Tomasz Podgajniak: Skąd prąd? Dyskusja trwa

Poniedziałkowy artykuł z cyklu ELEKTROCHODEM wywołał dynamiczną dyskusję na naszym profilu facebookowym. Do polemiki ze strony jednego z internautów odniósł się autor, Tomasz Podgajniak, wiceprezes Polskiej Izby Gospodarczej Energetyki Odnawialnej i Rozproszonej.

Dla promowania idei elektromobilności nie jest obojętne, co będzie źródłem energii elektrycznej napędzającej pojazdy. Samochód elektryczny zasilany prądem z węgla przegrywa z dieslem. Tak najogólniej można by ująć tezę zawartą w poniedziałkowym artykule.

W komentarzach na fb internauci zwracali uwagę na ekologiczność aut elektrycznych, które są ciche i nie wymagają płynów ustrojowych właściwych spalinowcom, ale wskazywali też na szkodliwe dla środowiska właściwości akumulatorów. Wiele osób podkreślało z kolei wysoką sprawność współczesnych elektrowni węglowych. Jedni wciąż wierzą w przyszłość rozwoju paliw, inni poczuli niedosyt z powodu pominięcia strat energii związanych z ich wydobyciem, transportem i rafinacją. Jednak uwagę autora przykuł ten komentarz.


 

Komentarz z profilu REO
Artykuł tak tendencyjny, że aż zęby bolą przy czytaniu. Autor twierdzi, że przy źródłach odnawialnych jest tylko jeden stopień konwersji generujący straty, a przy źródłach cieplnych doliczył się trzech czy czterech. No to policzmy uczciwie.

Wiatrak: śmigło ma swoją sprawność obliczoną dla określonego zakresu prędkości (wiatru). Jak jest za słaby albo za silny, to nie działa. Więc ta sprawność nie jest stała. Dalej mamy sprawność mechaniczną przekładni (niskoobrotowe śmigło/wysokoobrotowy generator). A więc tarcie, straty cieplne związane z nagrzewaniem konstrukcji. Wreszcie sam generator. A więc trzy! W elektrowni wodnej jest podobnie, sprawność turbiny (tu akurat łatwo sterować przepływem, aby utrzymać optimum) oraz generatora. Najczęściej pomijamy przekładnię, więc dwa stopnie.

Fotowoltaika. Teoretycznie jeden stopień (panel). Czy aby na pewno? A falownik? Też się grzeje i powoduje straty, a przecież prąd przed wpuszczeniem do sieci trzeba obrobić. I za każdym razem mamy straty przesyłowe, straty w grzejącej się ładowarce. Bo grzeje się każda. Czy od smartfona, czy od samochodu. Benzyny, ropy czy gazu nie tracimy przy tankowaniu albo przelewaniu. Bateria przy ładowaniu też się nagrzewa, znowu straty. Więc wcale nie jest tak pięknie, jakby chciał autor. No i całkowicie pominięto kwestię dostępności źródła, które wpływa na sprawność i to mocno.

Słońce: dostępność w ciągu roku 50%. Wiadomo – więcej latem, mniej zimą. Ale już tracimy połowę potencjalnej mocy elektrowni. Wiatr? Jeszcze gorzej. W najlepszej sytuacji są hydroelektrownie (choć w dobie powszechnej suszy i postępującego ocieplenia klimatu będzie coraz trudniej).

No i ostatnia kwestia. Magazynowanie. Wiadomo, że zapotrzebowanie na energię nie jest stałe w ciągu roku czy doby. Wyobraźmy sobie, że ten milion samochodów elektrycznych wrócił właśnie z majówki i chce się wieczorem naładować. Słońca już nie ma, wiatry też jakoś nie chcą wiać. I co wtedy? Ano trzeba to wcześniej zaplanować i uruchomić dodatkowy blok opalany węglem albo gazem. Albo kupić prąd od Hiszpanów, u których słońce jeszcze nie zaszło 🙂


 

Szanowny Panie!

Ażby się chciało powtórzyć za Panem: [komentarz] tak tendencyjny, że aż zęby bolą. Taka polemika nie miałaby jednak sensu. Postaram się więc, choć Redakcja REO gani piszących na portalu za zbyt długie wypowiedzi, odnieść merytorycznie do merytorycznych i niemerytorycznych zarzutów.

Pisze Pan: Wiatrak: śmigło ma swoją sprawność obliczoną dla określonego zakresu prędkości (wiatru). Jak jest za słaby albo za silny, to nie działa […]. Więc ta sprawność nie jest stała.

Tak, to zasadniczo jest prawda, ale co z tego? Po pierwsze, artykuł nie jest o takiej sprawności. Pisze Pan o wskaźniku efektywności wykorzystania mocy zainstalowanej, czyli ilości energii rzeczywiście oddanej do użytkowników w stosunku do teoretycznej wielkości, jaką to urządzenie mogłoby wytworzyć, gdyby pracowało non stop z pełną mocą (czyli 8760 godzin w roku z wydajnością 100%). Współczynnik taki określa się często jako Capacity Factor – CF. W rzeczywistości wiatraki w Polsce charakteryzuje CF na poziomie 27%, przy czym nowoczesne turbiny znacznie przekraczają 30%, a starsze i niższe modele często wykazują CF mniejszy niż 20%. To, nawiasem mówiąc, ciekawy przyczynek do efektów tzw. ustawy antywiatrakowej – w praktyce eliminuje ona z Polski wysokosprawne wiatraki na wysokich wieżach i z dużymi rotorami, a daje szanse rozwoju urządzeniom, których już się na świecie nie instaluje, właśnie ze względu na niższą efektywność wytwarzania energii.

Każde urządzenie elektryczne charakteryzuje jakaś krzywa mocy – czy to będzie generator napędzany przez wiatrak, czy przez turbinę parową, czy przez silnik spalinowy. Często też efektywność produkcji jest gorsza przy niskich obciążeniach mocowych, a niektórych urządzeń nie da się eksploatować poniżej określonego wykorzystania mocy znamionowej. Łatwo też policzyć (dane PSE), że wykorzystanie mocy zainstalowanych w elektrowniach konwencjonalnych w 2017 roku to ok. 49,7%, a w zawodowych elektrowniach wodnych niespełna 13,6%. W przypadku wiatraków na Bałtyku inwestorzy oczekują CF rzędu 50%. Ale to naprawdę inne kwestie. Mój artykuł nie był o tym.

Efektywność wykorzystania mocy zainstalowanej ma niewiele wspólnego (choć trochę ma) z rzeczywistą sprawnością termodynamiczną takiego układu. Nie ma tu miejsca na skomplikowane wywody techniczne, ale zwracam uwagę, że w swoim artykule precyzyjnie zdefiniowałem pojęcie sprawności, jako stosunek energii użytkowej otrzymanej z jednostki energetycznej do energii pierwotnej (np. zwartej w paliwie kopalnym), którą do tej jednostki wprowadzono. Stwierdziłem też, że nie wykorzystujemy całej energii ruchu powietrza omiatającego śmigła czy fotonów ze słońca padających na panel, ale jakie to ma znaczenie, skoro energię tę mamy za darmo.

Z tego płynął też wniosek, że rozwój elektromobilności, w której źródłem energii miałaby być konwencjonalna energetyka (jednostki cieplne), nie ma sensu, bo tak rozumiana sprawność nowoczesnego silnika spalinowego jest większa, niż można to uzyskać, zasilając pojazd energią z elektrowni węglowych, czy nawet gazowych poprzez system elektroenergetyczny. A więc diesel górą, nie mówiąc już o kosztach przebudowy i utrzymania sieci, umożliwiających przesył dużych ilości energii z dużych bloków węglowych do rozproszonych ładowarek.

Do tego twierdzenia nie odniósł się Pan, bo pewnie też trudno byłoby je obalić.

Dalej mamy: sprawność mechaniczną przekładni (niskoobrotowe śmigło/wysokoobrotowy generator) A więc tarcie, straty cieplne związane z nagrzewaniem konstrukcji. […].

Znowu prawdziwe twierdzenie, tylko znowu nie na temat. Każdy układ mechaniczny charakteryzują takie parametry. Zakładam, że jako Autor komentarza dość technicznego nie chce Pan sugerować Czytelnikom, że straty na konwersji energii mechanicznej w energię elektryczną dotyczą tylko turbin wiatrowych, a w przypadku turbin parowych czy gazowych już nie! W swoim artykule nie zajmowałem się analizą źródeł czy elementów składowych takich strat, gdyż można byłoby na ten temat napisać cały podręcznik. Nie można jednak zgodzić się z twierdzeniem, że każda przekładnia to stopień konwersji. Jak sama nazwa wskazuje, konwersja to przemiana czegoś w coś, według użytej przeze mnie definicji, np. energii mechanicznej w elektryczną. Na przekładniach, wałach czy sprzęgłach żadna taka konwersja nie występuje – mamy do czynienia tylko z przenoszeniem energii wewnątrz układu. Straty z tym związane zaliczam do ogólnych strat w procesie konwersji energii mechanicznej w elektryczną, niezależnie od tego, co źródłem energii mechanicznej jest w rzeczywistości.

Wydaje się też, że podobnie utożsamia Pan straty na przesyle/przenoszeniu energii z konwersją. Sugerują to kolejne zarzuty dotyczące paneli fotowoltaicznych. Wydawało mi się, że dość wyraźnie napisałem o stratach sieciowych, które obciążają każde (!) źródło energii elektrycznej wprowadzanej do systemu elektroenergetycznego. Dlatego w swoich rozważaniach potraktowałem je marginalnie. Jednak ani inwenter, ani falownik, ani transformatory nie są narzędziami do przemian energetycznych rozumianych jako przekształcanie jednego rodzaju energii w inny. Taka przemiana występuje natomiast w przypadku ładowania i rozładowywania akumulatora/baterii, na co w artykule wskazałem.

Powtarzam i podkreślam – o sprawności całego układu zawsze decyduje ilość stopni konwersji i ich sprawność przemiany. Można oczywiście analizować szczegółowo źródła strat w kolejnych przemianach, wprowadzać pojęcia entalpii, entropii, cyklu Carnota itd., ale po co? Żeby odstręczyć mniej zaawansowanych w termodynamice Czytelników?

Dalej pisze Pan, że: Benzyny, ropy czy gazu nie tracimy przy tankowaniu czy przelewaniu.

Tutaj się Pan podłożył. Straty oczywiście są, i to niemałe. Paliwa ciekłe parują, gazociągi też nie są do końca szczelne, nawet węgiel składowany w elektrowniach się utlenia. Napisałem jednak wyraźnie, że takie straty – jak i energetyczne koszty dostawy paliw w swoich rozważaniach – pomijam, a ich uwzględnienie tylko pogorszyłoby relację pomiędzy elektromobilnością z węgla czy ropy a wysokosprawnym silnikiem spalinowym.

Jak również: No i całkowicie pominięto kwestię dostępności źródła, które wpływa na sprawność i to mocno […].

Znowu zarzut z innej bajki. Tak, to prawda, wiatr nie zawsze wieje, słońce świeci tylko przez część doby, z wodą nie jest lepiej, co wykazałem wcześniej na liczbach. Ale to nie jest problem strat na przemianach energetycznych, tylko zdolności potencjału wytwórczego do zaspokojenia potrzeb konsumentów i możliwości wykorzystania mocy zainstalowanych. Idąc jednak tym tropem myślenia, zadam Panu podobne pytania: Czy paliwa kopalne, które tak barbarzyńsko eksploatujemy, będą dostępne zawsze (!) w co najmniej tak dużych jak dziś ilościach? Czy nie jest tak, że ich energetyczne koszty wydobycia (o cenach ropy i gazu kształtowanych przez politykę nie chcę dyskutować) systematycznie rosną? Czy eksploatacja nowych zasobów (łupki) nie prowadzi do dewastacji ogromnych obszarów?

To są oczywiście pytania retoryczne, nie oczekuję na nie odpowiedzi, bo one są powszechnie znane. Stety, albo i dla niektórych niestety, płynie z nich wniosek, że jeżeli nie postawimy na coraz bardziej efektywne wykorzystywanie zasobów, które mamy w zasięgu ręki w każdym miejscu na Ziemi, to możemy znaleźć się w bardzo nieciekawej sytuacji.

No i ostatnia kwestia: Magazynowanie. Wiadomo, że zapotrzebowanie na energię nie jest stałe w ciągu roku czy doby. […] Albo kupić prąd od Hiszpanów, u których jeszcze słońce nie zaszło 🙂

Poruszył Pan na końcu rzeczywiście istotny problem wydolności systemowej. Tak, on musi być brany pod uwagę, także ze względu na koszty backupów energetycznych. Nie chcę twierdzić, że jest łatwy do rozwiązania, ale na pewno technologicznie i systemowo da się to opanować. Kto powiedział, że przyszły elektromobil musi mieć tylko jedną baterię? Dlaczego nie zamienić problemu w korzyść i nie wykorzystać tego potencjału do magazynowania energii w okresach, gdy w systemie jest jej za dużo? Dlaczego nie można przyjąć, że przynajmniej część z użytkowników takich pojazdów będzie jednocześnie prosumentami, którzy zagospodarowywać będą w ten sposób nadwyżki wytwarzanej w swoich domach energii, które dziś wprowadzają do sieci? A może rozwiązaniem jest ostatnie zdanie z Pańskiego komentarza, które jak domniemywam miało wybrzmieć ironicznie, ale przecież taka jest idea jednolitego europejskiego rynku energii!

Ja natomiast wiem na pewno, że zarówno dostępność, jak i koszty pozyskania paliw kopalnych nie będą się zmieniać w korzystnych kierunkach. To pierwsze będzie maleć, drugie – rosnąć. To oznacza, że energetyka konwencjonalna będzie generować coraz większe koszty, które znajdą odbicie na naszych rachunkach. Tymczasem koszty wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych systematycznie maleją. Tego nikt nie kwestionuje. Skoro i tak istotną część kosztów tworzenia urządzeń do wykorzystywania energii ze źródeł odnawialnych stanowi energia, oznacza to, że energetyka ta stawać się będzie coraz tańsza, a zatem coraz bardziej konkurencyjna. I to jest nasza przyszłość albo podzielimy los reniferów ze słynnej wyspy św. Mateusza.


 

Burzliwa dyskusja na jeden z najważniejszych dla przyszłości kraju tematów budzi w Redakcji REO ogromną radość. Wszak pytanie: SKĄD prąd? dotyczy nie tylko transportu. Wkrótce podejmiemy temat energetyki atomowej, bo chcemy dyskutować w sprawach najbardziej istotnych dla energetyki, klimatu, całego bagażu, z którym wkroczyliśmy w XXI wiek. Tymczasem zapraszamy na nasz profil facebookowy oraz do lektury cyklu ELEKTROCHODEM, gdzie w każdy poniedziałek pojawia się elektryzujący tekst.