Odnawialne źródła energii czy węgiel, czyli Elektrotechnika w pigułce II

Ostatnio wszędzie słychać o odnawialnych źródłach energii (OZE) - o tym, że to właściwy kierunek polskiej energetyki i jaki on jest ekologiczny. Zalewają nas też informacje o emisji spalin z elektrowni opalanych węglem i tego, że Polska ma najgorszej jakości powietrze w Europie (głównie z tego powodu). Jak się do tego ustosunkować? Jaka jest prawda?

Farmy wiatrowe

Miały okazać się rozwiązaniem problemów obecnej energetyki - problemy z zasilaniem, ceną prądu, zanieczyszczeniami itd. Jednak prawda jest nieco inna.
Wiatraki są bardzo zależne od aktualnej pogody: wieje za słabo - wyłączone, wieje za mocno - wyłączone. Jest niewiele miejsc w Polsce, gdzie można pozwolić sobie na takie “wiatraczki". Dodatkowo miejsca, gdzie można je budować są bardzo ograniczone (chodzi głównie o odległości od zabudowy i niedawne zmiany w ustawodawstwie, które przyblokowały budowę nowych farm).
Gdyby tego było mało, nie są “zdrowe” dla systemu elektroenergetycznego i mogą powodować więcej problemów, niż dawać pożytku.

Panele fotowoltaiczne

To rozwiązanie staje się coraz bardziej popularne, szczególnie mikroinstalacje do domków jednorodzinnych. Niestety nie pozwalają one obecnie na wzmocnienie systemu energetycznego kraju. Jednak są dobrym sposobem na ograniczenie kosztów za energię elektryczną - mając podpisaną odpowiednią taryfę i założony dwukierunkowy licznik energii elektrycznej, jesteśmy w stanie sprzedawać nadmiar energii wytworzonej przez panele. Ważny też jest dobór mocy i przeliczenie na ile inwestycja jest opłacalna (po jakim czasie zwróci się), a dla każdej takiej inwestycji będzie inaczej - tutaj pomaga gospodarka na studiach.

Elektrownie wodne i pływowe

W naszym kraju nie mamy za dużo możliwości zbudowania elektrowni wodnych na rzekach. Powodem są niewielkie spadki terenu i ilość opadów. Na nizinach ciężko o dobry przepływ wody, który zasili konwencjonalne elektrownie wodne na rzekach. No i są drogie w budowie.
Innym rodzajem elektrowni wodnych są elektrownie szczytowo-pompowe, bardzo ważne w systemie elektroenergetycznym. Ich rola jednak jest inna - wspomaganie. Gdy energia jest tania (np. w nocy), pompy przepychają wodę do górnych zbiorników. Gdy potrzeba nagłego zastrzyku energii (np. podczas szczytu albo podczas awarii bloku energetycznego), otwierają się zapory i woda spływając z górnego zbiornika napędza turbiny.
Elektrownie pływowe - elektrownie oparte o pływaki napędzane siłą przypływów i odpływów. Brzmi jak droga do sukcesu. Nic bardziej mylnego. Działają wydajnie przy znacznych ruchach wody, ograniczają miejsce (wydzielony fragment nabrzeża i wód otaczających), no i są drogie w budowie. Nie wiem, czy będą opłacalne w naszych warunkach.

Elektrownie węglowe

Nie ma co tu dużo pisać - mamy technologię do budowy, mamy ich sporo, węgla jest też sporo. A jak działają? Palimy węgiel, rozgrzewamy wodę, by wytworzyć parę wodną pod dużym ciśnieniem i temperaturą (setki stopni), i ta para napędza turbinę generatora. Wydajność niestety nie jest porażająca. Dodatkowo dochodzą zanieczyszczenia (dość mocno ograniczone przez filtry elektrostatyczne). Niestety wiele osób sądzi, że ilość zanieczyszczeń jest o wiele większa niż w rzeczywistości, gdyż patrzą się na wielkie chłodnie kominowe (do schładzania wody) i myślą, że to spaliny.
Produkują one ponad 80% energii w Polsce.

Elektrownie jądrowe

Wydają się najlepszą alternatywą dla elektrowni opalanych węglem. Parę zamiast węgla podgrzewa reakcja rozszczepiania atomu. Sposobów wykonania jest sporo, ale ten fragment pominę. Są bezpieczne (mimo powszechnej opinii), ekologiczne (poza składowaniem odpadów radioaktywnych - na szczęście dość skutecznie). Niestety są drogie, no i brak nam technologii do ich budowy. Na dłuższą metę nie poradzimy sobie bez takiej elektrowni.

Dlaczego nie wiatraki? Blackout?

Argumentów jest kilka - postaram się nie wdawać zbytnio w szczegóły.

1. Wieje, nie wieje: podstawowy problem wiatraków. Ich wydajność zależy od wiatru jaki “dmucha” w śmigła. Im mniejszy, tym ilość energii produkowanej się zmniejsza. Co najgorsze, jak zawieje za mocno, to się zatrzymają - i tu jest kolejny problem.
2. Prosta droga do awarii: nie wszyscy wiedzą, ale energia wytworzona musi zostać (jednocześnie) w całości zużyta. Bilans energii produkowanej i odbieranej obrazowany jest przez częstotliwość prądu. Jeśli więcej energii jest produkowanej, to częstotliwość się zwiększa, jeśli jest jej mniej, to się zmniejsza. Można to zobrazować zbyt mocnym obciążeniem silnika, który zwalnia. Takie wahania muszą być bardzo ograniczone.

Przykład - jest silny wiatr, wiatraki dają maksymalną moc. Nagle prędkość wiatru wzrasta ponad ich graniczną i co się dzieje? Zatrzymują się. Generacja mocy mocno spada, częstotliwość też. Zaczyna działać automatyka SCO (gdy spada częstotliwość, to odcina pewne odbiory). Jeśli dojdzie do wyłączenia kluczowych linii, inne mogą się przeciążyć i też wyłączyć. Piękna droga do awarii w systemie, gdzie jest mało rezerwy z elektrowni.

3. Czas załączenia elektrowni konwencjonalnych: uruchomienie bloku elektrowni to zwykle 6 (nowe) do 12 (stare nawet więcej) godzin. Nie wydaje mi się, że wiatraki poczekają tyle. Bloki trzeba wyłączyć, gdy nie da się już bardziej ich ograniczyć przy nadmiernej produkcji energii z elektrowni wiatrowych. Połączenia w systemie: system gotowy na źródła odnawialne to system dobrze ze sobą powiązany. Niech przykładem będzie mapa systemu polskiego na tle Europy (ważniejsze są czerwone połączenia).


5. Sterowanie: konwencjonalne elektrownie mają taką przewagę, że można nimi sterować centralnie (zmieniać ich generacje), z odnawialnymi, rozproszonymi źródłami już tego zrobić się nie da. Energię trzeba z takiego źródła przyjąć i nie ma dyskusji.

Zlikwidować OZE?

Jasne, że nie. W naszym systemie dość dobrze wspierają elektrownie zawodowe (konwencjonalne). Na północy, gdzie brak elektrowni, jest sporo wiatraczków i one pomagają w utrzymaniu dostaw odpowiedniej jakości energii. Moim zdaniem istnieje dość niewyraźna granica między ilością odnawialnych źródeł a bezpiecznym systemem - jest nią technologia elektrowni (im lepsze bloki, tym szybciej są w gotowości) i ilość połączeń w systemie (więcej połączeń to więcej możliwości doprowadzenia prądu w razie awarii). Bardziej rozbudowany, nowoczesny system jest w stanie przesunąć tę granicę (tak jak niemiecki) - jednak mogą pojawić się problemy: co zrobić z tym prądem? Gdzie go przepchnąć? Najlepiej do innych krajów.

A zanieczyszczenia?

Zanieczyszczenia z elektrowni są, temu nie da się zaprzeczyć. Należy je ograniczać, ale jednak nie za wszelką cenę. Jest to proces długotrwały, kosztowny i musi zostać dobrze przemyślany. Pierwszym krokiem powinno zostać ograniczenie spalania śmieci albo słabej jakości węgla/drewna w piecach domowych (Kraków ma problemy z powietrzem przez okoliczne gminy palące na potęgę, a nie elektrownę węglową). Potrzebna jest też jakaś elektrownia atomowa i unowocześnianie obecnych bloków opalanych węglem.

Podsumowanie

Wszystko z umiarem :-) Wiatraki mogą być, ale bez przesady. Panele fotowoltaiczne - czemu nie, byle zwróciły się koszty instalacji w sensownym czasie. Elektrownie wodne - “jakby się dało”. A serio - Polski system jest jaki jest i z dnia na dzień nie można go zmienić (był budowany przez dziesiątki lat). Bezpieczeństwo energetyczne musi być zapewnione i dlatego dalej większość energii to energia z węgla, ale może kiedyś to się zmieni.

Kolejna część będzie prawdopodobnie o porażeniu (niskim i wysokim napięciem).