140724
W polskim krajobrazie szybko przybywa elektrowni wiatrowych i słonecznych. Rząd i lokalne samorządy chwalą się nimi jako symbolami nowoczesności i walki ze zmianami klimatu. Faktycznie, skala dokonywanych inwestycji w naszej energetyce wspomagana strumieniem rządowych dopłat jest wielka, ale czy jest się czym chwalić? We mnie coraz częściej budzą się obawy związane z nieracjonalnością, nieskutecznością, a nawet szkodliwością tych poczynań. Czytam, liczę, porównuję i w rezultacie nie wiem, jak nazwać te bezsensowne z technicznego, ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia działania. Co myśleć o władzach forsujących takie przepisy, skoro po niedługim zastanowieniu przeciętny technik jest w stanie ułożyć racjonalniejszy plan działania i znaleźć kilka dużo tańszych i skuteczniejszych sposobów na złagodzenie naszej presji na klimat? Czy mamy do czynienia z aż takimi dyletantami, czy może...
Nie znam się zbytnio na polityce, unikam tłumaczenia rzeczywistości spiskami, chcę tylko napisać o stronie technicznej, bo po prostu coś o niej wiem. Potrafię zebrać dane, zinterpretować je, przeliczyć i wyciągnąć wnioski. Sam, bez opierania się na wnioskach innych, aczkolwiek, muszę to zaznaczyć, nie tak dogłębnie i całościowo, jak mogą to zrobić praktycy inżynierowie. Tyle jednak wystarczy, wszak nie mierzę się tutaj z zamiarem napisania wyczerpującej analizy.
Energii elektrycznej, popularnego „prądu” (i dla uproszczenia tak dalej nazywanej), nie da się magazynować, ponieważ prąd jest w istocie zorganizowanym ruchem elektronów; taką definicję zapamiętałem jeszcze w szkole. Ruch nie może być stanem spoczynku, zmagazynowaniem. W praktyce ta cecha oznacza konieczność jednoczesnego wytwarzania prądu i jego zużywania, przy czym różnice między popytem a podażą nie mogą być znaczące. Skutek nadmiaru prądu można porównać do jazdy samochodem na niskim biegu z góry tak stromej, że silnik nie jest w stanie hamować i w rezultacie kręci się coraz szybciej. Po przekroczeniu pewnej granicy po prostu się uszkodzi albo wprost rozleci. Zbyt duży pobór prądu w stosunku do jego produkcji jest jak jazda samochodem na wysokim biegu pod zbyt stromą górę. Silnik nie będzie miał dość mocy by napędzić pojazd i kręcił się będzie coraz wolniej aż w końcu… staniemy. Zapadnie ciemność.
Tradycyjne elektrownie są w stanie wytwarzać prąd równomiernie przez całą dobę, mają jednak kłopoty z szybką zmianą wielkości tej produkcji, a zapotrzebowanie na prąd nie jest jednakowe; są rytmy dobowe, tygodniowe i roczne. Wiadomo, że w niedzielne ciepłe południe będzie dużo mniejsze niż w zimowy poniedziałek. Rocznym wahaniom łatwiej zaradzić, z dobowymi trudniej, ale pewnym ułatwieniem jest ich przewidywalność, powtarzalność. Nauczono się radzić z problemem, między innymi przy pomocy specjalnych elektrowni wodnych zwanych szczytowo-pompowymi.
Zdjęcie z tej strony:
Tutaj jest ciekawy artykuł o takich elektrowniach.
* * *
Nim przejdę do dalszej części, przypomnę znaczenie symboli.
W symbolach jednostek ważna jest wielkość liter. "M" to mega, czyli milion, "m" to mili, czyli jedna tysięczna. "k" to kilo, czyli tysiąc, "K" to stopień Kelvina albo potas, taki pierwiastek.
kWh – kilowatogodzina, podstawowa jednostka energii, do tej pory kosztująca złotówkę. Ledowa żarówka zużyje 1kWh w około 100 godzin, czajnik w pół godziny. Jednorodzinny dom zużyje od kilku do kilkunastu kilowatogodzin dziennie, a włożona do gniazdka ale nieużywana ładowarka do telefonu zużyje 1 kWh w około pół roku albo i w rok.
MWh – megawatogodzina, tysiąc kWh, dotychczasowa wartość to około tysiąc złotych.
GWh – gigawatogodzina -- milion kWh, wartość milion złotych
TWh – terawatogodzina – miliard kWh o wartości miliarda złotych
Wat to jednostka mocy, czyli jakby siły. Symbol: W
kW – kilowat = tysiąc watów.
MW – megawat, tysiąc kW.
GW – gigawat, milion kW. Większych jednostek mocy praktycznie się nie używa.
Żarówka ma moc rzędu 0,01 kW, czajnik 2 kW, silnik w hulajnodze elektrycznej ma ok. 0,4 kW, w samochodzie osobowym 50 – 100 kW, w wielkiej ciężarówce 300 – 500 kW. Dziesięć paneli fotowoltaicznych na dachu domu ma moc 4 kW, duże wiatraki lądowe 1 – 4 MW, czyli tysięcy kilowatów, duża tradycyjna elektrownia ma moc liczoną w setkach, a nawet tysiącach MW. Wszystkie elektrownie w Polsce mają moc ponad 50 GW czyli 50 milionów kW.
V – wolt, jednostka napięcia elektrycznego. Aby prąd płynął, musi być do tego zmuszany, a wymusza różnica potencjałów elektrycznych, czyli napięcie mierzone w woltach. Bateria ma kilka lub kilkanaście V, w sieci domowej jest 230 V, napowietrzne linie energetyczne mają napięcie od 20 do kilkuset tysięcy V. Piorun jest tak wielkim widowiskiem, ponieważ widzimy efekt wyrównania różnicy napięcia między chmurami a ziemią wynoszącej dziesiątki milionów woltów. Tak ogromna różnica potencjałów wymusza przepływ wielkiego prądu mimo braku połączenia, po prostu przez powietrze, które nie było już w stanie działać jako izolator. Tak przy okazji: ile energii mają pioruny? Energia jest iloczynem mocy i czasu. Moc piorunów jest różna, zawsze ogromna, wielokrotnie przekracza moc wszystkich polskich elektrowni, ale jednocześnie wyzwalana jest na bardzo krótko, tysięczne części sekundy, co radykalnie zmniejsza ilość energii. Może jednorodzinny dom dałoby się zasilić przez parę miesięcy, raczej parę tygodni. Piorun jest tak potężny, ponieważ wielka moc wyzwalana jest niemal natychmiast. Przy okazji: dlaczego drzewo trafione piorunem pęka? Bo jego pień w środku jest wilgotny. "Piorun" ma temperaturę do 30 tysięcy stopni, więc ta wilgoć natychmiast zamieniona w parę rozsadza drzewo. Powietrze podgrzane do tej kosmicznej temperatury świeci oślepiającym blaskiem, a że przez rozgrzanie gwałtownie się rozszerza, wytwarza potężną falę uderzającą w nasze uszy, słyszaną jako grzmot.
Moc znamionowa to największa moc jaką urządzenie może bezpiecznie osiągać w pracy ciągłej, czyli przez wiele godzin a nawet dni.
* * *
W ostatnich latach promuje się i dofinansowuje olbrzymimi sumami budowę instalacji fotowoltaicznych, czyli paneli słonecznych. Obecnie ich łączna moc przekroczyła już 17 GW, czyli istotny procent całej mocy generowanej w naszym kraju. Z panelami jest jednak problem (i nieco tylko mniejszy z wiatrakami), ponieważ ich produkcja prądu jest skrajnie nierównomierna w ciągu doby i roku. W grudniu jest czterokrotnie mniejsza niż w maju czy czerwcu, a w nocy nie mam jej wcale. Kiedy najbardziej jest potrzebna, kiedy jej pobór osiąga szczyty, a więc popołudniami i wieczorami przez cały rok i przez większość czasu zimowych dni, fotowoltaika jej nie zapewnia. Na początku zimy przed godziną 16 zapalane są lampy, telewizory i kuchenki, a w tym czasie spada do zera wytwarzanie prądu w panelach. Aby zrównoważyć popyt i podaż, uruchamia się elektrownie szczytowo-pompowe, ale ich łączne moce wynoszą 1,4 GW, ponad dziesięć razy mniej niż paneli. Dlatego prowadzi się działania nieracjonalne z technicznego i ekonomicznego punktu widzenia: w czasie dużej podaży prądu z OZE tłumi się elektrownie węglowe, zwalnia jak to tylko możliwe, ale nie wyłącza się całego systemu pieców i gromadzenia pary, aby móc szybko doprowadzić je do działania z pełną mocą. Pali się w piecach węglowych tylko dla utrzymania gotowości. Takie praktyki prowadzą do szybkiego zużywania się elektrowni, których niespecjalnie się remontuje, ani tym bardziej nie buduje nowych – z wiadomego powodu: wszak mamy zwiększać źródła OZE. To jak jazda samochodem na najwyższym biegu z szybkością 20 km/godz, jak niewyłączenie silnika tylko dlatego, że za kilka godzin mamy jechać.
Coś się robi, owszem. Na przykład budowana jest u nas spora elektrownia zasilana gazem. Tego rodzaju elektrownie można szybciej uruchomić niż węglowe, więc ta budowana będzie stabilizować system, ale i jej mało. Ma mieć moc około 0,8 GW, czyli drobny ułamek mocy OZE, a co ważne, to gaz kupowany za granicą i tłoczony specjalnie zbudowanym gazociągiem. Poza tym zgodnie z planami Unii jest to tymczasowy sposób, wszak docelowo mamy całkowicie zrezygnować z kopalin. Nie wiadomo w którym roku dostaniemy zakaz jej używania, bo o naszych ważnych sprawach już nie my decydujemy.
Wielu właścicieli paneli na dachach swoich domów oburza się znaczną różnicą między ceną sprzedaży prądu u nich wytworzonego, a ceną zakupu z sieci. Odpowiem tak: gdyby nie przymus prawny, firmy energetyczne nie chciałyby odbierać tego prądu, bo dla nich więcej z nim kłopotów niż pożytku, a dla wszystkich dodatkowe koszta. Jakie? Różnorakie. Na przykład takie: jeśli w systemie jest nadmiar prądu, dyspozytorzy odłączają elektrownie wiatrowe i słoneczne, a mogą to robić zdalnie. Zgodnie z umowami, w takiej sytuacji właścicielom należy się odszkodowanie w wysokości wartości prądu, który ich elektrownie mogły wytworzyć, a który nie był odebrany. Coraz częściej są wyłączane i w coraz większej ilości, ale nadal się je stawia, ponieważ największy zysk jest nie z wartości wyprodukowanego prądu, a z wszelakich dopłat. A wiecie, kto ostatecznie płaci za ten niewytworzony prąd? Skąd pochodzą pieniądze na dopłaty? Pytania retoryczne. Jeśli więc zobaczycie gdzieś nieruchome wiatraki mimo wiania wiatru, będzie wiedzieli, co się dzieje; kto na tym traci, kto zarabia.
O niewykorzystanej energii z OZE przeczytacie tutaj i tutaj.
Na tych stronach znalazłem informację o nieodebranych w ten sposób w Polsce w ciągu niecałych pięciu miesięcy tego roku 330 GWh (330 milionów kWh) energii. W innym miejscu dowiedziałem się, że w Niemczech w 2022 roku niewykorzystana energia z OZE osiągnęła łącznie 8 TWh, czyli 8 miliardów kilowatogodzin. To tyle, ile potrzebuje Warszawa przez rok (według szacunku inżyniera energetyka), a przyjmując cenę kilowatogodziny na poziomie 1 zł, uzyskamy kwotę ośmiu miliardów złotych, chociaż trzeba zaznaczyć, że w hurcie cena jest sporo niższa. Warty ponownego zaznaczenia jest fakt zapłacenia tych miliardów bez jakiegokolwiek ograniczenia emisji CO2. To wyłącznie odszkodowanie dla właścicieli paneli i wiatraków, bo przecież oni nie mogą mieć strat finansowych. My owszem, możemy płacić i tracić, wszak to wszystko dzieje się (jakoby) dla naszego dobra.
Podobnie, chociaż wyraźnie lepiej, jest z wiatrakami, wszak i w
nocy mogą generować prąd, ale i one nie dają jego stabilnej
ilości. Można na czas nadmiaru prądu uruchamiać energochłonne
procesy technologiczne, jak chociażby uzyskanie wodoru z wody, ale
przygotowanie takich zakładów też kosztuje i trwa, a parcie
odgórne, polityczne, ogranicza się głównie do zwiększenia mocy
OZE. Można liczyć na przesyłanie z miejsc gdzie wieje i jest
nadmiar energii tam, gdzie jest deficyt, ale wymaga to wielkiej
przebudowy systemu przesyłania energii. Każde z tych rozwiązań
jest bardzo drogie, droższe od i tak bardzo drogich elektrowni
tradycyjnych, zwłaszcza jeśli uwzględni się mniejszą efektywność
energetyczną i krótszą żywotność paneli i wiatraków. Żywotność
akumulatorów też jest znacznie krótsza niż tradycyjnych
elektrowni. Inaczej mówiąc: nawet jeśli byłoby u nas więcej
energii z OZE i odpowiednia zdolność jej magazynowania, energia
będzie droga. Nawet gorzej: w miarę przybywania instalacji OZE
będzie coraz droższa, chyba że nastąpi jakaś rewolucja technologiczna.
Najlepszym sposobem na tę matnię byłoby wybudowanie elektrowni atomowych, takich, o których tylko mówimy od 50 lat, a rozbudowę OZE, jeśli już muszą być, ściśle wiązać z budową magazynów energii, ale przecież czas nas goni bo „planeta płonie” i mamy tylko rok czy 10 (nie pamiętam aktualnych „prognoz”) na jej uratowanie. Wiadomo też, że najskuteczniej uratujemy płacąc podatek za CO2, stawiając panele i wiatraki oraz jeżdżąc elektrykami, ale nie chińskimi, bo te nie ratują planety.
Gdzie można (a mało jest takich miejsc), należy budować elektrownie szczytowo-pompowe, a wszędzie magazyny akumulatorowe. Jednak są kłopoty z dostępnością pierwiastków potrzebnych do produkcji akumulatorów, nie ma mocy produkcyjnych, a my nie mamy tyle pieniędzy, aby stawiać tysiące kontenerów wypełnionych akumulatorami. Można liczyć na nowe technologie, pracuje się nad nimi, ale to pieśń przyszłości. Wcześniej pisałem już o niedostatkach magazynów, i dla zobrazowania problemu posłużyłem się przykładem farmy wiatrowej na Roztoczu. Ma ona moc znamionową 36 MW, a budowany największy w Polsce akumulatorowy magazyn energii ma mieć pojemność 900 MWh, czyli przy optymalnym wietrze ta roztoczańska farma, jedna z setek w kraju, zapełni go w dobę, ponieważ energia to iloczyn mocy i czasu jej pobierania lub wytwarzania, a więc 36 MW razy 24 h = 865 MWh. Detaliczna wartość tej energii wynosi blisko milion złotych. Dużo, ale tylko dla prywatnego domu, w skali kraju to bardzo mało. Zaznaczę jeszcze, że powyższe wyliczenie jest prawidłowe przy skrajnie sprzyjających warunkach, zwykle wytworzonej energii jest kilka razy mniej, bo albo wieje za mocno, albo za słabo.
Dla właścicieli prywatnych domów najlepszym rozwiązaniem (ale nadal dużo droższym od dotychczasowego systemu zapewnienia prądu) jest posiadanie własnego magazynu energii. Jakiej pojemności? Średnioroczne zużycie energii elektrycznej dla jednorodzinnego domu waha się w zależności od jego powierzchni, sposobu ogrzewania i ilości mieszkańców od 1,5 do 5 tysięcy kWh rocznie. Przyjmę, że będzie to średnio 10 kWh dziennie, czyli (do tej pory) rachunek wynosiłby 300 zł miesięcznie, więc raczej bliżej górnych granic Próbując oszacować wielkość domowego magazynu energii uznałem, że skoro w uproszczeniu przez połowę doby panele nie dają prądu, więc połowę dobowego zapotrzebowania należy zmagazynować, ale to ilość absolutnie minimalna, wprost niewystarczająca, skoro drugi dzień, a nawet kilka następnych dni, mogą być chmurne, więc produkcja energii będzie sporo mniejsza, a poza tym w zimie panele dają mniejszy prąd i tylko kilka godzin dziennie. Aby uniezależnić się od takich wahań, pojemność powinna być przynajmniej dwu- a raczej czterokrotnie większa od dziennego zużycia, czyli 20 do 40 kWh. Dla porównania: pojemność akumulatorów dużych modeli samochodów elektrycznych sięga 100 kWh. Podawane koszty domowego magazynu 40 kWh wynoszą ok. 60 tys zł, a całość instalacji, z panelami, grubo przekracza sto tysięcy.
Na tej stronie podają ilości energii wytworzonej w różnych źródłach.
Instalacje fotowoltaiczne w Polsce wyprodukowały w minionym roku 11,3 TWh, czyli 11,3 miliona MWh energii, co daje średnią dzienną 31 GWh, a więc 31 tysięcy MWh. Oczywiście to uśrednienie, w lecie ten parametr będzie kilkukrotnie większy niż w zimie. Nie znalazłem informacji o kosztach budowy wielkich magazynów; na fachowych stronach nie podają ich cen, a proszą o kontakt. Na tej stronie piszą o cenie magazynu 200 kWh na poziomie kilkuset tysięcy zł. Weźmy do obliczeń 400 tysięcy złotych, wtedy magazyn o pojemności 1 MWh kosztowałby 2 miliony.
Jeśli chcielibyśmy zmagazynować energię ze słońca produkowaną w ciągu jednego dnia, koszt akumulatorowych magazynów wyniósłby 2 mln zł (cena za pojemność 1 MWh) razy 31 tysięcy (megawatogodzin wygenerowanej energii), czyli 60 miliardów złotych. Liczę tutaj jeden do jednego, a dobrze by było móc gromadzić prąd z parodniowej produkcji, jak to wyżej uzasadniłem. Porównam raz jeszcze: średnia dzienna produkcja to 31 000 MWh, a my się chwalimy „wielkim” magazynem mieszczącym 900 MWh!
Dla porównania dane elektrowni szczytowo-pompowej Żarnowiec: ta strona informuje o zgromadzonej energii (w postaci wody w górnym zbiorniku) wielkości 3,6 GWh czyli 3600 MWh. Jednorazowo, a elektrownię w ciągu doby można dwukrotnie przygotować i uruchomić. W stosunku do potrzeb to nadal niewiele, chociaż (dotychczasowa) wartość detaliczna tej energii to około 3,5 mln zł. Jednak taka elektrownia będzie pracować wiele dziesiątków lat, czego nie można powiedzieć o magazynach akumulatorowych: ich żywotność szacowana jest na 15 lat. Nawiasem mówiąc, w Sudetach oglądałem elektrownie wodne pracujące od stu lat.
Te wyliczenia dotyczą jedynie paneli, a uwzględniając wiatraki, dysproporcje i koszta znacznie wzrosną.
Reasumując: zmagazynować możemy tylko bardzo niewielką ilość energii ze słońca (i z wiatru). Resztę albo musimy zużyć na bieżąco, albo się zmarnuje. Ogromna ilość energii nierównomiernie produkowanej i niemagazynowanej jest przyczyną wielkich obciążeń całego systemu, skutkuje jego szybszym zużywaniem i radykalnym zwiększeniem kosztów prądu przy minimalnym zmniejszeniu emisji CO2.
Stan tak pracującego systemu energetycznego porównałbym do jazdy samochodem z wciśniętym gazem i regulacją szybkości wyłącznie przy pomocy hamulca.
Aby zrównoważyć popyt i podaż, przy obecnych technologiach musielibyśmy wydać setki miliardów złotych, których po prostu nie mamy. W mediach niewiele się o tym wszystkim mówi, bagatelizuje problem lub wprost ukrywa stan rzeczywisty, zachłystując się rosnącą mocą OZE. Wobec opisanych faktów należy dbać o istniejące elektrownie i bezzwłocznie budować atomowe, ale i z tym mamy kłopot, chyba nie tylko finansowy.
Będziemy więc mieli prawdziwy kłopot z zapaleniem światła wieczorem w domu, o ile nie urealnimy procesu transformacji systemu energetycznego. Jeśli nie odsuniemy działaczy i polityków od decydowania o kształcie energetyki, a racjonalnością i nauką nie zastąpimy biurokratycznego oszołomstwa i dążeń do dzielenia naszych pieniędzy (a tym samym zwiększenia władzy), będzie nam się żyło biedniej i trudniej. Nie trochę, a dużo biedniej z oczywistego powodu: znaczny wzrost cen prądu i paliw powoduje znaczny wzrost cen wszystkiego. Każdego produktu i każdej usługi.
* * *
O czystości energii słów kilka
Konstrukcja wiatraka jest stalowa lub betonowo-stalowa. Stal jest produktem końcowym długiego łańcucha technologicznego: kopalnie rud i węgla, koksownia, huta, walcowania. Jeśli beton, to kopalnie kruszyw, wielkie młyny oraz energożerne piece. Śmigła robione są ze szkła i żywic. Jeśli szkło, to znowu kopalnie i huty, a żywice i farby produkuje przemysł chemiczny bazujący na ropie naftowej nie jako źródło energii, a jako podstawowy surowiec. Tak więc bez wielu różnych kopalin w niemałych ilościach, w tym także tych nielubianych jak węgiel i ropa, nie postawi się wiatraka. Elektrownie słoneczne wymagają mniejszej ilości materiałów, ale i w nich jest szkło, plastik, metal, beton. Magazyny akumulatorowe to (obecnie, w przyszłości na pewno inaczej) baterie litowe, jak się wydobywa lit, możecie poczytać tutaj:
Wyprodukowanie, przewiezienie, zmontowanie i użytkowanie wiatraka
kosztuje określoną, możliwą do obliczenia, ilość energii oraz
emisji CO2. Tak samo jest z każdym innym źródłem prądu. Różnego
rodzaju elektrownie mają określoną żywotność, a więc można
policzyć, ile energii wyprodukują. Stosunek ilości energii
włożonej przy budowie do uzyskanej w czasie całej eksploatacji, w
przypadku elektrowni atomowej (i niewiele mniej w węglowej) jest
wielokrotnie większy niż z wiatraków. Wielokrotnie!
Przy obecnej technice jest tylko jeden sposób na całkowicie czystą, i z naszego punktu widzenia odnawialną, energię: stanąć w nasłonecznionym miejscu i grzać się jak jaszczurka. Wszystkie inne czyste nie są, aczkolwiek jedne są bardziej zanieczyszczające, inne mniej. Nawet zagrzanie słońcem wody w misce czy balii nie jest już całkiem czyste, ponieważ używa się stali lub plastiku, produkowanych przy użyciu węgla i ropy, a więc z emisją nie tylko CO2.
* * *
Szukając konkretnych danych na fachowych stronach technicznych, znowu widziałem częste mylenie jednostek elektrycznych. Na przykład podaje się, że łączna moc przydomowych magazynów wynosi 100 MW. Moc nie jest właściwą jednostką dla określenia pojemności, czyli zdolności magazynowania energii, a daje jedynie przybliżone wyobrażenie, ponieważ mówi o maksymalnej wielkości pobieranego prądu, ale nic o czasie pobierania. W efekcie czasami nie wiadomo, czy autor ma na myśli moc, czy energię, tylko zapomniał o literce „h” na końcu symbolu.
Chcąc zobrazować różnicę, pokuszę się o przybliżone porównanie: mamy butelkę wypełnioną wodą i informację o wielkości największego możliwego do uzyskania strumienia wody lejącej się z niej. Jaka jest pojemność tej butelki? Nie możemy wiedzieć, ponieważ podany parametr mówi nam coś o średnicy szyjki, a nie o zapasie nagromadzonej wody.
Uwaga techniczna: wszystkie rodzaje akumulatorów nie gromadzą prądu, a używają go w procesie ładowania do zmian chemicznych swojej struktury, przy czym zmiany te są odwracalne, to znaczy ponownie zamieniane na prąd. Gromadzą więc energię, ale niebezpośrednio elektryczną. Podobnie jest z wodnymi elektrowniami szczytowo-pompowymi: energia elektryczna zasila turbiny pompujące wodę do górnego zbiornika po to, aby w razie potrzeby puścić ją w dół i napędzić te same turbiny, tym razem wytwarzające prąd. Ten sposób magazynowania energii jest u nas najistotniejszy, gromadzi jej najwięcej, ale nadal żałośnie mało i coraz mniej w miarę szybkiego przybywania mocy OZE.
Brak komentarzy:
Prześlij komentarz