Słońce Afryki dla Europy

11.08.2014
Skoncentrowana energia słoneczna wytwarzana na pustyniach północnej Afryki i Bliskiego Wschodu mogłaby zaspokoić aż do 20 proc. zapotrzebowania na energię w Europie. Są techniczne możliwości, ale dojdzie do tego, tylko jeżeli uda się pokonać przeszkody geopolityczne.

Maroko. Ain Beni Mathar Integrated Combined Cycle Thermo-Solar Power Plant. (CC By NC ND Dana Smillie/World Bank)


Fundacja Desertec twierdziła, że aż do 20 proc. zapotrzebowania na energię w Europie można zaspokoić poprzez połączenie europejskich miast z afrykańskimi pustyniami. Koncepcja przewiduje budowę bardzo wielu zakładów produkujących skoncentrowaną energię słoneczną (CSP) w państwach Bliskiego Wschodu i północnej Afryki, skąd przesyłano by tę energię do Europy za pomocą przewodów wysokiego napięcia prądu stałego o wielkiej sprawności. Zakłada się, że zakłady produkujące CSP na pustyniach mogą wytwarzać tę odnawialną energię przez 15–16 godz. dziennie, a to pozwoliłoby ominąć dwa zasadnicze problemy utrudniające wykorzystywanie energii słonecznej i wiatrowej w Europie, mianowicie produkcję z przerwami i krótki czas pracy generatorów i ogniw.

W opublikowanej w 2010 r. przez Międzynarodową Agencję Energetyczną analizie „Technology Roadmap” wyrażano się bardzo optymistycznie o przyszłości CSP i przewidywano przesył znaczących ilości energii z państw Bliskiego Wschodu i północnej Afryki do Europy (w 2050 r. do 15 proc. łącznej ilości zużywanej energii).

(infografika Dariusz Gąszczyk)

(infografika Dariusz Gąszczyk)

Koncepcję opracowaną przez Desertec przestano rozwijać, gdy w październiku 2012 r. Siemens wycofał się z umowy partnerskiej, ale pomysł budowy transśródziemnomorskiej sieci energetycznej pozostaje bardzo ciekawym rozwiązaniem dla wielu zwolenników szybkiego przejścia w Europie na energię niepowodującą emisji zanieczyszczeń (np. prof. Jeffrey Sachs pozytywnie ocenia możliwości wytwarzania energii słonecznej na pustyniach świata).

Czy pod względem technicznym, ekonomicznym i politycznym zaspokojenie sporej części zapotrzebowania na energię w Europie poprzez przesył energii słonecznej z pustyń Bliskiego Wschodu i północnej Afryki jest wykonalne? W naszej analizie polegamy na numerycznych scenariuszach uzyskanych za pomocą zintegrowanego modelu oceny WITCH, którego używamy do zbadania, kiedy, ile i gdzie najlepiej zainwestować w CSP, oraz do ustalenia możliwej wielkości rynku energii wytwarzanej w ramach przedsięwzięcia EU–MENA (Massetti, Ricci 2013).

Uważamy, że obecnie przedwcześnie byłoby inwestować w duże przedsięwzięcia CSP. Jest miejsce na projekty pilotażowe, ale wielkich korzyści ekonomicznych z handlu energią CSP w transśródziemnomorskiej sieci energetycznej można się spodziewać dopiero po 2050 r. Nie należy też lekceważyć zagrożeń, jakie stworzy kupowanie dużych ilości energii od państw Bliskiego Wschodu i północnej Afryki dla bezpieczeństwa energetycznego Europy.

Energia bez emisji związków węgla

W Europie przyjmuje się coraz bardziej rygorystyczne cele, jeśli chodzi o emisję gazów cieplarnianych. Do 2030 r. 28 państw UE zobowiązało się zmniejszyć emisje o 40 proc., aby zejść poniżej wielkości emisji z 1990 r., zwiększyć wydajność energetyczną o wielkość, która zostanie określona jeszcze w 2014 r., oraz zwiększyć udział energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych do co najmniej 27 proc. łącznego zapotrzebowania na energię. Jeżeli Europa rzeczywiście zamierza osiągnąć zapowiadany cel, którym jest utrzymanie maksymalnego dopuszczalnego wzrostu średniej temperatury o 2 st. C ponad poziom przedprzemysłowy, przyjęte zostaną cele jeszcze ostrzejsze, ponieważ oznacza to, że emisje zagregowane muszą zasadniczo spaść do zera.

Ponieważ nie wiadomo, jak będzie w Europie z energią nuklearną i elektrowniami wykorzystującymi paliwa kopalne, w których dokonuje się sekwestracji dwutlenku węgla, należy przypuszczać, że źródła odnawialne staną się istotnym składnikiem przyszłego zbioru źródeł energii. Problem z niektórymi z nich, mianowicie z energią wiatru i słoneczną, polega na tym, że można je wykorzystywać tylko z przerwami, (nie zawsze wieje, a w nocy brak promieni słonecznych).

System energetyczny, który polegałby przede wszystkim na energii wiatru i ogniwach fotowoltaicznych do wytwarzania energii elektrycznej, musi zostać zmodernizowany poprzez zbudowanie nowych sieci przesyłowych i dystrybucyjnych, które zapewnią możliwości magazynowania energii i generatorów zapasowych. Jest to kosztowne, a przez to technologie wykorzystujące źródła odnawialne są w niekorzystnym położeniu w porównaniu z elektrowniami, w których spala się węgiel albo gaz ziemny.

Skoncentrowana energia słoneczna

Idealna technologia powinna zapewnić nieprzerwaną, przewidywalną i elastyczną dostawę energii wytwarzanej wyłącznie ze źródeł odnawialnych. Produkcja CSP jest bardzo blisko tego ideału. Pomysł jest niezwykle prosty i równie stary jak lustra wykorzystane przez Archimedesa podczas oblężenia Syrakuz – powierzchnie odbijające promienie słoneczne wykorzystuje się do skupienia tych promieni, tak aby padały na niewielkie powierzchnie i podgrzewały ciecz. Używa się jej do wytwarzania pary wodnej, która następnie napędza turbinę, podobnie jak dzieje się to w każdej elektrowni termoelektrycznej. Promienie słoneczne zastępują węgiel czy gaz ziemny. Ciecz można w ciągu dnia podgrzać do tak wysokiej temperatury, że możliwe jest magazynowanie ciepła przez większość nocy, a tym samym można niemal nieprzerwanie wytwarzać energię. Ten system mogłaby uzupełniać turbina na gaz ziemny, aby zapewnić stałą produkcję energii.

(infografika Dariusz Gąszczyk)

(infografika Dariusz Gąszczyk)

Zasadniczą wadą CSP jest to, że potrzeba niemal bezchmurnego nieba (w przeciwieństwie do ogniw fotowoltaicznych, które działają dobrze, nawet gdy jest pochmurno). Najlepszymi miejscami do budowy zakładów produkujących CSP są pustynie, ponieważ brak wilgoci w redukuje tam średnie zachmurzenie. Na pustyniach ponadto nie brakuje tanich terenów, gdzie można rozmieścić lustra o wielkiej powierzchni.

Pojawia się jednak problem: w pustynnych okolicach brakuje zwykle miejscowości, w których ludzie mieszkają i pracują. Do połączenia pustyń z miastami planuje się więc wykorzystać przewody przesyłowe nowej generacji, charakteryzujące się minimalnymi stratami energii.

Poza nielicznymi wyjątkowymi miejscami w Hiszpanii i południowych Włoszech Europa nie ma najlepszych warunków klimatycznych i geograficznych do produkcji CSP. W południowej części basenu Morza Śródziemnego leży jednak wiele państw z rozległymi obszarami pustynnymi i idealnymi warunkami klimatycznymi, dlatego zaplanowano budowę sieci energetycznej, która połączyłaby je ze środkową i północną częścią Europy.

Czy to możliwe

CSP to technologia sprawdzona, która może się sprawdzić w przedsięwzięciach zakrojonych na wielką skalę. Przoduje pod tym względem Hiszpania, gdzie zbudowano zakłady o mocy 2300 MW. Po niej są Stany Zjednoczone, w których przez ostatnie 10 miesięcy oddano do użytku cztery elektrownie o łącznej mocy 1435 MW. Kolejne mają zacząć pracować w 2014 r. W późniejszych latach mają powstać takie instalacje w USA, Chinach, Indiach, Afryce Południowej i państwach Bliskiego Wschodu i północnej Afryki.

Czy CSP to energia atrakcyjna pod względem ekonomicznym? Na razie wytwarzanie tej energii jest cztero- albo nawet pięciokrotnie droższe od pozyskiwania energii w wyniku spalania paliw kopalnych (zob. raport IPCC). Dotychczas 98 proc. inwestycji w zakłady produkujące CSP wymagało pomocy z budżetów publicznych.

Jak zmienią się bodźce skłaniające do tych inwestycji, jeżeli zacznie się karać za emisje związków węgla, a uczenie się poprzez pracę przyczyni się do zmniejszenia kosztów inwestycyjnych i operacyjnych związanych z CSP? Czy środowisko inwestycyjne sprzyjające ochronie klimatu zachęci do wielkich inwestycji w CSP i czy import z pustyń Afryki i Bliskiego Wschodu będzie dla Europy interesujący?

Aby udzielić odpowiedzi na te pytania, w opublikowanej niedawno analizie wykorzystałyśmy zintegrowany model oceny WITCH. Tworzymy numeryczne scenariusze inwestycji w CSP, zakładając, że państwa ustalają redukcję emisji, aby ograniczyć wzrost średniej temperatury na świecie do 2 st. C ponad poziom przedprzemysłowy, i przyjmując wynoszące 50 proc. prawdopodobieństwo. Przyjęto maksymalne dopuszczalne stężenie gazów cieplarnianych na świecie wynoszące 535 ppm ekwiwalentu dwutlenku węgla w 2100 r. Wykorzystywany przez nas instrument polityczny to światowy system handlu emisjami ze światową ceną związków węgla w emisjach.

Nasza analiza prowadzi do wniosku, że inwestycje w olbrzymie przedsięwzięcia CSP uzyskają ekonomiczną efektywność dopiero po 2050 r. W pierwszej połowie tego stulecia są inne, mniej kosztowne rozwiązania umożliwiające zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych. Natomiast przy ograniczeniach produkcji energii atomowej lub wytwarzania energii przez wykorzystanie paliw kopalnych w elektrowniach, w których dokonuje się sekwestracji dwutlenku węgla, wielkie inwestycje w CSP zaczną się w pierwszej połowie stulecia. Co ciekawe, staną się one atrakcyjne także bez programów polityki ochrony klimatu w regionach o dużych możliwościach produkcji.

W Europie kupowanie energii elektrycznej od zakładów koncentrujących energię słoneczną w państwach północnej Afryki i Bliskiego Wschodu stanie się atrakcyjnym rozwiązaniem mniej więcej w latach 2035–2040.

W naszych scenariuszach w II połowie XXI w. cena CSP spada w następstwie nauki poprzez pracę i Europa zaczyna importować duże ilości energii elektrycznej z państw północnej Afryki i Bliskiego Wschodu. Po 2050 r. energia elektryczna uzyskiwana dzięki CSP zaspokaja od 18 do 46 proc. łącznego zapotrzebowania w Europie, a ta wielkość zależy od tego, czy obowiązują ograniczenia dotyczące energii atomowej i sekwestracji dwutlenku węgla. Zakładamy, że zakłady CSP mogą bezpośrednio zastąpić elektrownie węglowe i na gaz ziemny.

Tak więc zdecydowana zapowiedź polityki ochrony klimatu oraz deklaracja celów spowodowałyby, że energia elektryczna pozyskiwana dzięki CSP stałaby się bardzo atrakcyjna pod względem ekonomicznym i pojawiłyby się bodźce skłaniające do budowy olbrzymiej transśródziemnomorskiej sieci energetycznej. Z naszej analizy wynika, że przedsięwzięcia podobne do koncepcji opracowanej przez Desertec mogą się wydawać przedwczesne, ale mają solidne podstawy ekonomiczne, jeżeli będą realizowane właściwe programy polityczne.

Problemy geopolityczne

Czy jednak względy geopolityczne nie przeszkodzą temu, by Europa zaczęła polegać na dostawach energii elektrycznej z państw północnej Afryki i Bliskiego Wschodu? To otwarta i delikatna kwestia, wymagająca uważniejszego rozpatrzenia. Zwracamy uwagę na dwie zasadnicze sprawy.

Jeżeli rynek zostanie zdominowany przez małą grupę wielkich (państwowych) operatorów, pojawi się duże ryzyko działań służących osiąganiu osobistych korzyści. W naszym modelu wykazujemy, że regiony północnej Afryki i Bliskiego Wschodu mają motywację do tego, aby ustanowić kartel, który dostarczałby energię elektryczną po cenie przekraczającej koszt krańcowy. W obecnej sytuacji geopolitycznej ustanowienie instytucji, które zdołają zwiększyć konkurencję rynkową, wydaje się zadaniem ogromnie złożonym, ale nie jest to niemożliwe.

Po drugie – i najważniejsze – przez wielki transśródziemnomorski rynek energii może się zwiększyć zależność energetyczna Europy.

Należy pamiętać, że popyt i podaż muszą być stale zrównoważone, aby zapewnić właściwe funkcjonowanie systemów energetycznych. Nieoczekiwany spadek produkcji energii elektrycznej w państwach północnej Afryki i Bliskiego Wschodu mógłby spowodować przerwę w dostawach energii w całej sieci europejskiej.

Te problemy można rozwiązać, szczególnie w bardzo długim okresie. W obecnej sytuacji międzynarodowej wydaje się jednak, że CSP będzie mieć marginalne znaczenie w Europie. O wiele większe możliwości mają pod tym względem możliwościami USA i Chiny. Oba te państwa bowiem mogą wytwarzać wielkie ilości CSP.

Emanuele Massetti wykłada w Szkole Leśnictwa i Badań Środowiska Uniwersytetu Yale.

Elena Ricci jest doktorantką na Wydziale Ekonomii Uniwersytetu Mediolańskiego.

Artykuł po raz pierwszy ukazał się w VoxEU.org (tam dostępna jest bibliografia). Tłumaczenie i publikacja za zgodą wydawcy.


Tagi


Artykuły powiązane