PV a stabilność systemu elektroenergetycznego

Zużycie energii w Polsce

Jak poinformowały Polskie Sieci Elektroenergetyczne 12 lutego 2021 r. o godzinie 10:45 w szczycie porannym miało w Polsce miejsce rekordowe, najwyższe w historii zapotrzebowanie na moc w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE). Wyniosło ono 27617 MW. Szczytowe zapotrzebowanie oznacza konieczność uruchomienia rezerw. Wymagana jest w tym przypadku duża elastyczność związana z koniecznością nagłego zwiększania dostaw mocy.

Pod tym względem szczególnie kłopotliwe są odnawialne źródła energii, bo pracą większości z nich możemy sterować jedynie w bardzo ograniczonym stopniu. Polska zaś będzie podążać za trendami globalnymi, rozwijając bazę wytwórczą prądu w oparciu o OZE. Na przykład w 2020 r. TAURON Dystrybucja przyłączył do swojej sieci ponad 97 tys. mikroinstalacji PV. Ich liczba z roku na rok rośnie. Według szacunków Tauron Dystrybucja, w 2021 r. będzie o około 20% więcej przyłączy fotowoltaicznych niż w 2020 r., co odpowiada ok. 120 tys. urządzeń. Znaczące nasycenie mikroinstalacji dodawanych do sieci oraz niekiedy niewłaściwe ustawienia falowników mogą wpływać na stabilność pracy sieci elektroenergetycznej. Wprowadzanie energii do sieci, zamiast jej odbierania może w pewnych sytuacjach powodować problemy z napięciem, powodujące czasowe wyłączanie części mikroinstalacji PV. W pewnych sytuacjach może zaś dojść do awarii samej sieci.

Polska nie jest jedynym krajem w regionie, który mierzy się z tymi problemami. Według danych Europejskiej Agencji Środowiska (European Environment Agency – EEA) UE jest bliska osiągnięcia celu, jakim jest 20% zużywanej energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych. Zużycie energii ze źródeł odnawialnych w latach 2018–2019 wzrosło z 18,9% do 19,7% całkowitego zużycia energii. W Polsce rząd przyjął Krajowy Plan na Rzecz Energii i Klimatu na lata 2021-2030. W dokumencie tym Polska zadeklarowała osiągniecie do 2030 r. 21-23% udziału OZE w finalnym zużyciu energii brutto. Obecnie w strukturze mocy zainstalowanej w Polsce OZE dominuje wiatr. W sierpniu 2021 r. moc zainstalowana źródeł wiatrowych stanowiła najwięcej, bo 46% wszystkich mocy odnawialnych źródeł energii, jednak na drugim miejscu znajduje się fotowoltaika dostarczająca już 40% mocy OZE.

Problem niezbilansowania wytworzonej energii w miejscu jej wyprodukowania

Problemy związane ze stabilnością sieci energetycznych dotyczą zwłaszcza przypadków znaczącego niezbilansowania wytworzonej energii w miejscu jej wyprodukowania. Najwięcej trudności powoduje zagęszczenie liczby mikroinstalacji w okolicy. Problem ten dotyczy zwłaszcza instalacji PV, w których czas największej zdolności wytwórczej nie pokrywa się z okresem najwyższej konsumpcji energii elektrycznej.

Operatorzy systemów energetycznych przewidują, że w kolejnych latach mogą się pojawić ograniczenia techniczne oraz ograniczenia możliwości konsumpcji energii wyprodukowanej z odnawialnych źródeł na terenach o dużej liczbie inwestycji w mikroinstalacje fotowoltaiczne. Reagując na ten problem operatorzy dążyć będą do tego, by zmiany prawne zachęcały prosumentów do maksymalizowania zużycia wyprodukowanej energii w miejscu i czasie jej wytworzenia. Co to oznacza? Potrzebny będzie rozwój systemów magazynowania energii oraz systemów służących do sterowania pracą tego typu źródeł. Z drugiej strony, duże znaczenie dla poprawy sytuacji ma także modernizacja sieci energetycznych umożliwiająca zwiększenie elastyczności i poprawę parametrów infrastruktury.

Problemy z ciągłością produkcji z użyciem OZE

Jedną z uciążliwych wad odnawialnych źródeł energii jest to, że wytwarzana dzięki nim energia jest zależna od warunków pogodowych. Energia wiatrowa i solarna, ale też ta czerpana z prądów morskich określana jest mianem „źródeł energii odnawialnej o zmiennej wydajności”, co w praktyce oznacza, że nie da się zagwarantować ciągłości ich pracy z określoną mocą. W momencie, kiedy OZE stanowią dużą część systemów energetycznych, należy więc liczyć się z częstymi spadkami dostępnej ilości energii w systemie, w skrajnych przypadkach nawet z wyłączeniami znacznych fragmentów sieci. 

Zapewnienie ciągłego dostępu do prądu wszystkim odbiorcom wymaga uzupełniania OZE poprzez elektrownie konwencjonalne. Te nie są jednak dostosowane do tego, by na bieżąco, w sposób dynamiczny, rekompensować pojawiające się luki w dostawach ze źródeł odnawialnych. W szczególności tryb pracy elektrowni węglowych, który w Polsce jest najważniejszym ze źródeł energii, nie jest nastawiony na elastyczność i doraźne uzupełnianie chwilowych braków. Konieczność dostosowania się konwencjonalnych źródeł energii do OZE wiąże się ze zwiększonymi kosztami eksploatacyjnymi oraz pracą elektrowni konwencjonalnych na niekorzystnych parametrach.

Największym problemem przy eksploatacji odnawialnych źródeł energii jest ich nieprzewidywalność. Nie możemy zwiększać lub zmniejszać ich mocy na żądanie. Fot. Depositphotos

Możliwe rozwiązania problemu stabilności energii produkowanej z OZE

Biorąc pod uwagę światowe trendy związane z ograniczaniem śladu węglowego i idące za nim regulacje na poziomie unijnym można założyć, że udział OZE o zmiennym poziomie produkcji w polskiej energetyce będzie rósł. We wrześniu 2020 r. Komisja Europejska w ramach Europejskiego Zielonego Ładu zaproponowała zwiększenie docelowego poziomu redukcji emisji gazów cieplarnianych, z uwzględnieniem emisji i pochłaniania emisji, do co najmniej 55% do 2030 r. w stosunku do poziomu z 1990 r. W dłuższej perspektywie wsparcie integracji OZE z innymi źródłami mocy wymagać będzie bardziej zaawansowanych działań, takich jak tworzenie powiązań między sektorem energii elektrycznej a ciepłownictwem i transportem. Równie istotne będzie także wykorzystywanie możliwości inteligentnego magazynowania energii, w związku ze spadkiem cen tych instalacji. 

Kogeneracja i zamiana źródeł konwencjonalnych na źródła podszczytowe

Przed adaptacją konwencjonalnych źródeł wytwarzania energii do OZE nie ma odwrotu. Polskę w najbliższej perspektywie czeka konieczność lepszego dostosowania się do współdziałania źródeł odnawialnych ze źródłami konwencjonalnymi, w tym ze stanowiącymi podstawę systemu energetycznego, blokami węglowymi. Funkcja tradycyjnych źródeł dostarczania energii ewoluuje w ostatnim czasie właśnie w kierunku zapełniania luk związanych z losową charakterystyką produkcji OZE. Z tego powodu efektywnie działające bloki węglowe w przyszłości powinny zmienić charakter na tzw. źródła podszczytowe, czyli pracujące z ograniczoną mocą i częściej zatrzymywane. Uruchamiane w momencie, kiedy rośnie zapotrzebowanie na moc w całej sieci.

Zachowanie stabilności energetycznej wymaga dostarczania energii z konwencjonalnych źródeł zasilania, ale cechujących się niskim śladem węglowym, co pozwoli uniknąć kar za emisję CO2. Rozwiązaniem może energia pozyskiwana ze źródeł jądrowych lub za pomocą kogeneracji wykorzystującej paliwa alternatywne o niskim śladzie węglowym. Jednostki kogeneracyjne (elektrociepłownie) wytwarzają jednocześnie energię elektryczną i cieplną. Niskie zużycie paliwa oraz oszczędność kosztów takiego procesu sprawiają, że jest to obecnie najefektywniejsza metoda produkcji energii.

Układy CHP (Combiet Heat and Power) pozwalają osiągnąć dużą elastyczność pracy nawet przy zmiennym obciążeniu, zapewniając w ten sposób stabilne wsparcie dla źródeł odnawialnych. Co istotne, produkcja energii może odbywać się w taki sposób, by zachować czystość produkowanej energii. W spalaniu już teraz można wykorzystywać paliwa takie jak wodór lub biometan. Zasadniczą zaletą tych paliw jest przy tym możliwość szybkego zwiększenia lub ograniczenia mocy opalanych nimi generatorów. Jednak w przypadku innych paliw, np. biomasy drzewnej, elastyczność jest już znacznie mniejsza. Duża liczba niestabilnych źródeł OZE w systemach elektroenergetycznych może być zatem w pewnym stopniu zrekompensowana poprzez wysokosprawną kogenerację.

Rosnący udział OZE będzie wymagał zmiany charakteru pracy elektrowni i elektrociepłowni konwencjonalnych. Fot. Zeneris Projekty

Magazyny energii

Magazynowanie energii jest środkiem zapewniającym elastyczność i właściwe jej bilansowanie. W ostatnich latach ceny nowych technologii magazynowania energii, w tym także tych przeznaczonych dla konsumentów, znacząco spadły. Magazyny energii coraz częściej wykorzystywane będą do spłaszczania szczytów popytu na prąd z sieci i szczytów podaży. Magazyny energii stanowić będą ważny bufor pozwalający na pobieranie energii z sieci, w momencie gdy jej produkcja w energetyce wiatrowej i słonecznej jest wysoka i będą pozwalały oddawać ją do sieci, gdy produkcja jest zbyt niska.

Patrząc na magazyny energii z punktu widzenia operatora energetycznego ich funkcjonowanie pozwala na wyrównywanie obciążeń sieci. Wpływają one na wyższą efektywność systemu energetycznego i pozwalają równoważyć skoki zapotrzebowania. Wykonane przez niemiecki Instytut Frauenhofera badanie wpływu zasobników energii w domowych systemach PV "SPEICHERSTUDIE 2013" pokazało, że magazyny energii pozwalają redukować szczyty podaży prądu w skali całego systemu od 20 do 40%. Masowe wprowadzanie magazynów energii pozwoli także na istotne zwiększenie możliwości przyłączania nowych instalacji solarnych do sieci. Według wykonanych w Niemczech analiz liczbę systemów fotowoltaicznych można zwiększyć aż o 66%, o ile wszystkie będą wyposażone w przyjazny dla sieci system magazynowania. 

O ile jednak magazyny energii są w stanie poprawić bilans energii w skali doby czy nawet kilku dni, to nie rozwiązują problemu jej nierównomiernej produkcji w dłuższych okresach czasu, szczególnie w zależności od pór roku. 

Modernizacja sieci energetycznych

Rozbudowa i modernizacja sieci jest bardzo ważnym i efektywnym kosztowo środkiem pozwalającym zwiększyć efektywność systemu opartego na zmiennych podażowo źródłach energii odnawialnej.

Eurelectric, organizacja zrzeszająca przedstawicieli sektora elektroenergetycznego w Europie, oszacowała, że nakłady inwestycyjne na rozwój sieci dystrybucyjnych w Polsce mogą wynieść 25 mld euro w perspektywie do 2030 roku:

• 37% nakładów będzie dotyczyło elektryfikacji i integracji OZE z systemem,
• 45% zostanie przeznaczonych na modernizację sieci i budowanie odporności pogodowej,
• 18% na cyfryzację.

Zapotrzebowanie na energię elektryczną w UE (łącznie z Wielką Brytanią) ma wynieść w 2030 r. około 3530 TWh co oznacza średni roczny wzrost (CAGR) na poziomie 1,8%. Raport Eurelectric „Łącząc punkty: inwestycje w sieć dystrybucyjną jako zasilenie transformacji energetycznej” mówi także, że w całej Europie trzeba będzie do 2030 r. przeznaczyć 400 mld euro na inwestycje w sieci dystrybucyjne energii elektrycznej, by zrealizować zieloną transformację energetyczną. Inwestycje te wynikają w głównej mierze z konieczności integracji źródeł odnawialnych, modernizacji sieci oraz elektryfikacji i zwiększenia wykorzystywania energii elektrycznej, w tym rozwoju stacji ładowania pojazdów elektrycznych.

Nie tylko w Polsce, ale i w całej Europie potrzebne będą inwestycje w sieć energetyczną na nie spotykaną dotąd skalę

Marek Rzewuski

 Fot. Zeneris Projekty/Depositphotos