Niemiecka transformacja energetyczna - Przyszłość oparta na odnawialnych źródłach energii

Glosariusz

Dom pasywny

Dom pasywny - budynek, który pasywnie wykorzystuje energię słoneczną (światło słoneczne) obniżając znacznie zapotrzebowanie na aktywne ogrzewanie lub chłodzenie, czyli klimatyzację lub system grzewczy. W Niemczech nowe domy już dziś obywają się bez centralnych systemów ogrzewania. W pełni wystarczają im małe, rezerwowe grzejniki używane przez kilka dni w roku. Coraz więcej starego budownictwa przechodzi też renowacje pozwalające na spełnienie tych standardów. Domy pasywne mogą być budowane także w cieplejszych klimatach, gdzie pozwalają ograniczyć zapotrzebowanie na chłodzenie.

Dostęp do sieci

Dostęp do sieci - jedną z przeszkód w rozwoju odnawialnych źródeł energii jest brak dostępu do sieci. Niemieckie prawo gwarantuje pozyskanej z OZE energii pierwszeństwo w dostępie do sieci, co oznacza, że konwencjonalne elektrownie muszą ograniczyć swoją produkcję. Inne kraje prowadzą w tym względzie luźniejszą politykę, umożliwiając odłączanie turbin wiatrowych i systemy paneli fotowoltaicznych, w celu ochrony rentowności elektrowni konwencjonalnych. Aby zabezpieczyć przyłączenia turbin wiatrowych, biogazowni i systemów paneli słonecznych, niemieckie prawo określa także warunki, na jakich operatorzy sieci zobowiązani są do jej rozbudowy. Gdyby operator nie zapewnił przyłączenia mocy odnawialnych do sieci, inwestycje w OZE mogłyby pójść na marne.

Efektywność energetyczna

Efektywność energetyczna - stosunek ilości energii użytkowej do ilości energii zużytej na jej wyprodukowanie. Pojęcia tego nie należy mylić ze współczynnikiem wydajności. Efektowność w energii wiatrowej i słonecznej oznacza coś zupełnie innego niż w przypadku źródeł nieodnawialnych. Załóżmy, że stara elektrownia węglowa osiąga efektywność na poziomie 33%. Oznacza to, że jedna trzecia energii zawartej w węglu zostaje przetworzona na elektryczność, zaś pozostałe dwie trzecie są utracone w formie ciepła odpadowego. Tym niemniej 33% brzmi lepiej niż 15% efektywności standardowego panelu słonecznego. Istnieje tutaj jednak różnica: węgiel konsumowany jest bezpowrotnie, dlatego należy wykorzystywać go w sposób możliwie efektywny. Konsumpcja węgla jest równoznaczna z utratą surowca. Oczywiście, energię słoneczną powinniśmy również wykorzystywać jak najbardziej efektywnie, ale w przypadku słońca i wiatru tracimy tylko to, czego nie wykorzystujemy. Każdego dnia Ziemia absorbuje ze Słońca względnie stałą ilość energii. Bezpowrotnie tracimy to, czego nie przechwycimy za pomocą turbin wiatrowych i paneli fotowoltaicznych. Różnica pomiędzy efektywnością a współczynnikiem wydajności stanie się jasna, kiedy zdamy sobie sprawę, że ilość energii z węgla jest różna w zależności od tego, czy liczymy ją jako energię pierwotną czy też energię użytkową, tymczasem dla energii z wiatru i słońca kategorie te zawsze będą tożsame.

Elektrownie centralnie dysponowane

Elektrownie centralnie dysponowane to takie, których czas pracy oraz obciążenie mogą być modyfikowane w zależności od zapotrzebowania. Najbardziej elastycznymi jednostkami są turbiny gazowe, choć nowoczesne elektrownie węglowe też mają w tym względzie przyzwoite parametry. Starsze elektrownie węglowe, podobnie jak i elektrownie jądrowe, najlepiej sprawdzają się, gdy raz włączone pracują przy prawie pełnym obciążeniu. Tak samo jak turbiny gazowe, generatory opalane biomasą mają krótki czas rozruchu pozostając jednym rodzajem OZE, które w Niemczech można uznać za dyspozycyjne. Wiatr i słońce uznawane są za niestałe źródła energii. Oznacza to, że nie produkują one energii w trybie ciągłym, choć można całkiem trafnie prognozować ich produkcję z co najmniej jednodniowym wyprzedzeniem. Co jednak najważniejsze, turbiny wiatrowe i fotowoltaika nie są dyspozycyjne, a więc nie można ich swobodnie włączyć lub wyłączyć. Oprócz hydroelektrowni, jedynymi odnawialnymi źródłami energii elektrycznej, które mogą być uznane za dyspozycyjne, pozostaje geotermia i skoncentrowana energia słoneczna. Niestety w Niemczech źródła te nie występują w wystarczających ilościach.

Emisje dwutlenku węgla i gazów cieplarnianych

Jedną z głównych przyczyn sprawiających, że Mars jest o tyle chłodniejszy od Ziemi jest fakt, że nie posiada on atmosfery. Atmosferę ziemską można porównać do koca zatrzymującego energię słoneczną docierającą do Ziemi. W trakcie tego procesu ciepło raczej kumuluje się niż rozprasza. Do zagęszczenia ziemskiej warstwy izolacyjnej przyczyniają się różnego rodzaju gazy, ale dla uproszczenia eksperci wyrażają wszystko w ilościach odpowiadających wysokości emisji dwutlenku węgla, gdyż jest on substancją dominującą. Przyczyną coraz większego stężenia dwutlenku węgla w atmosferze jest coraz szerzej zakrojona działalność człowieka. Ludzie wydobywają spod ziemi węgiel (w postaci węgla kopalnego, gazu i ropy) i wpompowują go w atmosferę, czyniąc koc atmosferyczny coraz bardziej nieprzepuszczalnym. Gazy te określa się również mianem gazów cieplarnianych, choć dla niektórych określenie to ma zbyt pozytywne konotacje – w końcu dramatyczny wzrost temperatury ma spowodować tragiczne następstwa, a słowo „cieplarniany” z takimi się raczej nie kojarzy. Dlatego też czasem mówi się on gazach zatrzymujących ciepło . Na podobnej zasadzie korzysta się ze sformułowania „przegrzanie klimatu”, którego minorowy wydźwięk ma zastąpić bardziej pozytywne „globalne ocieplenie”.

Energetyka rozproszona

Energetyka rozproszona - elektryczność produkowana przez dużą liczbę małych generatorów (paneli fotowoltaicznych, turbin wiatrowych itd.). Odróżnia się ją od scentralizowanych dostaw energii z dużych elektrowni, do których zalicza się nie tylko elektrownie jądrowe i węglowe, ale także duże elektrownie słoneczne i farmy wiatrowe.

Energia

Energia – dzieli się ją ze względu na rodzaj zastosowania (elektryczność, paliwo do pojazdów i ciepło), i mierzy na przykład w kilowatogodzinach lub jako potencjał mocy (kilowaty).

Energia końcowa

Energia brutto (końcowa) - energia brutto to suma energii konsumowanej przez sektor energetyczny oraz strat dystrybucyjnych. Energia końcowa to energia, która trafi do użytkownika w formie paliwa lub elektryczności, a więc nie uwzględnia ona strat wynikających z produkcji i transportu. Dla przykładu, w Niemczech konsumpcja elektryczności brutto sięgnęła w 2011 r. prawie 600 TWh, tymczasem konsumpcja energii netto wyniosła około 535 TWh. Brakujące 60 TWh zostało skonsumowane przez same elektrownie lub stracone podczas przesyłu. Patrz również: energia pierwotna.

Energia pierwotna

Energia pierwotna - ilość energii wprowadzona do systemu dostaw. Należy ją odróżnić od energii wtórnej, która jest energią docierającą do konsumenta. Tony węgla spalane w elektrowni węglowej to energia pierwotna, zaś elektryczność wychodząca z elektrowni to energia wtórna. Przykładowo, elektrownia węglowa o wydajności 40% konsumuje 2,5 razy więcej energii pierwotnej (węgla) niż zwraca w postaci elektryczności (energia wtórna). W przypadku wiatru i słońca energia pierwotna jest taka sama jak energia wtórna. Patrz również: wydajność.

Energochłonność

W Niemczech przedsiębiorstwa konsumujące duże ilości energii i konkurujące na rynku globalnym korzystają ze sporych ulg na dopłaty na rzecz kosztów OZE. Aby znaleźć się na liście tych uprzywilejowanych firm, spółka musi konsumować co najmniej 10 GWh rocznie. W 2011 r. około 300 firm energochłonnych za 90% zużytej energii płaciło dodatek w wysokości 0,05 centa za kWh. Pełną dopłatą finansującą taryfy gwarantowane obowiązywała jedynie za pierwsze 10% konsumowanej przez nie energii. Pozostałe przedsiębiorstwa płaciły pełną kwotę dopłaty za każdą kilowatogodzinę. Co więcej, jeśli firma konsumuje co najmniej 100 GWh rocznie i jej koszty za energię stanowią ponad 20% całkowitych kosztów produkcji, wówczas zwolniona jest ona z pełnej dopłaty za owe 10% konsumowanej energii.

Godziny pełnego obciążenia

Godziny pełnego obciążenia – tzw. „współczynnik sprawności” wskazuje procentowe wykorzystanie mocy, natomiast tzw. „godziny pełnego obciążenia” to termin odnoszący się w szczególności do dyspozycyjnych generatorów wykorzystujących biomasę, węgiel, gaz ziemny, czy atom, które można włączać i wyłączać. Rok nieprzestępny liczy 8760 godzin. Ilość godzin pełnego obciążenia może służyć jako wskaźnik do obliczenia tego, ile godzin dany generator musi przepracować w ciągu roku, aby zachować swoją rentowność. Dla przykładu, dana elektrownia może być rentowna przy wypracowaniu 4000 godzin pełnego obciążenia, co w przeliczeniu na współczynnik sprawności wyniesie 45,7% (4000 / 8760). Aby osiągnąć 4000 godzin pełnego obciążenia przy pracy na 50% mocy, elektrownia musiałaby pracować przez 8000 godzin.

Kilowat vs. kilowatogodzina

Kilowat vs. Kilowatogodzina - 1000 watów to 1 kilowat Podobnie 1000 kilowatów składa się na 1 megawat 1000 megawatów 1 gigawat, zaś 1000 gigawatów 1 terawat Jeśli na suszarce napisane jest „1000 wat”, to pracując z pełną mocą zużywa ona jeden kilowat elektryczności. Jeśli będzie działać przez pełną godzinę, zużyje jedną kilowatogodzinę. Inny przykład, to jeśli urządzenie konsumuje 2000 watów, to w pół godziny zużyje 1000 watogodzin (albo jedną kilowatogodzinę). Pojęcia „kilowat” i „kilowatogodzina” są często używane wymiennie, choć w rzeczywistości opisują dwa różne zjawiska. Aby lepiej zapamiętać różnicę, należy przyrównać kilowaty jak o koni mechanicznych, czyli maksymalnej ilości mocy silnika samochodu. Tak rozumiane konie mechaniczne są tożsame z kilowatami – jest to zatem potencjał mechaniczny silnika lub urządzenia. Jednakże samochód rzadko pracuje z pełną mocą, a przez większość dnia stoi nieużywany. W pewnym uproszczeniu zatem o kilowatogodzinach myśleć można jak o liczbie przejechanych kilometrów, czyli pracy faktycznie wykonanej, a nie pracy, która mogłaby potencjalnie zostać wykonana.

Kogeneracja oraz trójgeneracja

Kogeneracja oraz trójgeneracja - kiedy ciepło odpadowe odzyskane jest do ponownego wykorzystania mówimy o kogeneracji, czyli skojarzonej produkcji ciepła i energii. Trójgeneracja natomiast oznacza, że ciepło odpadowe wykorzystywane jest po części także do chłodzenia. Terminy te należy odróżnić od zasady działania turbin gazowych z układem gazowo-parowym, gdzie ciepło odpadowe (para) odzyskiwane jest do napędu kolejnego generatora, który produkuje dodatkową elektryczność. Produktem tego procesu nie jest zatem ciepło bezpośrednio płynące do odbiorców. W przypadku kogeneracji ciepło odpadowe nie jest spożytkowane do produkcji dodatkowej elektryczności, lecz do ogrzewania wnętrz, przy procesach technologicznych, itp.

Klasyfikacja merit order

Merit order, czyli klasyfikacja ze względu na koszt produkcji, określa kolejność w jakiej energia od elektrowni jest kupowana na rynku. Merit order to system, w którym cenę energii na giełdzie dyktują najdroższe elektrownie aktywne w danym momencie. Elektrownie są uszeregowane i uruchamiane w zależności od ich kosztu krańcowego, którym zasadniczo jest koszt operacyjny (głównie paliwo). Nie wlicza się do niego kosztu budowy elektrowni. Elektrownia węglowa czy jądrowa pochłaniają znaczne koszty podczas budowy, ale są stosunkowo tanie w eksploatacji, i z tego powodu mają stosunkowo niskie koszty krańcowe i w konsekwencji notują dużą ilość godzin pełnego obciążenia. Z drugiej strony, turbiny opalane gazem ziemnym, są stosunkowo tanie w instalacji, ale ich paliwo jest w wielu miejscach na świecie raczej drogie. Sprawia to, że turbiny gazowe wypracowują mniejszą ilość godzin, w rejonach, gdzie cena gazu przewyższa cenę węgla, jak to ma miejsce na przykład w Niemczech, ale już w Zjednoczonym Królestwie sytuacja jest odwrotna. Energia elektryczna pochodząca z odnawialnych źródeł energii ma pierwszeństwo w dostępie do sieci i w związku z czym jej wytwórcy nie są uszeregowani w rankingu cenowym. Skutek wywołany przez OZE jest tożsamy z obniżeniem konsumpcji. Najdroższe elektrownie szczytowe załączane są rzadziej, obniżając tym samym ceny na giełdzie.

Moce rezerwowe

Moce rezerwowe - termin ten nie ma ścisłej definicji. Generalnie oznacza on, że niektóre elektrownie muszą być gotowe do rozpoczęcia pracy na wypadek, gdyby inne siłownie nie były w stanie produkować energii. Korzystanie z energii wiatrowej i słonecznej zawsze będzie wymagało wsparcia dyspozycyjnych mocy rezerwowych, choć może to się wkrótce w dużym stopniu zmienić, głównie za sprawą magazynowania nadwyżki energii wyprodukowanej przez źródła odnawialne. Elektrownie konwencjonalne same ulegają awariom, dlatego będą one zawsze potrzebowały jakiegoś rodzaju rezerwowych zdolności wytwórczych. Wszystkie państwa, które nie są silnie zależne od importu, utrzymują część swoich mocy wytwórczych w nieustannej gotowości. Poza tym wiele państw, w tym również Niemcy, dysponuje tzw. „mocami awaryjnymi”, czyli elektrowniami, które załączane są bardzo rzadko i tylko w wyjątkowych sytuacjach. W Niemczech takimi mocami awaryjnymi są elektrownie spalające ropę.

Moc wytwórcza

Moc wytwórcza lub moc znamionowa - maksymalny poziom produkcji jaką siłownia może osiągnąć w określonych warunkach. Pojedyncza turbina wiatrowa może mieć moc nominalną w wysokości 1500 KW (1,5 MW), ale poziom ten zdoła osiągnąć jedynie przy silnych wiatrach. Patrz również: współczynnik sprawności.

Obciążenie podstawowe (podszczytowe)

Obciążenie podstawowe (podszczytowe, szczytowe): elektrownie podstawowe pokrywają minimum krajowego zapotrzebowania na energię i pracują przez całą dobę. Przykładowo, konsumpcja energii w Niemczech rzadko spada znacznie poniżej 40 GW (link do kilowata), nawet w środku nocy. Oznacza to, że obciążenie podstawowe kraju to około 40 GW. Elektrownie obsługujące ten przedział zwykle pracują przez całą dobę, chyba że zostały wyłączone na czas konserwacji. Obciążenie podszczytowe to takie, które elektrownia osiąga standardowo każdego dnia. W przeciętny dzień roboczy konsumpcja energii w Niemczech sięga 60 GW, zatem można założyć, że obciążenie podszczytowe waha się między 40 a 60 GW. Elektrownie generujące energię w tym czasie działają bez przerw, ale ich obciążenie jest codziennie zwiększane lub zmniejszane w zależności od potrzeb. Do obciążenia szczytowego zaliczamy wszystko to, co znajduje się powyżej obciążenia podszczytowego. Zapotrzebowanie na energię w Niemczech rzadko przekracza 80 GW, a za obciążenie szczytowe uznaje się przedział między 60 a 80 GW. Elektrownie szczytowe załącza się rzadko; muszą one być w stanie w krótkim czasie zwiększyć moc i często przez całe dni lub tygodnie pozostają bezczynne.

Rynek Spot oraz Rynek Dnia Następnego

Energię można kupować i sprzedawać w oparciu o umowy długoterminowe. Jest to najpopularniejsza forma hurtowej wymiany energii na wolnych rynkach, którą stosuje również rynek niemiecki. Ponieważ nie ma sposobu na dokładne określenie rzeczywistego zapotrzebowania na energię z 18 miesięcznym wyprzedzeniem (okres niekiedy przyjmowany w niemieckich kontraktach na zakup energii), część energii kupowana jest na giełdzie działającej na zasadzie rynku spot przeznaczonym dla względnie krótkoterminowych zakupów energii oraz Rynku Dnia Następnego, przeznaczonym dla zakupów w dniu następnym. Ten ostatni mechanizm jest szczególnie interesujący z punktu widzenia takich źródeł odnawialnych jak słońce i wiatr, których wydajność zależy od pogody, a tą można z dużym prawdopodobieństwem przewidzieć z dobowym wyprzedzeniem.

Uprawy roślin energetycznych

Uprawy energetyczne - rośliny, których wyłącznym przeznaczeniem jest produkcja energii. Kukurydza przeznaczona na spożycie nie jest uprawą energetyczną, nawet jeśli jej resztki wykorzystywane są do produkcji energii. Kukurydzę jako uprawę energetyczną przeznaczoną do produkcji biogazu zbiera się, zanim kolby dojrzeją i są gotowe do spożycia, dzięki czemu w procesie wykorzystana jest cała roślina. Z kolei przy produkcji etanolu wykorzystuje się tylko jadalny owoc.

Węgiel brunatny (lignit)

Patrz: węgiel kamienny

Węgiel kamienny (antracyt)

Węgiel kamienny (antracyt) - antracyt to inna nazwa węgla kamiennego. Węgiel brunatny, którego Niemcy mają pod dostatkiem, to najbardziej zanieczyszczony rodzaj tego surowca. W jego składzie znajduje się stosunkowo dużo wody, co powoduje, że nie jest on wydajny energetycznie. Z tego też powodu zasadniczo nie transportuje się go na duże odległości. Z kolei węgiel kamienny jest bardziej zwarty i charakteryzuje się większą zawartością energii, dzięki czemu opłaca się wysyłać go w różne zakątki świata. Węgiel kamienny wygląda tak, jak stereotypowa bryła węgla. Węgiel brunatny jest natomiast bardziej miękki. W praktyce nie ma zdecydowanej różnicy pomiędzy lignitem a antracytem i najlepiej postrzegać je jako dwa punkty na jednej skali. Przykładowo w Stanach Zjednoczonych najpopularniejszy jest węgiel bitumiczny, który ma tylko trochę mniejszą zawartość energetyczną od niemieckiego węgla kamiennego.

Współczynnik sprawności cieplnej

Współczynnik sprawności cieplnej - stosunek pomiędzy mocą nominalną generatora (mierzoną przykładowo w kilowatach) a ilością wyprodukowanej energii (mierzoną w kilowatogodzinach). W idealnych warunkach turbina wiatrowa o mocy nominalnej 1,5 MW może teoretycznie wyprodukować maksymalnie 36 MWh dziennie (1,5 MW x 24 godziny). Współczynnik sprawności wyniesie wówczas 100, co oznacza, że turbina pracować będzie z maksymalną wydajnością przez cały czas. W praktyce lądowa turbina przy dobrych warunkach wiatrowych osiąga raczej współczynnik bliższy 25%, a zatem turbina o mocy 1,5 MW będzie miała średnią sprawność rzędu 0,375 MW, czyli produkować będzie dziewięć megawatów dziennie. Współczynnik sprawności dla lądowych turbin wiatrowych w Niemczech nie przekracza 20%, a dla turbin morskich trzydziestu kilku procent. Podobnie jest w przypadku energii słonecznej, gdzie współczynnik zależy od ilości światła słonecznego i waha się między 10% a 20%. Patrz również: godziny pełnego obciążenia.

Zarządzanie popytem

Zarządzanie popytem (ang. Demand Side Management, DSM) – magazynowanie energii elektrycznej jest trudne, a więc zasadniczo konsumpcja energii powinna utrzymywać się na takim samym poziomie jak jej produkcja. Do niedawna naszymi systemami dostaw energii zarządzano tak, aby poziom dostaw odpowiadał popytowi. Scentralizowane elektrownie zwiększają lub zmniejszają obciążenie dostosowując się do rosnącego lub malejącego zapotrzebowania. Jednakże przy niestałej naturze OZE (patrz: elektrownie centralnie dysponowane), dostaw energii nie będzie można modyfikować w ten prosty sposób, a zatem konieczne będzie odpowiednie zarządzanie popytem. Przykładowo w czasie, gdy dostępna będzie odpowiednia ilość energii, lodówki i zamrażarki będą mogły obniżyć nieco temperaturę, by przetrwać kolejne kilka godzin w czasie, kiedy energii będzie mniej. Pozwoli to również lekko wyrównać okres szczytu.