Paradoks jednego pokolenia: mamy więcej źródeł energii, potrafimy ją efektywniej wykorzystać, ale kosztuje nas coraz więcej. Co dalej?

Jedno pokolenie to mniej więcej 20 – 25 lat. Dla tegorocznego maturzysty to szmat czasu, ale dla jego dziadka czy babci, to już tylko dłuższa chwila. Z perspektywy historii ludzkości to jedynie mgnienie oka. W tym krótkim czasie wdrożono lub dopracowano kilka wynalazków, które okazały się zbawieniem dla światowej energetyki.

Większość technologii, które w ostatnim ćwierćwieczu pozwoliły na znaczną redukcję zużycia energii, powstało znacznie wcześniej. Nie chodzi tu tylko o wiatraki, które mogli kojarzyć zarówno nasi dziadkowie, jak i dziadkowie ich dziadków, ale też chociażby o diody LED, które zadebiutowały już w latach 60. ubiegłego wieku, czy silniki bezszczotkowe pochodzące z tego samego okresu. Historia ostatniego wieku pokazuje jednak, że do pewnych zmian trzeba dojrzeć, a wynalazki dopracować, tak, aby wszystko ze sobą zagrało. W ten oto sposób rozwój cywilizacyjny ludzkości warunkowany świadomością kurczących się zasobów naturalnych oraz zmian klimatu spotkał się z postępem technologicznym, umożliwiając zmiany.

Gdyby zapytać ekonomistę o to, dlaczego udało się rozpocząć rewolucję na rynku energii, to zapewne wskazałby między innymi na pracę byłego doradcy premiera Wielkiej Brytanii Tony'ego Blaira, Brytyjczyka Nicholasa Sterna. To jemu udało się bowiem włączyć rachunek ekonomiczny w dotychczasowy konflikt ideologiczny dotyczący ochrony klimatu, a co za tym idzie także produkcji energii. Sternowi w dużej mierze zawdzięczamy rosnące obciążenia podatkowe związane ze szkodliwą emisją gazów i podniesienie tym samym rentowności wcześniej nieopłacalnej zielonej energii z OZE. To również Stern stoi za pomysłem handlu prawami do emisji, które z jednej strony uczyniły produkcję jeszcze droższą, a z drugiej strony skłoniły przemysł do szukania rozwiązań służących obniżeniu zużycia prądu.

Gdyby wskazać tylko jeden przedmiot, którego ewolucja sprawiła, że zużycie prądu spadło w krótkim czasie najbardziej, byłaby to żarówka. Taką opinię potwierdza prof. Mariusz Malinowski z Instytutu Sterowania i Elektroniki Przemysłowej Politechniki Warszawskiej. Jego zdaniem wynalazki, które w znaczący sposób zmniejszyły zużycie energii elektrycznej, to w głównej mierze zmiana źródła światła z żarowego na LED tj. na diodę elektroluminescencyjną.

Osiem lat temu Marcin Popkiewicz w książce pt. „Rewolucja energetyczna? Ale po co?” pokusił się o porównanie zużycia prądu przez tradycyjną żarówkę żarową, której używaliśmy jeszcze kilkanaście lat temu, a żarówkę LED. – Przyjmijmy, że żarówka o mocy 100 W (0,1 kW) jest włączona średnio przez 5 godzin dziennie (...), przez 350 dni w roku. Zużycie energii wynosi więc 0,1 kW X 5h X 350 = 175 kWh. Przy cenie za 60 groszy za kilowatogodzinę prąd dla tej żarówki kosztuje nas więc około 105 złotych rocznie – wylicza Popkiewicz.

Gdyby autor wykonał swe obliczenie, opierając się na obecnych, średnich stawkach za kilowatogodzinę (1 zł), to wyszłoby mu nie 105 zł, a 175 zł. A jak to się ma to potrzeb nowoczesnej żarówki i rachunku, który wygeneruje obecnie?

LED zużywająca 12,5 W, według symulacji Marcina Popkiewicza, pobierze jedynie maksymalnie 22 kWh, co oznacza koszt, po aktualizacji cen do 2023 r. około 22 zł. Różnica na jednej żarówce współczesnej i tej sprzed rewolucji LED–owej wynosi zatem średnio aż 153 zł rocznie; i to w sytuacji wciąż działającej, rządowej tarczy, dzięki której koszt kilowatogodziny jest niższy od rynkowego o kilkadziesiąt procent. Warto też zauważyć, że w ostatnich kilku latach wzrosła też efektywność i tak już energooszczędnych żarówek LED. Obecnie najlepsze egzemplarze o mocy odpowiadającej 100 W zużyją nie 12,5 W, a jedynie 7,3 W, co oznacza kolejne oszczędności.

Ale diody LED nie służą przecież tylko do oświetlania pomieszczeń. Nowoczesne telewizory wyposażone w tę technologię także pobierają mniej energii od swoich kineskopowych poprzedników CRT (Cathode–Ray Tube). Dla przykładu, mały, bo 21– calowy telewizor z lat 90. ubiegłego wieku szczycił się poborem rzędu 80 W. Prawie dwukrotnie większy, współczesny telewizor zużywa jedynie 50 W. A to nie koniec zmian, bo diody organiczne OLED pozwalają na jeszcze większą redukcję poboru energii, ponieważ gasną, dając naturalny efekt czerni, w scenach, które tego wymagają. Podsumowując kwestię diod LED, warto jeszcze zauważyć, że zanim weszły one do powszechnego użytku, na rynku pojawiły się także energooszczędne świetlówki. Ich wadą był jednak efekt nieprzyjemnego dla oczu migotania i małe oszczędności w sytuacji, gdy potrzeba było często gasić i zapalać światło, bo to wiązało się ze znacznymi stratami energii.

Trudno wymienić wszystkie wynalazki, czy technologie, które w ostatnich 25 latach wpłynęły na zmniejszenie zużycia prądu i zapewne, jeśli będą rozwijane, na dotychczasowych oszczędnościach się nie skończy. Prof. Mariusz Malinowski z Instytutu Sterowania i Elektroniki Przemysłowej w kwestii postępu technologicznego służącemu zmniejszenu wysokości rachunków za prąd, zwraca uwagę na doniosłość zastosowania układów energoelektronicznych, których zadaniem jest optymalizacja zużycia energii elektrycznej. Jak precyzuje naukowiec: w takich układach, jak układy napędu elektrycznego, w ostatnim czasie bazujące głównie na przyrządach półprzewodnikowych SiC i GaN. Prof. Malinowski wymienia też rozwój systemów magazynowania energii elektrycznej oraz rozwój tzw. inteligentnych sieci elektroenergetycznych, które pozwalają na zarządzanie przepływem energii.

Z kolei dr Wacław Strobel, dyrektor Instytutu Technologiczno-Przyrodniczego – Państwowego Instytutu Badawczego (ITP-PIB) w Falentach, podchodzi do tematu bardziej praktycznie i wskazuje konkretne urządzenia wykorzystywane w gospodarstwie domowym, które stały się bardziej energooszczędne, ale i te czekające na przełom. – Domowy sprzęt również się rozwija w stronę oszczędności energii. Lodówki mają lepszą izolację, nadążne sterowanie oraz bardziej sprawne agregaty chłodnicze. Piekarnik na razie nie zadziwia postępem i tutaj powinny zajść zmiany technologiczne. Narzędzia kuchenne, miksery, maszynki do mięsa i inne mechaniczne roboty, niespecjalnie się rozwijają, gdyż tu nie można obniżyć zużywanej mocy, bo silniki muszą wykonać pracę mechaniczną. Są one sprawniejsze niż dawniej, ale technologie w silnikach pozostały niezmienne. Jedyna jaskółka to wykorzystania silników bezszczotkowych i wprowadzenie elektronicznego sterowania tych urządzeń – podkreśla dr Wacław Strobel, kierujący Instytutem w Falentach.

Rzeczywiście silnik bezszczotkowy (bez komutatora i szczotek; magnetyczny lub indukcyjny) na prąd stały to napęd, który w ostatnich latach zdominował większość urządzeń w gospodarstwie domowym. Wyposażone są w niego nie tylko pralki czy zmywarki, ale też suszarki czy odkurzacze. Przykład tych ostatnich potwierdza jednak, że bez większej mocy, nawet z silnikiem bezszczotkowym trudno o wciągnięcie kurzu czy piasku, chyba że urządzenie dysponuje nowoczesnymi systemami, jak np. technologią cyklonową. Kłopot w tym, że najnowocześniejsze z nich tj. te, które niwelują zmniejszony pobór prądu, poprzez zastosowanie nowoczesnych rozwiązań, kosztują krocie. A propos inwestycji w energooszczędność, zadania podliczenia kosztów i zysków wynikających z wymiany sprzętu na energooszczędny podjął się wspomniany wcześniej Marcin Popkiewicz. Wyniki symulacji, jaką przeprowadził ekspert, dają do myślenia.

Marcin Popkiewicz postanowił podliczyć wymianę kilku ważnych sprzętów wpływających na wysokość rachunków. Oprócz wymiany żarówek żarowych na LED (84 zł), dostosowanego do nich żyrandola (150 zł), a nawet komputera (1500 zł), lodówki (1600 zł), a nawet listew zasilających na takie z wyłącznikiem (45 zł) skumulowana kwota inwestycji nie przekroczyła 3400 zł. Przy czym roczne oszczędności, jakie udało się wygenerować ekspertowi za sprawą zakupu produktów o wyższej klasie energetycznej wyniosły 1340 zł, ponieważ zużycie prądu spadło z 3008 kWh do 774 kWh rocznie. Warto jednak pamiętać, że od czasu jego obliczeń minęła 1/3 pokolenia. A to z kolei oznacza dobrą i złą wiadomość. W dobie wysokiej inflacji nie ma obecnie szans, by skończyło się na inwestycji rzędu 3 379 zł. Co prawda żarówki LED kosztują obecnie mniej niż kilka lat temu, ale więcej trzeba zapłacić za listwy, lodówkę czy komputer. Z drugiej strony wzrosła też cena energii elektrycznej. Jeśli zatem ktoś dziś planowałby tego typu inwestycje, mógłby liczyć na wyższą stopę zwrotu, choć jednorazowo wydałby więcej. Być może nawet miałoby sens kupienie także nowej pralki, już ze wspomnianym silnikiem inwerterowym oraz średniej wielkości, na obecne standardy, telewizora LED (50 cali) lub OLED (48 cali) – odbiornik w takim rozmiarze pozwoli bowiem na stosunkowo niski pobór prądu rzędu 67 kWh rocznie (przy założeniu, że jest włączony około cztery godziny dziennie).

Uwaga dr Wacława Strobla o braku przełomu w kwestii zmniejszenia energochłonności niektórych urządzeń domowych nie powinna przejść bez echa. W istocie, jeśli przyjrzymy się piekarnikom czy płytom grzejnym, redukcja zużycia energii w ostatnich 25 latach jest stosunkowo niewielka. Nie można jednak pominąć kilku wynalazków, dzięki którym może być taniej. Są o tyle ważne, że dotyczą najbardziej prądożernych urządzeń w każdym gospodarstwie domowym. Pierwszy z nich to kuchnia indukcyjna (z polem magnetycznym), energochłonna, ale i tak bardziej energooszczędna od zwykłej kuchni elektrycznej/ceramicznej. Drugi to płyta gazowa, a raczej wypierająca ją polska technologia eksportowa – gaz pod szkłem. Ten ostatni system obecny na rynku od niedawna pozwala nie tylko zdywersyfikować źródła energii w gospodarastwie domowym, ale także obniżyć zużycie samego gazu. Tak zwana płyta gazowa bez płomieni potrafi pobrać nawet do 50 proc. mniej surowca niż jej tradycyjna odpowiedniczka. Minusem tej technologii jest jednak wciąż jej wysoka cena przekraczająca nawet trzykrotnie kwotę zakupu bardziej powszechnego rozwiązania.

Jednym z największych wyzwań mieszkańców rejonów, gdzie występują jeszcze chłodniejsze pory roku jest ogrzanie mieszkania i domu. Jako że o panelach fotowoltaicznych i pompach ciepła, które dokonują w tej kwestii rewolucji na naszych oczach, powiedziano już niemal wszystko, to warto oddać głos ekspertowi, który w cytowanym już kilka razy opracowaniu udowodnił, że oszczędzanie energii, dzięki nowym technologim, może przynieść efekty.

– Potrafimy dziś budować domy, których prawie nie trzeba ogrzewać. Jeśli zbuduje się dom dobrze zaizolowany, bez mostków termicznych, na płycie fundamentowej, szczelny, z wentylacją z czujnikami CO2 i z dobrze przemyślaną bryłą, to roczny koszt ogrzewania prądem domu o powierzchni 120 m² wyniesie 600 złotych - twierdzi Popkiewicz.

A jeśli ktoś dobrze zaprojektuje także system fotowoltaiczny połączony oczywiście z pompą ciepła, to zużycie prądu systemowego może spaść nawet do zera. Gdyby jedszcze powszechnie dostępne były okna z szybami pobierającymi prąd i perowskity, to można by było w ten sposób rozwiązać problemy także mieszkańców blokowisk, którym trudniej montować panele słoneczne na elewacjach budynków. Czy właśnie te technologie zdecydują o kolejnym przełomie?

Zastanawiając się nad tym, czy w kolejnym pokoleniu można liczyć na tak duże redukcje zużycia prądu, jak w ostatnich 25 latach warto wrócić do początku, by przypomnieć sobie, że większość z omówionych tu technologii powstała kilkadziesiąt lat wcześniej. Być może zatem te, które rozwijane są obecnie przyniosą zmiany w kolejnej perspektywie. Nie można jednak wykluczyć również przyspieszenia zmian. Optymistą w tej kwestii wydaje się być dr Wacław Strobel.

– Oczekujemy na jeszcze wydajniejsze źródła światła. Na przykład światło laserowe może być szerzej wykorzystywane po rozwinięciu technologii laserów, ich miniaturyzacji oraz po obniżeniu ich ceny. Patrząc futurystycznie, to brakuje nam wielkopowierzchniowych źródeł światła, które mogłyby pełnić rolę świecącego sufitu lub ściany. ale technologia ekranów aktywnych już jest rozwijana i niedługo powitamy w domach żarówki w formie ściany – przewiduj dr Strobel.

Optymizm eksperta co do szybkości wdrażania nowych technologii wydaje się mieć mocne podstawy. Już w przyszłym roku można się spodziewać pierwszych ekranów wykorzystujących jeszcze bardziej energooszczędne niż LED czy OLED diody PHOLED (technologia fosforyzujących organicznych diod elektroluminescencyjnych). Ten nowy OLED z niebieskim, fosporyzującym subpikselem sprawi, że telewizor, smartfon czy monitor nie tylko tylko zużyje mniej prądu, ale będzie też bardziej wydajny. A to przecież tylko rozwój znanej już technologii.

Nowe wynalazki wydają się być niezbędne kolejnym pokoleniom, choćby z uwagi na rosnące zużycie prądu. Jak można wnioskować z analiz Międzynarodowej Agencji Energetycznej, w najbliższych kilku latach wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną przyspieszy średnio nawet do trzech procent. Według Michała Wojtyło, wicedyrektora Centrum Analiz Klubu Jagiellońskiego, większego zapotrzebowania na prąd należy spodziewać się także w Polsce.

– W przyjętym w listopadzie 2022 r. planie rozwoju sieci przesyłowych Polskich Sieci Elektroenergetycznych (PSE) wyraźnie widać, że oczekiwany jest znaczący wzrost zużycia energii elektrycznej w perspektywie do 2050 r., kiedy zapotrzebowanie ma sięgać 300-500 TWh (dla porównania w 2021 r. było to 174 TWh). Według tego dokumentu wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną netto może wynosić 1,7 proc. średniorocznie (w wariancie bazowym) – komentuje Michał Wojtyło.

Ekspert łączy spodziewany wzrost zapotrzebowania na prąd z prognozowanym rozwojem gospodarczym w Unii Europejskiej i jednocześnie zwraca uwagę na to, że zużycie może być nieco niwelowane postępem technologicznym.

– Dla zobrazowania skomplikowania sytuacji warto pokazać duński przykład – komentuje Wojtyło. W krajowym planie na rzecz energii klimatu Dani jest wprost napisane o wzroście zużycia energii w perspektywie 2030 r., co jest wyjaśnione prognozowanym wzrostem gospodarczym (...). Jednak ambitne działania w zakresie efektywności energetycznej i już poczynione starania w tym obszarze powodują, że co roku Dania będzie jednym z liderów w oszczędzaniu energii, nawet jeśli zużycie jej ogółem będzie powoli rosnąć – wyjaśnia.

Jak podkreśla ekspert Instytutu Jagiellońskiego, pokazuje to jak mocno nadal rozwój gospodarczy jest związany ze wzrostem zużycia energii i ogólnie wykorzystaniem zasobów. – Zapowiadany od lat decoupling (dop. red.: „odklejenie się” wzrostu zużycia energii od rozwoju gospodarczego) w tej sferze nadal się nie wydarzył, pomimo postępu technologicznego – podsumowuje.