Storage and balancing synergies in a fully or highly renewable pan-european system.” Energy Policy 51 (2012): 642-651. 

  34. Weitemeyer, Stefan, et al. “Integration of renewable energy sources in future power systems: the role of storage.” Renewable Energy 75 (2015): 14-20. 

  35. Marcos Gimeno-Gutiérrez et al., „Assessment of the European potential for pumped hydropower energy storage”. European Commission, 2013. 

  36. Obliczenie oparte na danych przedstawionych w artykule: Kris De Decker, „How sustainable is stored sunlight?”. Low-tech Magazine, 2015. 

  37. Evans, Annette, Vladimir Strezov, and Tim J. Evans. “Assessment of utility energy storage options for increased renewable energy penetration.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 16.6 (2012): 4141-4147. 

  38. Zakeri, Behnam, and Sanna Syri. “Electrical energy storage systems: A comparative life cycle cost analysis.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 42 (2015): 569-596. 

  39. Steinke, Florian, Philipp Wolfrum, and Clemens Hoffmann. “Grid vs. storage in a 100% renewable Europe.” Renewable Energy 50 (2013): 826-832. 

  40. Heide, Dominik, et al. “Reduced storage and balancing needs in a fully renewable European power system with excess wind and solar power generation.” Renewable Energy 36.9 (2011): 2515-2523. 

  41. Heinberg Richard, Fridley David. “Our Renewable Future”. Island Press, 2016. 

  42. Athar H., Ankit B., Rupendra P. „An experimental study on effect of dust on power loss in solar photovoltaic module”. Renewables Wind, Water & Solar wyd. 4, Artykuł numer 9, 2017. 

441.98KB