Możemy postawić ogromną liczbę nowoczesnych instalacji, połączyć je z magazynami i nazwać całość siecią energetyczną godną XXI wieku, ale prąd nadal musi pojawić się w odpowiednim miejscu, o właściwej godzinie i w ilości odpowiadającej zapotrzebowaniu. W przeciwnym razie imponująca moc na papierze może nie mieć większego znaczenia dokładnie wtedy, gdy będzie najbardziej potrzebna. Najnowsze badanie naukowców z Massachusetts Institute of Technology wzięło ten problem pod lupę i wykazało coś ciekawego.
Więcej fotowoltaiki nie musi oznaczać większego bezpieczeństwa
Według przeprowadzonych symulacji systemy energetyczne budowane na podstawie historycznych danych pogodowych mogą do połowy wieku mierzyć się nawet z pięciokrotnie częstszymi niedoborami energii. Nawet wtedy, gdy będą konsekwentnie rozbudowywane o farmy słoneczne oraz wiatrowe. Na pierwszy rzut oka całość brzmi więc jak argument przeciwko odnawialnym źródłom energii, bo łatwo na tej podstawie dojść do wniosku, że naukowcy właśnie przyznali rację wszystkim osobom twierdzącym, że OZE są z natury bezużyteczne. Tyle że badanie MIT mówi coś praktycznie odwrotnego.
Czytaj też: Przyszłość zajrzała na wysypisko. Butelki, reklamówki i opakowania dały wodór
Problemem nie jest sama fotowoltaika ani energetyka wiatrowa, lecz sposób planowania ich rozmieszczenia. Liczenie wyłącznie łącznej mocy przypomina bowiem ocenianie infrastruktury drogowej na podstawie sumarycznej długości asfaltu. Możemy wybudować tysiące kilometrów dróg, ale jeśli nie połączą miejsc, między którymi rzeczywiście przemieszczają się ludzie i towary, powstanie niezwykle kosztowna sieć prowadząca donikąd. Podobnie działa energetyka. Nie wystarczy, że farma słoneczna będzie generowała dużo energii w skali roku. Musi jeszcze produkować ją w godzinach, w których system jej potrzebuje, a sieć przesyłowa musi być w stanie przetransportować tę energię do odbiorców.
Oznacza to, że jeśli instalacja powstanie w miejscu wybranym na podstawie nieaktualnego obrazu klimatu, to za kilkanaście albo kilkadziesiąt lat jej profil produkcji może coraz gorzej pasować do rzeczywistego zapotrzebowania. O tym, jak niebezpieczne jest patrzenie wyłącznie na liczbę dostępnych megawatogodzin, pisałem już przy analizie blackoutu w Hiszpanii i Portugalii. W tamtym przypadku problem nie sprowadzał się po prostu do braku elektrowni, lecz obejmował napięcie, moc bierną, działanie zabezpieczeń i zdolność całego systemu do reagowania na gwałtowne zmiany. Nowe badanie MIT dokłada do tej układanki jeszcze lokalizację przyszłych źródeł oraz zmieniający się klimat.
Naukowcy połączyli klimat z dokładnym modelem energetyki
Autorzy publikacji w Nature Energy nie ograniczyli się do porównania ogólnych prognoz temperatury z obecną produkcją energii. Połączyli regionalne projekcje meteorologiczne o rozdzielczości około 12 kilometrów ze szczegółowymi modelami infrastruktury energetycznej na poziomie poszczególnych hrabstw. Uwzględnili na dodatek produkcję z wiatru i słońca, zapotrzebowanie, magazyny energii oraz ograniczenia sieci przesyłowej.
Czytaj też: Ciepło ucieka z fabryk, silników i elektroniki. Ten wyjątkowy kryształ robi z niego prąd
Jest to ważne, bo typowy globalny model klimatyczny bardzo dobrze pokazuje większe trendy, ale niekoniecznie odpowie operatorowi na pytanie, czy nowa farma wiatrowa powinna powstać w tej, czy w sąsiedniej części regionu. Tymczasem w energetyce takie różnice mogą rozstrzygać o tym, czy w krytycznej godzinie energia dotrze do miasta, czy zatrzyma się na przeciążonej linii przesyłowej. Badacze przeanalizowali dwa zupełnie różne regiony – Nową Anglię i Teksas. Wybrali je właśnie dlatego, że mają inne warunki klimatyczne, inną geografię oraz inną konstrukcję sieci. Następnie sprawdzili, jak systemy zoptymalizowane z wykorzystaniem historycznych danych poradzą sobie w warunkach prognozowanych na kolejne dekady.
Wynik? W niektórych scenariuszach częstotliwość problemów z zapewnieniem odpowiedniej ilości energii rosła do połowy wieku nawet pięciokrotnie. Nie chodzi przy tym o prostą awarię pojedynczej elektrowni, ale o wielodniowe okresy słabszej produkcji z OZE, nakładające się na zmieniające się zapotrzebowanie oraz ograniczenia przesyłu.
Klimat uderza jednocześnie w produkcję oraz zapotrzebowanie
O wpływie zmian klimatycznych na energetykę zwykle mówi się w bardzo uproszczony sposób. Wyższa temperatura oznacza większe zapotrzebowanie na klimatyzację. Słabszy wiatr oznacza mniej energii z turbin. Zachmurzenie ogranicza fotowoltaikę. Susza wpływa zaś na hydroenergetykę i chłodzenie elektrowni. Wszystkie te problemy są jednak zazwyczaj analizowane osobno. Tymczasem rzeczywisty system musi radzić sobie z nimi jednocześnie. Fala upałów może zwiększyć zużycie energii dokładnie wtedy, gdy lokalne warunki ograniczą produkcję z części źródeł, a przeciążone linie nie pozwolą sprowadzić odpowiednio dużej ilości prądu z innego regionu.
Mamy więc do czynienia z energetycznym odpowiednikiem katastrofy złożonej. Żaden pojedynczy element nie musi zawieść całkowicie. Wystarczy, że kilka z nich zacznie działać gorzej w tym samym czasie. Fotowoltaika wygeneruje mniej, wiatr osłabnie, klimatyzatory podniosą popyt, a sieć przesyłowa okaże się zbyt ograniczona, żeby uzupełnić lokalny deficyt. Wtedy nagle system, który przez większość roku wyglądał na bezpieczny, zacznie balansować na granicy niedoboru. W Polsce znamy już odwrotną stronę podobnego problemu. Zdarzają się chwile, w których instalacje słoneczne produkują dużo energii, ale sieć i zapotrzebowanie nie są gotowe, żeby ją przyjąć. Zimą lub podczas zjawiska dunkelflaute (drastycznego spadku produkcji OZE) sytuacja potrafi się odwrócić, co pokazał już listopadowy spadek produkcji z wiatru i słońca. Jednego dnia problemem jest nadmiar, a innego niedobór. Sama suma rocznej produkcji nie rozwiązuje żadnego z nich.
Teksas i Nowa Anglia potrzebują zupełnie różnych planów
Najlepszym dowodem na to, że nie istnieje jeden uniwersalny przepis na bezpieczną transformację, są różnice między dwoma przeanalizowanymi regionami. W Nowej Anglii model wskazał potrzebę rozwoju fotowoltaiki i linii przesyłowych bliżej największych ośrodków zapotrzebowania, czyli przede wszystkim miast. Nie wystarczyło postawić źródeł tam, gdzie potencjalnie mogą osiągnąć najwyższą roczną produkcję. Ważniejsze okazało się skrócenie drogi między generacją a odbiorcą oraz dopasowanie jej do przyszłego profilu zużycia.
Czytaj też: Czy to żyje?! Zaobserwowali coś, co umykało naukowcom przez lata
Takie dostosowanie nie było całkowicie darmowe. Według badania wymagało zwiększenia inwestycji o około 2,34 procent, ale trudno uznać to za gigantyczną cenę za system lepiej przygotowany na warunki, w których ma pracować przez kolejne dekady. W Teksasie głównym ograniczeniem okazał się przesył. Model uwzględniający przyszły klimat sugerował większy nacisk na energetykę wiatrową w zachodniej części stanu. Dzięki lepszemu dopasowaniu lokalizacji źródeł do przyszłego zapotrzebowania odporność systemu mogła wzrosnąć praktycznie bez dodatkowych kosztów względem planu bazującego na danych historycznych.
Nie trzeba więc zawsze stawiać większej liczby paneli, budować gigantycznego magazynu albo utrzymywać dodatkowej elektrowni w rezerwie. Czasem wystarczy postawić planowane źródła w innych miejscach i poprowadzić linie tam, gdzie będą rzeczywiście potrzebne. Rozwiązania takie jak system wykorzystujący ciekły tlen mogą pomagać przy długotrwałych różnicach między produkcją a popytem, ale nawet najlepszy magazyn nie naprawi automatycznie każdej źle zaprojektowanej linii oraz nie przeniesie farmy wiatrowej do regionu o lepszym przyszłym profilu produkcji.
Źródła: MIT, Nature Energy
