Jak může Indie dekarbonizovat svůj uhelný energetický systém?

V boji proti klimatickým změnám se Indie zavázala k redukci emisí skleníkových plynů. Její úspěch je klíčový, neboť v roce 2023 byla třetím největším znečišťovatelem na světě. Indická vláda si stanovila za cíl dosažení nulových emisí do roku 2070.

K naplnění tohoto slibu bude Indie muset dekarbonizovat svůj energetický systém, což představuje velkou výzvu. Až 60 % indické elektřiny pochází z uhelných elektráren s extrémně nízkou účinností. Situaci zhoršuje i očekávané zdvojnásobení poptávky po elektřině v příštím desetiletí, způsobené růstem populace a zvýšeným využíváním klimatizací, elektromobilů a dalších technologií.

Přes ambiciózní cíle indická vláda zatím nepředstavila žádný konkrétní plán. Podobně jako v jiných zemích, i Indie nadále povoluje výstavbu nových uhelných elektráren a prodlužuje životnost stávajících zařízení.

K definování efektivního a realistického plánu dekarbonizace je nutné zodpovědět několik klíčových otázek. Indie již rychle rozvíjí solární a větrnou energetiku. Jaké možnosti pro další rozvoj obnovitelných zdrojů existují? Je možné zmodernizovat stávající uhelné elektrárny a výrazně snížit jejich emise skleníkových plynů? A liší se odpovědi na tyto otázky v různých regionech Indie?

V rámci projektu financovaného společností IHI Corp. prostřednictvím MIT Energy Initiative (MITEI) se Yifu Ding a její kolegové pustili do zodpovězení těchto otázek. Nejprve s pomocí strojového učení určili účinnost všech 806 uhelných elektráren v Indii a následně zkoumali dopad různých přístupů k dekarbonizaci na skladbu elektráren a ceny elektřiny v roce 2035 při zohlednění stále přísnějších limitů na emise.

První krok: Vytvoření potřebné datové sady

Významnou překážkou při tvorbě plánu dekarbonizace byla absence úplné datové sady popisující indické elektrárny. Předchozí studie sice plány navrhovaly, ale nebraly v úvahu velké regionální rozdíly v uhelných elektrárnách. „Proto jsme nejprve museli vytvořit datovou sadu zahrnující všechny provozované uhelné elektrárny v Indii. Taková datová sada v dostupné literatuře chyběla,“ vysvětluje Ding.

Pro efektivní plánování rozšiřování energetické soustavy je nutné znát účinnost všech elektráren. V této studii výzkumníci použili jako metrikum „station heat rate“, standardní měření celkové účinnosti elektrárny. Aby bylo možné při plánování rozšíření kapacity vypočítat spotřebu paliva a výkon elektrárny, je nutné znát „station heat rate“ každé elektrárny.

Účinnost některých indických uhelných elektráren byla zaznamenána před rokem 2022, a proto Ding a její tým použili modely strojového učení k predikci účinnosti všech aktuálně provozovaných elektráren. V roce 2024 vytvořili a zveřejnili online první komplexní, open-source datovou sadu pro všech 806 elektráren ve 30 indických regionech. Tato práce získala cenu MIT Open Data Prize 2024. Datová sada obsahuje informace o výkonu, účinnosti, stáří, provozním faktoru (míra využití elektrárny), vodní zátěži a dalších parametrech každé elektrárny.

Elektrárny byly dále kategorizovány podle typu kotle. „Superkritické“ elektrárny pracují při relativně vysoké teplotě a tlaku, což zvyšuje jejich termodynamickou účinnost a produkci elektřiny na jednotku paliva. „Subkritické“ elektrárny pracují při nižší teplotě a tlaku, a jsou tedy méně účinné. Většina indických uhelných elektráren jsou stále subkritické elektrárny s nízkou účinností.

Další krok: Zkoumání možností dekarbonizace

S detailní datovou sadou o všech uhelných elektrárnách v Indii se výzkumníci pustili do zkoumání možností reakce na zpřísňování limitů emisí uhlíku. Pro analýzu použili platformu GenX, vyvinutou v MITEI k pomoci rozhodovatelům při investicích a plánování budoucnosti energetických systémů.

Ding vytvořila model GenX na základě indického energetického systému z roku 2020, včetně detailů o každé elektrárně a přenosové síti ve 30 regionech. Zahrnula i cenu uhlí, potenciál pro výstavbu větrných a solárních elektráren a další regionální charakteristiky. Na základě zadaných parametrů model GenX vypočítá nejlevnější kombinaci zařízení a provozních podmínek, která dokáže uspokojit budoucí poptávku a zároveň splnit specifikované politické omezení, včetně limitů emisí uhlíku. Model a všechny datové zdroje byly zveřejněny jako open-source nástroje.

Ding a její kolegové – Dharik Mallapragada, bývalý hlavní výzkumník v MITEI, nyní asistent profesor chemické a biomolekulární energie na NYU Tandon School of Engineering a hostující vědec MITEI; a Robert J. Stoner, zakládající ředitel MIT Tata Center for Technology and Design a bývalý zástupce ředitele MITEI pro vědu a technologii – poté použili model k prozkoumání možností uspokojení poptávky v roce 2035 při postupně přísnějších limitech emisí uhlíku, přičemž zohlednili regionální rozdíly v účinnosti elektráren, ceně uhlí a dalších faktorech. Své metody a výsledky popisují v článku publikovaném v časopise Energy for Sustainable Development.

V samostatných simulacích zkoumali plány zahrnující různé kombinace stávajících uhelných elektráren, možných nových obnovitelných zdrojů a další faktory, aby zjistili jejich výsledek v roce 2035. Konkrétně předpokládali následující čtyři scénáře vývoje sítě:

Základní scénář: Základní scénář předpokládá omezený rozvoj větrné a solární energie a nezahrnuje modernizaci elektráren, reprezentuje tak vývoj bez zásahů.

Vysoká kapacita obnovitelných zdrojů: Tento scénář počítá s rozvojem větrné a solární energie bez omezení dodavatelských řetězců.

Spalování biomasy: Tento scénář předpokládá stejné limity obnovitelných zdrojů jako základní scénář, ale všechny uhelné elektrárny (subkritické i superkritické) mohou být zmodernizovány pro spalování biomasy, kdy čistě hořící biomasa nahrazuje část uhelného paliva. Některé indické uhelné elektrárny již spalují biomasu společně s uhlím, takže tato technologie je známá.

Zachycování a ukládání uhlíku + spalování biomasy: Tento scénář vychází ze stejných předpokladů jako spalování biomasy s jedním doplňkem: všechny vysoce účinné superkritické elektrárny jsou také zmodernizovány pro zachycování a ukládání uhlíku (CCS), technologii, která zachycuje uhlík z výfukových plynů elektrárny a připravuje jej k trvalému uložení. CCS se v Indii dosud nepoužívá. Tato studie specifikuje zachycení 90 % veškerého uhlíku z výfukových plynů elektrárny.

Ding a její tým zkoumali plánování energetického systému v každém ze scénářů a při čtyřech předpokladech o limitech emisí uhlíku: žádný limit (současná situace); 1 000 milionů tun (Mt) emisí oxidu uhličitého (CO₂), což odráží indické cíle pro rok 2035; a dva ambicióznější cíle, konkrétně 800 Mt a 500 Mt. Pro kontext, emise CO₂ z indického energetického sektoru v roce 2021 dosáhly přibližně 1 100 Mt. (Rozšiřování přenosové sítě je povoleno ve všech scénářích.)

Hlavní zjištění

Předpoklad přijetí limitů emisí uhlíku ve čtyřech scénářích vygeneroval širokou škálu detailních numerických výsledků. Souhrnné výsledky však ukazují zajímavé trendy v optimální skladbě generujících kapacit a ceně elektřiny v různých scénářích.

I bez limitů na emise uhlíku bude většina nových kapacit pocházet z větrných a solárních elektráren – nejlevnější možnosti rozšiřování indické energetické kapacity. To se v Indii v současnosti pozoruje. Zvýšená poptávka po elektřině však bude stále vyžadovat výstavbu některých nových uhelných elektráren. Výsledky modelu ukazují 10–20% nárůst kapacity uhelných elektráren do roku 2035 oproti roku 2020.

V základním scénáři se obnovitelné zdroje rozvíjejí do maximální povolené míry, což znamená, že další rozvoj by byl ekonomicky výhodný. Buduje se větší kapacita uhelných elektráren a s přísnějším limitem emisí se investuje i do elektráren na zemní plyn a do baterií, které pomáhají kompenzovat velký podíl kolísavé solární a větrné energetiky. Při limitu 500 Mt emisí uhlíku jsou náklady na výrobu elektřiny dvojnásobné oproti scénáři bez limitu.

Scénář s vysokou kapacitou obnovitelných zdrojů snižuje rozvoj nových uhelných kapacit a produkuje nejnižší ceny elektřiny ze všech čtyř scénářů. Při nejpřísnějším limitu – 500 Mt – hrají důležitou roli pozemní větrné farmy při snižování nákladů. „Jinak by bylo dosažení tak přísných omezení uhlíku velmi drahé,“ poznamenává Ding. „Některé uhelné elektrárny, které zůstanou v provozu, fungují jen několik hodin ročně, takže jsou neefektivní a finančně neudržitelné. Ale stále musí být k dispozici pro podporu větrné a solární energie.“ Vysvětluje, že jiné záložní zdroje elektřiny, jako jsou baterie, jsou ještě nákladnější.

Scénář spalování biomasy předpokládá stejný limit kapacity obnovitelných zdrojů jako základní scénář, a výsledky jsou velmi podobné, částečně proto, že biomasa nahrazuje jen malou část (pouze 20 %) uhelného paliva. „Tento scénář by se nejvíce podobal současné situaci v Indii,“ říká Ding. „Nesníží náklady na elektřinu, takže v podstatě říkáme, že přidání této technologie neefektivně přispívá k dekarbonizaci.“

CCS plus spalování biomasy je však jiný příběh. Předpokládá také limity rozvoje obnovitelných zdrojů, přesto je druhou nejlepší volbou z hlediska snižování nákladů. Při limitu 500 Mt emisí CO₂ produkuje modernizace pro CCS a spalování biomasy 22% snížení nákladů na elektřinu oproti základnímu scénáři. S přísnějším limitem emisí uhlíku tato možnost snižuje rozvoj elektráren na zemní plyn a výrazně zlepšuje celkové využití uhelných elektráren. Toto zvýšené využití „znamená, že uhelné elektrárny přecházejí z pouhého uspokojování špičkové poptávky na dodávky části základního zatížení, což sníží náklady na výrobu elektřiny,“ vysvětluje Ding.

Některé obavy

Ačkoli jsou tyto trendy poučné, analýzy také odhalily některé obavy, které by Indie měla zvážit, zejména u dvou přístupů, které vedly k nejnižším cenám elektřiny.

Scénář s vysokou kapacitou obnovitelných zdrojů je, jak poznamenává Ding, „velmi ideální“. Předpokládá, že rozvoj větrné a solární energie nebude nijak omezen, a proto nebudou žádné problémy s dodavatelskými řetězci, což je nereálné. Ještě důležitější je, že analýzy ukázaly, že tento přístup by vytvořil nerovnoměrné investice do obnovitelných zdrojů v 30 regionech. Zdroje pro pozemní a mořské větrné elektrárny jsou soustředěny v několika regionech na západě a jihu Indie. „Všechny větrné elektrárny by se tak budovaly v těchto regionech, v blízkosti bohatých měst,“ říká Ding. „Chudší města na východě, kde se nacházejí uhelné elektrárny, by dostaly jen malé investice do obnovitelných zdrojů.“

Takže přístup, který je nejlepší z hlediska nákladů, není nejlepší z hlediska sociálního blahobytu, protože má tendenci více prospívat bohatým regionům než chudým. „Vláda bude muset zvážit kompromis mezi energetickou spravedlností a náklady,“ říká Ding. Zavedení cílů pro výrobu energie z obnovitelných zdrojů na úrovni jednotlivých států by mohlo podpořit rovnoměrnější rozdělení instalace obnovitelných kapacit. Také při plánování rozšiřování přenosové sítě by koordinace mezi provozovateli energetických systémů a investory do obnovitelných zdrojů v různých regionech mohla pomoci dosáhnout nejlepšího výsledku.

CCS plus spalování biomasy – druhá nejlepší možnost pro snížení cen – řeší problém rovnosti, a předpokládá realističtější úroveň přijetí energie z obnovitelných zdrojů. CCS se však v Indii nepoužívá, takže neexistuje žádná zkušenost s náklady. Výzkumníci proto své odhady nákladů založili na cenách CCS v Číně a poté zvýšili požadované investice o 10 %, což je „první-v-druhu“ index vyvinutý americkou Agenturou pro informační energii. Na základě těchto nákladů a dalších předpokladů výzkumníci docházejí k závěru, že uhelné elektrárny s CCS by mohly být v provozu do roku 2035, kdy limit emisí uhlíku pro energetiku bude nižší než 1 000 Mt.

Ale bude CCS skutečně realizováno v Indii? Ačkoli se diskutuje o použití CCS v těžkém průmyslu, indická vláda neoznámila žádné plány na zavedení této technologie v uhelných elektrárnách. Indie je v současnosti „velmi konzervativní ohledně CCS,“ říká Ding. „Někteří výzkumníci říkají, že CCS se nestane, protože je příliš drahé, a dokud nebude existovat žádné přímé využití zachyceného uhlíku, jediné, co se dá dělat, je ukládat ho do země.“ Dodává: „Je opravdu kontroverzní diskutovat o tom, zda bude CCS v Indii realizováno v příštích 10 letech.“

Ding a její kolegové doufají, že ostatní výzkumníci a politici – zejména ti, kteří pracují v rozvojových zemích – budou moci těžit z přístupu k jejich datovým sadám a ze znalosti jejich metod. Na základě jejich zjištění pro Indii zdůrazňuje důležitost porozumění detailní geografické situaci v zemi, aby bylo možné navrhovat plány a politiky, které jsou jak realistické, tak spravedlivé.