Wzrost znaczenia Odnawialnych Źródeł Energii. Współczesne zmiany klimatu, następujące na niespotykaną dotychczas naturalnie skalę, są kolektywnie określane mianem globalnego ocieplenia. Knutsen i in. wskazują, że ponad 50% globalnego wzrostu temperatury od 1951 r. należy przypisać działalności człowieka. Są to najbardziej ostrożne estymacje, gdyż wiele badań szacuje ten udział na ponad 90%. Jak twierdzi Lynas i in., w środowisku naukowym nie ma sporu dotyczącego antropogeniczności zjawiska globalnego ocieplenia. Zgodnie ze stanem na 2021 r. ponad 99% recenzowanych prac naukowych w tej tematyce wskazuje argumenty na poparcie tej tezy.
Co ciekawe, jak zauważa Supran i in., świadomość tego faktu była przez lata (przynajmniej od lat 60. XX w.) niekwestionowana nawet w środowisku wydobycia i przetwórstwa paliw kopalnych oraz produkcji samochodów. Dla przykładu: poprawność predykcji wewnętrznych modeli klimatycznych ExxonMobil można oszacować na poziomie 63–83%. Estymowany przez nie wzrost temperatury o ok. 0,2°C co dekadę od 1970 r. pokrywa się z wartościami uzyskiwanymi przez niezależne badania naukowe. Każe to zadać pytanie dotyczące motywacji wieloletniego negowania, a potem umniejszania efektów globalnego ocieplenia w oficjalnych stanowiskach tych firm (szeroką analizę tego zjawiska przedstawia materiał).
Antropogeniczne ocieplenie klimatu nie jest bynajmniej wyłącznie spowodowane emisjami dwutlenku węgla. Jak wskazuje Howarth i in., wysokim ryzykiem jest także obarczona energetyka oparta na spalaniu gazu ziemnego. Jego głównym składnikiem jest metan, który może akumulować 84 razy więcej ciepła na jednostkę masy niż CO2. Choć ten ostatni znacznie dłużej utrzymuje się w atmosferze (od 300 do 1000 lat, w porównaniu do ok. 10 lat dla metanu), Howarth i in. szacują, że dla gazu łupkowego emisje metanu podczas procesu jego wydobycia mają większy wpływ na globalne ocieplenie niż emisje CO2 w procesie spalania tego gazu; zaś sama eksploatacja gazu łupkowego ma większy ślad węglowy niż wykorzystanie węgla (o ok. 20%) i ropy naftowej.
Cytowane analizy wpływają na potrzebę zmian w sposobie myślenia o wykorzystaniu gazu łupkowego (np. w USA) i naturalnego (np. w UE) jako „paliwa przejściowego” pomiędzy energetyką opartą na węglu i ropie naftowej a szerokim zastosowaniu Odnawialnych Źródeł Energii (OZE). Dla UE stosowanie gazu ziemnego na szeroką skalę stanowi dodatkowy problem w kontekście konfliktu w Ukrainie. Jeszcze w 2021 r. 25% ropy naftowej, 20% węgla i 37% gazu ziemnego pochodziło z Rosji [1]. Sankcje nałożone na ten kraj w związku z wywołaniem wojny spowodowały konieczność poszukiwania innych kierunków importu surowców energetycznych, przypominając o wadze niezależności energetycznej i skutkując europejską inicjatywą REPowerEU [2].
Odnawialne Źródła Energii są także motorem zmian gospodarki. Pakiet Rady Europejskiej Gotowi na 55 (ang. Fit for 55) obejmuje wnioski ustawodawcze, których celem jest aktualizacja i unifikacja istniejących przepisów UE i inicjalizacja nowych inicjatyw w tematyce OZE. 42% budżetu (ponad 5,7 mld EUR) inicjatywy badawczej Horyzont Europa na lata 2023–2024 przeznaczono na osiągnięcie kluczowych celów działań w dziedzinie klimatu, znalezienie innowacyjnych rozwiązań w celu ograniczenia emisji gazów cieplarnianych i przystosowania się do zmiany klimatu.
Raport think-tanków E3G i EMBER [3] skazuje, że od marca do września 2022 r. 24% energii elektrycznej wygenerowanej w UE pochodziło z OZE, co pozwoliło ograniczyć import gazu ziemnego o ok. 8 mln m3, przekładając się na oszczędność ok. 11 mld EUR. Raport Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej (IRENA, [4] skazuje na szybki spadek cen energii generowanej przez OZE. Według stanu na 2021 r. LCOE (Wyrównany koszt energii) energetyki wodnej i wiatrowej były odpowiednio o 11% i 39% niższe niż dla energetyki konwencjonalnej.
Wzrost znaczenia OZE jest faktem, niezależnie od tego, czy jako jego motywację wskaże się globalne ocieplenie, chęć uniezależnienia od importu surowców energetycznych czy potrzebę wzrostu innowacyjności i konkurencyjności gospodarki. Należy spodziewać się, że wraz z rozwojem technologii OZE i sposobów magazynowania energii ich udział w globalnym miksie energetycznym będzie systematycznie rósł.
Odnawialne Źródła Energii – klasyfikacja, statystyki i wyzwania
Do grupy OZE zalicza się ogół źródeł energii, których odnawianie następuje naturalnie w skalach czasowych zbliżonych lub krótszych do czasu życia człowieka. Według definicji przyjętej przez UE, OZE obejmują „energię z odnawialnych źródeł niekopalnych, a mianowicie energię wiatru, energię promieniowania słonecznego (energię słoneczną termiczną i energię fotowoltaiczną) oraz energię geotermalną, energię otoczenia, energię pływów, fal i inną energię oceanów, hydroenergię, biomasę oraz gaz pochodzący z wysypisk śmieci, oczyszczalni ścieków i ze źródeł biologicznych (biogaz)”.
Według raportu BP Statistical Review of World Energy 80,2 EJ (13,5%) energii skonsumowanej globalnie w 2021 r. pochodziło z OZE, z czego 40,3 EJ z samej energetyki wodnej. OZE dostarczyły w tym okresie 27,8% skonsumowanej energii elektrycznej, tym samym plasując się za dominującą energetyką węglową (36,0%) i wyprzedzając energetykę gazową (22,9%) oraz nuklearną (9,8%). Sama energetyka wodna dostarczyła w tym czasie 15,0% energii elektrycznej, co wskazuje na wysoką dojrzałość i popularność tej technologii.
Jednakże, na przestrzeni lat 2011–2021 globalna produkcja energii hydroelektrycznej wzrosła zaledwie o 1,5% (w samym roku 2021 spadła o 1,8%), zaś z innych OZE – o 12,6% (w samym roku 2021 o 15,0%). Szybki wzrost znaczenia energetyki solarnej (o 22,3% w 2021) i wiatrowej (17,0%) jest napędzany przez rozwój technologii i efekt skali, skutkujący redukcją kosztów. Na tym tle inne technologie OZE (przede wszystkim geotermia i biomasa) mają zdecydowanie mniejsze znaczenie – w 2021 r. zanotowano przyrost ich produkcji o 8,7% r/r, co daje 20,8% udziału w miksie OZE. Szczególnie interesująco rysuje się jednak rozwój energetyki opartej na biogazie, szczególnie w krajach o relatywnie intensywnej działalności rolniczej, takich jak np. Francja, Niemcy czy Polska.
Ważnym narzędziem kształtującym miks energetyczny w Polsce jest dokument „Polityka energetyczna Polski do 2040 roku”. Jako główne kierunki rozwoju technologii energetycznych wskazuje on technologie wodorowe i magazynowania energii, a także inteligentne zarządzanie energią i elektromobilność. Obok założeń ograniczenia udziału węgla w wytwarzaniu energii elektrycznej do 56% w 2030 r. oraz wprowadzenia energetyki atomowej do krajowego miksu energetycznego, ważne miejsce w polskiej polityce energetycznej zajmują OZE, których udział w końcowym zużyciu energii brutto ma do 2030 r. wzrosnąć do minimum 23%.
Lwia część tej transformacji energetycznej ma być zapewniona przez fotowoltaikę (moc zainstalowana w 2040 r. na poziomie 10–16 GW) i energetykę wiatrową offshore (11 GW). Niestety, ambitne cele dotyczące OZE nie idą w parze z konkretami dotyczącymi ważnego aspektu bilansowania sieci elektroenergetycznej i magazynowania energii. Relatywnie ogólnikowe zapisy i brak szczegółowo skwantyfikowanego celu każą podać w wątpliwość realność realizacji sprawiedliwej i wiarygodnej transformacji energetycznej.
Szybkie tempo rozwoju technologii OZE i związane z nim potencjalnie ryzyko dobrze obrazuje wspomniana już energetyka offshore. Według raportu IRENA LCOE spadł na przestrzeni lat 2010–2021 o ok. 60% i choć pozostaje ponaddwukrotnie wyższy niż dla farm wiatrowych na lądzie, to można się spodziewać dalszego wzrostu ekonomiczności tych rozwiązań. Nie bez znaczenia jest fakt, że przeniesienie turbin wiatrowych na morze, z dala od siedzib ludzkich, niesie dodatkowe korzyści: redukuje ryzyko wypadków z udziałem osób postronnych i nie skutkuje obniżeniem wartości okolicznych terenów.
Jednocześnie energetyka offshore generuje zaawansowane problemy inżynieryjne. Naukowcy z Uniwersytetu Maine identyfikują wśród nich przede wszystkim wpływ fal i obciążenia zmęczeniowego na turbiny o poziomej i pionowej osi obrotu. Oddzielnymi problemami są także infrastruktura kablowa i portowa oraz kotwiczenie turbin wiatrowych w dnie morskim. W tym ostatnim przypadku podwodne prace wiertnicze mogą prowadzić do wzmożonej emisji akustycznej, skutkując koniecznością rozwijania specjalistycznych zabezpieczeń, np. kurtyn bąbelkowych.
Ich rolą jest pochłanianie i tłumienie energii akustycznej. Przeciwnicy energetyki wiatrowej próbują wskazywać na wpływ takiej emisji na zwiększenie śmiertelności wielorybów, co jednak obalają specjaliści, wskazując na wzmożony ruch morski jako główne źródło problemu. Realnym przykładem oddziaływania na siebie energetyki offshore i środowiska naturalnego są migracje ptaków. 13 maja 2023 r. na cztery godziny wstrzymano pracę holenderskich farm wiatrowych Borseele i Egmond aan Zee, aby umożliwić migrację ptaków nad Morzem Północnym. W celu redukcji ryzyka kolizji prowadzi się badania nad malowaniem pojedynczych łopat wirnika na czarno, co ma zwiększyć ich widoczność za dnia.
Podsumowując, energetyka OZE obejmuje szeroki zakres technologii o różnym stopniu dojrzałości i wiarygodności. Obserwacja dotychczasowych trendów oraz trwające badania pozwalają prognozować dalszy spadek LCOE tych rozwiązań przy jednoczesnym wzroście ich niezawodności, prowadząc do ich jeszcze większej konkurencyjności i obecności w globalnym miksie energetycznym.
Odnawialne Źródła Energii w praktycznych zastosowaniach
Zgodnie z przytoczonymi danymi integracja OZE w systemach energetycznych stanowi – na mniejszą lub większą skalę – globalną codzienność, szczególnie w odniesieniu do wytwarzania elektryczności. Niniejsze opracowanie skupi się na wykorzystaniu OZE w możliwie bezpośredni sposób, do zasilenia urządzeń i maszyn roboczych. Na potrzeby artykułu przyjęto, że obejmują one maszyny transportowe i technologiczne, wykonujące określone zadania z wykorzystaniem maszyny napędowej.
OZE w napędzie maszyn transportowych
Zgodnie z raportem REN21 udział sektora transportowego w globalnym zapotrzebowaniu na energię do zastosowań końcowych wynosi prawie 1/3 i szybko rośnie (o 7.8% w 2021 r.). Jednocześnie jest to jeden z sektorów najsłabiej spenetrowanych przez OZE (4.1% w 2020 r.), które do tego ograniczają się prawie wyłącznie (ok. 88%) do biopaliw. 78% konsumpcji energii w sektorze transportowym przypada na transport drogowy, 11% na transport morski, zaś 8% na lotnictwo; podobny podział procentowy obejmuje emisje CO2.
Raport DNV podsumowuje główne perspektywy rozwoju transportowego pod kątem OZE:
- elektryfikacja wszędzie tam, gdzie to możliwe,
- zastąpienie paliw kopalnych biopaliwami,
- przygotowanie na szerokie wprowadzenie technologii wodorowych.
Elektryfikacja sektora transportowego
Według prognoz DNV, 23% zapotrzebowania sektora transportowego na energię w 2050 r. będzie zaspokajane przez elektryczność (ang. EV). Napędzi ona 80% pojazdów lądowych, ale tylko 4% ruchu morskiego i 2% ruchu lotniczego. Wynika to z dużo łatwiejszego dostępu samochodów i ciężarówek do punktów ładowania, ale także mniejszego nacisku na gęstość energii niż w lotnictwie oraz na zapotrzebowanie energetyczne niż w transporcie morskim. 70% ciężarówek w Europie pokonuje mniej niż 250 km w ciągu pojedynczej trasy, ich elektryfikacja nie powinna zatem nastręczać problemów.
Trudniejsze do zelektryfikowania wydają się samochody ciężarowe wykorzystywane w międzynarodowym transporcie dalekobieżnym, jednak w tym segmencie opracowuje się rozwiązania szybkiego ładowania typu Megawatt Charging System (MCS) i/lub stacje wymiany akumulatorów na trasach tranzytowych.
Głównym wyzwaniem dla rozwoju sektora elektromobilności są koszty inwestycji, które obecnie przewyższają znacząco technologie spalinowe. Ważnym wsparciem są w tym przypadku subsydia, których celem jest wygenerowanie efektu skali, który sprawi, że ceny będą spadać wraz ze wzrostem popularności EV. Również pod tym kątem ważne znaczenie ma edukacja społeczna i popularyzacja technologii. Elektromobilność może stanowić ważne ogniwo prosumenckich systemów OZE, co pokazuje przykład Tesla Powerwall.
Doświadczenia producenta samochodów elektrycznych wykorzystano w tym przypadku do zaprojektowania magazynu energii, mogącego być elementem domowej instalacji prosumenckiej. Wykorzystanie w tym przypadku mikroźródeł, np. małych turbin wiatrowych czy domowej instalacji fotowoltaicznej, pozwala na znaczne zredukowanie kosztów transportu, szczególnie w obszarach zurbanizowanych. Produkcja elektryczności z OZE na własne potrzeby transportowe ogranicza także konieczność korzystania z ładowarek, których instalacja stanowi zresztą bardzo duże wyzwanie ze względu na bardzo duże wymagania mocy.
Nowoczesne biopaliwa
Co oczywiste, perspektywy szerokiej elektryfikacji nie mają racji bytu w regionach, gdzie nie istnieje odpowiednia infrastruktura produkcji i dystrybucji energii elektrycznej. W takich miejscach (np. w niektórych krajach Afryki Subsaharyjskiej czy Ameryki Łacińskiej) preferowanym rozwiązaniem jest zastępowanie konwencjonalnych paliw biopaliwami, szczególnie trzeciej i czwartej generacji.
Obecnie najpopularniejszymi biopaliwami (pod kątem produkcji) w Europie jest biodiesel na bazie olejów roślinnych (80%), zaś w USA – etanol kukurydziany (70%). Te tzw. biopaliwa pierwszej generacji wykorzystują jednak biomasę jadalną lub leśną, co spotyka się z głosami krytyki dotyczącymi zrównoważonego rozwoju upraw energetycznych i konsumpcyjnych i ekstensywnej eksploatacji zasobów leśnych. Duże nadzieje są przez to pokładane w biopaliwach produkowanych z alg (np. biodiesel, bioetanol, biogaz, zależnie od metody przetwarzania).
Rośliny te mogą być hodowane na gruntach nierolnych, w ściekach, w kolektorach i systemach hybrydowych. Nie muszą zatem konkurować z uprawami konsumpcyjnymi, a rozmiary hodowli są relatywnie prosto skalowalne. Krokiem dalej są biopaliwa czwartej generacji, obejmujące technologie tzw. sztucznej fotosyntezy. Zaliczyć do nich można organizmy (algi, cyjanobakterie) zmodyfikowane genetycznie i wytwarzające biopaliwo na bazie wody, CO2 i energii słonecznej.
Pokrewną klasą rozwiązań jest syntetyczne paliwo wytwarzane z energii słonecznej, przekształcanej w energię chemiczną, zwykle poprzez redukcję protonów do wodoru lub dwutlenku węgla do związków organicznych. Czwarta generacja biopaliw to także e-paliwa magazynujące energię elektryczną w wiązaniach chemicznych cieczy (butanol, biodiesel) i gazów (metan, butan).
Wspólnym mianownikiem wszystkich opisanych technologii są jednak koszty, skutkujące nawet nawoływaniem do całkowitego „wycięcia” tej gałęzi energetyki. W 2023 r. ceny biodiesla w Europie były o ok. 70–130% wyższe niż oleju napędowego, zaś bioetanolu o ok. 50–100% wyższe niż ceny benzyny. Pomimo wielu lat badań i pilotażów rozwój wydajnych i opłacalnych procesów uprawy, zbioru i przetwarzania alg na paliwo wciąż znajduje się na wczesnym etapie. Biopaliwa czwartej generacji są natomiast wciąż w większości konceptami naukowymi. Wydaje się jednak, że biopaliwa jeszcze przez wiele lat będą stanowić ważny środek zwiększania udziału OZE w transporcie, szczególnie w regionach, gdzie inne rozwiązania nie mogą mieć zastosowania ad hoc.
Technologie wodorowe
W warunkach atmosferycznych wodór jest łatwopalnym gazem, którego wykorzystanie energetyczne kojarzy się ze znacznymi kosztami i złożonością procesów/technologii oraz wyzwaniami pod kątem wydajności i bezpieczeństwa. Do tego tradycyjnie produkowany jest na bazie węgla i gazu, z wydzielaniem CO2 (tzw. wodór szary). Obecnie produkcja odbywa się w znakomitej większości u kluczowych konsumentów przemysłowych lub w ich pobliżu.
Myślenie o wodorze zmienia się jednak znacząco wraz ze wzrostem jego znaczenia jako magazynu energii. Wodór można wytwarzać na kilka sposobów, z różną wydajnością, emisją gazów cieplarnianych i wpływem na środowisko, w zależności od zastosowanej metody i surowca. Wykorzystanie technologii wychwytywania i magazynowania CO2 (ang. CCS) umożliwia produkcję tzw. wodoru błękitnego z paliw kopalnych, bez emisji gazów cieplarnianych.
Wodór zielony powstaje natomiast z wykorzystaniem energii OZE, najczęściej poprzez elektrolizę. Ze względu na relatywnie niską gęstość energii wodoru gazowego preferencyjnym rozwiązaniem jest jego skraplanie lub dalsze przetwarzanie, np. na amoniak, e-metanol i e-kerozynę. Wykorzystanie takich paliw przejściowych albo bezpośrednie spalanie wodoru w ogniwach paliwowych na szeroką skalę jest jednak wciąż daleką perspektywą, wymagającą odpowiedniej infrastruktury i metod wytwarzania – według stanu na rok 2023 wodór błękitny i zielony stanowią poniżej 1% całej produkcji tego paliwa.
W 2021 r. liczba pojazdów elektrycznych napędzanych wodorem na ogniwa paliwowe wynosiła 51 600 sztuk, z czego 82% to samochody. Postępy w technologii ogniw paliwowych umożliwiły obecnie wzrost zasięgu pojazdów do ok. 1500 km i szybsze tankowanie. Prym w technologiach wodorowych wiedzie ChRL, gdzie większość floty wodorowej to autobusy i ciężarówki, korzystające z sieci 146 stacji ładowania (stan na 2021). Błękitny i zielony wodór są także wskazywane jako realne sposoby dekarbonizacji transportu morskiego i lotniczego.
Źródła:
https://new.abb.com/news/detail/101281/prsrl-bringing-robots-into-the-circular-economy
https://www.staubli.com/africa/en/robotics/automatica/sustainability.html
Europe to avoid recession this year as REPowerEU comes to reform electricity market design, https://www.youtube.com/watch?v=mRPkJpFJPR4
EU’s record growth in wind and solar avoids €11bn in gas costs during war, https://ember-climate.org/press-releases/eus-record-growth-in-wind-and-solar-avoids-e11bn-in-gas-costs-during-war/
The cost of financing for renewable power, https://www.irena.org/Publications/2023/May/The-cost-of-financing-for-renewable-power
Artykuł współfinansowany z Funduszy EOG
Autorzy:
dr inż. Radosław Rosik
dr inż. Paweł Żak
dr inż. Michał Kulak
dr inż. Michał Lipian
Bibliografia:
- Europe to avoid recession this year as REPowerEU comes to reform electricity market design, https://www.youtube.com/watch?v=mRPkJpFJPR4
- J.w.
- EU’s record growth in wind and solar avoids €11bn in gas costs during war, https://ember-climate.org/press-releases/eus-record-growth-in-wind-and-solar-avoids-e11bn-in-gas-costs-during-war/.
- The cost of financing for renewable power, https://www.irena.org/Publications/2023/May/The-cost-of-financing-for-renewable-power.
