Miks energetyczny – co to jest i jak go właściwie stworzyć?

Co to jest miks energetyczny?

           

Ostatnio bardzo często słyszymy o „miksie energetycznym”. Najczęściej w kontekście planowanego rozwoju energetyki na świecie, ale również przyszłości energetyki w  Polsce. W internecie krąży wiele nieprecyzyjnych definicji, zatem poniżej przedstawimy, relatywnie proste wytłumaczenie tego modnego ostatnio pojęcia.

Miks energetyczny to „struktura produkcji i konsumpcji energii według kryterium nośników energii (np. prąd lub olej napędowy) lub sposobów wytwarzania”. Zatem mówiąc o nim w zawężonym do wytwarzania energii elektrycznej kontekście, jest to podział energetyki ze względu na źródła energii z której energię wytwarzamy oraz wykorzystywane technologie wytwarzania.

Najogólniej? Energię elektryczną możemy wytworzyć w elektrowni węglowej (obecnie najczęstsze źródło energii w Polsce), elektrowni gazowej (mamy kilka), elektrowni atomowej (mamy mieć), elektrowni wodnej, wiatrowej czy coraz bardziej popularnej tzw. elektrowni słonecznej (fotowoltaicznej).

Dyskusja wokół przyszłego miksu energetycznego w naszym zawężonym znaczeniu, to dyskusja o tym, które technologie i w jakim stopniu w przyszłości przyczynią się do pokrycia zapotrzebowania krajowych odbiorców energii. Taka dyskusja (analiza) zawsze prowadzona jest w co najmniej dwóch kontekstach: ekonomicznym czyli co jest tańsze oraz bezpieczeństwa. Tu w kontekście bezpieczeństwa energetycznego, które jest ważne dla każdego obywatela i każdego biznesu. Bezpieczeństwo energetyczne, znowu w kontekście zawężonym do energii elektrycznej, to pewność że mój dom, moja firma będą zasilone w energię, że system wyprodukuje jej dość aby pokryć zapotrzebowanie, a zatem, że pierwotnych źródeł energii nie zabraknie – elektrownie będą miały bieżący do nich dostęp. Im więcej tych pierwotnych nośników energii pochodzi z lokalnej „produkcji” tym bezpieczniej, im więcej kierunków dostaw tym bezpieczniej. Niewyczerpywalne i lokalne źródło energii pierwotnej byłoby zatem ideałem. Czy jest osiągalne? Jest. Technologicznie nie jesteśmy jeszcze gotowi do korzystania wyłącznie z takich źródeł ale ich rola powoli rośnie. Wyprzedzając nieco fakty takimi niewyczerpanymi źródłami energii pierwotnej są wiatr i słońce.

Jak wytwarzana jest energia elektryczna?

Aby zrozumieć dyskusję na temat miksu energetycznego warto przynajmniej z grubsza wiedzieć jak z technicznego punktu widzenia działa sektor wytwarzania energii elektrycznej.

To wszystko co kończy się w naszym gniazdku, zaczyna się w elektrowni, która z nośnika energii pierwotnej generuje energię elektryczną. Nośnikiem energii pierwotnej jest węgiel dla elektrowni węglowej, gaz dla elektrowni gazowej, płynąca woda dla hydroelektrowni, wiatr dla farmy wiatrowej czy promienie słońca dla fotowoltaiki – tę energię elektrownia zamienia w energię elektryczną. Domy i fabryki są rozproszone po kraju, elektrowni natomiast jest ograniczona ilość zatem trzeba zbudować system dostaw. Energia elektryczna produkowana w generatorze elektrowni jest przetwarzana do postaci nadającej się do przesyłu na duże odległości. Odbywa się to z wykorzystaniem wynalazku Nikoli Tesli – transformatora. Zmienia on energię elektryczną o niskim napięciu i dużym prądzie na energię o wysokim napięciu i małym prądzie (oraz w drugą stronę). Dzięki temu straty energii na przesyle są radykalnie zredukowane.

Wytworzona w elektrowni energia trafia poprzez sieć przesyłową do sieci dystrybucyjnej przez stacje transformatorowe rozlokowane w obszarach gdzie jest zapotrzebowanie na energię – tj. osiedla, miasta i przedsiębiorstwa. Tam jest znowu zmieniana na energię o żądanym (niższym) napięciu i prądzie, a następnie może być wykorzystana przez każde urządzenie elektryczne wykonujące pracę.

Warto zwrócić uwagę na to, że energia elektryczna podróżuje jako fala elektromagnetyczna, czyli z prędkością bliską prędkości światła w próżni. Jeśli my włączamy światło w domu, to dokładnie w tym samym momencie jakiś generator musi wygenerować trochę więcej energii elektrycznej. Dokładnie na tym etapie widoczna jest główna trudność w utrzymaniu systemu energetycznego – należy stale dopasowywać ilość wytwarzanej energii elektrycznej do zapotrzebowania.

Włączając światło czy piekarnik nie informujemy o swoim zamiarze nikogo. Jest zatem w tym systemie firma która czuwa nad jego równowagą. Tą firmą jest państwowy podmiot Polskie Sieci Elektroenergetyczne (PSE) który jest właścicielem i operatorem wspomnianych sieci przesyłowych ale również zajmuje się bilansowaniem zapotrzebowania i wytwarzania energii.

Co się stanie jeśli nie będzie równowagi w produkcji energii elektrycznej?

W przypadku zbyt wysokiego zapotrzebowania w stosunku do generowanej energii, generatory będą przeciążone. Krótkie, niewielkie przeciążenie nie jest dla nich i dla sieci większym problemem. System dostosowuje się automatycznie do nowych warunków, o ile to konieczne PSE przywołuje do pracy będący w rezerwie generator. Znaczące przeciążanie może zatrzymać generatory a wypadnięcie choćby jednej jednostki wytwórczej, której nie można zastąpić rezerwową może spowodować efekt domina – wszystkie generatory w sieci są coraz bardziej przeciążane i wszystkie się zatrzymują. Wtedy następuje tzw. „blackout”.

Z kolei zbyt duża produkcja energii powoduje pogorszenie parametrów sieci: większe napięcie i częstotliwość, co może skutkować uszkodzeniami odbiorników elektrycznych po stronie odbiorców, jak i samej sieci energetycznej. Wtedy trzeba ograniczać produkcję lub odłączać wybrane generatory z pracy co budzi niezadowolenie ich właścicieli ponieważ ich maszyny w tym momencie nie zarabiają.

 Ciężko zachować równowagę w tego typu działaniach, ale jako społeczeństwo nie mamy innej możliwości. Cała nasza cywilizacja opiera się na pewności dostaw energii elektrycznej i utrzymanie równowagi między produkcją, a jej zużyciem jest konieczne aczkolwiek bardzo skomplikowane z racji tego, że możliwości magazynowania energii elektrycznej są nadal ograniczone.

W jaki sposób możemy produkować energię elektryczną w Polsce?

Produkcja energii elektrycznej w Polsce  – elektrownie konwencjonalne.

Pośród wielu różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej skupmy się na elektrowniach istniejących lub możliwych do zbudowania w Polsce.

Pierwszą grupę stanowią najczęściej spotykane i najlepiej nam znane elektrownie węglowe. W nich generatory są napędzane turbinami korzystającymi z rozgrzanej pary wodnej. Para wodna jest podgrzewana w gigantycznych kotłach opalanych węglem. Takiej kombinacji nie można odłączyć guzikiem, ponieważ nawet po fizycznym odłączeniu generatora od sieci, węgiel wciąż się pali i nagrzewa parę – cały ten spalony po odłączeniu generatora węgiel to ogromne straty dla elektrowni. Z kolei rozpalenie takiego kotła, nagrzanie pary, rozpędzenie turbiny i osiągnięcie właściwych parametrów energii na generatorze również zajmuje bardzo dużo czasu. Ważną zaletą takich ogromnych generatorów jest, że są one odporne na chwilowe przeciążenia. Chwilowe przeciążenie w sieci generator odczuwa jako dodatkową siłę hamującą jego obrót, ale zespół generatora i turbiny to potężna masa stali, która nie zatrzyma się w sekundę. Przeciążenie sieci dosłownie wyssie część energii kinetycznej obracającego się zespołu nie zatrzymując go od razu. Dzięki temu sieć energetyczna nie doświadczy blackoutu z powodu włączenia jednej żarówki więcej ponad możliwości jakie daje system.

Drugą grupę stanowią elektrownie gazowe, które również spalają surowiec naturalny (w tym przypadku gaz). Tu generatory są zwykle dwa. Jeden jest bezpośrednio napędzany przez turbinę gazową, drugi przez wytworzoną w kotle odzyskującym ciepło ze spalin podgrzaną parę, która napędza połączoną z generatorem turbinę. Taka elektrownia może w każdym momencie przestać spalać gaz przerywając produkcję, dzięki czemu straty finansowe z powodu przerwania jej pracy będą o wiele mniejsze niż w przypadku elektrowni węglowej. Analogicznie turbina gazowa może o wiele szybciej zacząć pracę. Zazwyczaj elektrownie gazowe są mniejsze od węglowych – największa polska elektrownia gazowa jest ponad dwukrotnie mniejsza od największych naszych bloków węglowych.

Ciekawym przypadkiem jest elektrownia jądrowa. W reaktorze takiej elektrowni doprowadza się do rozpadu ciężkich pierwiastków radioaktywnych na lżejsze, przy czym wydzielane są znaczące ilości energii w postaci ciepła. To ciepło jest przejmowane z reaktora i znowu służy do podgrzewania pary, która napędza turbinę połączoną z generatorem. Elektrownia ta wyróżnia się swoim źródłem energii pierwotnej – reaktor może być sterowany, aby zwiększać lub zmniejszać ilość ciepła z reakcji rozpadu atomów, jednak nie zatrzyma się tej reakcji w 100%. Raz uruchomiony i rozgrzany reaktor atomowy nawet odcięty od dostaw świeżego paliwa będzie gorący przez bardzo długi czas. Dopiero po rozpadzie najstabilniejszych pierwiastków radioaktywnych liczonym w tysiącach lat reaktor może zupełnie ostygnąć. Dlatego też elektrownie atomowe w najmniejszym stopniu są wykorzystywane na potrzeby regulacji systemów energetycznych. Z powodu dużych mas wirujących generator w elektrowni jądrowej jest odporny na chwilowe przeciążenia, ale nie wyłącza się takich generatorów z powodu nadpodaży w sieci. Najpierw wyłącza się wszystkie inne źródła energii.

Produkcje energii elektrycznej w Polsce – źródła odnawialne.

Aby wytworzyć energię elektryczną nie jest konieczny kocioł i spalanie jakichkolwiek paliw. Można to zrobić w źródłach czerpiących energię z natury. Jedną z takich technologii uzyskującą energię z natury czyli ze źródeł odnawialnych jest hydroelektrownia. Generatorem w tym wypadku kręci turbina napędzana energią przepływającej wody. Tym przepływem wody można w jakimś stopniu sterować (np. posiadając dużą rezerwę wody „na górze” elektrowni w postaci zalewu z zaporą), ale jeśli nadejdzie susza to elektrownia przestaje działać. Dodatkowo woda jest bardzo cennym zasobem – jeśli brakuje jej w dole cieku wodnego to elektrownia musi uszczuplić swoją rezerwę wody uniemożliwiając produkcję energii. Wbrew powszechnej opinii, hydroelektrownie wcale nie są takie „zielone”. Zmieniają dramatycznie naturę cieku wodnego czasami nawet mikroklimat w obrębie koryta rzeki! Co więcej, są znaczącym ograniczeniem rozwoju wszelkiej fauny i flory  w okolicy, a dno takiego zalewu może stać się magazynem przeróżnych cięższych zanieczyszczeń. W Polsce nie ma specjalnie dużo energii pierwotnej do wykorzystania w ciekach wodnych ponieważ do tego najlepsze są pędzące, rwące rzeki, których w Polsce nie ma, a i ochrona środowiska nie pozwala na ich swobodną zabudowę. Można powiedzieć że  jest mało prawdopodobne, aby tego typu elektrownie miały znaczący potencjał rozwoju  w Polsce.

Innym typem źródła odnawialnego są elektrownie wiatrowe. Składają się z wielu małych (w porównaniu do elektrowni węglowych) generatorów. Mają znaczącą masę, co jak elektrownie węglowe lub gazowe również uodparnia je na chwilowe przeciążenia. Jednak podstawowym ich problemem jest nieprzewidywalność produkcji energii. Energia elektryczna jest w nich wytwarzana wtedy kiedy wieje wiatr. W przypadku nadpodaży energii w sieci wiatrak jest hamowany specjalnym hamulcem (kręcenie się na biegu jałowym na dłuższą metę szkodzi maszynom) i nie dostarcza energii. Straty ekonomiczne płynące z odłączenia takiego generatora od sieci nie są tak istotne jak w przypadku elektrowni węglowych i zazwyczaj są uwzględnione w rozliczeniach rocznych działania takiej elektrowni. Zdecydowaną zaletą tego rozwiązania jest możliwość szybkiego podłączenia do systemu energetycznego. Wiatraki muszą się tylko chwilę rozpędzić. Inną ich zaletą jest rozproszenie. Produkcja mocy porównywalnej do produkcji pięciu bloków węglowych może być rozproszona po całej Polsce znajdując się znacznie bliżej miejsca zapotrzebowania na energię. Bliskość miejsca produkcji od miejsca wykorzystania energii zapewnia lepsze parametry zasilania z sieci energetycznej.

Zbliżenie generatora do odbiorcy zdejmuje część ciężaru z systemu przesyłowego, który jest w stanie przesłać energię z Dolnego Śląska na Pomorze, ale na Pomorzu parametry dostarczonej w ten sposób energii mogą być gorsze, a system bardziej podatny na wspomniane wcześniej blackouty. Idealną sytuacją byłoby generowanie energii w miejscu jej konsumpcji, a do tego zbliżają nas pojedyncze farmy wiatrowe rozstawione po całym kraju.

Na koniec, czas przedstawić elektrownie słoneczne, które działają zupełnie inaczej niż wszystkie powyższe typy elektrowni. Energia promieniowania słonecznego średnio dostarcza do naszej powierzchni 1000W/m². W teorii więc wystarczyłoby zebrać energię Słońca z około 22km² (mniej więcej powierzchnia jednej czwartej Sosnowca) i w ciągu dnia produkcję prądu dla całej Polski mamy zapewnioną. Niestety nie jest tak różowo. Moduły fotowoltaiczne mają sprawność przekształcania tej energii promieniowania na energię elektryczną na poziomie 19% (maksymalnie na poziomie 23,95%). Można by było się uśmiechnąć pod nosem, że przecież elektrownie węglowe przekształcają ponad 36% energii chemicznej zawartej w węglu w energię elektryczną, gdyby nie fakt, że energię pierwotną modułów fotowoltaicznych (promienie Słońca) mamy za darmo codziennie, a węgiel trzeba z wielkim trudem wydobyć spod ziemi, następnie przetransportować do elektrowni zneutralizować popiół ze spalania  itp. Oczywiście, jak każda technologia, również i fotowoltaika na swoje wady – Słońce nie świeci w nocy. To jest największy problem elektrowni słonecznych. Ale to nie przekreśla zupełnie tego źródła energii elektrycznej – przecież za dnia potrzebujemy znacznie więcej energii niż w nocy! Jest to również jedyne źródło wytwórcze, które jest dostępne dla każdego i skalowalne. Instalacje fotowoltaiczne mogą być zarówno mikroinstalacjami na dachu każdego domu jak również potężną farmą fotowoltaiczną usytuowaną na pustkowiu. I to jest największa zaleta elektrowni fotowoltaicznych – pozwalają one swoim rozproszeniem zbliżyć się do sytuacji idealnej, w której energia jest generowana tam gdzie jest konsumowana.

Jakie czynniki wziąć pod uwagę myśląc o miksie energetycznym?

Optymalizacja miksu energetycznego to taki dobór powyżej wymienionych źródeł energii, który pozwolić ma na stworzenie efektywnie działającego systemu zaopatrującego wszystkich konsumentów w sposób ciągły w energię elektryczną o zdefiniowanych parametrach jakości.

Rozproszenie źródeł energii, ich przybliżenie do odbiorców, zastosowanie wielu małych jednostek wytwórczych, pozwala systemowi być elastycznym, ale energia jeszcze do niedawna była najtańsza kiedy generowana była hurtowo, jak w przypadku wielkich bloków elektrowni.

System musi mieć zdolność nadążania za zmianami zapotrzebowania. Poza rozproszeniem ważna jest zatem regulacyjność źródeł. Różnica między minimalnym a maksymalnym zapotrzebowaniem na energię w systemie krajowym już przekroczyła 100%. Minimum jest ponad dwa razy niższe od maksimum! W każdej minucie roku system porusza się między tymi skrajnościami a wytwórcy z pomocą PSE muszą za tym nadążyć. Musimy zatem mieć w miksie takie źródła które są dynamiczne i takie, które pracują stabilnie.

Rozproszenie i regulacyjność to czynniki istotne ale i my odbiorcy i cała gospodarka życzymy sobie aby ponoszony przez nas koszt energii był możliwie niski. Zatem projektując miks energetyczny należy wziąć również pod uwagę kryterium ceny energii – każdy rodzaj elektrowni to inny nakład inwestycyjny, inny koszt jej utrzymania i inny rachunek opłacalności.

Chcemy żeby system był stabilny, odporny na chwilowe przeciążenia, ale też żeby był elastyczny i z łatwością dostosowywał się do zmiennego zapotrzebowania na energię, oraz żeby oczywiście działał bez żadnych przerw z tytułu awarii czy remontów. Osiągnięcie tego za pomocą samych elektrowni węglowych (jak w Polsce w XX wieku) jest możliwe, ale niezbyt ekonomicznie uzasadnione (nie wspominając o konsekwencjach nieograniczonego spalania węgla w postaci globalnego ocieplenia). O wiele bardziej efektywne, jest złożenie miksu energetycznego możliwego do zrealizowania w danych warunkach klimatycznych, uwarunkowaniach geograficznych i politycznych, który będzie odpowiadał zapotrzebowaniu kraju i gwarantował bezpieczeństwo energetyczne, niską cenę i nie zagrażał środowisku w którym żyjemy.

Jest to zadanie zdecydowanie trudniejsze, ale możliwe, a nawet konieczne w obliczu zmieniającego się klimatu oraz zmniejszających się zasobów energii nieodnawialnej.

Wszyscy możemy się przyczynić do przebudowy krajowego miksu energetycznego budując dostosowaną do naszych potrzeb elektrownię słoneczną. To technologia sprawdzona, ekologiczna i tania. GEO Solar życzy Wam drodzy czytelnicy szybkiego podjęcia decyzji i wielu lat radości z eksploatacji takiej elektrowni!