Na czym polega integracja sektorów (sector coupling)?
Definicja
Integracja sektorów (sector coupling) jest obecnie coraz częściej dyskutowanym tematem w europejskich przedsiębiorstwach energetycznych. Oznacza ono elektryfikację transportu, ciepłownictwa i chłodnictwa, transportu i zużycia energii w przemyśle oraz praktycznie każdego sektora gospodarki, który nie został jeszcze zelektryfikowany. Efektem tego procesu byłoby zniesienie tradycyjnego podziału pomiędzy sektorami energochłonnymi i wprowadzenie modelu holistycznego.
Głównym celem integracji sektorów jest głęboka dekarbonizacja gospodarki poprzez jak największe możliwe wykorzystanie energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych, a w efekcie osiągnięcie "społeczeństwa całkowicie elektrycznego". Żeby go osiągnąć, należałoby w pełni wykorzystywać elastyczność wytwarzania i zużywania energii elektrycznej, a także rozwinąć na szeroką skalę technologie magazynowanie energii w różnych formach.
Pierwsze dwie dekady XXI wieku pokazały, że odnawialne źródła energii są w stanie pokrywać coraz większą część światowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Dzięki ich wykorzystaniu udało się już zdekarbonizować znaczną część produkcji energii elektrycznej. Jednocześnie inne sektory gospodarki, takie jak transport, ciepłownictwo, rolnictwo i przemysł ciężki nadal są energochłonne i wysokoemisyjne. Dlatego też najważniejszym celem z punktu widzenia ochrony klimatu jest powtórzenie sukcesu energii odnawialnych na rynku energii elektrycznej poprzez połączenie wszystkich sektorów gospodarki, które wytwarzają, zużywają i magazynują energię. Taka integracja sektorów, oparta przede wszystkim na energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych, powinna pozwolić na uzyskanie zerowej emisji CO2 netto.
Spis treści
- System energetyczny przyszłości oparty jest na energii elektrycznej
- Paradoks: Magazynowanie energii elektrycznej i elastyczność są zarówno warunkami koniecznymi, jak i skutkami łączenia sektorów
- Inteligentnie zastosowana elastyczność może zmniejszyć zapotrzebowanie na magazynowanie energii
- Rewolucja w transporcie i logistyce
- Łączenie sektorów w ciepłownictwie
- Środki zwiększające efektywność i zmniejszające całkowite zużycie energii
- Stosowanie nowych technologii zmniejsza całkowite zużycie energii - teoretycznie
- Wnioski: Jak wygląda rzeczywistość łączenia sektorów?
System energetyczny przyszłości oparty jest na energii elektrycznej
Integracja sektorów kładzie nacisk na postrzeganie całej gospodarki jako elastycznego współdziałania procesów wytwarzania, zużycia i magazynowania energii elektrycznej w celu osiągnięcia neutralności klimatycznej. Jednak cel ten może zostać osiągnięty tylko wtedy, gdy cała potrzebna energia będzie wytwarzana z odnawialnych źródeł energii. Dotychczasowe pierwotne źródła energii, takie jak ropa naftowa, węgiel i gaz, muszą zatem zostać zastąpione nie tylko w obecnym systemie elektroenergetycznym, lecz także we wszystkich innych procesach zużycia - tzn. w transporcie, ciepłownictwie, rolnictwie, przemyśle ciężkim i innych sektorach.
Podczas gdy w sektorze energii elektrycznej dokonał się wielki postęp, procesy przemysłowe oparte na energii elektrycznej, chłodnictwo i klimatyzacja, jak również sektory transportu i wytwarzania ciepła nadal w dużym stopniu zależą od ropy naftowej i gazu jako pierwotnych źródeł energii. Technologie typu Power-to-X, takie jak power-to-gas (PtG) do wytwarzania wodoru z energii odnawialnych lub power-to-heat (PtH) do wytwarzania ciepła z energii odnawialnych już istnieją, ale większość z nich jest nadal w fazie eksperymentalnej lub nie jest jeszcze wykorzystywana na dużą skalę - chociaż istnieją zaangażowani pionierzy w sektorze PtG.
Paradoks: Magazynowanie energii elektrycznej i elastyczność są zarówno warunkami koniecznymi, jak i skutkami łączenia sektorów
W porównaniu do paliw płynnych lub gazowych, energia elektryczna ma tę wadę, że nie da się jej łatwo przechowywać w jakimś zbiorniku, bez ponoszenia strat. Dlatego też energia elektryczna musi być przechowywana elektrochemicznie w bateriach lub w formie przetworzonej, na przykład jako wodór gazowy wytworzony w procesie power-to-gas, w elektrowniach szczytowo-pompowych lub w kołach zamachowych. Wszystkim tym sposobom magazynowania lub konwersji energii nieodłącznie towarzyszą straty.
Spośród nich wszystkich, zwłaszcza baterie są bardzo drogie i budzą wiele kontrowersji ze względu na ich budowę oraz zużycie rzadkich surowców. Z drugiej strony, rozwiązania typu power-to-x muszą konkurować na rynku z paliwami kopalnymi, które wciąż są bardzo tanie w eksploatacji. Dlatego też, dopóki znacznie taniej będzie wykorzystywać do wytwarzania energii elektrycznej paliwa generujące CO2, problem ten nie zostanie rozwiązany.
Inteligentnie zastosowana elastyczność może zmniejszyć zapotrzebowanie na magazynowanie energii
Duża część wytworzonej energii elektrycznej nie musiałaby być jednak w ogóle magazynowana, gdyby zapotrzebowanie na energię elektryczną poszczególnych odbiorców mogło być elastycznie dostosowywane do dostaw dostępnych w sieci. System energetyczny, który angażuje odbiorców energii elektrycznej w utrzymanie stabilności sieci, jest zatem niezbędny. Takie rozwiązania, zwane w Polsce DSR (Demand Side Response) lub Interwencyjna Redukcja Poboru, mogą byc oferowane przez dużych przemysłowych i komercyjnych odbiorców energii elektrycznej w taki sposób, by odciążali oni system elektroenergetyczny poprzez selektywne zwiększanie lub (w Polsce częściej) zmniejszanie zużycia energii elektrycznej, w zależności od jej dostępu na rynku.
Potencjał do zwiększenia elastyczności w zużyciu energii elektrycznej i dopasowaniu go do dostępnej produkcji wprowadza sector coupling. Przykładowo, flota elektrycznych pojazdów przemysłowych mogłaby dostarczać energię bilansującą, na przykład rezerwę pierwotną. Z kolei flota osobowych pojazdów elektrycznych może być ładowana w taki sposób, by elastycznie dopasowywała się do ceny na rynku SPOT, a co za tym idzie, do dostępnej ilości energii odnawialnej w systemie. Ten sam mechanizm można zastosować w przypadku chłodni przemysłowych, które można chłodzić w sposób zoptymalizowany kosztowo, wykorzystując bezwładność procesów termicznych. To tylko niewielki wycinek potencjalnych przypadków użycia i nowych możliwości biznesowych, które czekają na odkrycie szczególnie w przypadku średnich i dużych przedsiębiorstw.
Rewolucja w transporcie i logistyce
Postęp integracji sektorów w transporcie następuje w różnym tempie w różnych jego obszarach. O ile, transport kolejowy jest w pełni zelektryfikowany, to jego największą wadą jest gęstość sieci kolejowej oraz fakt, że w regionach słabo zaludnionych rzadko opłaca się budowa i utrzymywanie tej kosztownej infrastruktury. Z tego powodu pojazdy zachowujące indywidualną mobilność nadal pozostają w cenie i zapewniają transport wodny, powietrzny, a także znaczną część transportu ciężarowego. Dodatkowo, polityka transportowa, w przeważającej mierze przyjazna dla samochodów, zaostrzyła ten problem w wielu krajach europejskich w ostatnich dziesięcioleciach. Niestety, elektryfikacja transportu lotniczego, wodnego i ciężarowego jest dużo większych wyzwaniem niż przestawienie kolei na zasilanie energią elektryczną. Wciąż potrzebne są intensywne projekty badawcze, rozwojowe i wdrożeniowe, zanim komercjalizacja na szeroką skalę będzie możliwa.
Wyzwanie elektryfikacji transportu podejmowane jest przez kolejnych producentów pojazdów elektrycznych na całym świecie. Setki tysięcy inżynierów zaangażowanych jest w globalne projekty badawcze mające na celu zwiększenie pojemności i zasięgu baterii przy jednoczesnym obniżeniu kosztów. Dodatkowo, opracowuje się nowoczesne koncepcje i modele biznesowe. Nadzieję budzi możliwość wykorzystywania wielu baterii samochodzów elektrycznych podłączonych do sieci jako ogromnego, rozproszonego magazynu energii, który w razie potrzeby mógłby oddawać zmagazynowaną energię do sieci. Ten koncept znany jest jako Vehicle-to-Grid (V2G). Taki magazyn mógłby przydać się operatorowi systemu podczas słabych wiatrów i dużego zachmurzenia. W tym momencie samochodowe magazyny energii mogłyby kompensować niewielkie dysproporcje w sieci energetycznej, wynikające z braku zasilania z farm wiatrowych i fotowoltaicznych, poprzez zapewnienie dodatniej energii bilansującej.
Obok baterii, coraz częściej mówi się również o wodorze jako o źródle paliwa w transporcie, jednak i to rozwiązanie nie jest pozbawione ryzyk. Największe trudności leżą w niezawodnej produkcji wodoru, zwłaszcza przy wykorzystaniu energii odnawialnych na dużą skalę. Bazujące na wodorze technologie napędowe (przetworzone silniki tłokowe lub silniki Wankla, turbiny lub ogniwa paliwowe) wymagają również znacznych udoskonaleń pod względem wydajności. Niemniej jednak, wiele kompetentnych firm ściga się w rozwijaniu tej technologii. Szczególnie w Japonii, wielcy producenci samochodów coraz częściej stawiają na silniki oparte na wodorze. Z kolei w Niemczech, głównie producenci pojazdów przemysłowych koncentrują się na wodorze jako paliwie. Wodór z systemów PtG mógłby być tankowany wzdłuż autostrad podczas przepisowych okresów bezczynności kierowców ciężarówek. W sektorze logistycznym, rozwiązania elektryczne dla transportu lokalnego już zyskują na popularności, częściowo dzięki własnym projektom pojazdów firm logistycznych, ponadto władze lokalne stawiają na autobusy elektryczne i taksówki z silnikami elektrycznymi.
Pytanie jednak: czy możliwe będzie zasilanie kontenerowców, samolotów międzykontynentalnych i ciężkich samochodów ciężarowych energią elektryczną pochodzącą z odnawialnych źródeł energii? Przynajmniej w przypadku lotnictwa akumulatory nie stanowią realnej alternatywy, czego dowodzi poniższy przykład z jednego z portali branży lotniczej. Jeśli Airbus A320 Neo zostałby wyposażony w akumulatory litowo-jonowe o łącznej wadze pełnych zbiorników na naftę, mógłby utrzymać się w powietrzu tylko przez około 20 minut. Samolot ledwie zdołałby lecieć prosto i poziomo, wystartowanie lub bezpieczne lądowanie nie byłoby możliwe z powodu braku mocy. Aby móc lecieć przez około siedem godzin, samolot musiałby zabrać ze sobą 260 ton baterii litowo-jonowych. Stanowi to około trzy i pół raza więcej niż maksymalna masa startowa Airbusa A320 wynosząca 70 ton, nie licząc samego samolotu.
Wnioski dotyczące łączenia sektorów w zakresie transportu: Od 30 lat próbuje się na nowo wymyśleć pozyskiwanie energii dla transportu, jednak każda koncepcja nadal jest jeszcze w powijakach.
Łączenie sektorów w ciepłownictwie
Produkcja ciepła ma zdecydowaną przewagę nad sektorem transportu, jeśli chodzi o łączenie sektorów: Ciepło jest wytwarzane stacjonarnie w budynkach i nie jest aż tak bardzo uzależnione od przenośnego paliwa. Obecnie w tym sektorze istnieje wiele różnych technologii, zwłaszcza związanych z wytwarzaniem ciepła i energii elektrycznej w skojarzeniu (kogeneracja). Za każdym razem, gdy jakieś urządzenie wytwarza energię elektryczną lub kinetyczną, w wyniku spalania, tarcia, reakcji chemicznych itp. powstaje ciepło odpadowe. Stworzenie inteligentnego sposobu wykorzystania tego ciepła jest podstawą zasady działania i sukcesu jednostek kogeneracyjnych (CHP), które stanowią strategiczny filar koncepcji łączenia sektorów przy wykorzystaniu odnawialnie produkowanego wodoru, biometanu lub peletów drzewnych.
Wykorzystanie ciepła naturalnego w postaci powietrznych pomp ciepła lub geotermalnych pomp ciepła jest obecnie standardem w wielu nowych budynkach w Europie, a odpowiednia modernizacja starszych budynków może znacznie poprawić emisje CO2 z systemów ogrzewnictwa. Wykorzystanie ciepła sieciowego z zakładów przemysłowych lub centrów danych, które jest znane i praktykowane od dawna, jest bardzo korzystnym rozwiązaniem, pod warunkiem, że straty w transporcie ciepła można utrzymać w rozsądnych granicach.
Na wsiach lub w gospodarstwach rolnych na znaczeniu zyskują lokalne sieci ciepłownicze oparte na większych biogazowniach. Wytwarzane ciepło jest neutralne dla klimatu, a transport ze względu na niewielkie odległości charakteryzuje się niewielkimi stratami. Wiele olejowych systemów grzewczych i pieców na gaz można w ten sposób zastąpić w sposób przyjazny dla klimatu.
Wnioski dotyczące łączenia sektorów w zakresie produkcji ciepła: W przeciwieństwie do sektora transportu, dostępne są różne i już sprawdzone technologie pozwalające przenieść produkcję ciepła na metody niekopalne. Wyzwanie polega teraz na powszechnym wdrożeniu neutralnych dla klimatu technologii grzewczych.
Dowiedz się więcej
Środki zwiększające efektywność i zmniejszające całkowite zużycie energii
Jednak najbardziej istotnym problemem w sektorze ciepłowniczym nie jest wytwarzanie, lecz magazynowanie i izolacja cieplna. Dlatego ważne są nie tylko duże inwestycje w produkcję ciepła, ale także w rozwój wysokiej jakości i trwałych systemów izolacji cieplnej. Koncepcje Power-to-heat mogłyby być realizowane również w doskonale zaizolowanych mieszkaniach. Na przykład, podłączone do Wirtualnej Elektrowni, elektryczne systemy grzewcze na podczerwień mogłyby dostarczać energię grzewczą do pomieszczenia dokładnie wtedy, gdy dostępny jest tani prąd i zatrzymywać dostawy ciepła, gdy ceny ponownie wzrosną.
Stosowanie nowych technologii zmniejsza całkowite zużycie energii - teoretycznie
Takim przykładem jest oświetlenie LED, które w porównaniu z tradycyjnymi żarówkami robi ogromną różnicę. W ruchu drogowym e-rowery i e-scootery zastąpiły wiele motorowerów i skuterów. Przy dobrej pogodzie zastępują one także stale rosnącą część ruchu samochodowego na krótkich dystansach.
W branży IT inżynierowie od lat starają się zredukować czas potrzebny na oliczenia w celu uzyskania większej wydajności; na przykład laptopy zużywają znacznie mniej energii (około 60 watów) niż komputery stacjonarne (około 130 watów, stan na 2020 rok). Istotną rolę odgrywa również zmiana sposobu korzystania z Internetu na rzecz urządzeń mobilnych. W dziedzinie elektroniki użytkowej, technologia LED jest obecnie szeroko stosowana w telewizorach i projektorach. Niemal wszystkie ekrany kineskopowe (CRT) lub plazmowe o wysokim zużyciu energii zostały zastąpione w europejskich domach.
Wszystkie te technologie powinny znacząco przyczynić się do zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w gospodarstwach domowych - ale efekt ten jest niewielki lub nie ma go wcale. Jedną z przyczyn takiego obrotu spraw jest silna chęć wzrostu, która leży u podstaw naszego systemu gospodarczego: Konsumenci przestawiają się z obsługi jednego energochłonnego urządzenia na korzystanie z niezliczonej ilości małych urządzeń w domu. Dziesięć lamp LED o mocy siedmiu watów zużywa również 70 watów na godzinę. W każdym domu znajduje się nie tylko jeden, ale także drugi, trzeci i czwarty ekran, który musi być stale podłączony do prądu. Z kolei w przedsiębiorstwach istnieje duży potencjał oszczędności energii poprzez zamianę oświetlenia halogenowego lub neonowego na LED.
Wnioski: Jak wygląda rzeczywistość łączenia sektorów?
Technologie energii odnawialnej udowodniły, że mogą dostarczać energię elektryczną w sposób czysty i bezpieczny. Niemniej jednak, oprócz przestawienia wytwarzania energii elektrycznej na źródła odnawialne, pozostaje jeszcze wiele do zrobienia. Czasami transformację energetyczną można przeprowadzić łatwiej (jak w przypadku wytwarzania ciepła i przemysłu), a czasami jest to nadal bardzo trudne (jak w przypadku transportu). Ponadto, jeśli wszyscy odbiorcy energii przestawią się na energię elektryczną z odnawialnych źródeł energii, również sieć energetyczna będzie musiała sprostać ogromnym wymaganiom. Jednakże operatorzy sieci mogliby zminimalizować te trudności poprzez inteligentne i elastyczne wykorzystanie połączonych w sieć producentów energii elektrycznej, konsumentów i magazynów energii.
Oświadczenie: Next Kraftwerke nie ponosi żadnej odpowiedzialności za kompletność, dokładność i aktualność przedstawionych informacji. Niniejszy artykuł służy wyłącznie celom informacyjnym i nie zastępuje indywidualnej porady prawnej.
