Nie tylko o wiatrakach

 070424

WIATRAKI

Będąc na Roztoczu zobaczyłem w oddali kilka wiatraków, których rok temu nie było, i oczywiście poszedłem zobaczyć je z bliska. Okazało się, że stoi tam 10 dużych turbin o mocy 3,6 MW każda. Dla porównania: średnie zapotrzebowanie jednorodzinnego domu mieszkalnego wynosi ok. 2 kW, czyli taki wiatrak pracujący pod pełnym obciążeniem zasili 2 tysiące domów, a więc duże osiedle w mieście. Porównanie czyni wrażenie, ale czytajcie dalej. W internecie trafiłem na stronę poświęconą energetyce, a na niej informację o kosztach budowy farm wiatrowych.

Dla nieobeznanych: 1 GW (gigawat) = tysiąc MW (megawatów) = milion kW (kilowatów) = miliard W (watów). Moc żarówki to 5-20 W, telewizora 70-150 W, a czajnika 2000 W czyli 2 kW.

Na wspomnianej stronie podawany jest koszt wiatraków w granicach 5 do 7 milionów złotych za 1 MW; to znaczy, że każdy z widzianych dzisiaj wiatraków kosztował jakieś 20 mln, a cała farma 200. Ogromne pieniądze, ale każdy rodzaj elektrowni kosztuje bardzo dużo. Parę lat temu oglądałem nową elektrownię wodną na Bobrze pod Jelenią Górą. W skałach wydrążone są kanały, położone wielkie rury, stoi duży budynek wypełniony specjalistycznymi urządzeniami, a to wszystko w górach, z dala od dróg. Moc? Raptem 1 MW. Kosztów tej konkretnej inwestycji nie poznałem, ale dowiedziałem się, że średni koszt jednego megawata elektrowni wodnej wynosi w Polsce 8,5 mln zł. Dla porównania: w elektrowni atomowej ten współczynnik wynosi 14,5 mln, czyli jeden zespół prądotwórczy (reaktor atomowy, turbina i generator) o mocy 1 GW kosztuje kilkanaście miliardów.

MOC A ENERGIA

Bardzo często w internecie, nawet na technicznych stronach, piszą bzdury myląc moc z energią. Moc to waty, energię liczy się w watogodzinach. Nie można pisać o mocy 100 watów na godzinę, bo to dokładnie tak, jakbyśmy napisali, że nasz termos mieści litr herbaty na godzinę, a silnik samochodu ma moc 100 kW na pół godziny.

Tak właśnie napisane jest tutaj:

Moc po prostu nie ma związku z czasem, to inna jednostka niż energia, aczkolwiek możemy powiedzieć, że ów przykładowy silnik rozwijał moc 100 kW przez 30 minut, a litr herbaty z termosu wypijemy w ciągu godziny.

Płacimy za zużytą energię, czyli mocy pobieraną w określonym czasie. Jeśli nasz telewizor pobiera 100 watów (czyli 0,1 kW), to w godzinę swojej pracy zużyje 0,1 kWh, czyli jedną dziesiątą kilowatogodziny energii elektrycznej, i za taką ilość zapłacimy. Ledowa żarówka o mocy 10 W, czyli 0,01 kW, świecąca cały zimowy wieczór, powiedzmy, że 10 godzin, zużyje energii 0,01 kW razy 10 h = 0,1 kWh, a czajnik wykorzysta tyle energii w ciągu paru minut.

Jeszcze o nazewnictwie. Wiatraki nazywane są też turbinami albo elektrowniami wiatrowymi. Uważam, że wszystkie te nazwy są prawidłowe, a tutaj wyjaśnię znaczenie technicznego określenia „turbina”. Otóż jest to rodzaj silnika, w którym obrót uzyskiwany jest przez działanie wiatru, wody, spalin lub pary wodnej na łopatki zamocowane na osi. Tak więc dziecięcy wiatraczek jest turbiną, w elektrowniach wodnych są turbiny obracane lejącą się z wysokości wodą (bo wtedy z większą siłą działa na łopatki), a w omawianych wiatrakach łopatkami turbiny jest trzyramienne śmigło na które działa wiatr. Generator natomiast to urządzenie generujące czyli wytwarzające coś technicznego, na przykład prąd. Najmniejszy i kiedyś powszechnie stosowany był montowany w rowerach i wytwarzał prąd do oświetlenia. Żeby generator działał, musi się kręcić. W elektrowniach napędzany jest turbinami, w rowerze wiadomo, a po co w takim razie reaktor w elektrowniach atomowych? Bo my nie potrafimy wytwarzać energii elektrycznej bezpośrednio z rozpadu pierwiastków promieniotwórczych, a to właśnie się dzieje w reaktorach atomowych. Robimy to okrężną i dość prymitywną drogą: w czasie tego rozpadu pierwiastków uwalniana jest ogromna ilość ciepła, które wykorzystuje się do gotowania wody i zbierania pary pod dużym ciśnieniem. Dalej jest tak samo jak w elektrowniach opalanych węglem lub gazem: owa para puszczana jest na łopatki turbiny, ta się kręci i napędza generator. No i mamy prąd w gniazdku.

 Tutaj są zdjęcia turbin parowych stosowanych w elektrowniach, a jak wyglądają turbiny wiatrowe, widać na moich zdjęciach wyżej albo w ręku dziecka.

POJEMNOŚĆ

Skoro już się wymądrzam, wyjaśnię często spotykane nieporozumienie związane z pojemnością akumulatorów. Ta pojemność jest oczywiście miarą ich zdolności przechowywania energii elektrycznej, i do tej pory używano do tego celu jednostki zwanej amperogodziną, w skrócie Ah. Ten parametr wskazywał, ile amper prądu może oddać akumulator przez określony czas, a tworzony był przez pomnożenie prądu i czasu jego pobierania. Na przykład typowy akumulator samochodu osobowego mający 50 Ah pojemności, jeśli jest w dobrym stanie i w pełni naładowany, może dać 5 A przez 10 godzin albo 1A przez 50 godzin. Iloczyn w obu przypadkach wynosi 50 Ah, czyli znamionową pojemność akumulatora. Ta jednostka wystarczała do określania wielkości akumulatorów rozruchowych w samochodach spalinowych, jednak do wielkich baterii akumulatorów w samochodach elektrycznych się nie nadaje, bo tak naprawdę nic nie mówi o ilości zgromadzonej energii. Dlaczego? Bo energia elektryczna to moc pobierana w określonym czasie. Moc, nie prąd (ampery), a moc jest iloczynem napięcia i prądu. Aby naprawdę wiedzieć, ile energii gromadzi akumulator, trzeba uwzględnić napięcie mnożąc przez nie amperogodziny, a wtedy otrzymujemy znane już watogodziny (Wh) i tysiąc razy większe kilowatogodziny (kWh). Przykład obrazujący różnicę: akumulator o napięciu 12 V i pojemności 50 Ah, czyli jak w naszych osobówkach, zgromadzić może 0,6 kWh energii (12 V razy 50 Ah = 600 Wh = 0,6 kWh). Akumulator o takiej samej pojemności 50 Ah ale napięciu 120 V, ma dziesięciokrotnie większą zdolność przechowywania energii, ponieważ 120 V razy 50 Ah = 6 kWh. Na pierwszym samochód elektryczny przejedzie około 3 km, na drugim 30.

Tak więc aby mieć pełne rozeznanie w wielkości baterii samochodów elektrycznych, dodano napięcie otrzymując kilowatogodziny i takich jednostek się używa.

MAGAZYNOWANIE ENERGII

Energii elektrycznej nie da się wytworzyć i odłożyć na półkę jak zwykłego towaru. Musi być jednocześnie wytwarzana i pobierana czyli zużywana. Prąd jest zorganizowanym ruchem elektronów, zatrzymanie tego przepływu to zanik prądu. Żadne akumulatory nie przechowują prądu, a w procesie ładowania wykorzystują jego energię do procesów chemicznych, które są odwracalne, to znaczy przebiegając jakby w drugą stronę wytwarzają prąd.

Największą wadą wiatraków i paneli słonecznych jest nierównomierne wytwarzanie energii elektrycznej. Nie ma słońca albo wiatru, nie ma prądu. Mocno wieje nad ranem, jest nadmiar, itd. Niemal jedynym sposobem na usunięcie tej wady jest budowa magazynów energii, których głównym składnikiem są wielkie baterie akumulatorów. W samochodach elektrycznych ich pojemności wynoszą do 100 kWh, co wystarczy na przejechanie do około 800 kilometrów albo do zasilania domu przez 2-4 tygodnie. Te porównania pozwalają na wyobrażenie sobie wielkości akumulatorów potrzebnych w zawodowym systemie energetycznych. Są takie budowane, to dziesiątki kontenerów wypełnionych akumulatorami i elektroniką. Koszta? Ogromne, więc u nas powstaje ich mało. Powiem tylko, że taki magazyn przeznaczony do jednorodzinnego domu kosztuje 40 tysięcy złotych, ale są i droższe. Jeśli współpracuje z panelami słonecznymi odpowiedniej wielkości, zapewni stałą dostawę energii do domu i niezależność od sieci zewnętrznej. Do 40 tysięcy (sam magazyn, bez paneli) na jeden dom, a większe? Znalazłem ofertę jakiejś chińskiej firmy oferującej magazyn o pojemności 5 MWh za 4,5 miliona złotych. Na ile taki magazyn wystarczy? Przeliczyłem dane podawane przez GUS i okazało się, że 5 MWh wystarczy do zasilania przez całą dobę 450 większych domów jednorodzinnych, ale jednocześnie prosty rachunek wskazuje, że jeden z oglądanych wiatraków w ciągu niecałych dwóch godzin przy wietrznej pogodzie zapełni cały ten magazyn. Jeden wiatrak! (3,6 MW jego mocy razy 2 godziny = 7,2 MWh. To znaczy, że aby zapewnić stabilizację systemu, czyli stałą dostawę energii, do kosztów wiatraków trzeba doliczyć przynajmniej drugie tyle pieniędzy na akumulatorowe magazyny. Przy tym trzeba wiedzieć, że podaż litu stosowanego w akumulatorach jest ograniczona i niewielka, a jego uzyskanie bardzo, bardzo nieekologiczne.

Bez magazynów energii elektrownie słoneczne i wietrzne są swoistą zabawką, niewiele przydatną w systemie energetycznym. Z wielu przykładów podam jeden: jeśli jest wietrzna pogoda, zdarza się nierzadko, że dyspozytor mocy zarządza wyłączanie wiatraków, bo jest nadmiar prądu z którym nie ma co w tej chwili robić (bo brakuje magazynów energii). Zgodnie z umowami, właścicielom takich wyłączonych wiatraków wypłaca się odszkodowania, no bo przecież są stratni…

O DZIWNEJ ELEKTROWNI

Są alternatywne sposoby przechowywania energii, ale i one mają poważne wady. Wspomniałem o wielkich akumulatorach jako niemal jedynym sposobie, ponieważ od dziesiątków lat stosuje się inny sposób magazynowania energii: elektrownie szczytowo-pompowe. To dwa wielkie zbiorniki wody, jeden jest w dole, drugi dużo wyżej. Między nimi biegną monstrualne rury oraz zamontowane są turbiny z generatorami. Jeśli w systemie energetycznym jest niedobór mocy, na polecenie bardzo ważnej w kraju osoby, mianowicie głównego dyspozytora mocy, otwierane są zawory, woda płynie z góry, turbiny się obracają, generatory dają prąd. System uruchamia się w ciągu minut. Kiedy jest nadmiar mocy, dyspozytor decyduje o inicjacji procesu odwrotnego: generatory dostają prąd stając się silnikami napędzającymi turbiny pracujące wtedy jako pompy. Milion ton wody pchany jest pod górę i napełnia górny zbiornik. W ten sposób zużywa się nadmiarową moc, szkodliwą jak i niedobór, oraz przygotowuje elektrownię do nowego cyklu pracy.

Słyszałem, że planowana jest u nas budowa kolejnej takiej elektrowni. Na koniec ciekawostka obrazująca skalę trudności w zapewnieniu równowagi między podażą energii a popytem na nią: taka elektrownia więcej zużywa prądu niż go wytwarza.

W starych zbiorach znalazłem zdjęcie mojej rodziny na tle jednej z dwóch rur takiej elektrowni działającej w pobliżu Władysławowa. Co powiecie o jej wielkości?

 

PIENIĄDZE I SENS

Dlaczego o tym piszę? Bo jestem technikiem, bo kiedyś policzyłem, ile dodatkowej mocy będziemy musieli mieć, jeśli wszystkie spalinowe samochody osobowe będą zmienione na elektryczne. Ta dodatkowa moc wyniesie 7 GW czyli 7000 MW! Zaznaczam raz jeszcze: tylko do ładowania osobówek! Znalazłem w internecie informacje o stopniu wykorzystania mocy wiatraków, wynosi 27 do 40%, a to oznacza, że jeśli brakująca moc miałaby być uzyskania tylko z wiatraków, to wtedy takich ponadstumetrowych kolosów jak te dzisiaj widziane trzeba będzie postawić 6 tysięcy za jakieś 120 miliardów. Oczywiście pod warunkiem dalszego działania naszych starych elektrowni węglowych, a tak nie będzie.

Zmiana samochodów na elektryczne wymusza też radykalną zmianę i rozbudowę sieci przesyłania energii, tych wielkich słupów z rozciągniętymi między nimi przewodami, stacji transformatorowych i dziesiątków tysięcy stacji ładowania. Koszta tych ostatnich zaczynają się od dziesiątek, kończą na setkach tysięcy w przeliczeniu na jedno stanowisko do szybkiego ładowania.

W skali całego kraju potrzebne są setki miliardów, może nawet biliony, na przebudowę systemu energetycznego. Nie mamy możności sfinansowania tych wszystkich wydatków. Piszę o tym, ponieważ będąc za OZE, za dbałością o przyrodę, widzę, że nas nie tylko nie stać na całkowite przejście na odnawialne źródła energii, to jeszcze te źródła są niedopracowane, kosztowne i niezbyt – delikatnie mówiąc – ekologiczne w wytworzeniu i późniejszej utylizacji.

Wszystkie kraje Unii wytwarzają około 7% globalnej produkcji CO2, a gaz ten jest odpowiedzialny w kilku tylko procentach na efekty cieplarniane. Kilka procent z kilku procentów do drobne ułamki na poziomie pojedynczych promili, czyli tysięcznych części. Inaczej mówiąc: nawet jeśli u nas wszystko się zamknie i zaorze, to w skali świata nic to nie zmieni nie tylko dlatego, że atmosferę mamy jedną, nieznającą granic państwowych, ale po prostu z mikroskopijności efektów.

Dlaczego więc zmusza się nas do tych działań, ustala nierealne terminy i grozi karami? Dobre pytanie…