Nowe wyzwania sektora elektroenergetycznego w zakresie ochrony środowiska

Elektroenergetyka jest sektorem szczególnie negatywnie oddziałującym na środowisko. Są to przede wszystkim emisje zanieczyszczeń - gazów i pyłów do atmosfery. Dodatkowo, ponieważ wielkie elektrownie budowane były z dala od sie­dzib ludzkich, problemem mającym wpływ na środowisko naturalne stało się ciepło wytwarzane przy okazji procesu generacji energii, które mogłoby być korzyścią i produktem, który można byłoby sprzedać - np. mogłoby służyć do ogrzewania mieszkań, a tak staje się odpadem i w różny sposób musi zostać oddane do otoczenia. Do tego dochodzi jeszcze degradacja krajobrazu związana zarówno z pozyskaniem niektórych paliw kopalnych, np. węgla brunatnego, jak rów­nież z budową wielkich elektrowni oraz wielkich linii przesy­łowych. Wielu ludzi uświadamia sobie powolne, ale również nieuchronne wyczerpywanie się dostępnych zasobów paliw kopalnych, możliwych do wydobycia lub wykorzystania przy ekonomicznie uzasadnionych kosztach.

Pakiet energetyczno-klimatyczny 3 razy 20 do 2020 r. 

Parlament Europejski zatwierdził pakiet ustaw, nazywanych pa­kietem klimatycznym, tzw. pakiet 3 razy 20. Celem jest zmusze­nie krajów UE do „zielonej rewolucji” w przemyśle i energetyce, która będzie oznaczać odejście od wysokoemisyjnego węgla na rzecz odnawialnych źródeł energii oraz dążenie do oszczędzania energii.

Pakiet ten podaje cele, które powinny zostać zrealizowane do 2020 r.:

• ograniczenie emisji CO₂ o 20%, w stosunku do poziomu z 1990 r. (głównym narzędziem służącym do realizacji tego celu jest unijny system handlu emisjami - ETS),
• zmniejszenie zużycia energii (zwiększenie efektywności energe­tycznej) o 20%,
• zwiększenie udziału energii odnawialnej w całkowitym zużyciu energii do 20% (dla Polski ustalono wzrost z7do 15%).

W tym celu uboższe kraje otrzymały unijną pomoc w postaci bez­płatnych uprawnień do emisji, w 2013 r. elektrownie dostaną 70% uprawnień bezpłatnie. Jednak później, z roku na rok, będą musiały kupować ich coraz więcej.

Po 1990 r. Polska częściowo ograniczyła emisję gazów cieplar­nianych, ponieważ po upadku komunizmu upadło wiele przedsię­biorstw przemysłu ciężkiego.

Planowana dekarbonizacja 

W 2009 r. Rada Europejska rozszerzyła projekcję celu emisyjne­go UE poza 2020 r., ogłaszając nową redukcję emisji gazów cie­plarnianych pochodzących z gospodarek narodowych do 2050 r. na poziomie nie niższym niż 80% w porównaniu z 1990 r. Dla sektora elektroenergetyki oznacza to konieczność redukcji o 95-100% [2],

9 marca 2012 r. w Brukseli odbyło się posiedzenie Rady Unii Europejskiej do spraw środowiska. Planowano, aby na nim zadecydować o przyjęciu długoterminowej polityki klimatyczno-ener- getycznej wyznaczającej cele redukcji emisji CO₂ na lata 2030, 2040 i 2050, opublikowane w ubiegłym roku w postaci Mapy Drogowej 2050. Proponowane przez Komisję Europejską cele, zmierzające do obniżenia emisji CO₂ w 2030 r. o 40%, w 2040 r.

o 60% i w 2050 r. o 80%, niezwykle silnie wpłynęłyby na unijną gospodarkę [4],

Polityka klimatyczna UE, dotycząca dekarbonizacj i, niesie niej edna- kowe konsekwencje dla sektora energetycznego w różnych państwach członkowskich. Oceniając skutki unijnej polityki klimatycznej, trzeba uznać, że już w obecnym kształcie niesie ona poważne zagrożenia dla polskiej energetyki, gospodarki i poziomu życia mieszkańców. Naj­dotkliwiej skutki unijnej polityki klimatycznej będą odczuwać kraje, które wykorzystują w energetyce paliwa węglowe oraz te, w których energochłonne gałęzie gospodarki odgrywają dużą rolę.

W analizach Komisji Europejskiej brakuje szczegółowych infor­macji, jakie wydatki poniosą poszczególne państwa w związku z ko­niecznością tak drastycznej redukcji emisji CO₂ orazjakie podmioty będą na tym zarabiać i odniosą określone korzyści [4],

Gospodarka unijna, która stanowi istotny element rynku światowe­go, odpowiadajedynie za ok. 10% globalnych emisji CO₂. Oznacza to, że nawet całkowita eliminacja jego emisji w krajach Unii nie będzie miała większego wpływu na zmiany klimatu. Jeżeli rzeczywistym celem działań prowadzonych przez Komisję Europejską jest walka z globalnym ociepleniem, to podstawowym rozwiązaniem powinno być współdziałanie z pozostałymi uczestnikami rynku światowego, w tym przede wszystkim ze Stanami Zjednoczonymi, Chinami, India­mi, Rosją i Brazylią. Bez globalnego porozumienia w zakresie walki ze zmianami klimatycznymi dobrowolne podejmowanie decyzji skut­kowałoby obniżeniem konkurencyjności własnej gospodarki.

Kraje rozwijające się, takie jak Indie i Chiny w najbliższych la­tach będą zwiększać emisję CO₂. Dekarbonizacja oznacza znacząco mniejsze zużycie węgla niż obecnie, a to przekłada się na zamykanie kopalń oraz zwalnianie ludzi. Ponadto polityka znaczącej redukcji emisji CO₂ spowoduje podrożenie energii elektrycznej, a konse­kwencją tego może być przenoszenie produkcji zakładów charakte­ryzujących się wysoką energochłonnością do krajów poza UE, które nie będą realizowały polityki takiego restrykcyjnego ograniczania dwutlenku węgla.

Według Komisji Europejskiej, podstawowymi motywacjami for­mułowania długoterminowej polityki klimatycznej mają być: walka ze zmianami klimatu, zwiększenie niezależności energetycznej Unii (akurat Polska w tym aspekcie wypada bardzo korzystnie na tle in­nych krajów, a polityka dekarbonizacji mogłaby przyczynić się do zmniejszenia obecnego poziomu niezależności energetycznej) oraz rozwijanie nowych technologii [4],

Stosowanie różnych technologii prowadzących do ograniczenia emisji gazów cieplarnianych oraz innego negatywnego oddziaływa­nia na środowisko, które wymagają prowadzenia nowych inwestycji, pociągających za sobą określone koszty, w konsekwencji prowadzi do wzrostu cen energii dla odbiorców końcowych, którzy docelowo są jedynym źródłem finansowania sektora elektroenergetycznego.

Wzrost cen energii przekłada się na ograniczenie rozwoju gospo­darczego, wzrost ubóstwa energetycznego, może nawet prowadzić do wykluczenia energetycznego. Czyste otoczenie nie jest korzyścią dla człowieka pozbawionego energii elektrycznej, chociaż ta teza może być dyskusyjna. Zatem należy poszukiwać optymalnych roz­wiązań pod względem minimalizowania niekorzystnego oddziały­wania sektora elektroenergetycznego na środowisko przy racjonal­nie uzasadnionych kosztach społecznych.

Czy antropogenny CO₂ wpływa na zmiany klimatyczne? 

Główny strumień antropogennych gazów cieplarnianych powstaje w wyniku spalania paliw kopalnych (gazowych, ciekłych i stałych) i  zawiera dwutlenek węgla (CO₂), parę wodną (H₂0), azot cząstecz­kowy (N₂), nadmiarowy tlen cząsteczkowy (0₂) oraz liczne zanieczyszczenia, m.in. dwutlenek siarki (S0₂), tlenki azotu (NO_x), tlenek węgla (CO), węglowodory i wiele innych.

Niebagatelnajest odpowiedź na pytanie, czy istnieją jednoznacz­ne naukowe dowody, że antropogenny CO₂ wpływa na zmiany klimatyczne, czyli czy cywilizacja zmienia klimat naszej planety? Zdaniem niektórych naukowców, globalne zmiany klimatu wywo­łane są czynnikami naturalnymi (astronomicznymi, geofizycznymi), a udział antropogennego CO₂ stanowi zaledwie ok. 2% wszystkich gazów cieplarnianych. Poszukiwanie odpowiedzi na takie pytania niejest częściątego artykułu.

Według niektórych naukowców występujące od ok. 200 lat ocie­planie się klimatu Ziemi, topnienie lodów w okolicach podbiegu­nowych, wzrost poziomu wód oceanów i bardzo groźne w skut­kach anomalie pogodowe, przyczyniają się do lokalnych katastrof ekologicznych i niszczą gospodarkę oraz infrastrukturę. Z faktu, że takie zjawiska są obserwowane nie wynika natomiast, że za wszystko odpowiedzialne jest nasilanie się efektu cieplarnianego, a szczególnie wzrost stężenia jednego tylko z atmosferycznych gazów cieplarnianych - CO₂. Niektóre badania pokazują, że brak jest korelacji pomiędzy temperaturą atmosfery a stężeniem CO₂ w atmosferze [10],

Inni badacze twierdzą, że emisja CO₂ ma wpływ na klimat i obec­ny bardzo wysoki poziom tej emisji odroczy następną epokę lo­dowcową.

Wypada zatem zauważyć, że w ocenie przyczyn zjawiska glo­balnego ocieplenia zdania naukowców różnią się. Niektórzy z nich uważają, że celem ograniczenia emisji CO₂ jest aktywizacja gospo­darcza oraz podjęcie działań prowadzących do uniezależniania się od importu paliw, ponieważ bardzo łatwo jest zaburzyć ten proces. W przypadku ograniczania emisji CO₂ chodzi o uruchomienie zaso­bów lokalnych, rozproszonych, oraz zbudowanie sieci, która umoż­liwi zintegrowanie takich zasobów.

Walka z emisją CO₂, niezależnie od tego, czy ten gaz powodu­je zmiany klimatyczne, czy też nie, niesie za sobą inne korzyści. Okazuje się, że społeczeństwo jest gotowe do realizacji pewnych zadań, nawet kosztem własnych wyrzeczeń. Taka postawa może przyczyniać się do rozwoju społeczeństwa, zmniejszania bezrobo­cia. W konsekwencji zysk z takich działań wraca do społeczeństwa.

Nowe wyzwania - nowe zagrożenia 

W niektórych krajach coraz częściej zwraca się uwagę na nega­tywny wpływ nowych technologii na środowisko. Przykładowo, turbiny wiatrowe oprócz powodowania śmierci ptaków, niszczenia dzikiej przyrody (zwłaszcza siedlisk oraz środowiska ptaków i nie­toperzy), również powodują migotanie cieni, emitują hałas, wibra­cje, szum niskoczęstotliwościowy i infradźwięki (częstotliwość od

2  do 20 Hz), które - nie będąc słyszane przez człowieka - wg nie­których badań mogą szkodliwie oddziaływać (monotonny szum) na psychikę człowieka (poziom infradźwiękówjest zazwyczaj o 20 dB wyższy niż poziom hałasu).

Na podstawie zespołu powtarzających się objawów, dr Nina Pier- pont w USA wyodrębniła nową jednostkę chorobową - syndrom turbiny wiatrowej (wind turbine syndrome) - charakteryzującą się: zaburzeniami snu, bólami i zawrotami głowy, szumem lub uciskiem w uszach, różnego rodzaju zawrotami głowy, nudnościami, pogor­szeniem ostrości widzenia, tachykardią (szybkim biciem serca), rozdrażnieniem, problemami z koncentracją i pamięcią, epizodami paniki, które są związane z doznaniem wewnętrznego pulsowania lub drżenia w ciągu dnia oraz w czasie snu. Symptomy syndromu są jednakowe u wszystkich ludzi, występują u osób, które żyją w po­bliżu turbin wiatrowych i ustępują samoistnie, kiedy ludzie oddalają się od turbin [8, 9].

Infradźwięki charakteryzują się długą falą elektromagnetyczną i dlatego są bardzo słabo tłumione. W przypadku turbin wiatrowych, znajdujących się w morzu, generowane infradźwięki zakłócają rada­ry marynarki wojennej, powodują podwodny hałas i wibracje. Do­datkowo przyczyniają się do powstawania aerozoli.

Podkreślanie ekologiczności farm wiatrowych często wiąże się z brakiem świadomości dotyczącej sposobu pracy takich jednostek. Turbiny wiatrowe charakteryzują się niestabilnym poziomem wy­twarzanej mocy w związku z tym, aby odbiorcom energii zapewnić niezawodność dostaw konieczna jest praca rezerwy mocy. Polega to na tym, że zazwyczaj równolegle z farmą wiatrową pracuje elektro­wnia węglowa, przy całymjej negatywnym wpływie na środowisko, jednak wytworzonej przez siebie energii elektrycznej nie oddaje do sieci, tylko jest ona marnowana. Rezerwa mocy nie jest przeznaczo- najedynie jako zabezpieczenie zmienności mocy generowanej przez turbiny wiatrowe, tylko jej odpowiednia wielkość jest warunkiem poprawnego funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Za­tem, jeżeli w krajowym systemie elektroenergetycznym procentowy udział generacji wiatrowej jest niewielki, to dodatkowa rezerwa mocy na pokrycie niestabilnej pracy takich źródeł wytwórczych w stosun­ku do mocy farm wiatrowych może być niewielka. Jednak wraz ze wzrostem udziału mocy generowanej przez turbiny wiatrowe, rezer­wa mocy musi być większa, ponieważ większa część energii w ca­łym systemie elektroenergetycznym będzie wytwarzana w źródłach niespokojnych, nieprzewidywalnych i charakteryzujących się dużą zmiennością.

Ogniwa fotowoltaiczne PV (photovoltaic) wykorzystują energię sło­neczną. Zazwyczaj jest to odpowiedni laminat znajdujący się w obudo­wie zapewniającej ochronę przed warunkami atmosferycznymi. Czas życia takich ogniw fotowoltaicznych zwykle wynosi 25 lat lub nawet więcej. Jednak czas eksploatacyjny może być krótszy ze względu na to, że po ok. 10-15 latach może matowieć szkło i zmniejsza się wydaj­ność ogniwa. Czynnikiem odpowiedzialnym za matowienie szkła jest zanieczyszczenie atmosfery, a szczególnie obecne tam związki fluoru. Głównymi podmiotami dostarczającymi fluor do środowiska są m.in. huty aluminium. Fluor jest toksycznym odpadem przy produkcji alu­minium. Aby zapobiec emisji fluoru do atmosfery, lepiej jest zbierać puszki aluminiowe niż produkować aluminium z rud boksytu.

Promowane elektrownie wodne małej mocy utrudniają migrację ryb. Dlatego też stosowane są tam specjalne przepławki dla ryb,jed- nak zdaniem niektórych badaczy ich przydatnośćjest bardzo wątpli­wa. W przypadku małych elektrowni wodnych czasami spiętrza się wodę powyżej elektrowni tak, aby nie wytwarzać stale takiej samej ilości energii, tylko abyj ak najwięcej energii wytwarzać w godzinach szczytowego obciążenia, ponieważ wtedy wyprodukowaną energię można sprzedać po najwyższych cenach. Takie działania, maksyma­lizujące zysk inwestora, z drugiej strony przekładają się na zaburza­nie nurtu rzeki. Dodatkowo w przypadku spiętrzenia wody powstaje zbiornik, w którym woda zamula się i który również oddziałuje na najbliższe otoczenie. W niektórych małych elektrowniach wodnych, jeżeli popyt na energię jest znikomy i nie można jej oddać do sieci (np. w niektórych układach autonomicznych, odseparowanych od sieci), stosuje się odpowiednie rezystory do rozpraszania nadmiaru wyprodukowanej energii. Jest to wprawdzie marnowanie tej energii, ale koszty paliwa w tym przypadku są znikome. Nie jest to zatem strata z ekonomicznego punktu widzenia.

Obecnie promuje się samochody elektryczne. Niewątpliwą za­letą takich pojazdów, z punktu widzenia ochrony środowiska, jest możliwość redukcji emisji zanieczyszczeń przez sektor transportu. Energia elektryczna potrzebna do napędu takich samochodów wy­twarzana byłaby przez samych klientów w przyjaznych środowi­sku odnawialnych źródłach energii albo w wielkich elektrowniach, w których dużo łatwiej można kontrolować poziom emitowanych zanieczyszczeń niż w milionach samochodów, z których niektóre mogłyby mieć, np. uszkodzony katalizator spalin.

Korzyści dla środowiska, wynikające z ograniczenia mocy szczytowej 

Odbiorcy energii nie pobierają stale takiej samej ilości energii. Popyt jest różny w różnych godzinach doby. Wynika on z rytmu życia ludzi oraz ich nawyków. Aby jednak odbiorcy mogli pobrać taką ilość energii,jaką potrzebują, taka sama ilość energii musi być w tym samym momencie wprowadzona do sieci. Sumaryczny pobór energii przez odbiorców można pogrupować w zależności od po­ziomu tego zużycia. Wyróżnia się zatem: szczyt przedpołudniowy, popołudniowy i resztę doby. W okresie zwanym resztą doby można wyróżnić: dolinę popołudniowąoraz dolinę nocną.

Jeżeli występuje zmienne w czasie zapotrzebowanie na energię elektryczną, musi również występować zmienny poziom genero­wania energii w elektrowniach i wprowadzania jej do sieci. Jednak elektrownie najefektywniej pracują wytwarzając mniej więcej taką samą ilość energii w czasie. Jednak zmienność poboru wymusza stosowanie metod dysponowania elektrowniami i określania, jaką ilość energii mająaktualnie wytwarzać.

Stosuje się podział elektrowni w zależności od tego, jakie zapotrzebowanie będą pokrywały:

• elektrownie podstawowe - elektrownie parowe o małym jednostkowym koszcie paliwa i dużej sprawności (elektrownie jądrowe i elektrociepłownie) - pracują prawie z niezmiennym obciążeniem przez większość dni w roku,
• elektrownie podszczytowe - starsze elektrownie parowe, elektro­wnie wodne ze zbiornikiem o niedużym czasie napełniania - zmniejszają znacznie swoje obciążenie w dolinach obciążenia systemu,
• elektrownie szczytowe - elektrownie gazowe i gazowo-parowe, specjalne elektrownie parowe o szybkim rozruchu (stare elektrownie parowe o dużym koszcie paliwa, dużym stopniu zanieczyszczania środowiska), są uruchamiane tylko w okresach szczytowego obciążenia każdej doby.