Czy w Polsce jest wystarczająco miejsca dla 100% OZE?

Aby odpowiedzieć na powyższe pytanie, potrzebujemy najpierw przyjąć w miarę realistyczne założenia, ile poszczególne technologie OZE generują rocznie elektryczności z jednostki powierzchni.

Fotowoltaika - PV

Myślę, że można bezpiecznie założyć, iż na 1 km² da się zainstalować 100 MW PV (slajd 13, Bolinger & Bolinger, 2022). Przy współczynniku wykorzystania mocy CF=0.1 (CF - capacity factor) oznacza to generację 87.6 GWh/km² rocznie.

Fig. 1: Zbudowana w 2020 r. farma PV Weesow-Willmersdorf k. Berlina o mocy 187 MW i pow. 1.79 km², co daje 104.5 MW/km² mocy zainstalowanej. Źródło: Google Earth

Fig. 2: Ciągłe okrycie panelami obszaru 250 km², np. takiego w rejonie Bełchatowa, wygeneruje ~22 TWh/rok. W 2021 El. Bełchatów wyprodukowała 27 TWh. Źródło: Google Earth

Lądowe Farmy Wiatrowe - LFW 

Z estymacją dla farm wiatrowych jest gorzej niż z PV, bo wiatraki stają się coraz lepsze technicznie, ale też robią się coraz większe i w miarę zagęszczania instalacji będą sobie podkradać energię kinetyczną wiatru (Antonini & Caldeira, 2021). Przyjmę - być może konserwatywnie - że na 1 km² lądu możemy zbudować 10 MW mocy wiatraków o CF=0.25, zatem otrzymamy 21.9 GWh/km² rocznie.

Fig. 3: Fragment LFW "Gawłowice" zbudowanej w z 2015 r. k. Radzynia Chełmińskiego. Na zaznaczonym obszarze o pow. 1.93 km² jest 8 wiatraków o mocy 2.3 MW, co przekłada się na 9.5 MW/km² mocy zainstalowanej. Źródło: Google Earth

Morskie Farmy Wiatrowe - MFW

Z wiatrakami na morzu jest odwrotnie niż na lądzie - mają wyższe CF, ale mniejsze moce zainstalowane na 1 km² (Deutsche Windguard, 2018). Założę, że na Bałtyku możemy posadowić 6 MW mocy wiatraków na 1 km². Przy CF=0.45 daje to 23.7 GWh/km² z MFW na rok. Update: wg rozporządzenia ma być minimum 8 MW/km². 

Fig. 4: Duńska MFW "Kriegers Flak" zbudowana na Bałtyku w l. 2020-2021. Składa się z 72 turbin o mocy 8.4 MW rozmieszczonych w nieregularnym kształcie, więć trudno mi oszacować gęstości mocy. Wg Deutsche Windguard (2018) minimalna moc zainstalowana MFW wymagana przez duńskie prawo wynosi 4.55 MW/km². Źródło: OceaniQ

Bioenergia - biogaz z upraw kukurydzy

Biogaz (biometan) jest głównym źródłem elektryczności wśród bioenergii w Niemczech (FNR, 2020). Średni plon biogazu z kiszonki kukurydzy to ~10 300 Nm³/ha i ma on kaloryczność ~5.3 kWh/m³ (Karasek, 2016). Zakładając sprawności spalania 38%, wyprodukujemy 20.8 MWh_e/ha lub 2.08 GWh_e/km² rocznie.

Kategoria bioenergii jest oczywiście bogatsza - drewno, gnojowica, inne odpady rolnicze, etc. - ale są z tymi elementami różne poważne problemy: (1) zagrażają bioróżnorodności, (2) stymulują wycinanie drzew, (3) trudno uzasadnić ich neutralność emisyjną, (4) odpady są słabo skalowalne. Podstawowym problemem fizycznym bioenergii jest po prostu niska efektywność fotosyntezy. Ostatecznie też jest to bardzo droga zabawa, np. strona 23 w Fraunhofer (2021) lub strona 10 w Forum Energii (2021). Z tych względów poza biogazem z upraw kukurydzy nie uwzględniam innych rodzajów bioenergii. 

Fig. 5: Biogazownia Polskiej Grupy Biogazowej w Starym Korninie (woj. podlaskie). Źródło

Atom - dla porównania 

Przypuśćmy, że na 1 km² możemy zainstalować 850 MW mocy reaktorów jądrowych. Praca z CF=0.85 wytworzy 6330 GWh/km² na rok.

Fig. 6: Wg wizualizacji el. jądrowa w Choczewie będzie składać się z 3 bloków AP1000 - 3x1117 MW = 3351 MW (netto). Zaznaczony teren ma w przybliżeniu pow. 4 km², co odpowiada mocy zainstalowanej 837 MW/km². Źródło: Google Earth

Wnioski

PV potrzebuje ~4x mniej powierzchni niż LFW i aż ~50x mniej powierzchni niż biogaz, aby wyprodukować tę samą ilość elektryczności. Przewaga LFW nad PV jednak może być taka, że teren uprawny pod nimi nie musi być oczyszczony. Biogaz wypada natomiast fatalnie - nawet gdybyśmy produkowali syntetyczne paliwa z prądu z PV przy stratności 90%, to ciągle mniej lądu potrzeba pod panele niż do obsiania uprawą energetyczną. 

Jeżeli część energii chcemy schować do magazynów, to powyższe liczby należy przemnożyć przez ich sprawność, np. 0.75 dla PHS, 0.9 dla baterii Li-ion i ~0.4 dla H₂, na który czekamy, bo obecnie jest ~0 GW wodoru P2G2P.

Wstawiony dla porównania atom całe towarzystwo OZE bije na głowę i stąd argument, że EJ oszczędza przyrodę - potrzebuje 70x, 280x i 3500x mniej powierzchni od odpowiednio PV, FW i biogazu.

Fig. 7: Porównanie powierzchni instalacji OZE, która jest potrzebna, aby wygenerować 80 TWh. Każdy kwadrat kartogramu reprezentuje 1000 km² i ma bok 31.6 km.


Fig. 8: Porównanie powierzchni wymaganej po uprawę kukurydzy na biogaz z powierzchnią upraw w 2020 r. na podst. "Rocznika Statystycznego RP 2021". 

Z powyższych szacunków i kartogramów wynika, że bardzo trudno jest uzasadnić duży udział biogazu w mixie elektrycznym, ale zmieszczenie FW i PV nawet w sporej ilości nie powinno być niemożliwością na przykład w takim mixie:

Fig. 9: Teoretyczny, przykładowy mix elektryczny o sumie produkcji ~440 TWh. Orientacyjne moce zainstalowane: 200 GW - PV, 80 GW - LFW, 36 GW - MFW. Generacja w Polsce w 2021 r. wyniosła 160 TWh i będzie się zwiększać z powodu czystej elektryfikacji, która będzie głównym wektorem dekarbonizacji. Dla kontekstu - obszary chronione w Polsce na podst. "Rocznika Statystycznego RP 2021".

Na tytułowe pytanie należałoby odpowiedzieć, że, owszem, generalnie w Polsce jest wystarczająco miejsca dla wytworzenia elektryczności w ilości odpowiadającej scenariuszom 100% OZE, z zastrzeżeniem problemów bioenergii. Budowa takiego parku jednostek wytwórczych nie byłaby trywialna i nie gwarantowała braku konfliktów z przyrodą i lokalsami, lecz brak przestrzeni nie jest dealbreakerem. Pomijam tu oczywiście możliwości przyłączeniowe i zmienną jakość zasobów słoneczno-wietrznych oraz inne kwestie ekonomiczne. Pozytywna konkluzja mogłaby się zmienić, gdyby w Polsce było nie ~35 a np. ~80 mln mieszkańców i celowalibyśmy w zapotrzebowanie nie ~400 a ~800 TWh/rok. Wtedy miejsce na PV ciągle pewnie byłoby, ale dla dużo większej liczby wiatraków już niekoniecznie.

Szkopuł 100% OZE tkwi w czymś innym. Przy rocznej konsumpcji ~440 TWh średnie zapotrzebowanie na moc to ~50 GW. Moce zainstalowane na Fig. 9 znacznie wykraczają poza tę wartość - 200 GW PV i 116 GW FW. Aby zatem skonsumować energię z tych przeskalowanych OZE, potrzebujemy magazynów w olbrzymiej ilości - pod względem mocy i pojemności - które przesuną ją z okresów nadpodaży na okresy niedoboru. Dziś takich magazynów nie ma. Czy będą kiedyś dostępne? O tym w kolejnych notkach...