Dunkelflaute może spędzać sen z powiek energetykom. Ale wiemy, co robić, gdy nie wieje wiatr

Jest chłodne popołudnie pod koniec listopada 2040 roku. Słońce praktycznie nie przebija się przez chmury, niemal zupełnie nie ma wiatru. Tymczasem nasz system energetyczny jest w zdecydowanej większości oparty na energii z wiatraków i paneli fotowoltaicznych. Co wtedy? Czy Polska pogrąża się w ciemnościach?

Taki scenariusz to marzenie senne przeciwników transformacji energetycznej - jednak jak to sny, nie ma wiele wspólnego z rzeczywistością. Jednocześnie zjawisko, które Niemcy nazywają dunkelflaute (dunkel to ciemny, flauta - brak wiatru) może spędzać sen z powiek energetykom. Takie warunki panowały m.in. w Polsce i Niemczech pod koniec listopada i produkcja prądu z wiatru i słońca była minimalna. Za nie musiały nadrabiać elektrownie na gaz i węgiel. A co, kiedy od tych paliw odejdziemy? Według ekspertów mamy rozwiązania, które pozwalają sobie z tym radzić, a w przyszłości będzie ich jeszcze więcej. 

- W niemieckim systemie energetycznym produkowanej jest ok. 50 proc. OZE, w Polsce to około 20 proc. I Niemcy radzą sobie takimi warunkami pogodowymi, oczywiście przez szereg działań, w tym m.in. import i zwiększanie produkcji konwencjonalnej - mówi Tobiasz Adamczewski z Forum Energii. Jak dokładnie? Przyjrzyjmy się naszym możliwościom.

Wiatr i słońce - dobra para

Dla energii z wiatru i słońca charakterystyczne jest to, że produkcja jest zmienna - bo czasem wieje mocniej, a czasem słabiej. Jednak takie okresy, w których nie działają ani wiatraki, ani panele fotowoltaiczne, są dość rzadkie. Bo - jak tłumaczy Michał Smoleń z Fundacji Instrat - Słońce i wiatr nieźle się uzupełniają w skali doby i w skali roku. Słońca - co oczywiste - mamy więcej latem. Z kolei wiatr wieje silniej zimą, a także nocami. Jak te źródła mogą uzupełniać się w praktyce, widać na poniższym wykresie Instratu - energii z wiatru jest najwięcej w nocy, a gdy w dzień jej poziom spada, rośnie produkcja z paneli fotowoltaicznych: 

Te moce mogą się równoważyć, a w najlepszych okresach dawać nadwyżkę. Jednak pojawiają się i takie okresy (jak na poniższym wykresie), w których wieje mało, jest pochmurno i energii odnawialnej mamy jak na lekarstwo. Jak zauważył Smoleń, skali całego roku energetyka wiatrowa i słoneczna "działają zgodnie z oczekiwaniami" i pozwalają nam zaoszczędzić setki tysięcy ton węgla. - Także to, że takie okresy, kiedy nawet kilka dni ta produkcja energii z wiatru i słońca jest na bardzo niskim poziomie, jest zupełnie zgodne z oczekiwaniami i leży w naturze tych źródeł - powiedział.

Ekspert podkreślił też, że to wcale nie energia odnawialna (OZE) wpływa na problemy energetyczne Europy. Przeciwnie - te biorą się z konwencjonalnych źródeł: uzależnienia od zewnętrznych dostaw gazu, problemów energetyki węglowej (import z Rosji, spadające wydobycie, remonty i awarie), a także remontów w elektrowniach atomowych we Francji. 

Co, gdy nie wieje?

Smoleń przyznał, że pogoda jest barierą produkcji prądu z wiatru i słońca. - I w takich kilkudniowych okresach jak ostatnio - kiedy pokrywały raptem parę procent zużycia - nawet gdybyśmy mieli tych wiatraków i paneli 10 razy więcej, i tak zaspokoiłyby tylko kilkanaście czy dwadzieścia kilka procent potrzeb - powiedział. 

Odnawialnych źródeł, według różnych planów, będziemy mieli rzeczywiście wielokrotnie więcej. Dzięki temu jeszcze zanim odejdziemy od węgla zupełnie, będziemy emitować dużo mniej gazów cieplarnianych. 

- wyjaśnił Smoleń. Dochodząc z do poziomu 50-60 proc. energii odnawialnej (podobnie jak dziś Niemcy), będziemy trzymać część elektrowni węglowych i gazowych w odwodzie. I tak jak oni - włączymy je, kiedy wiatru zabraknie. W te bezwietrzne dni niemiecka energetyka rzeczywiście jest bardzo węglowo-gazowa i emituje dużo CO2. Jednak to bardzo krótki okres, a przy bardzo sprzyjających warunkach jest odwrotnie i prawie cały kraj jest zasilany z OZE. 

Taki tydzień, jaki mamy za sobą - mówił Smoleń - będzie problemem także w latach 30. Jak sobie z tym radzić? - Właśnie wtedy będą uruchamiane elektrownie na paliwa kopalne. Jednostki gazowe cechuje większa elastyczność i mniej więcej o połowę mniejsze emisje dwutlenku węgla, jednak to paliwo musimy importować z zagranicy. Coraz więcej też się mówi o konieczności mocniejszych regulacji emisji metanu. W przypadku węgla kamiennego mamy własne wydobycie, które wystarczy do pokrycia naszych potrzeb, o ile znacząco je ograniczymy. Atutem jest też możliwość korzystania z już istniejących elektrowni. Problemem pozostaje natomiast wysoka emisyjność (a więc i koszty uprawnień do emisji), niższa elastyczność, wysokie koszty napraw i modernizacji - powiedział. 

Zatem te elektrownie będą w Polsce jeszcze za kilkanaście lat, ale - jeśli uda nam się rozbudować OZE - będziemy włączać je rzadko. Emisyjność naszej energetyki spadnie znacząco.

Baterie małe i gigantyczne

Jednak żeby zatrzymać zmiany klimatu na umiarkowanie bezpiecznym poziomie, emisje CO2 musimy objąć do zera - i to te z energetyki powinny iść na pierwszy ogień. Tobiasz Adamczewski z Forum Energii wyjaśnił, że do radzenia sobie z pogodą w przyszłości konieczny będzie miks różnych rozwiązań.

- Bardzo ważne będzie rozbudowanie możliwości magazynowanie energii. I chodzi nie tylko o magazynowanie w bateriach, ale też m.in. elektrownie szczytowo-pompowe. Kolejny element to rozbudowa energii wiatrowej ma morzu, gdzie warunki pogodowe są inne niż na lądzie - stwierdził. 

Tak samo jak flauty, zdarzają się okresy z silnym wiatrem i długimi, bezchmurnymi dniami. Wtedy nasze wiatraki i panele będą produkować więcej prądu, niż nam potrzeba - czasem dużo więcej. Ta energia nie będzie się marnować. Możemy ją zmagazynować i wykorzystywać później, a także na inne sposoby zarządzać systemem. To drugi etap transformacji energetyki, o którym mówił ekspert Fundacji Instrat. 

- Niektóre z tych możliwości istnieją już teraz. Mamy możliwości wymiany międzynarodowej energii - rzadko kiedy fatalna dla OZE pogoda jest w całej Europie. Na Bałtyku, nie tylko przy polskim wybrzeżu, w kolejnych latach wyrosną morskie elektrownie wiatrowe - stabilniejsze od wiatru na lądzie źródło energii elektrycznej, która będzie mogła płynąć do tych krajów i regionów, w których będzie najbardziej potrzebna - powiedział Michał Smoleń.

Magazynowanie energii będzie wykorzystywać różne technologie, zależnie od tego, w jakim trybie ma działać. Do krótkiego magazynowania, w trybie godzinowym, dobrze sprawdzą się baterie, zarówno w wielkoskalowych magazynach, jak i w domach. Problematyczny czas to wieczór/popołudnie, kiedy słońce przestaje świecić, a my wracamy do domów i włączamy kuchenki, pralki, telewizory. Ale naładowany w ciągu dnia domowy magazyn mógłby zapewnić prąd na kilka godzin po zmroku. 

Inna technologa to elektrownie szczytowo-pompowe. Zasada działania jest prosta - gdy mamy nadmiar prądu, to zasilane nim pompy wtłaczają wodę w górę, a gdy go brakuje - woda zlatuje w dół przez turbiny. Obecnie, wyjaśnił Smoleń, działają w Polsce w trybie krótkoterminowym. Zaś wyzwaniem jest zabezpieczenie na dłuższy czas. Teoretycznie takie elektrownie mogą magazynować energię na dłużej. Trwają też prace nad innymi technologiami magazynowania na średni i dłuższy okres: magazynowanie ciepła (w różnych substancjach chemicznych), magazynowanie grawitacyjne lub przy pomocy sprężonego gazu. 

Na razie problemem jest skala. - Teraz nasze elektrownie szczytowo-pompowe mają pojemność wystarczającą do zasilenia całego polskiego system na około 20 minut. Największy w Europie bateryjny magazyn energii, który miałby być budowany w Żarnowcu, zasiliłby kraj na jakieś 2 minuty. Jednocześnie w ostatnich latach widzimy ogromny rozwój technologii baterii. Ceny spadają, w przyszłości będą też dostępne używane baterie z samochodów. Już w najbliższych latach baterie będą stawały się atrakcyjną opcją dla prosumentów, natomiast baterie zdolne do balansowania całego systemu to jeszcze odległa perspektywa, wymagająca przełomów technologicznych oraz dostępu do odpowiednich surowców - powiedział Smoleń.

Obaj eksperci zgodzili się, że bardzo ważnym rozwiązaniem jest zarządzanie popytem przez bodźce cenowe. Za technicznym terminem kryje się rozwiązanie, którego zasada działania znów jest dość prosta. Energia z OZE będzie tania, a ta z elektrowni konwencjonalnych - bardzo droga. Kiedy prognoza pokaże bezwietrzny okres, klienci będą wiedzieli, że trzeba oszczędzać - i zużycie spadnie. Jak wyglądałoby to w praktyce? - Na przykład w ciągu dnia, nawet w zimowych miesiącach, gdy świeci słońce, energii jest więcej, jest tańsza, i wtedy ładujemy samochód czy grzejemy dom. A poddany termomodernizacji budynek nagrzany w dzień będzie trzymać ciepło w nocy - mówi Smoleń. 

Możliwa jest też sytuacja odwrotna, czyli nie wyższe ceny, a wynagradzanie odbiorców za to, że momentami nie korzystają z energii - np. firmy, które mogą sobie pozwolić, żeby na kilka godzin lub nawet dni wstrzymać czy ograniczyć produkcję. - Na podobnej zasadzie może to działać w domach. Na przykład odbiorcy dostaną wiadomość, że jeśli danego dnia między 19 a 20 ograniczą zużycie, to zostaną za to wynagrodzeni. I wtedy mogą przełożyć pranie czy ładowanie samochodu na później. To nie będzie oczywiście przymus, tylko zachęta i wynagrodzenie takiego działania. Inteligentnie zarządzając sieciami i zużyciem, możemy bez dużych negatywnych skutków społeczno-gospodarczych zmniejszyć szczyty zapotrzebowania na moc - mówi Smoleń.

Wreszcie do naszej dyspozycji pozostaną elektrownie konwencjonalne, ale neutralne dla klimatu. Na przykład z blokami na gaz, które będą wykorzystywać nie paliwo wydobywane spod ziemi, a biogaz z rolnictwa, lub produkowany z czystego prądu wodów.

Według rządowych planów Polska będzie miała też elektrownie atomowe. Zapewnią one tylko ok. 16 proc. produkcji energii, a ze względu na swoją specyfikę nie są elastyczne - nie da się nagle zacząć produkować więcej energii, gdy rośnie zapotrzebowanie. Dlatego same elektrownie jądowe nie "uratują" nas w czasie dunkelflaute. Mogą jedna sprawić, że będzie łatwiej sobie z takimi warunkami radzić. Jeśli atom zapewni kilkanaście lub nawet kilkadziesiat procent energii, to potrzeba będzie mniej magazynów, wodoru i innych rozwiazań. A w czasie dobrych warunków - więcej OZE będzie uwolnione do zapełniania magazynów energii.

Jest chłodne popołudnie pod koniec listopada 2040 rok. Słońce praktycznie nie przebija się przez chmury, niemal zupełnie nie ma wiatru. Zgodnie z tym, co pokazywała prognoza pogody. Dlatego konsumenci wykorzystali tańszy prąd w ciągu dnia do ładowania samochodów i pracy innych urządzeń, dzięki czemu wieczorem zapotrzebowanie jest mniejsze. Uruchamiane są długoterminowe magazyny energii, a także elektrownie zasilane biogazem. Kilka dużych fabryk w zamian za zniżkę na prąd ogranicza swoją pracę na tę noc. Wszystko działa, a kolejnego dnia zaczyna silniej wiać.

Co, jeśli nie OZE?

W Polsce wciąż głośni są sceptycy zielonej transformacji, m.in. politycy Solidarnej Polski. Jakie są zatem alternatywy do systemu energetycznego opartego w większości na OZE, z magazynowaniem energii i możliwościami bilansowania braków?

Teoretycznie możliwe jest pozostanie przy węglu. Jednak Polska jest zobowiązana, jako członek UE i strona porozumień międzynarodowych, do ograniczania emisji i odchodzenia od węgla. Prąd z węgla będzie coraz droższy. Jego wydobycie w Polsce jest coraz trudniejsze, więc najpewniej trzeba by węgiel w jakimś stopniu importować, a do tego płacić coraz wyższą cenę za uprawnienia do emisji CO2. Remonty elektrowni węglowych także generowałyby ogromne koszty. A gdybyśmy postanowili zlekceważyć te zobowiązania, przestali płacić za emisje CO2? Pomijając negatywny wpłwy na klimat, mogłoby to być zabójcze dla gospodarki. Prąd dalej byłby drogi, jako węglowy skansen stalibyśmy się miejscem nieatrakcyjnym do jakichkolwiek inwestycji, a rzeczy wyprodukowane w Polsce mogłoby być obarczone podatkiem węglowym.

Stosunkowo małe pod względem ludności państwo z dostępem do energetyki wodnej może produkować prąd bez inwestycji w wiatr i bez emisji CO2. Na przykład Norwegia - mówił Smoleń - ma od dekad energetykę opartą na elektrowniach wodnych. Jednak Polska ani nie jest tak małym krajem, ani nie ma dobrych warunków do produkcji prądu z elektrowni wodnych (nie wspominając o kosztach środowiskowych i zagrożeniu suszą). 

Inną opcją byłby masowy program energetyki jądrowej jak we Francji. Ale zbudowanie elektrowni tak szybko w tak dużej skali jest nieprawdopodobne i przede wszystkim nieopłacalne. Do tego energia atomowa nie jest bardzo elastyczna. Więc opierając się tylko lub w większości na atomie musielibyśmy albo mieć dostępne ogromne moce, które przez duży czas produkowałyby nadwyżkę prądu, albo zakładać niedobory, które trzeba by uzupełniać - tak, jak brak prądu z OZE w czasie flauty. 

Teoretycznie są więc możliwości budowy innego systemy energetycznego, jednak patrząc praktycznie - ten oparty o OZE jest nie tylko najlepszy dla klimatu, ale też najbardziej praktyczny.