Efektywność wytwarzania prądu i dekarbonizacji przy pomocy wiatraków na podstawie danych dla Polski z 2018 r.

„Excluding nuclear power could double or triple the average cost of electricity for deep decarbonization scenarios because of the enormous overcapacity of solar energy, wind energy, and batteries that would be required to meet demand in the absence of a dispatchable low-carbon energy source.” J. Parsons et al., Science, vol. 363, p. 105, 2019.

W Polsce nie ma już problemu braku świadomości zmian klimatu oraz braku przekonania, że trzeba im przeciwdziałać. Ankiety CBOS pokazują to od dawna, a tendencja tej świadomości jest wzrostowa (CBOS 2018). Natomiast znacznie mniejsza, często wręcz ujemna, jest wiedza o efektywnych środkach zaradczych. Trudno się dziwić, bo nawet wiarygodne w innych kwestiach źródła informacji nie radzą sobie ze skomplikowanym światem energetyki, który trudno zrozumieć rozpatrując jego oderwane kawałki. Dla lepszego zrozumienia możliwości dekarbonizacji zbudowałem prosty, ale myślę, że realistyczny model współpracy źródeł wiatrowych i gazowych. Poniżej wykres z wynikami, dalej przykłady i wyjaśnienia. Trudności techniczne powodują, że publikuję obrazy rastrowe, chociaż o wysokiej rozdzielczości. Przez odsyłacz do repozytorium plików można dotrzeć do wersji wektorowych. Są też dostępne dane i skrypty, które posłużyły do ich wytworzenia.

Przykłady

Jak zastąpić dużą moc z elektrowni węglowych, np. 10 GW, energią wiatru na lądzie?

1. Jeżeli zbudujemy wiatraki o mocy 10 GW, to taką moc uzyskamy z nich przez 0% czasu. Średnio możemy liczyć na 2,4 GW, ale przez 61% czasu moc będzie poniżej średniej. Żeby mieć 10 GW, resztę musimy uzupełnić przy pomocy źródeł dyspozycyjnych, które są w stanie reagować na szybkie zmiany, a więc elektrowni gazowych. W tym przypadku będzie trzeba dodać średnio 7,6 GW. Z powodu dużej zmienności mocy wiatru elektrownie gazowe musiałyby często zmieniać moc, co razem z pracą poniżej optymalnego poziomu mocy powoduje zwiększenie zużycia gazu. Równo pracujące elektrownie CCGT osiągają emisję poniżej 400 gCO₂/kWh, ale, jak wskazują dane z Irlandii (Mearns 2016) przy bilansowaniu wiatru emisja może wynosić 575 g. Taki zespół wiatrowo-gazowy może mieć większą emisję, ok. 430 g, a więc większą niż same elektrownie gazowe oraz kilka razy większy koszt. Przy optymistycznym oszacowaniu czasu życia turbin wiatrowych na 25 lat długoterminowy koszt inwestycyjny zespołu wiatrowo-gazowego to 0,36 mld zł na 1 GW na rok, a 21,6 mld zł na 1 GW na 60 lat. Okres 60 lat pozwala bezpośrednio porównać ten koszt z kosztem inwestycyjnym elektrowni jądrowej.

Koszty różnych źródeł:

źródło Gzł/GW czas życia Gzł/GW/rok Gzł/GW/60 lat
wiatr 6 25 0,24 14,4
gaz 3,5 30 0,12 7,2
EJ 22 60 0,37 22,2

Dane wyliczone dla powyższego przypadku są w pliku „wyniki”, w linii „0.00…”. Wyjaśnienie parametrów zawartych w tym pliku jest w dalszej części tekstu.

2. Jeżeli chcemy zmniejszyć emisyjność przez zmniejszenie udziału gazu, musimy dodać nadmiarową moc wiatru. Mogłaby to być np. taka moc, żeby osiągnąć z wiatru średnio 10 GW, a więc zainstalować należałoby 41,7 GW. Udział gazu i jego emisja są wtedy ponad dwa razy mniejsze, chociaż nadal wysokie. Odrzucenie części energii z wiatru, nieuniknione przy jego dużym udziale, powoduje zmniejszenie efektywności i zwiększenie efektywnej emisji na kWh przez elektrownie wiatrowe. Jeżeli jesteśmy w stanie bez dużych strat energii użyć do czegoś aż 30 GW (eff3, em3), różnice są niewielkie. Da się je zauważyć przy ograniczeniu do 20 GW (eff2, em2). Jednak przy dużym udziale energii z wiatru w kraju i za granicą może nie być możliwości zużywania nawet nadmiaru powyżej założonych 10 GW i wtedy efektywna emisja wiatru jest o 50% większa od bazowej (em1w, zob. też eff1, em1). Koszt osiąga ponad 67 mld zł za 1 GW na 60 lat.

Plik „wyniki”, linia „0.39…”

Schemat pokazujący moc zadaną, moc nominalną, obszar uzupełniania mocy gazem oraz moce odcięcia:

3. Mediana zamiast średniej arytmetycznej. 54,2 GW mocy nominalnej wiatru gwarantuje osiągnięcie 10 GW przez 50% czasu. Udział gazu spada do 1/4, całkowita emisja do 168 g, koszt rośnie do 85 mld zł za 1 GW na 60 lat.

Plik „wyniki”, linia „0.50…”

4. Minimum emisji dla wersji z odrzucaniem mocy wiatru powyżej mocy zadanej osiągamy przez prawie 17-krotnym nadmiarze mocy wiatru. Nie potrzebujemy wtedy już 10 GW z gazu, wystarczy 9,5 GW. Odrzucanie znacznej części energii wiatru powoduje zwiększenie efektywnej emisyjności wiatru do 48 g. Elektrownie gazowe są wykorzystane już tylko w 6,5% i emisja gazu (46 g) ma spory składnik wynikający nieefektywnego używania kapitału (8 g). Słabo wykorzystane źródło ma nie tylko większą proporcję kosztów kapitału w koszcie wytwarzanej energii, ale również proporcjonalnie większą emisyjność. Koszty energetyczne uzyskania energii z gazu to odwrotność współczynnika EROEI (Energy Return of Energy Invested) i wynosi ok. 3%. Tylko 1 promil to koszty energetyczne budowy i rozbiórki elektrowni, ale przy bardzo niskim wykorzystaniu ten udział rośnie na tyle, że staje się zauważalny. Koszt: 250 mld zł na 1 GW na 60 lat.

Plik „wyniki”, linia „0.84…”

Poniżej wykres w skali logarytmicznej, który obejmuje szerszy zakres wartości danych:

Założenia

Konstruując wykres przyjąłem kilka prostych założeń, które upraszczają zagadnienie, ale pozwalają je pokazać poglądowo:

  • stały popyt,
  • brak magazynowania (założenie realistyczne, zwłaszcza dla dużych mocy),
  • brak eksportu (też realistyczne założenie, przy dużym udziale wiatru w kraju i za granicą).

Wnioski

Wykres może być częścią odpowiedzi na pytanie postawione w pracy Power to Decarbonize (M. Nelson et al. 2017): dlaczego powiększanie użycia energii wiatru nie wpływa na dekarbonizację energetyki w różnych krajach? Oczywiste wydaje się, że uzupełnianie gazem mocno redukuje możliwości dekarbonizacji energetyki przy pomocy wiatru, zwłaszcza jeżeli uzupełniamy aż do mocy nominalnej zespołu wiatraków. Emisję z gazu zwiększa praca poniżej optymalnego obciążenia i częste zmiany mocy. Duży nadmiar mocy wiatru pozwala ograniczyć udział gazu, ale zmniejsza to zarówno efektywność wiatru (przez odrzucanie energii), jak też, chociaż w dużo mniejszym stopniu, gazu (przez słabe wykorzystanie).

Na wykresie mamy z lewej strony obszar stosunkowo niskich cen, jednak nawet kilkukrotny nadmiar mocy wiatru nie pozwala zmniejszyć emisji gazu, na tyle, żeby w sumie było to wyraźnie poniżej 200 g.

Minimum emisji osiągamy dopiero bliżej prawej strony wykresu. Wynosi ono 45 g dla nierealistycznej sytuacji kiedy przy 27-krotnym nadmiarze mocy bylibyśmy w stanie zawsze skonsumować ją w całości. W praktyce, przy dużym udziale wiatru znacznie bliższa rzeczywistości będzie sytuacja, kiedy w ogóle nie możemy użyć energii wiatru powyżej zadanej. Użytkownicy krajowi mieliby i tak dość mocy, a sąsiedzi w tym samym momencie mieliby podobny problem z nadmiarem mocy wiatru u siebie. To bardziej realistyczne minimum to 93 g przy 17-krotnym nadmiarze. Jednak koszt inwestycyjny jest w tym obszarze gigantyczny.

Na wykresie nie ma takiego obszaru, w którym cena za 1 GW na 60 lat byłaby niższa od 100 mld zł, a równocześnie emisja była poniżej 100 geqCO₂/kWh. Wynika z tego, że przy założeniach przyjętych w tej pracy poważna dekarbonizacja przy pomocy wiatru nie jest możliwa, a umiarkowane nawet zmniejszenie emisji wymaga ogromnych wydatków.

Dane

Przykładowe dane dla wiatraków na lądzie udało mi się uzyskać z WWW PGE. Dotyczą całego roku 2018 w Polsce. Moc zainstalowana zmieniała się wtedy nieznacznie, więc przyjąłem moc dla połowy roku – 5,875 GW. Taka moc nie waży mocno na systemie energetycznym i emisji, ale skaluję dane proporcjonalnie, zakładając, że wyliczenia dotyczą większych mocy i dużego udziału wiatru. Zwiększanie liczby niezależnych źródeł mogłoby zmienić dystrybucję energii, ale Polska, a nawet Europa jest na tyle małym obszarem, że źródła wiatrowe są silnie skorelowane (D. Ahlborn 2018). Okresy 1-2 tygodni ciszy w Europie dotyczą praktycznie całego jej obszaru. Poniżej prezentacja właściwości oryginalnych danych.

moc

histogram

Możliwe kierunki badań

Użyte dane dotyczą wiatraków pracujących na lądzie. Inne, lepsze wyniki można by uzyskać opierając się na przykładowych danych wiatraków na morzu. Podobne obliczenia można też przeprowadzić dla energii słonecznej i kombinacji energii wiatru i słonecznej. Spory wkład w koszt ma paliwo, które też by można uwzględnić. Generatory energii się zużywają, co ma również wpływ na wynik.

Kolumny w danych i nazwy krzywych na wykresie

1. %t, procent czasu z gwarantowaną mocą (xlabel, mnożone przez 100)

Oś x wykresu to procent czasu w roku, przez który (w losowych momentach) możemy się spodziewać określonej mocy.

2. %P, moc zadana jako procent mocy nominalnej (mnożone przez 100)

Z danych dla 2018 r. można wyliczyć jak duża musi być wielokrotność mocy zainstalowanej (nominalnej) do mocy, którą chcemy zapewnić (zadanej).

3. nom/P, stosunek mocy nominalnej do zadanej

Odwrotność poprzedniej liczby.

4. P2018, moc gwarantowana przez procent czasu z kol. 1 dla obecnej mocy nominalnej (brak na wykresie)

Jaka moc może być zagwarantowana przez określony procent czasu dla obecnej mocy zainstalowanej.

5. eff3, efektywność bez mocy powyżej potrójnej zadanej (mnożone przez 100)

Efektywność kiedy używamy również moc powyżej zadanej, ale najwyżej do trzykrotności tej mocy. Dla danych z 2018 r. maksymalna efektywność to 24,0%. Odrzucanie tylko powyżej trzykrotności mocy niewiele zmniejsza ten współczynnik. Użycie nadmiaru mocy do pożytecznych celów, np. przechowywania energii przez produkcję metanu, poprawia współczynnik tylko o tyle, o ile jest wydajne.

6. eff2, efektywność bez mocy powyżej podwójnej zadanej (brak na wykresie, mnożone przez 100)

To samo co 5., ale przy odrzucaniu powyżej dwukrotności mocy zadanej.

7. eff1, efektywność bez mocy powyżej mocy zadanej (mnożone przez 100)

Jak 5., ale z odrzucaniem wszystkiego powyżej mocy zadanej. Przy dużym udziale energii z wiatru może to być sytuacja typowa, przynajmniej przez większość czasu.

8. miss, procent energii brakującej [do mocy zadanej] (mnożone przez 100)

Jakiej części energii brakuje z powodu nie osiągania przez wiatr mocy zadanej przez pewną część czasu.

9. missmax, maksymalna moc brakująca (brak na wykresie)

Moc wiatru nigdy nie spada do zera, więc nie musimy mieć pełnego 1 GW mocy gazu na każdy zadany gigawat. Ale współczynnik ten spada do 0,9 dopiero przy absurdalnie wielkiej krotności mocy – 30 razy. Współczynnika tego nie rysuję na wykresie, ale uwzględniam przy obliczaniu emisji z gazu.

10. em, emisja [gCO₂/kWh]

Przy pełnym wykorzystaniu mocy wiatru. Uwzględnia emisyjne koszty operacyjnie (emgase0 = 575 * (1-0.00097432)) i kapitałowe (emgasi = 575 * 0.00097432).

emgas = miss * emgase0 + 1/miss * emgasi0 * missmax

em = emgas + emwind0

gdzie emwind0 = 11 [gCO₂/kWh]

11. em3, emisja bez mocy powyżej potrójnej zadanej [gCO₂/kWh]

Emisja z wiatru uwzględnia energię odrzuconą poprzez stosunek współczynników efektywności.

em3 = emgas + emwind0 * eff0/eff3

12. em2, emisja bez mocy powyżej podwójnej zadanej [gCO₂/kWh] (brak na wykresie)

em2 = emgas + emwind0 * eff0/eff2

13. em1, emisja bez mocy powyżej zadanej [gCO₂/kWh]

em1 = emgas + emwind0 * eff0/eff1

14. em1w, emisja bez mocy powyżej zadanej – wiatr [gCO₂/kWh]

Wiatrowa część 13.

em1w = emwind0 * eff0/eff1

15. em1g, emisja bez mocy powyżej zadanej – gaz [gCO₂/kWh]

Gazowa część 13.

em1g = emgas

16. cost, koszt [Gzł/GWh/60 lat]

Koszt mocy nominalnej wiatru (po 6 Gzł/GW) i gazu (3,5 Gzł/GW) przeliczona na 60 lat przy uwzględnieniu czasu życia źródeł.

cost = costgas/spangas * missmax + costwind/spanwind * 1/powp

Pliki

Pod adresem https://blog.rzm.pl.eu.org/wiatr są m.in. następujące pliki:

– dane oryginalne: 20180131 20180228 20180331 20180430 20180531 20180630 20180731 20180831 20180931 20181031 20181130 20181231,

– połączone w plik z mocami dla kolejnych godzin w 2018 r.: moc,

– skrypt w awku do obliczenia średniej, minimum i maksimum danych: podst,

– skrypt tworzący plik wyniki: percentyl,

– skrypt gnuplota rysujący główny wykres: gen_eff.gnuplot .

Źródła

Reklamy

Informacje o rafalmaszkowski

http://pl.wikipedia.org/wiki/Rafał_Maszkowski
Ten wpis został opublikowany w kategorii energetyka i oznaczony tagami , , , , . Dodaj zakładkę do bezpośredniego odnośnika.

5 odpowiedzi na „Efektywność wytwarzania prądu i dekarbonizacji przy pomocy wiatraków na podstawie danych dla Polski z 2018 r.

  1. Witold pisze:

    Rafał,
    Warto by się skonfrontować z pracami, Marca Jacobsena ze Stanforda. On zrobił ze swoim zespołem przegląd możliwości całkowitej dekarbonizacji energetyki dla większości krajów świata https://web.stanford.edu/group/efmh/jacobson/Articles/I/CountriesWWS.pdf Dla Polski przewidują mniej więcej 2/3 z wiatru i 1/3 z fotowoltaiki. W opisie metod piszą coś takiego:

    In M.Z.J., M.A.D., M.A.C., and B.V. Mathiesen, unpublished data, each of the 139 countries is allocated to one of 20 world regions. The numbers of wind and solar generators determined from the present study are input into the GATOR-GCMOM climate model4 in each country. The model predicts the resulting wind (onshore, offshore) and solar (PV, CSP, thermal) resources worldwide every 30 s for 5 years, accounting for extreme weather events, competition among wind turbines for ki- netic energy, and the feedback of extracted solar radiation to roof and surface tem- peratures. The LOADMATCH grid-integration model4 then combines the wind and solar resource time series with estimated time series for other WWS generators; hourly load data for each country; capacities for low-cost heat storage (in under- ground rocks and water), cold storage (in ice and water), electricity storage (in CSP with storage, pumped hydropower, batteries, and hydropower reservoirs), and hydrogen storage; and demand-response to obtain low-cost, zero-load loss grid solutions for each of the 20 grid regions.

    Czyli zakładają intesywny przesył, przechowywanie energii i load- balacing, czego ty nie uwzględniasz. Nic dziwnego, że u Ciebie się nie da, skoro wprost wykluczasz efektywne sposoby radzenia sobie ze zmiennością wiatru.

    Pozdrawiam,
    W.

    • Dziękuję za uwagi. Przesył pomijam, więc w ten sposób zakładam, że jest idealny. Przechowywania z kolei nie uwzględniam, bo na dużą skalę nie istnieje. Najbardziej efektywna jest woda i sprężone powietrze, ale wymagają specjalnych warunków, inne sposoby mają dużą upływność, koszty albo straty energii. W przypadku gromadzenia z dużymi stratami efektywne zmniejszenie emisji jest niewielkie. Założenia autora są nierealistyczne.

      • Witold pisze:

        Przesył powinien być w skali kontynentalnej. Przechowywanie już zaczyna być ekonomiczne w skali kilku godzin, za 10 lat będzie opłacalne w skali małych kilku dni.
        Ale zgadzam się z jednym wnioskiem – same wiatraki, w skali Polski bez sieci paneuropejskiej przesyłu dużych energii nie dadzą rady. Jednak odpowiedzią nie jest niebudowanie wiatraków ale budowanie sieci przesyłowych, fotowoltaiki i prace nad magazynowaniem energii.

        • Przechowywanie części mocy (szczytu) na kilka godzin jest stosowane od dawna i jest wysoce opłacalne. Zupełnie czym innym jest zastąpienie wiatru, który nie wieje przez tydzień albo dwa. Zastąpienie całego zasilania w Polsce na 1 godzinę przy cenie takiej jak za magazyn energii Tesli w Australii (66 M$/129 MWh) kosztowałoby 150 mld zł. Trwałość takich akumulatorów to pewnie ok. 10 lat, więc po początkowej inwestycji trzeba by wymieniać co roku za ok. 15 mld zł. Gdyby gromadzić na tydzień, koszt wynosiłby 25 bln zł + 2,5 bln zł rocznie. Sezonowe równoważenie słońca wymaga jeszcze większych magazynów, w dodatku o małej upływności.
          Zastanawiając się jak zorganizować wiatraki na skalę europejską możemy podejść matematyczne: wiatraki to źródła szumowe, szum z wielu źródeł się uśrednia. Ale ze źródeł niezależnych. Liczba stopni swobody dla Niemiec to kilka, dla Europy nieco więcej, ale ładny Gauss z tego nie wychodzi, maksimum rozkładu ciągle jest nisko.Nie wiem czy ktoś badał warunki dla całej Eurazji, ale przesyłanie grubych GW nawet po Europie jest drogie, więc tym bardziej jeszcze dalej, a dochodzą jeszcze przeszkody i ryzyko polityczne.

          • Witold pisze:

            No przcież właśnie cytowane przeze mnie opracowanie to zawiera. Obliczenia z kilkuletnich symulacji pogodowych dla Europy, z rozdzielczością 30 sekund. Tylko symulują wiatr + słońce + inne dostępne źródła odnawialne. No i jak rozumiem, zakładają idealny przesył w skali regionalnej. Plus przechowywanie długoterminowe np. Wodoru może być sensowne dla wypełnienia dłuższych dziur, bo energia słoneczna latem będzie właściwie za darmo. Zresztą – przy energetyce w pełni odnawialnej jest oczywiste, ze będą długie okresy nadprodukcji energii, wiec dwa rozwiązania są takie – dostosowywać produkcje energochłonna do okresów nadprodukcji i produkować zapasy do długoterminowego przechowania.

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Google

Komentujesz korzystając z konta Google. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Wyloguj /  Zmień )

Zdjęcie na Facebooku

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Wyloguj /  Zmień )

Połączenie z %s