Fale upałów i niski poziom europejskich rzek przestają być wyłącznie problemem hydrologów, rolników i żeglugi. Coraz częściej ograniczają także produkcję energii. Gdy elektrownie cieplne potrzebują wody do chłodzenia, a hydroelektrownie tracą swoje podstawowe „paliwo”, rośnie znaczenie źródeł niemal niezależnych od zasobów wodnych. Wśród nich wyróżniają się farmy wiatrowe.
Europejskie systemy elektroenergetyczne przez dziesięciolecia rozwijano przy założeniu, że wody w rzekach będzie wystarczająco dużo, a jej temperatura pozostanie w przewidywalnym zakresie. Zmiana klimatu coraz częściej podważa oba te założenia jednocześnie.
Fala upałów w Europie Środkowej może zbiegać się z suszą, niskimi poziomami rzek i wysokim zapotrzebowaniem na energię. Szczególnie trudne warunki występują wówczas nad Dunajem, od którego zależy funkcjonowanie elektrowni jądrowych, cieplnych i wodnych w kilku państwach regionu.
Problem nie polega wyłącznie na utracie produkcji w pojedynczej elektrowni. Jeżeli podobne ograniczenia pojawiają się jednocześnie w kilku krajach, spada także możliwość udzielania sobie wzajemnej pomocy. Państwo potrzebujące importu może odkryć, że jego sąsiedzi mierzą się dokładnie z tym samym kryzysem.
Elektrownia ma paliwo, ale brakuje jej wody
W debacie energetycznej najczęściej mówi się o dostępności węgla, gazu lub uranu. Rzadziej przypomina się, że wiele dużych elektrowni potrzebuje również stałego dostępu do wody.
Bloki cieplne i jądrowe wytwarzają energię dzięki wykorzystaniu ciepła, ale znaczna część ich infrastruktury służy później do jego odprowadzania. Jeżeli elektrownia korzysta z wody rzecznej, jej produkcja może zostać ograniczona z dwóch powodów. Po pierwsze, w rzece może być za mało wody. Po drugie, może być ona już tak ciepła, że dalsze podnoszenie jej temperatury zagrażałoby ekosystemowi.
W takich warunkach elektrownia może mieć zapas paliwa, sprawne turbiny i gotową załogę, a mimo to nie być zdolna do pracy z pełną mocą. Woda staje się więc niewidzialnym paliwem systemu elektroenergetycznego.
Niski poziom Dunaju może prowadzić zarówno do ograniczenia pracy bloków jądrowych chłodzonych wodą rzeczną, jak i do spadku produkcji hydroelektrowni. Podobne ryzyko dotyczy innych państw regionu, których energetyka w dużym stopniu opiera się na elektrowniach wodnych albo jednostkach konwencjonalnych zależnych od warunków hydrologicznych.
Wspólnym mianownikiem nie jest wtedy brak węgla, gazu czy uranu. Jest nim niedobór odpowiednio chłodnej wody.
Przemilczana niestabilność energetyki konwencjonalnej
Warto w tym miejscu postawić niewygodne pytanie: dlaczego przez lata tak mało miejsca poświęcano hydrologicznej podatności elektrowni konwencjonalnych?
W publicznej debacie zwolennicy energetyki konwencjonalnej bardzo często koncentrowali się na samym źródle energii i dostępności paliwa. Znacznie rzadziej analizowano stabilność całego procesu technologicznego, w tym zależność od wody, temperatury otoczenia, logistyki paliwowej i sprawności infrastruktury chłodniczej.
Dyskusję o niestabilności niemal automatycznie odnoszono do energetyki wiatrowej i słonecznej. Wiatr nie zawsze wieje, a słońce nie świeci nocą – to prawda. Zbyt łatwo pomijano jednak fakt, że źródła określane jako „stabilne” również mogą tracić dostępność. Blok jądrowy może ograniczyć produkcję z powodu zbyt ciepłej rzeki, hydroelektrownia z powodu suszy, elektrownia węglowa wskutek problemów z chłodzeniem albo dostawami paliwa, a gazowa w następstwie kryzysu surowcowego.
Można więc zaryzykować tezę, że pojęcie niestabilności było w debacie energetycznej stosowane zbyt jednostronnie. Niestabilność nie jest wyłączną cechą odnawialnych źródeł energii, również źródła konwencjonalne okazują się zależne od pogody, zasobów naturalnych, infrastruktury i geopolityki.
Różnica polega przede wszystkim na rodzaju ryzyka. Produkcja z wiatru zmienia się wraz z warunkami atmosferycznymi, ale można ją prognozować i bilansować w rozległym systemie. Elektrownia konwencjonalna może natomiast działać stabilnie przez wiele miesięcy, po czym nagle stracić setki lub tysiące megawatów mocy z powodu awarii albo ograniczeń chłodzenia.
Kryzys nie zatrzymuje się na granicy
W normalnych warunkach niedobór mocy w jednym państwie można łagodzić importem. Europejski system elektroenergetyczny jest połączony siecią transgranicznych linii, dzięki którym energia przepływa tam, gdzie jest najbardziej potrzebna.
Mechanizm działa jednak tylko wtedy, gdy sąsiedzi mają nadwyżki produkcji i dostępne moce przesyłowe. Podczas rozległej fali upałów podobne problemy mogą wystąpić w kilku krajach jednocześnie. Państwa zwykle eksportujące energię same zaczynają jej potrzebować, a połączenia transgraniczne szybko stają się wąskim gardłem.
Dodatkowym obciążeniem jest rosnące zapotrzebowanie. Klimatyzatory i systemy chłodzenia pracują intensywniej dokładnie wtedy, gdy część tradycyjnych elektrowni ma najtrudniejsze warunki działania. Upał zwiększa więc popyt na energię, a równocześnie ogranicza część jej podaży.
Nie oznacza to, że blackout jest automatycznym następstwem suszy. Operatorzy mogą uruchamiać rezerwy, korzystać z importu awaryjnego, redukować zapotrzebowanie i wprowadzać kontrolowane ograniczenia poboru. Rozległa awaria jest ostatnim, a nie pierwszym etapem kryzysu. Zdarzenia te pokazują jednak, że system oparty na technologiach podatnych na ten sam czynnik pogodowy staje się mniej odporny.
Ile wody zużywają poszczególne technologie?
Dla właściwego porównania trzeba rozróżnić pobór i zużycie wody. Elektrownia może zaczerpnąć z rzeki bardzo dużą ilość, ale część później do niej zwrócić. Zużyciem nazywa się przede wszystkim wodę utraconą wskutek parowania.
Poniższe wartości przedstawiają orientacyjne mediany operacyjnego zużycia wody. Nie obejmują całego cyklu życia instalacji, między innymi wydobycia surowców, produkcji urządzeń i budowy elektrowni.
| Technologia | Przybliżone zużycie wody |
| Energetyka wiatrowa | ok. 4 l/MWh |
| Fotowoltaika | ok. 100 l/MWh |
| Elektrownia gazowo-parowa z chłodnią | ok. 750 l/MWh |
| Elektrownia jądrowa z obiegiem zamkniętym | ok. 2540 l/MWh |
| Elektrownia węglowa z obiegiem zamkniętym | ok. 2600 l/MWh |
| Elektrownia CSP z chłodzeniem mokrym | ok. 2980 l/MWh |
| Hydroelektrownia zbiornikowa | ok. 17 000 l/MWh |
Źródłem zestawienia jest przegląd literatury przygotowany przez National Renewable Energy Laboratory i opublikowany w „Environmental Research Letters”. Rzeczywiste wartości zależą od lokalizacji, technologii chłodzenia, sprawności jednostki i przyjętej metodologii. Szczególnie ostrożnie należy interpretować wynik hydroelektrowni zbiornikowych, ponieważ zależy on od sposobu przypisania strat wody wskutek parowania.
Tabela pokazuje jednak różnicę skali. Produkcja jednej megawatogodziny z wiatru wymaga w fazie eksploatacji śladowej ilości wody, podczas gdy w elektrowniach cieplnych z chłodniami mogą to być tysiące litrów.
Wiatr nie potrzebuje chłodzenia z Dunaju
W tym miejscu ujawnia się jedna z najrzadziej eksponowanych zalet farm wiatrowych. Turbina nie pobiera dużych ilości wody z rzeki, nie wymaga stałego transportu paliwa i nie ogranicza produkcji dlatego, że temperatura wody przekroczyła dopuszczalny poziom.
Energetyka wiatrowa nie jest oczywiście źródłem całkowicie przewidywalnym. Jej produkcja zależy od pogody, dlatego musi współpracować z magazynami energii, sieciami, elastycznym popytem i źródłami sterowalnymi. Zmienność nie jest jednak tym samym co brak wartości dla systemu.
W warunkach suszy farmy wiatrowe mają zasadniczą zaletę: ich podstawowe ryzyko nie jest związane z deficytem wody. Gdy brak opadów jednocześnie ogranicza hydroenergetykę oraz część bloków cieplnych i jądrowych, każda dostępna megawatogodzina z wiatru zmniejsza obciążenie pozostałych jednostek. Może ograniczyć import, uruchamianie drogich rezerw lub konieczność redukowania zużycia przez przemysł.
Nie jedno stabilne źródło, lecz stabilny system
Susza pokazuje również, dlaczego nie należy przeciwstawiać farm wiatrowych fotowoltaice. Instalacje słoneczne mogą zapewniać wysoką produkcję w upalne dni, kiedy intensywnie pracują klimatyzatory. Wieczorem ich generacja szybko spada, mimo że zapotrzebowanie nadal pozostaje wysokie.
Wiatr nie zawsze wypełni tę lukę, ale zależy od innych warunków pogodowych niż słońce. Połączenie obu źródeł jest dla systemu korzystniejsze niż uzależnienie od jednej technologii i jednego profilu produkcji.
Odporny system powinien łączyć energetykę wiatrową i słoneczną ze źródłami sterowalnymi, magazynami energii, zarządzaniem popytem oraz rozbudowaną siecią. Sama budowa turbin nie wystarczy. Jeżeli sieć nie będzie mogła odebrać ich produkcji, część energii zostanie ograniczona. Jeżeli zabraknie rezerw i elastyczności, okresy niskiej generacji nadal będą wyzwaniem.
Pozytywny wpływ farm wiatrowych jest zwykle sprowadzany do redukcji emisji dwutlenku węgla. To ważny, ale niejedyny argument. Wiatr zmniejsza zużycie paliw kopalnych, ogranicza zależność od importu surowców i niemal nie obciąża zasobów wodnych.
Nie zastąpi samodzielnie energetyki jądrowej, magazynów, sieci ani źródeł regulacyjnych. Może jednak sprawić, że wyłączenie dużego bloku albo spadek produkcji hydroelektrowni będzie mniej dotkliwy.
Bezpieczeństwo energetyczne nie polega na znalezieniu jednej technologii, którą można nazwać stabilną. Polega na zbudowaniu stabilnego systemu z wielu źródeł o różnych profilach pracy i różnych rodzajach ryzyka.
Kiedy poziom rzek spada, hydroelektrownie tracą produkcję, a elektrownie cieplne zaczynają liczyć każdy metr sześcienny dostępnej wody, turbiny wiatrowe mogą nadal dostarczać energię. Pod warunkiem, że wcześniej zostaną zbudowane, podłączone do sieci i włączone do dobrze zaprojektowanego miksu.
Dlatego rozwój farm wiatrowych nie jest wyłącznie elementem polityki klimatycznej. Coraz wyraźniej staje się także częścią polityki bezpieczeństwa energetycznego.
Źródło danych o zużyciu wody: J. Macknick, R. Newmark, G. Heath, K. Hallett, „Operational water consumption and withdrawal factors for electricity generating technologies: a review of existing literature”, „Environmental Research Letters”, 7, 045802, 2012, DOI: 10.1088/1748-9326/7/4/045802.
