Energetske dileme (2): S čim bomo nadomestili fosilna goriva?

Drago Babič

Izgorevanje in kemijska predelava fosilnih goriv povzroča 87% vseh antropogenih emisij toplogrednih plinov (TGP), zato je za uspeh boja proti podnebnim spremembam ključno, da njihovo uporabo opustimo. Nadomestimo jih lahko z naslednjimi energetskimi in snovnimi viri ter ukrepi:

  1. Racionalna raba energije in surovin

Nedvomno je varčevanje z energijo in surovinami na prvi pogled najbolj primeren način za zmanjšanje emisij TGP. Vendar zahteva precejšna vlaganja in tehnološke spremembe v proizvodnji in uporabi energije ter predelavi surovin, zato ni vedno najhitrejša in najlažja pot do razogljičenja družbe.

Ukrepe za varčevanje z energijo (URE) lahko razdelimo na dve skupini:

  • neposredni ukrepi, ki prinesejo zmanjševanje porabe materialov in energij ter posledično emisij TGP brez večjih sprememb tehnologij. Pri ogrevanju je pomembna izboljšana toplotna izolacija stavb, pri snovni učinkovitosti pa princip krožnega gospodarstva, ki zajema kombinacijo upravnih in tehnoloških ukrepov, ki povzročijo učinkovitejše recikliranje materialov in zmanjšajo količino odpadkov.
  • posredni ukrepi, ki zahtevajo večje spremembe v tehnologijah proizvodnje, pretvorbe in koriščenja energije ter surovin. To so zamenjava starih naprav s sodobnejšimi, ki bolje izkoriščajo energijske in surovinske vire, soproizvodnja elektrike in toplote, koriščenje odpadne toplote industrijskih in energetskih procesov in tehnološke spremembe, ki omogočajo zamenjavo fosilnih virov z brezogljičnimi. Tehnološke spremembe v energetsko in materialno zahtevnih industrijah, kot so proizvodnja gradbenih materialov, proizvodnja kovin, proizvodnja papirja in proizvodnja kemikalij, so najzahtevnejše. Drugačni postopki, ki temeljijo na brezogljičnih virih, so šele v razvoju, tako da bo poteklo kar nekaj časa, da bomo pri teh proizvodnjah opustili fosilne vire.
  1. Nadomeščanje fosilnih virov z nizko ali brez ogljičnimi energetskimi in surovinskimi viri

Večji učinek pri zmanjševanju emisij TGP lahko pričakujemo s sistematično zamenjavo fosilnih, visokoogljičnih virov z nizko oziroma brez ogljičnimi viri. Ti so:

  • Obnovljivi viri energije (OVE), ki zajemajo sonce (SE), veter (VE), vodo (HE), geotermalno energijo (GE) in biomaso,
  • Jedrska energija (JE), ki izvira iz fisije (razpada jeder) težkih elementov, predvsem Urana. To je sicer fosilni vir, vendar so naravne zaloge Urana velike (zadostujejo za 3000 let porabe ob recikliranju), poleg tega pri njeni uporabi ne nastajajo TGP.
  • Perspektivna je jedrska fuzija (zlivanje jeder), vendar zaradi tehnološke zahtevnosti njene komercialne uporabe pred letom 2050 ne pričakujemo in je v tem gradivu ne bomo obravnavali.

Vsi ti viri sami po sebi večinoma niso neposredno uporabni (razen lesa), zato jih moramo pretvoriti v uporabne oblike energije in surovinskih virov:

  • toploto za ogrevanje stavb v gospodinjstvih, storitvah, industriji ter za industrijske procese,
  • elektriko, ki je najbolj univerzalna oblika energije, saj jo lahko uporabljamo za vse namene končne rabe,
  • vodik je prenašalec energije in snovi, uporaben v primerih, ko druge oblike energije in surovin niso oziroma so manj primerne. Lahko ga uporabimo tudi za shranjevanje viškov elektrike,
  • biomaso in vodik lahko snovno pretvarjamo v druge energetske in surovinske vire, kot so biogoriva, amonijak in biomateriali

Slika 1: shema pretoka energije in snovi

Babič_2-1

Za proizvodnjo nizkotemperaturne toplote za ogrevanje je največ virov. Najbolj razširjen vir bo biomasa (les), odpadna toplota iz visokotemperaturnih procesov, kot so kogeneracije elektrike in toplote ter drugi industrijski procesi, plitva geotermalna energija, tudi elektrika v toplotnih črpalk in vodik v kondenzacijskih pečeh. Sončna energija kot vir za neposredno proizvodnjo toplote je pri nas manj pomembna.

Za proizvodnjo visokotemperaturne toplote, ki je najbolj primerna za transformacije, to je za proizvodnjo elektrike in za  energetsko zahtevne industrijske procese, so primerni biomasa, globoka geotermalna in jedrska energija ter vodik.

Elektriko lahko neposredno proizvajamo iz sonca s fotovoltaičnimi elektrarnami, iz vetra z vetrnicami in iz vode s hidroelektrarnami. Tudi vodik lahko pretvarjamo z gorivnimi celicami v elektriko.

Elektriko lahko uporabljamo skoraj povsod, na primer za proizvodnjo toplote s toplotnimi črpalkami, v prometu v kombinaciji z baterijami za pogon vozil, v industrijskih procesih, storitvah in gospodinjstvih za delovanje električnih naprav. Zato bo v bodoče elektrika osrednji energent brezogljične družbe in bo tako nadomestila sedaj prevladujoča fosilna goriva.

Kjer uporaba elektrike ne bo primerna, jo lahko nadomesti vodik, ki ga uporabljamo neposredno kot toplotni vir pri nadomeščanju fosilnega zemeljskega plina ali kot vir za pretvorbo v elektriko preko gorivnih celic. Skupaj z biomaso bo predstavljal surovino za proizvodnjo biogoriv in biokemikalij. Lahko služi kot skladiščenje viškov električne energije, ki nastajajo pri spremenljivi proizvodnji elektrike iz OVE. Vodik bomo proizvajali iz vode z elektriko (s postopkom elektrolize), ali termokemično z visoko temperaturno toploto (okoli 900 stopinj), ki jo lahko proizvajajo jedrske elektrarne.

Pomen vodika v brezogljični družbi je prepoznala tudi Evropska komisija, ki je pred kratkim izdala sporočilo z naslovom »Hydrogen strategy for a climate neutral Europe«, v katerem je začrtala strateško pot za vodik. (vir: http://www.knowledge4policy.ec.europa.eu/publication/communication-com202301-hydrogen-strategy-climate-neutral-europe-en).

Ti viri pri pretvorbi v uporabno energijo in njenem koriščenju ne proizvajajo TGP (razen biomase, ki pa se po naravni poti reciklira). Zaradi uporabe materialov in energij pri pridobivanju rud, izdelavi, izgradnji in recikliranju naprav nastaja nekaj TGP (če pri tem uporabljamo fosilna goriva), zato jih označujemo kot nizkoogljične. Njihov ogljični odtis, izražen z g CO2 ekv. na 1 KWh proizvedene električne energije, prikazuje naslednja tabela:

Tabela 1: Ogljični odtis nizkoogljičnih tehnologij

Babič_2-2

Vir. IPPC, 2014

V kolikor bomo v prihodnosti uporabljali samo brezogljične energetske in surovinske vire, bo ogljični odtis teh tehnologij praktično padel na nič (razen pri akumulacijskih HE, kjer nastaja nekaj metana in geotermalni energiji, pri kateri prihaja iz zemeljskih globin, poleg tople vode, tudi nekaj TGP).

  1. Problemi pri uporabi OVE

Nizkoogljični viri ne prinašajo samo pozitivnih učinkov, ampak tudi težave, ki se jih moramo zavedati pri načrtovanju njihove uporabe.

Proizvodnja elektrike iz spremenjljivih OVE, to sta SE in VE, je odvisna od naravnih pogojev in je ne moremo prilagajati porabi. Zaradi fizikalnih lastnosti elektrike mora biti proizvodnja, poraba in kvaliteta  istočasno natančno usklajena. Zato moramo v času, ko je take energije preveč oziroma premalo,  presežke hraniti, primanjkljaje, ki presegajo prihranke, pa pokrivati iz rezervnih proizvodnih kapacitet. Poleg tega so OVE prostorsko razpršeni, zato je potrebno zgraditi dodatne energetske povezave do porabnikov. Vse te dodatne tehnične zahteve, ki šele naredijo OVE uporabne, prinesejo s seboj precejšne spremembe v energetskih sistemih in podražijo uporabno energijo iz OVE.

Za ilustracijo teh težav podajam dve sliki, prva prikazuje dnevni diagram proizvodnje in porabe elektrike pri povečujočem deležu SE v virih, druga pa porazdelitev proizvodnje SE po mesecih v letu.

Slika 2: Dnevni diagram proizvodnje in porabe elektrike pri naraščajočem deležu SE v Kaliforniji

Babič_2-3

Slika 3: Mesečni diagram proizvodnje SE v Sloveniji v obdobju 2013-2016

Babič_2-4

Vir: Potencial sončnih elektrarn na strehah objektov v Sloveniji do leta 2050, IJS CEU

Na dnevnem diagramu vidimo, da s povečevanjem deleža SE v skupni proizvodnji elektrike nastaja višek proizvodnje med 9 in 15 uro in velik primankljaj po sončnem zahodu, ki ga ostali proizvodni obrati ne morejo nadomestiti. Zato je na 1kW SE potrebno dodati hranilnike kapacitete vsaj 5 kWh.

Iz mesečnega diagrama proizvodnje lahko razberemo, da znaša v Sloveniji proizvodnja SE v zimskih mesecih le šestino do petino proizvodnje v poletnih mesecih. Takih količin elektrike za pol leta ne moremo hraniti, zato moramo imeti za zimske mesece na razpolago rezervne kapacitete za proizvodnjo elektrike. Danes so to pretežno termoelektrarne na fosilna goriva.

Podobno je pri VE, le da je tam proizvodnja pozimi večja kot poleti, kar je zaželeno, vendar so premori med vetrovnimi in zatišnimi obdobji daljši, tako da jih s kratkoročnim hranjenjem elektrike ne moremo premostiti.

Poleg neenakomerne proizvodnje je problematičen skupni letni izkoristek teh elektrarn. V Sloveniji je izkoristek SE 11%, VE 21%. Za primerjavo, izkoristek NEK je 92%.

To potrjuje izkušnja Nemčije, kjer je delež SE in VE v skupni moči elektrarn v Evropi največji. Do sedaj so zgradili za 127 GW moči OVE, večinoma VE in SE, ki v ugodnih pogojih proizvedejo več elektrike, kot je potrebujejo in uspejo shraniti. Ob neugodnih vremenskih pogojih pa morajo obratovati rezervne kapacitete v obliki premogovih in plinskih termoelektrarn z močjo 81 GW. Tekom leta TE proizvedejo dve tretjini potrebne elektrike, vsi OVE skupaj kljub večji moči prispevajo le dobro tretjino (Vir: Eurostat, production of electricity and heat by type of fuel, 2018).

Manj problemov nastaja pri HE, saj imajo le-te skladiščne kapacitete v obliki akumulacijskih jezer že vgrajene, pretok rek pa skozi dan in leto manj niha kot jakost vetra in sonca. Proizvodnja elektrike je  zaradi boljše izkoriščenosti naprav cenejša (znaša 38%). Način proizvodnje elektrike v HE blagodejno vpliva na elektroenergetski sistem, saj stabilizira frekvenco in se lahko hitro prilagaja spremembam v porabi. Zato je od vseh OVE najbolj uporabna. HE dobro dopolnjujejo spremenljive OVE, ker opravljajo funkcijo kratkoročnih hranilnikov elektrike. Idealno razmerje bi bilo 1 MW HE na 2,5 MW SE in VE, zato bi bilo dobro, da v bodoče vzporedno gradimo HE, SE in VE. Slabost HE je, da imajo zaradi zajezitev rek velik vpliv na okolje.

V Sloveniji v skromnem obsegu izkoriščamo plitvo nizko temperaturno geotermalno energijo (do 50 stopinj) za zdraviliški turizem in v  kmetijstvu. Da bi njeno koriščenje povečali, bi jo morali najprej bolj gospodarno uporabljati z vračanjem ohlajene vode v vodonosnike. Predvsem bi morali raziskati potencial globoke visokotemperaturne geotermalne energije, ki je uporabna za proizvodnjo elektrike.

Biomasa bo postala univerzalen vir za energetsko in surovinsko rabo. V bodoče bo glavni  nevtralni vir ogljika za kemijsko predelavo, vključno z biogorivi. Ker je biomasa (poleg oceanov) edini naravni vir ponora CO2 in jo moramo zato ohranjati oziroma povečevati, bo njena raba za energetske namene omejena.  V Sloveniji  že sedaj pokurimo več lesa, kot ga sproti nastaja, zato bomo morali v bodoče z biomaso oziroma gozdovi bolj racionalno gospodariti.

Sodobna fisijska JE z reaktorji 3+ generacije je od vseh naštetih nizkoogljičnih virov najbolj uporabna, saj proizvaja toploto in elektriko varno, konstantno in zanesljivo ob visokem izkoristku naprav. Sodobne JE se lahko prilagajajo porabi. Zaradi velike energetske gostote goriva je tudi prostorsko najbolj racionalna. S sodobnimi načini recikliranja goriva in skladiščenjem odpadkov je tudi okoljsko varna. Pomanjkljivost JE je visoka investicijska vrednost, ki lahko še poraste, če je investicija v JE slabo izvajana.

  1. Odvzem CO2 iz ozračja

CO2 se iz ozračja absorbira po naravni poti v biosfero in oceane (približno v enakih količinah). V kolikor želimo, da se koncentracija CO2 v atmosferi zmanjšuje, morajo biti naravni ponori (absorpcija) večji od emisij. Zato je pomembno, da s pametnim upravljanjem biosfere, predvsem gozda, omogočimo, da se naravne zaloge ogljika povečujejo.

Umetno odstranjevanje CO2 iz ozračja in skladiščenje CO2 pod zemljo je zaenkrat energetsko potratno in drago. Bolj uporabne so tehnologije zajema CO2 neposredno iz izpušnih plinov termoelektrarn in drugih industrijskih obratov, ki uporabljajo fosilna goriva. Zajem in skladiščenje CO2 z obstoječimi tehnologijami podraži elektriko iz premogovih TE vsaj za tretjino in plinskih TE za četrtino. Take obrate bo ekonomsko smiselno graditi, ko bo cena CO2 kuponov dosegla 40 eur/tono (lani je bila cena 25 eur).

Vsi navedene rešitve in ukrepi nam omogočajo najti veliko možnih poti za zmanjševanje emisij TGP. Ker vseh naenkrat zaradi omejenih finančnih zmožnosti ne bomo mogli slediti, bo potrebna pametna izbira in kombinacija najprimernejših rešitev. Glavni kriterij za izbiro poti naj bi bila količina zmanjšanja emisij TGP glede na enoto vloženih sredstev ob ustreznem varovanju kvalitete okolja.

Zato bo potrebno vse te rešitve najprej podrobneje tehnično, ekonomsko in okoljsko ovrednotiti. Šele nato bomo lahko izbrali najustreznejšo kombinacijo rešitev in ukrepov, ki jih bomo zapisali v Podnebno strategijo, ki pravkar nastaja.

6 responses

  1. Zanimiv članek. Obnovljivih virov ne idealizira in tudi za jedrsko energijo najde svoje mesto. Le o skladiščenju odpadkov bi lahko katero rekel.

    Nisem vedel, da pokurimo več lesa, kot ga priraste. Kar ni dobro. Tudi je zanimivo, da je fotovoltaika manj čista, kot je videti na strhi.

    Pa še pripomba glede ogljičnega odtisa lesne mase, ki naj bi bil nič. To ne more držati, saj je treba drva nažagati in nacepiti ter jih pripeljati na kraj porabe. Tabelo bi bilo zato treba dopolniti,

  2. Nekaj pojasnil:
    Jedrski odpadki iz sedaj prevladujočih načinov uporabe jedrske energije se dajo z že znanimi tehnologijami vsaj petdesetkrat reciklirati, tako da iz osnovnega goriva, ki vebuje 4-5% obogatenega urana, pridobimo toliko krat več energije, na koncu pa ostane manjša količina manj radioaktivnih razpadnih produktov/elementov, ki v nekaj sto letih izgubijo radioaktivnost. Ta postopek so jedrske države skrivale zaradi vojaško strateških razlogov, ker je podoben pridobivanju Plutonija, ki je najprimernejši material za atomsko bombo. Sedaj to javno počnejo Rusi in deloma Francozi, saj jedrska energija zaradi uporabnosti v civilne namene ni več taka tabu tema. Tudi naše jedrske odpadke bomo lahko v bližnji bodočnosti uporabili za ta namen.
    Lesa pokurimo več, ker je žled in lubadar v zadnjih letih količinsko uničil veliko naravnega prirastka lesa, zato sedaj več kot polovico sečnje predstavlja sanitarna sečnja, ki jo v glavnem pokurimo, ali pa zgnije v gozdu.
    Lesna masa pri pridobivanju, še bolj pa kurjenju, seveda tvori CO2. Važno je, da vse to odtehta nov prirastek lesa v gozdu, torej ponor CO2. Zato upoštevamo les/biomaso med obnovljive vire, ki ne proizvajajo CO2, dokler je bilanca ogljika/biomase pozitivna. Če pa ni, tako kot sedaj, pa je negativni odtis skurjenega lesa okoli 500 g CO2/m3 lesa.
    Fotovoltaika – naveden ogljični odtis velja za proizvodnjo in reciklažo FV panelov (pridobivanje čistega silicija je energetsko zelo potratno, približno štirikrat bolj kot proizvodnja aluminija). Če pa k fotovoltaiki dodamo še ogljični odtis baterij, brez katerih FV skoraj ni uporabna, se ogljični odtis fotovoltaike podvoji na blizu 100 g CO2/kWh.

  3. Navijam za vodik. Predvsem za transport. Razlog je tehnične narave. Vsi današnji bencinski motorji brez težav tečejo na vodik. Predelava je majhen strošek. Ker gre za najmanjši atom, ga je treba kar resno natlačiti v tank. Že tako je eksploziven, zato bo “tankanje” kar zahtevno. Še večja težava je pridobivanje večjih količin. Večina vodika, ki ga lahko gospodinjstva kupijo je iz ogljikovodikov, torej nafte in plina. Seveda ga lahko pridobivamo doma z najbolj preprosto elektrolizo, vendar je elektrika iz omrežja (v glavnem spet iz ogljikovodikov) za kaj takega predraga. Najbliše izvedbi je verjetno fotovoltaika na vsaki strehi in majhen kompresor za tlačenje vodika v tank.

  4. No, a tudi če je bilanca pokurjenega in priraslega lesa uravnotežena, se porabi nekaj fosilnih goriv, da drevje poderemo in razžagamo (motorne žage), razkoljemo in spravimo v klaftre (traktorji), razžagamo (elektrika tudi iz TE) in pripeljemo do porabnikov (tovornjaki). In za izdelavo in razgradnjo peči, kaminov ipd. tudi, kajne? Torej tam v tabeli ne more biti ničla. Ta je ob pogoju uravnotežene bilance prirastka lahko nič za samo kurjenje lesa, vse ostalo pa ogljični odtis ima.

  5. Pozdravljeni, Prihodnost ogrevanja je elektrika, Sploh IR ogrevanje, IR paneli ali pa električno talno ogrevanje. https://dominogrevanje.si/ir-ogrevanje/ . Sploh kombinacija s sončno elektrarno in elektrika je optimalni grelni sistem. Če omenim toplotno črpalko pa naj povem samo, da je investicija previsoka napram zgoraj omenjenim sistemom. Hvala lepa .

  6. … in dandanes, se tisti, ki nasprotujejo HE in zagovarjajo FV imajo za največje okoljevarstvenike, ker so pač žal skregani tako s številkami, enotam ter fiziko in poznavanjem EE sistema.

%d bloggers like this: