Fizyka dla ekonomistów - porównywanie sprawności procesów

Teraz możemy się skupić na magazynach energii i różnych jej źródłach. W poprzednich notkach na ten temat zrozumieliśmy, jak porównywać najprostsze procesy, czyli procesy spełniające dwa założenia:

 1. Każdy z procesów zaczynał się dostawą tego samego paliwa (metan) w tej samej ilości. Teraz uogólniamy temat, rozszerzając założenie, że dostarczamy do procesu tę samą ilość energii - paliwo może być różne. To uogólnienie jest koniecznością, gdyż zasada zachowania energii mówi o energii, a nie o ilości paliwa. Samo rozumowanie jest prawie identyczne, jeśli zamienimy w definicji procesu sformułowanie "dostarczamy tę samą ilość metanu" na "dostarczamy tę samą ilość energii. Słowo "energia" daje większą ścisłość takiemu rozumowaniu.

2. Energia wychodząca z procesu mogła być od razu użytkowana przez konsumentów, więc pominęliśmy problem ewentualnego spiętrzania się zapasów czy nawet marnowanie energii niezużytej, gdyż nie zadbano o miejsce na spiętrzanie się zapasów. Teraz do tych najprostszych procesów dodamy w środku procesy  (zwykle trzy) magazynowania energii: proces gromadzenia zapasów, proces transportu zapasów do konsumentów i proces wyładowania (np. benzyny z cysterny do zbiornika na stacji benzynowej).

Oczywiście tutaj też zaczniemy od najprostszych sytuacji, aby łatwiej było ogarnąć i zrozumieć całość. Wyobraźmy sobie sytuację idealną - dobrze zlokalizowany wyciek metanu z jakiegoś złoża w Arktyce - wymarzona sytuacja - teoretycznie najtańsze i najczystsze źródło energii. Problem w tym, że tam, gdzie metan wycieka, nie ma sieci energetycznej ani dróg. Dróg nie można zbudować, bo to by zepsuło klimat jeszcze bardziej, zanim ten metan mógłby zostać zużyty.

Można magazynować metan i jego zapasy wozić helikopterami do konsumentów. Można wyprodukować z metanu wodór na miejscu, magazynować wodór i jego zapasy wozić helikopterami do konsumentów. I w tym miejscu możemy od razu porównać obydwa procesy. Na pierwszy rzut oka widać, że produkcja wodoru jest bez sensu - jest to dodatkowy zbędny proces, który jest zwyczajnym marnotrawstwem. Można oczywiście precyzyjnie policzyć energię rozproszoną... a nuż okaże się, że sprawność procesu magazynowania wodoru jest dużo większa niż sprawność procesu magazynowania metanu... liczymy i okazuje się, że jest dużo gorsza - nie dość, że marnujemy energią na wytworzenie wodoru, to w dodatku wodór o wiele trudniej się magazynuje.

Odrzucamy więc produkcję wodoru jako absurdalne marnotrawstwo i zbieramy metan. Co z nim zrobić? Na razie ludzkość spala taki metan, ponieważ niespalony wywołuje około 100 razy gorsze skutki dla ludzkości niż spalony. Jednak fajnie by było, żeby przy okazji jego spalania powstał prąd elektryczny. To nasuwa pomysł, który jest sensowną alternatywą dla wożenia zapasów metanu helikopterami. Możemy przy każdym wycieku metanu zbudować małą elektrownię metanową i połączyć ją z najbliższym punktem istniejącej sieci energetycznej. Dla uproszczenia definicji procesów zakładamy, że kabel kładziemy bezpośrednio w dziczy, bez budowania żadnych dróg.

Podsumowując, musimy porównać dwa procesy:

1) Spalamy metan w elektrowni i wysyłamy prąd kablem do istniejącej sieci.

2) Zbieramy metan, skraplamy go i helikopterami wozimy do najbliższej szosy czy stacji kolejowej.

Dla uproszczenia zakładamy, że koszty inwestycji są podobne: w 1) musimy zbudować elektrownie i położyć kable, w 2) musimy wyprodukować flotę helikopterów... ale pamiętamy, że piszemy o fizyce, a nie o ekonomii. Ekonomiści poradzą sobie z policzeniem kosztów inwestycji, ale nie poradzą sobie z porównaniem sprawności procesów. A więc skupimy się na porównaniu sprawności procesów 1) i 2). 

W procesie 2) dla uproszczenia zakładamy, że silniki helikopterów palą metan - nie trzeba dostarczać im paliwa - skorzystają z paliwa zgromadzonego na początku procesu 2). W tym procesie największe straty to będzie właśnie ten procent: ile paliwa helikopter zużyje zanim dowiezie resztę paliwa do celu?

W procesie 1) mamy dwie istotne straty energii: podczas wytwarzania prądu z metanu i podczas przesyłania prądu kablem do sieci.

Porównanie tych procesów nie jest jednoznaczne - te same dwa procesy mogą w różnych warunkach mieć różną ocenę. Kiedy odległość od wycieku do celu jest mała, to nie opłaca się marnować energii w elektrowni - helikopter niemal bez strat przewiezie ciekły metan - wygrywa proces 2). Kiedy odległość jest duża, wtedy porównanie wypada lepiej dla kabla - helikopter może spalić nawet ponad 50% paliwa, które wiezie, a elektrownia z kablem nie rozproszy więcej niż 20% energii - wygrywa proces 1).

A co z innymi paliwami - źródłami energii na wejściu do procesu: Czy Słońce jest lepszym źródłem niż metan (dlaczego metan nazwałem paliwem idealnym? Pomyłka?)? Czy wodór jest jest lepszym źródłem niż metan? Czy wiatr jest lepszym źródłem niż metan? Czy energię słoneczną lub wiatr można magazynować, jak metan?

Budujemy elektrownię słoneczną na pustyni, gdzie nie ma sieci energetycznej. Co jest bardziej opłacalne: produkcja wodoru i transportowanie jego zapasów, czy położenie kabla, żeby połączyć elektrownię z najbliższym punktem sieci? Podczas ewentualnej dyskusji warto pamiętać, że sieć energetyczna ma już wbudowane działające magazyny energii, np. w postaci elektrowni szczytowo-pompowych.