Praca zespołu badawczego pod przewodnictwem Zihenga Zhu, opublikowana w magazynie Nature Energy, wzbudziła ogromne zainteresowanie na całym świecie, także w Polsce. Bliższe przyjrzenie się inżynieryjnym i ekonomicznym fundamentom tego modelu każe postawić fundamentalne pytania o jego wiarygodność i rzekomą oczywistość globalnie realizowanej dekarbonizacji…
Publikacja zatytułowana „Integrated planning of net-zero power systems for all” odbiła się szerokim echem wśród entuzjastów pogodo-zależnych, niestabilnych źródeł energii (nOZE), a jej bezkrytyczne opisy pojawiły się m.in. na łamach „Rzeczpospolitej” oraz portalu „Wszystko Co Najważniejsze”. Tekst ten prezentowano niemal jako ostateczny, naukowy dowód na to, że globalna i całkowita dekarbonizacja jest nie tylko prosta, ale i niezwykle tania. Choć sam rozmach analityczny i zaawansowanie matematyczne autorów budzą szczery podziw, to bliższe przyjrzenie się inżynieryjnym i ekonomicznym fundamentom tego modelu każe postawić fundamentalne pytania o jego wiarygodność.
Jak działa model GISPO?
Aby zrozumieć, skąd naukowcy czerpią tak optymistyczne wnioski, należy uprościć skomplikowaną architekturę ich autorskiego narzędzia GISPO (Global Integrated Power System Optimization). Model GISPO dzieli całą kulę ziemską na tysiące małych komórek geograficznych. Następnie algorytm analizuje gigantyczne bazy danych meteorologicznych (jak mocno wieje wiatr i ile słońca dociera do danej komórki) oraz szacuje zapotrzebowanie na prąd dla każdego regionu w 2050 roku. Na tej podstawie komputer wykonuje tzw. optymalizację liniową – czyli szuka matematycznie najtańszego układu: gdzie postawić farmę wiatrową, gdzie panele słoneczne, a gdzie pociągnąć kabel przesyłowy, aby system się zbilansował. To imponujące ćwiczenie akademickie, które jednak zakłada, że światem rządzi czysta statystyka, a nie twarda inżynieria sieciowa i geopolityka.
Dwa światy roku 2050: Porównanie scenariuszy
Główna oś analizy opiera się na zestawieniu dwóch wizji przyszłości globalnego miksu energetycznego do 2050 roku. Obie zakładają zaspokojenie tego samego globalnego popytu na energię (~58,3 tys. TWh; dla porównania polskie roczne zapotrzebowanie to ok. 170 TWh), ale na zupełnie innych zasadach.
Scenariusz BASE (Net-Zero): Świat z bezwzględnym wymogiem osiągnięcia zerowej emisji CO2 netto. System opiera się w ponad 70% na źródłach odnawialnych nOZE.
Scenariusz WithoutEmisCap (Bez limitów): Świat czysto rynkowy, w którym model nie posiada żadnych ograniczeń klimatycznych i paliwa kopalne mogą być spalane bez limitu, o ile stanowią najtańszą opcję.
Struktura globalnych mocy wytwórczych w obu scenariuszach wraz z przyjętymi przez model współczynnikami wykorzystania mocy (Capacity Factor – CF), czyli realną średnioroczną produkcją energii przez daną technologię, wygląda następująco:
Scenariusz BASE (Net-Zero): Całkowita moc: 26,10 TW; Słońce (PV): 13,38 TW, (CF: 17,0%); Wiatr: 6,37 TW (CF: 40,7%); Paliwa kopalne (Węgiel/Gaz): 3,21 TW (CF: 6,0%); Energetyka wodna: 1,64 TW (CF: 39,6%); Atom: 1,33 TW (CF: 88,9%); Biomasa i inne: 0,17 TW (CF: 66,7%); Magazyny energii: 4,94 TW mocy (22,20 TWh pojemności).
Scenariusz WithoutEmisCap (Bez limitów): Całkowita moc: 18,00 TW; Paliwa kopalne (Węgiel/Gaz): 5,10 TW (CF: 78,3%); Wiatr: 5,50 TW (CF: ~7,9%); Słońce (PV): 4,50 TW (CF: ~8,9%); Energetyka wodna: 1,60 TW (CF: ~42,8%); Atom: 1,29 TW (CF: ~87,8%); Biomasa i inne: 0,01 TW (CF: ~20,0%); Magazyny energii: 1,50 TW mocy (6,50 TWh pojemności).
Błądzenie algorytmu, czyli kiedy optymalizacja mija się z racjonalnością
Analiza założeń dotyczących współczynników wykorzystania mocy CF w obu scenariuszach ujawnia głęboką słabość przyjętych założeń modelu. W przypadku modelu BASE autorzy przyjmują wyjątkowo wysokie współczynniki CF dla źródeł odnawialnych (wiatr morski aż do 50,5%, fotowoltaika do 17,5%). Zderzenie tych liczb z rzeczywistością bywa bolesne. Przykładowo w Niemczech, uśredniony roczny CF dla fotowoltaiki wynosi zaledwie 9–10%, a dla energetyki wiatrowej na lądzie rzadko przekracza 22%. Sztuczne zawyżenie tych wskaźników w modelu wynika zapewne z braku uwzględnienia niekorzystnego wpływu erozji, zabrudzeń, starzenia się komponentów czy efektu „kradzieży wiatru” (wake effect) przez sąsiadujące turbiny.
Z kolei w scenariuszu bez limitów (WithoutEmisCap) wyniki CF dla wiatru i słońca drastycznie spadają w okolice zaledwie 8%. Algorytm projektuje tam ogromną flotę paneli i wiatraków (łącznie aż 10 TW), jednocześnie skazując je na bezczynność przez ponad 90% roku. Dlaczego tak się dzieje? Ponieważ model zakłada ekstremalnie niskie koszty inwestycyjne (CAPEX) dla nOZE w 2050 roku. Komputerowi opłaca się matematycznie „postawić” tysiące turbin tylko po to, by darmową energią ścinać szczyty zapotrzebowania w rzadkich momentach idealnej pogody, oszczędzając na paliwie. Pokazuje to jaskrawy dowód na to, że algorytm optymalizuje, ale nie racjonalizuje. Komputer ślepo goni za lokalnym minimum kosztowym w równaniu, całkowicie ignorując zdroworozsądkowy i inżynieryjny absurd budowy potężnej, fizycznej infrastruktury, która przez 92% czasu ma stać bezużyteczna. Żaden realny inwestor nie wydałby miliardów na infrastrukturę, która głównie rdzewieje.
Dlaczego scenariusz BASE jest w praktyce niewykonalny?
Doceniając wysiłek obliczeniowy scenariusza BASE, nie sposób pominąć skali potężnych wyzwań infrastrukturalnych, które czynią go utopijnym.
Po pierwsze: drastyczne przewymiarowanie floty. Aby obsłużyć to samo globalne zapotrzebowanie, scenariusz BASE wymaga wybudowania aż 26,1 TW łącznych mocy, podczas gdy scenariusz oparty na paliwach kopalnych zamyka się w 18 TW. Należy jednak stanowczo podkreślić, że ta druga wartość jest sztucznie zawyżona przez wspomniany błąd algorytmu. Jeśli zracjonalizujemy scenariusz bez limitów i założymy, że słońce i wiatr są tam budowane z głową – czyli tylko w miejscach gwarantujących wysoką efektywność znaną z BASE (PV = 16,7%, Wiatr = 45%) – wymagana moc zainstalowana tego systemu drastycznie spada. Do wyprodukowania tej samej ilości zielonej energii zamiast 4,5 TW fotowoltaiki wystarczy 2,15 TW, a zamiast 5,5 TW wiatru – zaledwie 0,98 TW. Po odcięciu tej wirtualnej, zbędnej mocy okazuje się, że realna, efektywna flota w scenariuszu rynkowym wynosi nie 18 TW, a 11,15 TW. Oznacza to, że realne przewymiarowanie systemu Net-Zero (BASE) wynosi nie 45%, ale aż 134%! Chiński model GISPO, poprzez upchnięcie olbrzymiej ilości niedziałających wiatraków do scenariusza odniesienia, sprytnie zamaskował potworną cenę materiałową i surowcową, jaką świat musiałby zapłacić za dekarbonizację. W rzeczywistości system BASE wymaga ponad dwukrotnego (2,34x) zwiększenia globalnej floty elektroenergetycznej względem systemu racjonalnego.
Po drugie: model przewiduje gigantyczną flotę magazynów energii o pojemności 22,2 TWh. W rzeczywistości wyprodukowanie baterii na taką skalę wymagałoby otwarcia tysięcy nowych, wielkoobszarowych kopalń litu, kobaltu, niklu i miedzi. Co kluczowe, autorzy całkowicie zignorowali elastyczność cenową podaży surowców. Jak regularnie ostrzegają instytucje takie jak IEA czy MFW, tak gwałtowny skok popytu na krytyczne minerały wywoła długotrwały szok podażowy i wywinduje ceny surowców do historycznych maksimów. To z kolei zniszczyłoby założenie o tanim magazynowaniu, drastycznie podnosząc koszty samych baterii.
Po trzecie: algorytm zakłada bezproblemową budowę 6300 TW-km linii przesyłowych, z czego aż 3200 TW-km to nowe międzynarodowe połączenia wysokiego napięcia. Aby to działało, energia z Sahary musi bez przeszkód płynąć do Europy, a prąd z Tybetu zasilać całe wybrzeże Chin. Koncepcja ta całkowicie ignoruje ryzyka geopolityczne, wojny handlowe i dążenie państw do suwerenności energetycznej. Zakłada utopijną, przyjazną współpracę wszystkich ze wszystkimi.
Jednak najbardziej kontrowersyjnym wnioskiem autorów jest twierdzenie, że średni systemowy koszt energii (SCOE) w zielonym świecie BASE (49 USD/MWh) będzie wyższy o zaledwie 11,5% od świata bez limitów emisyjnych (43,3 USD/MWh). Z punktu widzenia ekonomii i fizyki wynik ten jest niewiarygodny. Przejście na system w 70% zależny od pogody generuje koszty w sposób nieliniowy (potęgowy). Ponadto model zakłada, że globalny curtailment (czyli marnowanie nadwyżek energii z pogodo-zależnych źródeł poprzez ich odcinanie) uda się utrzymać na poziomie poniżej 5%. Rzeczywistość brutalnie weryfikuje to założenie. W Niemczech w 2025 roku, przy udziale źródeł niestabilnych (wiatr i PV) na poziomie ok. 45% w zapotrzebowaniu sieci publicznej, operatorzy musieli odciąć i zmarnować aż 9,3 TWh „zielonej” energii. Oznacza to, że już przy obecnym poziomie penetracji Niemcy marnują ponad 4% produkowanej z nOZE energii, borykając się z ponad 570 godzinami cen ujemnych i ratując swój bilans roczny importem netto na poziomie blisko 22 TWh. Skoro jeden z najbardziej rozwiniętych technologicznie krajów świata przy udziale nOZE rzędu ~45% doświadcza tak silnych perturbacji sieciowych, to założenie, że przy globalnym udziale źródeł niestabilnych przekraczającym 70% uda się utrzymać curtailment na poziomie „poniżej 5%” bez gigantycznych, potęgowych kosztów bilansowania, jest matematyczną fikcją oderwaną od realiów fizycznych.
Geopolityczny zgrzyt: Zielona teoria kontra węglowa praktyka
Na koniec warto pochylić się nad subtelną, lecz niezwykle wymowną ironią natury polityczno-geograficznej. Badanie zostało sfinansowane i przeprowadzone głównie przez naukowców z Uniwersytetu Tsinghua w Pekinie – kuźni kadr chińskiego sektora państwowego i technologicznego. Praca chińskich badaczy dostarcza społeczności międzynarodowej piękny, podparty autorytetem Nature, matematyczny dowód na to, jak tanio i bezpiecznie reszta świata może (a wręcz powinna) zrezygnować z węgla i gazu na rzecz wiatraków i paneli. Tymczasem rzeczywiste działania Pekinu piszą zupełnie inny scenariusz. Z oficjalnych danych monitorujących rynek (GEM, CREA) wynika, że w samym tylko 2024 roku Chiny osiągnęły 10-letnie maksimum pod względem budowy nowych elektrowni węglowych, a w 2025 roku oddały do użytku kolejne 78 GW nowych mocy węglowych, planując lub reaktywując ponad 161 GW kolejnych projektów. Państwo Środka buduje potężną flotę nOZE, ale traktuje ją jako dodatek, podczas gdy fundamentem ich bezpieczeństwa i przewagi przemysłowej pozostaje stabilna, tania i sterowalna baza oparta na paliwach kopalnych.
Publikowanie przez czołowy pekiński instytut modeli zachęcających świat do kosztownego, ryzykownego eksperymentu transformacyjnego – podczas gdy własna gospodarka jest w tym samym czasie potężnie betonowana nowym węglem – rzuca na to skądinąd imponujące akademickie opracowanie głęboki, geopolityczny cień podejrzeń.
***
FOT. Zrzut strony Nature Energy z omawianym tekstem.