Matematyka w służbie wizjonerów

Prognoza zapotrzebowania gospodarki polskiej na węgiel kamienny i brunatny jako surowca dla energetyki w perspektywie 2050 roku.
 

Dynamika zmian warunków gospodarczych i politycznych a rola górnictwa kamiennego i brunatnego w zaspokajaniu potrzeb energetycznych kraju.

Górnictwo węgla kamiennego i brunatnego, podstawowy dostawca paliw pierwotnych do krajowej gospodarki, zapewnia Polsce jeden z najwyższych w Europie wskaźników bezpieczeństwa energetycznego. W przyszłości jednak udział węgla kamiennego i brunatnego w strukturze zużycia pierwotnych nośników energii zależeć będzie od wielu czynników. Na energetyczny obraz świata wpływa „Rewolucja łupkowa” w Stanach Zjednoczonych i europejska polityka klimatyczna, wprowadzająca ceny uprawnień do emisji CO2 w ramach Europejskiego sytemu ETS. Celem pracy, przygotowanej w Instytucie Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN we współpracy z Akademią Górniczo-Hutniczą im. St. Staszica w Krakowie (Wydział Energetyki i Paliw) oraz Instytutem Studiów Energetycznych Sp. z o.o. na zamówienie GIPH, było nie tylko opracowanie prognozy zapotrzebowania na węgiel jako surowca dla energetyki, ale również określenie roli górnictwa węgla kamiennego i brunatnego w zaspokajaniu potrzeb energetycznych kraju. Naukowcy twierdzą, że rola ta jest podstawowym zagadnieniem wpisującym się w przygotowania rządu do opracowania nowej polityki energetycznej kraju. Podkreślają, że działania wpływające na wzrost bezpieczeństwa energetycznego muszą być podejmowane w istniejących uwarunkowaniach surowcowych. Zadaniem polityków jest stworzenie na forum międzynarodowym takich warunków, które pozwolą na kształtowanie wewnętrznej polityki energetycznej, zmierzającej do zrównoważenia energetycznego, czyli optymalnego rozwoju stabilnych, niedrogich i racjonalnych ekologicznie systemów energii.

Ze względu na ramy czasowe, praca ma charakter analiz scenariuszowych. Ich podstawowym elementem są możliwości podaży poszczególnych nośników energii pierwotnej, z uwzględnieniem rozwoju wydobycia węgla kamiennego i brunatnego. Wzięto pod uwagę możliwy rozwój uwarunkowań, w jakich będzie funkcjonować polski sektor paliwowy – poziom zapotrzebowania na energię finalną, zobowiązania w zakresie ochrony klimatu, wymogi wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych. Oceniono opcje budowy energetyki jądrowej, wykorzystania gazu ziemnego, możliwości budowy systemów wychwytu i składowania ditlenku węgla (CCS).

Do opracowania zastosowano metody modelowania matematycznego. Jest to obecnie powszechnie wykorzystywana metodyka, gdyż jako jedyna pozwala ująć złożoność funkcjonowania systemów paliwowo-energetycznych.

Autorzy przygotowali 16 scenariuszy, których nadrzędnym celem była analiza zapotrzebowania na węgiel kamienny energetyczny i brunatny w gospodarce krajowej przy różnych uwarunkowaniach rozwoju poszczególnych elementów gospodarki i przy zmianie warunków zewnętrznych. Za wyjściowy do dalszych analiz przyjęto scenariusz REF. Zakłada on popyt na energię elektryczną i ciepło na poziomie umiarkowanym, gdzie zapotrzebowanie na energię finalną osiąga w 2050 roku 204 TWh, potencjał podaży węgla uwzględnia potencjał bazy wydobywczej. Zakłada się wzrost cen po 2025 r. o 1,5 proc., w cenach nominalnych, brak rozwoju wydobycia rodzimego gazu z formacji łupkowych, wzrost obowiązkowego wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE). Ścieżka cenowa uprawnień do emisji CO2 przyjęta została w wariancie niższego wzrostu. Założono brak komercyjnie dostępnych technologii CCS do roku 2030 oraz brak wymuszenia lub zakazu budowy elektrowni jądrowej.

Parametry te zmieniają się oczywiście w kolejnych scenariuszach. Przyjmuje się np. wyższą lub niższą w porównaniu z bazowym wysokość popytu na energię finalną, zakłada się szybszy wzrost cen pozwoleń za emisję CO2, uwzględnia się sytuację, gdy ceny węgla będą rosły w tempie 2,4 proc. rocznie. SCENARIUSZ WYSOKI bada skutki nałożenia na siebie kilku okoliczności – dla referencyjnej podaży węgla modeluje warunki wysokiego popytu na energię, wysokich cen węgla, oraz wysokich cen uprawnień do emisji CO2. Scenariusz STATUS QUO zakłada brak rozwoju górnictwa węgla kamiennego i brunatnego, bada m.in. wpływ obniżonej podaży węgla na sektor elektroenergetyczny. Z kolei scenariusz ZAŁAMANIA, uwzględniający splot niekorzystnych okoliczności dla górnictwa – brak rozwoju, niską podaż węgla przy jego wysokich cenach, niekorzystne warunki zewnętrzne. Mamy dwa scenariusze gazowe, z których pierwszy pozwala zbadać wpływ wzrostu podaży gazu ziemnego na sektor elektroenergetyczny przy obniżeniu cen tego surowca, a drugi zakłada dodatkowo wysokie ceny uprawnień do emisji CO2. Scenariusz JĄDROWY-MIX powtarza warunki scenariusza bazowego przy obligatoryjnym uruchomieniu trzech bloków jądrowych po 1,5 GW każdy w latach 2025, 2030 i 2035, a scenariusz JĄDROWY-MAX dopuszcza do wybudowania po jednym 1,5 GW bloku jądrowym w każdym okresie pięcioletnim począwszy od 2025 roku.

Dwa scenariusze przygotowano pod kątem zastosowania technologii CCS. W pierwszym założono jej dynamiczny rozwój, w wyniku czego technologia osiągnie dojrzałość komercyjną w 2025 roku. Scenariusz sprawdza, czy technologia jest konkurencyjna do innych rozwiązań w warunkach wysokich cen pozwoleń na emisje CO2. W drugim, założono, że rozwój technologii CCS w okresie analizy do 2050 roku nie nastąpi. Daje on odpowiedź na pytanie, jak będzie się rozwijał sektor elektroenergetyczny bez możliwości wdrożenia tej technologii w warunkach wysokich uprawnień do emisji CO2, i jak to wpłynie na zapotrzebowanie na węgiel. Ostatnie dwa scenariusze badają wpływ wykorzystania odnawialnych źródeł energii na sytuację energetyczną.

Wyniki badań scenariuszy powinny zainteresować wszystkich, którzy myślą o przyszłym systemie energetycznym kraju. Pozwalają one na wizualizacje tego sytemu w oparciu o szerokie spektrum zmiennych wprowadzonych do poszczególnych modeli, pomagają dostrzec skalę zagrożeń i możliwości. Naukowcy porównali wyniki badań modelowych pod kątem rozwoju sektora elektroenergetycznego i roli węgla, jaką w nim będzie odgrywać. W pierwszej kolejności omówiono wskaźniki bezpieczeństwa energetycznego w poszczególnych scenariuszach. Potem analizie poddano koszty wytwarzania energii elektrycznej w elektrowniach zawodowych i wielkość emisji oraz omówiono sytuację poszczególnych paliw (węgla kamiennego, brunatnego i gazu oraz technologii odnawialnych i jądrowych).

Niewielka objętość tekstu pozwala jedynie na wybiórcze omówienie tych porównań. Stwierdzono, że najwyższy poziom bezpieczeństwa energetycznego gwarantuje realizacja scenariusza bazowego REF. Najgorszym pod względem wskaźnika bezpieczeństwa jest natomiast scenariusz STATUS QUO, w myśl którego nie przewiduje się żadnych inwestycji w nowe moce wydobywcze w górnictwie węglowym. We wszystkich scenariuszach analizie poddano udział węgla kamiennego i brunatnego w strukturze zużycia pierwotnych nośników energii. W 2020 roku udziały te są praktycznie jednakowe, różnice zaczynają się od 2030 roku, a największa rozbieżność udziału dotyczy 2050 roku. W scenariuszu BEZ-CCS, w którym założono, że w warunkach wysokich cen uprawnień do emisji CO2 rozwój technologii CCS nie nastąpi, udział ten wynosi 28, 5 proc, a w scenariuszu REF-WYSOKI, gdzie wzrost popytu na energię osiąga w 2050 roku poziom 225 TWh, udział węgla kamiennego i brunatnego jest wielkości 73, 7 proc. Przedstawiono też procentowe udziały węgla kamiennego energetycznego w produkcji energii elektrycznej netto w latach 2020, 2030, 2040 i 2050.

W konkluzji autorzy pracy wskazują na konieczność podjęcia inwestycji zapewniających rozwój górnictwa węgla kamiennego i brunatnego dla zapewnienia stabilnych dostaw dla krajowej energetyki. Jednak perspektywa ta nie jest wolna od zagrożeń. Najistotniejszą determinantą jest poziom cen uprawnień do emisji CO2. Wpływają one bezpośrednio na wzrost kosztów wytwarzania energii i wypierają węgiel ze struktury paliwowej. Opłacalną opcją wykorzystania węgla przy wysokich cenach CO2 jest wykorzystanie technologii CCS, której dostępność przyjęto od 2030 roku.

Przy wysokich cenach do emisji CO2 duże znaczenie może mieć prowadzenie dalszych prac nad udokumentowaniem złóż gazu w formacjach łupkowych. W takich warunkach ekonomicznie uzasadniona jest też budowa dwóch bloków elektrowni jądrowej. W tym przypadku decyzje na ten temat powinny być podejmowane w zależności od ustaleń międzynarodowej polityki klimatycznej. Autorzy pracy zwrócili jednak uwagę na fakt, że bardzo mało prawdopodobne jest, by Polska do 2050 roku weszła w posiadanie technologii pozwalającej na samodzielną produkcję paliwa jądrowego. Będzie ono musiało być importowane lub przygotowywane przez zagraniczne firmy z rodzimego uranu.

Analiza potwierdza kluczową rolę krajowego sektora węglowego jako dostawcy paliw pierwotnych. Autorzy podkreślają, że rosnący popyt na energię elektryczną w Polsce, która w przeliczeniu na jednego mieszkańca wciąż należy do państw o jednym z najniższych poziomów zużycia energii elektrycznej w Europie, wpływać będzie na utrzymanie, a nawet wzrost zapotrzebowania na węgiel. Dlatego działania ukierunkowane na ograniczenie roli węgla w energetyce stawiają na szali bezpieczeństwo energetyczne kraju.

Iwona Kolasińska

Przedmiotowe opracowanie pt. ,,PROGNOZA ZAPOTRZEBOWANIA GOSPODARKI POLSKIEJ NA WĘGIEL KAMIENNY I BRUNATNY JAKO SUROWCA DLA ENERGETYKI W PERSPEKTYWIE 2050 ROKU" jest do ściągnięcia z poniższego linku.

Węgiel dla polskiej energetyki_2050_GIPH_MINPAN