Technologia: Sprawa o kluczowym znaczeniu

Sieć elektroenergetyczna i magazynowanie energii

Eksperci ds. energetyki zgadzają się, że niemiecka sieć elektroenergetyczna będzie musiała zostać rozbudowana, aby umożliwić przyłączenie do niej odnawialnych źródeł energii. Nie ma za to jednomyślności w kwestii, jak należy to zrobić. Według niektórych założeń należałoby wybudować nowe linie elektroenergetyczne o długości 4500 kilometrów – przy czym niektórzy twierdzą, że w zupełności wystarczyłaby połowa tego dystansu. Niemiecka sieć elektroenergetyczna obejmuje 35 tys. kilometrów linii przesyłowych ultrawysokiego napięcia i 95 tys. kilometrów linii wysokiego napięcia, które powstały na potrzeby tradycyjnego sektora energetycznego. Niemcy posiadają również 510 tys. kilometrów linii średniego napięcia i około 1,1 miliona kilometrów linii niskiego napięcia. Ogólna długość linii, które muszą zostać wybudowane dla potrzeb OZE jest w tym porównaniu znikoma.

Przejście na energię elektryczną ze źródeł odnawialnych jest wyzwaniem technicznym. Energii słonecznej ani wiatrowej nie można oddać do dyspozycji użytkowników na żądanie, gdyż nie jest możliwe zwiększenie mocy turbin wiatrowych czy paneli słonecznych tak jak w przypadku elektrowni jądrowych lub węglowych, gdzie wielkość wytwarzanej energii dopasowuje się do aktualnego zapotrzebowania. Można natomiast zastosować szereg rozwiązań alternatywnych.

Główny problem polega na tym, że ilość energii potrzebnej w danym momencie na rynku, musi zostać natychmiast zapewniona – w przeciwnym wypadku następuje awaria sieci. Dlatego dopasowywanie wielkości wytwarzanej energii do zapotrzebowania było przez wiele lat uznaną normą. Trwają debaty nad opcjami magazynowania energii, od sprężonego powietrza w naturalnych zbiornikach podziemnych (kawernach), przez wykorzystywanie elektrowni szczytowo-pompowych (hydroelektrowni) czy kół zamachowych (ang. flywheels), aż po akumulatory. Co najistotniejsze, Niemcy planują tymczasowe wykorzystanie gazu ziemnego jako paliwa pomostowego, które z czasem zostanie zastąpione zrównoważonym biogazem i wodorem pochodzącym z nadwyżek energii wiatrowej i słonecznej. W takim przypadku energia wiatrowa i słoneczna mogłaby być magazynowana w postaci gazu (określanego mianem „power to gas”, P2G) umożliwiającego jego wykorzystanie jako paliwa napędowego, w instalacjach grzewczych lub dla potrzeb wytwarzania mocy udostępnianej na żądanie. Wreszcie, „inteligentne sieci” (ang. smart grids) pomogą dopasować zapotrzebowanie na energię do dostępnych zasobów ze źródeł odnawialnych, czyli odwrotnie niż to, co się robi obecnie.

Zapotrzebowanie na magazynowanie energii

W świetle ograniczonych możliwości Niemiec w zakresie magazynowania energii z wykorzystaniem elektrowni szczytowo-pompowych, dobrym rozwiązaniem może być integracja europejska. Sugerowano również eksportowanie dużych ilości niemieckiej energii do Norwegii i Szwajcarii, które dysponują ogromnym potencjałem magazynowania energii w hydroelektrowniach. Obecnie brakuje jednak wystarczających połączeń. Prace są jednak w toku: w 2015 r. sfinalizowano plany dla nowego połączenia między Norwegią a Niemcami o mocy 1,4 gigawata. Połączenie to, nazwane NordLink, będzie oddane do eksploatacji w 2020 r. Póki co nie wiadomo jeszcze, czy Norwegia lub Szwajcaria (nie będące członkami Unii Europejskiej) byłyby skłonne do zatopienia kolejnych nieskażonych dolin i fiordów, aby zapewnić Niemcom możliwość utworzenia trwałych zapasów odnawialnej energii elektrycznej.

Większość ekspertów jest zdania, że średnioterminowe zapotrzebowanie na magazynowanie energii będzie w Niemczech minimalne. Z opublikowanego na zlecenie WWF badania wynika, że do 2030 r. nie należy spodziewać się narodzin dużego rynku technologii magazynowania energii. Według prognoz VDE (Zrzeszenia Elektryków Niemieckich) istotne zapotrzebowanie na magazynowanie energii nie pojawi się w Niemczech do momentu osiągnięcia przez nie czterdziestoprocentowego progu wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych. Należy jednocześnie uznać wysokie prawdopodobieństwo realizacji tego celu bliżej 2020 roku. Ponadto Instytut Fraunhofera ISE podkreśla, że potrzebna ilość zmagazynowanej energii nie zależy tylko od udziału zmieniającej się energii odnawialnej, lecz bardziej od kombinacji zmieniających się energii odnawialnych i nieelastycznych elektrowni obciążenia podstawowego. Innymi słowy, potrzeba magazynowania energii może zostać ograniczona przez zmniejszanie ilości generowanej energii obciążenia podstawowego, głównie w elektrowniach zasilanych lignitem i elektrowniach atomowych.

Kontekst rozbudowy sieci elektroenergetycznej na potrzeby OZE

Przywołajmy kontekst, w jakim toczy się dyskusja. Między początkiem lat dziewięćdziesiątych a rokiem 2016 Niemcy nie wprowadziły większych zmian do swojej sieci elektroenergetycznej, choć udział energii ze źródeł odnawialnych wzrósł w tym okresie z 3% do przeszło 32%. Było to możliwe dzięki temu, że energia wiatrowa, energia słoneczna i biomasa są w znacznej mierze rozproszonymi źródłami energii – a przynajmniej tak wygląda to w Niemczech.

Krytycy odnawialnych źródeł energii czasem narzekają na konieczność rozbudowy sieci elektroenergetycznej na ich potrzeby: „Problem z farmami wiatrowymi polega na tym, że są budowane w miejscach, w których nie ma zapotrzebowania na energię elektryczną. W rezultacie trzeba tę energię transportować gdzie indziej.”

Powyższe stwierdzenie znacznie lepiej opisuje energię ze źródeł zasilanych węglem niż energię wiatrową. Źródła energii słonecznej, wiatrowej i pochodzącej z biomasy można dość równomiernie rozłożyć w otaczającym człowieka krajobrazie – w przypadku konwencjonalnych źródeł energii jest to niemożliwe. Elektrownie zasilane węglem brunatnym nigdy nie są budowane w lokalizacjach o wysokim zapotrzebowaniu na energię elektryczną, gdyż wznosi się je w miejscu wydobycia węgla brunatnego. Nawet elektrownie zasilane węglem kamiennym, surowcem będącym w globalnym obrocie handlowym, budowano zazwyczaj w pobliżu źródeł węgla, czego doskonałym przykładem jest niemieckie Zagłębie Ruhry. Wiadomo za to, że przesył znacznych ilości energii elektrycznej w sieci jest rozwiązaniem prostszym i tańszym niż transport ładunków węgla. Można się upierać, że elektrownie zasilane węglem kamiennym często znajdują się w pobliżu zakładów przemysłowych (jak to ma miejsce w Zagłębiu Ruhry), natomiast taki argument odwraca kolejność wydarzeń. Cofnijmy się o jakieś 200 lat, do początków industrializacji – a przekonamy się, że większość miejscowości w Zagłębiu Ruhry była zaledwie wioskami. Elektrowni zasilanych węglem nie budowano w tym regionie ze względu na obecność przemysłu. To przemysł rozwinął się tam między innymi ze względu na obfitość złóż węgla.

Elektrownie jądrowe buduje się faktycznie tam, gdzie jest zapotrzebowanie na energię elektryczną, nie zaś w miejscach wydobycia uranu. W przypadku energetyki jądrowej zakłady centralne są tak wielkie, że każdorazowo należy rozwijać dla ich potrzeb sieć. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych ubiegłego stulecia nowo budowane elektrownie jądrowe w Niemczech wymagały nie tylko rozbudowy sieci. Wymusiły one również instalację licznych domowych elektrycznych systemów grzewczych wytwarzających ciepło z energii pochodzącej z elektrowni, dzięki czemu moce wytwarzane przez reaktory nie musiały być co noc ograniczane. Dystrybuowane na bieżąco zasoby energii ze źródeł odnawialnych są rozwiązaniem znacznie łagodniejszym, o znacznie mniejszym wpływie na środowisko. Hermann Scheer, nieżyjący już niemiecki ekspert w obszarze odnawialnych źródeł energii, porównał swego czasu zasilanie ze źródeł rozproszonych z konwencjonalnymi scentralizowanymi źródłami energii, opisując ten drugi proces jako „cięcie kostki masła piłą łańcuchową.”

Rozbudowa sieci

Panuje zgoda, że sieć należy rozbudowywać, by móc przyłączać coraz więcej odnawialnych źródeł energii. Jednak istnieją pewne rozbieżności co do szczegółów realizacji tej koncepcji, jak liczba nowych linii, ich przebieg i rodzaj. Należy też zauważyć, że sam sektor energii odnawialnej jest zainteresowany obniżeniem kosztów przepływu energii i przedstawił szereg niedrogich alternatyw wobec zakrojonej na szeroką skalę rozbudowy sieci. Ponadto, ludzie nie chcą mieszkać w pobliżu linii energetycznych, zatem już na etapie planowania trzeba będzie uwzględnić głos opinii publicznej – a to wymaga odpowiedniej transparentności.

Niemiecka sieć kształtuje się dzisiaj następująco:

Sieć przesyłowa składa się z około 35 tys. kilometrów linii 220 i 380 kV. Jest to sieć ultrawysokiego napięcia łącząca Niemcy z sąsiadami i wykorzystywana jest do transportu energii na dużych odległościach. Sieć dystrybucyjna składa się z następujących elementów:

  1. Około 95 tys. kilometrów linii wysokiego napięcia (od 60 do 110 kV) dla konglomeracji i wielkiego przemysłu.
  2. Około 500 tys. kilometrów linii średniego napięcia (od 6 do 30 kV) dla znacznej liczby dużych obiektów, np. szpitali.
  3. Około 1,1 miliona kilometrów linii niskiego napięcia (230 i 400 V) dla gospodarstw domowych i małych przedsiębiorstw.

W Niemczech istnieją cztery prywatne przedsiębiorstwa energetyczne posiadające status operatora sieci przesyłowej, z kolei sieć dystrybucyjną obsługuje ok. 900 operatorów.

Ile kilometrów?

Co należy zrobić, aby Energiewende w kraju stała się faktem? W chwili obecnej duże ilości energii wiatrowej produkuje się na północy, a energia słoneczna wytwarzana jest na południu. Niemiecka Agencja Energetyczna (dena) opublikowała dwie analizy (Netzstudie I i II), z których wynika, że Niemcy muszą wybudować około 4500 kilometrów linii ultrawysokiego napięcia, jeśli do 2020 roku chcą zwiększyć zainstalowaną moc z energii wiatrowej z 27 do 51 gigawatów – z czego 10 gigawatów pochodzić będzie z farm morskich zlokalizowanych na Morzu Północnym i Morzu Bałtyckim. Jednak niektórzy eksperci twierdzą, że długość nowych linii może być krótsza o ponad połowę. Począwszy od 2016 r. plan rozwoju sieci ma być aktualizowany co dwa lata. Obecnie zawiera on 22 projekty na budowę łącznie 1876 km nowych linii, przy czym 487 km ukończono w połowie 2015 r.

Plany te spotkały się w Niemczech z dużą krytyką zwolenników OZE, głównie dlatego, że nie opublikowano danych, w oparciu o które autorzy wysnuli swoje wnioski, uniemożliwiając tym samym poddanie ich dalszym analizom. Lecz nawet biorąc pod uwagę liczby zaproponowane w analizach, okazuje się, że jeśli moc zainstalowanej energii wiatrowej ulegnie blisko podwojeniu, wówczas sieć przesyłową należałoby rozbudować o niecałe 13%. Co więcej, duża część tych linii nie byłaby potrzebna, jeśli rząd promowałby tworzenie lądowych farm wiatrowych na południu, zamiast instalacji morskich oraz farm lądowych na północy. Na przestrzeni ostatnich kilku lat przemysł wiatrowy stworzył specjalne turbiny wiatrowe z wyższymi wieżami i dłuższymi wirnikami. Zostały one zaprojektowane z myślą o lokalizacjach ze słabszymi warunkami wiatrowymi, a tymi charakteryzują się południowe Niemcy. Instalacja lądowych turbin nowej generacji na południu nie rodziłaby potrzeby tworzenia tak dużej ilości linii energetycznych, redukując tym samym całkowity koszt niemieckiej transformacji energetycznej, przy czym wiatr lądowy jest znacznie tańszy niż morski.

Niektórzy zwolennicy energii słonecznej postulują, aby stawki w systemie taryf gwarantowanych dla fotowoltaiki różniły się w zależności od regionu (jak to ma miejsce we Francji), dzięki czemu więcej paneli słonecznych instalowanych byłoby na północy, przyczyniając się tym samym do głębszej integracji sieci.

Modernizacja sieci spotyka się często ze sprzeciwem ze strony lokalnej społeczności (ludzie nie życzą sobie napowietrznych linii energetycznych blisko miejsca zamieszkania), a skomplikowane procedury biurokratyczne i kwestie związane z finansowaniem również działają spowalniająco. Podziemne kable stanowią tutaj alternatywę, ale ich koszt jest wyższy. W 2016 r. rząd opowiedział się za liniami podziemnymi zamiast napowietrznych linii wysokiego napięcia, budowanych w celu połączenia Niemiec Północnych z Południowymi. W przypadku linii prądu zmiennego AC liczba kabli podziemnych również została zwiększona w stosunku do wcześniejszych instalacji. W ramach nowelizacji niemieckiej ustawy o odnawialnych źródłach energii (EEG) dyskutuje się również o redukcji nowych elektrowni wiatrowych, które są sprzedawane w drodze aukcji na obszarach o słabo rozwiniętej sieci.

Nie zapominajmy jednak, że mówimy tu o dodaniu około 1900 kilometrów do sieci składającej się z setek tysięcy kilometrów linii, wybudowanych wyłącznie na potrzeby energetyki atomowej i konwencjonalnej. W 2017 r. niemiecka Federalna Agencja ds. Sieci ogłosiła, że trzy główne linie energetyczne północ-południe zostaną ukończone do roku 2025. Do tego czasu planuje się uzupełnienie luk energetycznych za pomocą elektrowni rezerwowych. Na okres zimowy 2017/18 przeznaczono na ten cel 10,4 gigawata.

Alternatywy wobec rozbudowy sieci

Niemiecki sektor OZE nie czeka z założonymi rękami, aż rząd stworzy niezawodną sieć. Sektor energii słonecznej wypracował bardziej wydajny sposób wykorzystania sieci ultrawysokiego napięcia: elektrownie słoneczne mogą pełnić rolę „przesuwników fazowych” jako stabilizatory częstotliwości przepływu energii przez sieć. Sektor słoneczny ma nadzieję, że metoda ta pozwoli zmniejszyć liczbę koniecznych linii energetycznych.

Sektor wiatrowy także tętni od pomysłów. W niemieckim prawie znajduje się regulacja o nazwie „n+1” – oznacza to, że ilekroć stawia się linię energetyczną, musi także zostać wybudowana linia rezerwowa, która przejmie jej obciążenie na wypadek awarii. Sektor wiatrowy opracował rozwiązanie, które może spowodować, że wymóg ten nie będzie już konieczny: odrębne linie energetyczne służące przyłączeniu instalacji OZE.

Co więcej, Unia Europejska, w ramach planów związanych z Unią Energetyczną, planuje przyspieszenie budowy połączeń między państwami w celu zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego na kontynencie i utrzymania niskich kosztów. Jednocześnie gwałtowny wzrost produkcji energii wiatrowej i słonecznej w Niemczech już dziś wypycha energię do innych krajów, w szczególności do Polski i Republiki Czeskiej, w związku z czym dalsza integracja będzie dla tych krajów dużym wyzwaniem. W trosce o polepszenie kontroli nad rodzimą siecią w Polsce, na granicy polsko-niemieckiej zainstalowano przesuwnik fazowy, który aktywnie zarządza przepływem mocy i pozwala odpowiednio przepuszczać oraz blokować przepływ energii.