Energetyczne innowacje w świetle wahań konsumpcji energii
Okiem eksperta
Emilia Basta, Inżynier systemów ekoenergetycznych
Energia elektryczna jest obecnie niezbędnym „paliwem” właściwie w każdej dziedzinie naszego życia, zarówno do wykorzystania w małej skali jakim jest gospodarstwo domowe, jak również w szeroko pojętym przemyśle.
Z badań przeprowadzonych w lipcu 2023 roku wynika, że polski przemysł ograniczył pobór elektryczności. W pierwszym kwartale przemysł zużył w 2023 roku 17,7 TWh. W stosunku do poprzedniego roku 2022, gdzie pobór wynosił 19,7 TWh odnotowano spadek zapotrzebowania, aż o około 11%.
Polskie Sieci Elektroenergetycznych (PSE) wskazują, że spadek poboru może się jeszcze pogłębić. Wynika to w głównej mierze z wyższych cen energii elektrycznej na polskim rynku hurtowym.
Jednak należy wziąć także pod uwagę fakt, iż nie jesteśmy w stanie w 100% oszacować autokonsumpcji odbiorców, którzy korzystają z odnawialnych źródeł energii. Zapotrzebowanie energetyczne posiadaczy fotowoltaiki jest podawane do krajowego bilansu jedynie jako szacunkowe wartości.
W przemyśle, aby zdobyć większą niezależność energetyczną, można mówić kogeneracji, trigeneracji, sprężonym powietrzu i energii z odzysku. Wytwarzanie energii w skojarzeniu, a więc kogeneracja i trigeneracja to procesy, w których jednocześnie wytwarzane są dwa lub trzy nośniki energii. Kogeneracja bardzo często dotyczy wytwarzania równocześnie ciepła i energii elektrycznej, w przypadku trigeneracji możliwe jest wytwarzanie ciepła, energii elektryczna i chłodu.
Natomiast sprężone powietrze i energia z odzysku pełnią rolę nośnika energii do zasilania maszyn i urządzeń o napędzie pneumatycznym. Ciepło, które pozyskiwane jest z układu, pochodzi wyłącznie z energii elektrycznej, zasilającej ten układ. Ze względu na duże zużycie energii elektrycznej w tym procesie jest on bardzo kosztowny.
Możliwy wzrost do roku 2050?
Mimo chwilowego spadku zużycia energii elektrycznej prognozuje się, że do 2050 roku jej zużycie wzrośnie o około 79%. Co więcej prognozy przewidują, że nawet 50% energii elektrycznej będzie uzyskiwana z odnawialnych źródeł energii.
Już w 2021 roku odnotowano jedne z najwyższych w historii zużycie energii elektrycznej. Zostało wtedy wyprodukowane w Polsce około 173,6 TWh energii elektrycznej, zużywając jednocześnie 174,4 TWh.
Potrzeby energetyczne widać szczególnie w gospodarstwach domowych, przemyśle opartym na cyfryzacji i automatyzacji oraz branży motoryzacyjnej rozwijającej elektryczne środki transportu, zarówno prywatnego jak i publicznego.
Ze względu na zapotrzebowanie na energię elektryczną, niedawno pozyskiwaną w większości z paliw kopalnych, coraz częściej są pozyskiwane z odnawialnych źródeł energii. Ta alternatywa (OZE) będzie stanowiła od około 15 do 28 procent. Spadnie zużycie ropy od 32 do 27 %, węgla od 26 do 20%, gaz ziemny i atom pozostaną na tym samym, stałym poziomie.
Do 2050 roku według prognoz będą dominować nadal paliwa kopalne w globalnym miksie energetycznym. Przewiduje się, że lata 30. XXI wieku, będą stanowiły przełom dla paliw kopalnych. Spodziewany jest historyczny szczyt wydobycia ropy naftowej oraz gazu ziemnego. Szczyt wydobycia węgla mamy już za sobą.
W perspektywie takich prognoz ważne jest zwiększenie efektywności energetycznej, zmiana źródeł oraz inwestycje w technologie. Dla tego typu zmian niezbędna jest także zmiana polityk energetycznych oraz ekonomicznych. Bez wprowadzania zmian odnawialne źródła energii nie wystarczą do tego, by świat nie cele paryskiego porozumienia klimatycznego.
Konsekwencje braku zmian
Wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną dotyczy także Polski. Zakładane jest, że jeśli nie nastąpią istotne zmiany dotyczące wzrostu efektywności energetycznej w kraju, to wzrost zapotrzebowania w skali rocznej na poziomie 1,4% w 2050 roku ukaże się jako zapotrzebowanie rzędu 220 TWh energii elektrycznej, gdzie w 2017 roku wyniosło ono wobec 163 TWh.
Głównym czynnikiem determinującym zapewnienie dostępności energii elektrycznej jest jej cena. Ważne jest, aby poziom cen nie wpłyną negatywnie na możliwość rozwoju i konkurencyjność polskiej gospodarki.
Istotne jest także zapewnienie stabilności dostaw energii elektrycznej w warunkach ocieplenia klimatu oraz wyeliminowaniu powtarzających się wyłączeń bloków energetycznych.
Biorąc pod uwagę te czynniki Polska w obliczu zmian klimatycznych musi odchodzić od paliw kopalnych na rzecz nisko- i bezemisyjnych źródeł energii i dążyć do neutralności klimatycznej. Konieczne jest w tym wypadku ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, poprzez zmianę w miksie energetycznym.
Zwiększanie emisji CO2 skutkuje przede wszystkim zwiększeniem średnich rocznych temperatur, a także przyspiesza nadejścia negatywnych konsekwencji ocieplenia klimatu, takich jak ekstremalne zjawiska pogodowe, susze, nadmierne deszcze.
Innowacje energetyczne
Innowacje w ogólnie przyjętym rozumieniu można interpretować jako wdrożenie nowego lub znacząco udoskonalonego produktu lub procesu, nowej metody marketingowej lub nowej metody organizacyjnej w praktyce gospodarczej, organizacji miejsca pracy lub stosunkach z otoczeniem.
Innowacje w energetyce odznaczają się nie tylko wprowadzaniem nowych rozwiązań pozyskiwania energii elektrycznej, ale również udoskonalaniem tych już istniejących. Obecny stan innowacji w energetyce cechuje nierównowaga. Jest ona spowodowana przede wszystkim czynnikami ekonomicznymi.
Należy się zastanowić, dlaczego tak właściwie społeczeństwo w Polsce odchodzi powoli od konwencjonalnych paliw kopalnych i zastępuje je coraz częściej odnawialnymi źródłami energii?
Paliwa stałe w ostatnim czasie stały się bardzo drogie. Warto zauważyć, że oprócz wiszącego nad nami kryzysu energetycznego problem stanowi także ubóstwo energetyczne. Z powodu niskich dochodów niektórych Polaków nie stać na zakup nośników energii, co za tym idzie należy ograniczyć konsumpcję energii.
W branży energetycznej źródłem innowacji mogą być rozwiązania tworzone przez firmy działające w różnej skali i w różnych sektorach rynku, a szczególną uwagę przywiązuje się do startupów.
Przykładem może być powołany przez PGE – PGE Ventures. Jest to fundusz Venture Capital, którego cel stanowi inwestowanie w startupy. Innym przykładem jest powstanie spółki Energa – firmy Enspiron. Działa ona na obszarze tworzenia rozwiązań dla nowoczesnej energetyki oraz wspomaga pracę Krajowego Systemu Elektroenergetycznego w zakresie stabilności i bezpieczeństwa dostaw energii elektrycznej do wszystkich odbiorców.
Kompleksowość w polskim wydaniu
Wśród polskich innowatorów w sektorze zarządzania energią warto wyróżnić firmę ConnectPoint, który specjalizuje się w usługach IT dla energetyki i przemysłu. Spółka łączy Internet Rzeczy z procesami biznesowymi, usprawniając tym samym procesy decyzyjne m.in. w segmencie produkcji i dystrybucji energii.
Firma ConnectPoint realizuje szereg projektów związanych ze zmianami zachodzącymi na rynku energii dotyczącymi różnych aspektów działalności przedsiębiorstw. Realizowanie projekty dotyczą obszarów takich jak:
- Monitorowanie produkcji i poprawy efektywności procesów produkcyjnych.
- Optymalne wykorzystanie energii elektrycznej i ciepła w budynkach.
- Obsługi i rozliczeń klientów energetycznych.
- Integracja podmiotów na rynku energii.
Jedną z linii produktów ConnectPoint jest NEXO Energy – platforma do komunikacji i sterowania urządzeniami IoT.
– Niewątpliwą zaletą tego rozwiązania jest możliwość łączenia systemu z różnymi typami urządzeń przy wykorzystaniu znanych protokołów komunikacyjnych. Oprócz zbierania danych z sensorów i liczników Nexo może komunikować się z inwerterami instalacji OZE, magazynami energii, czy inteligentnymi urządzeniami takimi jak ładowarki samochodowe, gniazdka elektryczne, czy głowice termostatyczne –Jacek Szostakiewicz, product manager w Connect Point.
Centralnym elementem systemu jest aplikacja w chmurze, która zbiera informacje z poszczególnych lokalizacji i umożliwia monitorowanie i sterowanie pojedynczym urządzeniem lub wieloma jednocześnie. Użytkownicy mają dostęp do systemu poprzez interfejs webowy lub aplikację mobilną.
– Innowacyjna w Nexo Energy jest uniwersalność i skalowalność. Zastosowane elementy systemu takie jakie baza szeregów czasowych pozwala na gromadzenie i szybkie przetwarzanie dużych ilości danych. Dzięki temu system jest stosowany zarówno w małych rozwiązań obsługujących pojedyncze budynki, ale również może sterować wieloma lokalizacjami. Otwartość na dołączanie nowych typów urządzeń oraz możliwość tworzenia dowolnych reguł sterujących sprawia, że zastosowania systemu są bardzo różnorodne. Dodatkowo system integruje się z modułem analizy danych, który przetwarza gromadzone dane i realizuje zaawansowane wyliczenia oraz prognozy zużyć, kosztów potencjalnych oszczędności – dodaje Jacek Szostakiewicz.
Kolejnym narzędziem stworzonym przez ConnectPoint jest Smart RDM. Technologia jest stosowana m.in. do monitorowanie zużyć i optymalizacji wykorzystania mediów, w szczególności w zakładach produkcyjnych. Monitorowanie procesów produkcyjnych oraz mediów umożliwia analizowanie i wyszukiwanie miejsc, w których zużycie mediów nie jest optymalne, mogą występować straty.
Smart RDM integruje dane z wielu źródeł, dzięki czemu daje możliwość prowadzenia monitoringu pracy poszczególnych urządzeń, linii produkcyjnej, czy rozległych instalacji sieciowych. Smart RDM umożliwia śledzenie działania na bieżąco oraz reagowanie na zaobserwowane odstępstwa.
Według Jacka Szostakiewicza sztandarowym przykładem zastosowania Smart RDM jest obsługa monitorowanie sieci ciepłowniczej. Rozwiązanie jest wykorzystywane zapewnienia wymaganych parametrów w miejskiej sieci ciepłowniczej przy jednoczesnej optymalizacji zużycia energii.
Innym ciekawym zastosowaniem Smart RDM jest generowanie raportów ESG. Dzięki przetwarzanym danych z produkcji oraz informacjom o zużyciu mediów Smart RDM znajduje zastosowanie jako narzędzie wspomagające przygotowania raportów ESG.
Ciekawym produktem w ofercie ConnectPoint jest również Customer Excellence Solution. To grupa produktów używanych do realizacji procesów związanych z obsługą klientów spółek energetycznych zajmujących się zarówno dystrybucją, jak i sprzedażą energii czy innych mediów.
W jej zakres wchodzą: billing, Customer Care, portal klienta, windykacja i SEH (Hub energetyczny)
– Rozwiązanie proponuje nowoczesne podejście do zmian zachodzących na rynku energetycznym. Wyliczania formuł cenowych taryf SPOT czy w przyszłości obsługi dynamicznych taryf, dzięki czemu klienci będę możliwość ograniczenia kosztów związanych z zakupem energii. Grupa produktów CES jest dostosowana do obsługi grup zakupowych, klastrów i spółdzielni energetycznych. Rozwiązania ConnectPoint pozwalają optymalizować zużycie mediów wewnątrz spółdzielni i klastrów energetycznych. Charakterystyka produkcji i konsumpcji uczestników może być bilansowana i rozliczana pomiędzy odbiorcami – tłumaczy Jacek Szostakiewicz.
Wsparcie rządowe
Innowacje i nowe technologie to dziś główna siła napędzająca rozwój energetyki. Są to często rozwiązania kosztowne dla pojedynczych gospodarstw domowych czy mniejszych przedsiębiorstw. Rząd wprowadza jednak szereg programów wspomagających działanie na rzecz zarówno tworzenia jak i wykorzystywania innowacyjnych rozwiązań.
W sektorze tym ciągle dochodzi do stałego podnoszenia zaawansowania technologicznego czy jakości jego funkcjonowania oraz optymalizacja wykorzystania zasobów, którym on dysponuje. Za główne założenia wpływające w ostatnim czasie na obszar energii przyjmuje się przede wszystkim:
- Coraz większy nacisk na redukcję emisji gazów cieplarnianych i odejście od technologii wytwórczych opartych na węglu, przy jednoczesnym ich zastąpieniu odnawialnymi źródłami energii / zwiększeniu OZE w miksie energetycznym.
- Zwiększanie świadomości środowiskowej w społeczeństwie.
- Nacisk na rozwój produkcji energii ze źródeł odnawialnych.
- Ulepszanie technologii magazynowania energii.
- Zwiększenie potencjału gospodarki cyfrowej i pola zastosowań technologii informacyjno-komunikacyjnych (ICT).
- Poszukiwanie nowych rozwiązań w zakresie poszukiwania i wydobycia węglowodorów.
- Zwiększanie popularności i efektywności kosztowej paliw alternatywnych.
- Ograniczenie wpływu sektora energii na środowisko.
Doprowadzenie do redukcji zużycia energii bądź do większego wykorzystania odnawialnych źródeł energii w ogólnym miksie energetycznym pozwoliłoby na spełnienie przyjętych założeń.
Kosmiczne rozwiązania
Co kosmos ma wspólnego z energetyką? Odpowiedź na to pytanie jest prosta – technologia. Systemy wizyjne, pomiary 3D tworzone na potrzeby sektora kosmicznego pozwalają, na przykład na laserową kontrolę stanu turbin wiatrowych.
Scanway (komercyjny dostawca instrumentów optycznych dla branży kosmicznej) wykorzystując swoje doświadczenie z zakresu projektowania optyki w celu tworzenia projektów kosmicznych, w tym budowy we współpracy z Narodowym Centrum Badań i Rozwoju polskiego satelity ScanSAT, przygotował takie aplikacje m.in. dla Zakładów H. Cegielski – Poznań S.A.
Zastosowane przez firmę systemy pomiaru trójwymiarowego pozwoliły na precyzyjne określenie ubytków i niedokładności mechanicznych w korpusach przekładni turbin wiatrowych. Dodatkowo dzięki odpowiedniemu zestawieniu skanerów 3D było możliwe przeprowadzenie zaawansowanej optymalizacji procesu remontowego oraz prowadzenia prac serwisowych.
Jednak technologia ta nie tylko sprawdza się w farmach wiatrowych. Scanway, pracuje także nad technologią monitorowania składu węgla w kopalniach z użyciem technologii stosowanej przez NASA na Marsie. Rozwiązanie tego typu umożliwiłoby w sposób pośredni na zmniejszenie emisji szkodliwych substancji przy produkcji energii.
W energetyce pomocne stałoby się także wykorzystanie polskich satelitów przy obserwacjach zdalnych. Prace nad satelitą ScanSAT, doprowadziły do opracowania przez Scanway precyzyjnego, zminiaturyzowanego układu optycznego, dzięki któremu możliwe jest jego montowanie na dronach i badanie z lotu ptaka wycieku gazów, monitorowaniu stanu sieci energetycznych lub kopalni odkrywkowych.
Pomysły na innowacje energetyczne
W 2020 roku TAURON opatentował innowacyjne rozwiązanie wychwytywania związku siarki i dwutlenku węgla. Było to wspólne przedsięwzięcie TAURON Wytwarzanie i Kopalni Wapienia Czatkowic.
Pierwsze rozwiązanie opierało się na sposobie wytwarzania sorbentu przeznaczonego głównie do usuwania związków siarki z gorących gazów spalinowych z wykorzystaniem drobno zmielonego sorbentu wapniowego.
Drugie rozwiązanie przewidywało wychwytywania dwutlenku węgla z gazów spalinowych i gazów poprocesowych metodą próżniowej adsorpcji. Rozwiązanie to może być stosowane w różnych elektrowniach, przy czym im wyższe stężenia CO2 zawarte w spalinach, tym proces będzie charakteryzował się wyższą efektywnością.
Oba te rozwiązania są rewolucyjne i mogą być wykorzystywane w jednostkach z kotłami fluidalnymi. W elektrowniach Jaworzno II i Łagisza ich zastosowanie przyniosło wymierne oszczędności, a prognozowane kolejne zyski mogą pochodzić z udzielenia licencji zainteresowanym podmiotom spoza Grupy TAURON.
Szansa dla energetyki?
Wykorzystanie innowacyjnych technologii bezpośrednio wpływa na unowocześnianie się polskiego sektora energii na wielu płaszczyznach jego funkcjonowania. Unowocześnienie to obejmuje zarówno proces pozyskiwania surowca, jak i jego przesył, zarządzanie zużyciem oraz optymalizację kosztową, przekładającą się tym samym na wdrażanie konkurencyjnych modeli biznesowych w energetyce.
Potencjał rodzimych przedsiębiorstw w Polsce jest wysoki, szczególnie ze względu na aspekty ekonomiczne. Pierwszą branżą wykorzystującą paliwa alternatywne były cementownie wytwarzające materiały budowlane. Drugi sektor, który wdraża innowacje, to sektor spożywczy, a w szczególności mleczarnie. Proces pasteryzacji jest tam przeprowadzany coraz częściej bez jakichkolwiek nakładów energetycznych.
Można zastanowić się nad kwestią tego, czy w Polsce możliwa jest całkowita dekarbonizacja. Nie jest to niemożliwe jednak równocześnie trudno oszacować, kiedy miałoby to nastąpić. Szybkie tempo zmian w sektorze energetyki uniemożliwia szczegółowe szacunki, przy jednoczesnym rozumieniu różnicy pomiędzy dekarbonizacją (całkowita rezygnacja z paliw kopalnych), a neutralnością węglową (dozwolone jest używanie, np. paliwa gazowego, ale równocześnie należy wdrożyć program poprawy efektywności energetycznej, tak aby bilans zużytego i zaoszczędzonego paliwa wynosił zero).
Emilia Basta
Inżynier systemów ekoenergetycznych i magister technologii produkcji oraz eksploatacji systemów technicznych. Aktywnie uczestniczy w Międzynarodowych Konferencjach Naukowych oraz publikuje artykuły naukowe, związane z tematyką inżynierii środowiska i energetyki.