Ile wiatru i fotowoltaiki zmieści się w systemie?

Kiedy mówimy o odnawialnych źródłach energii, pierwszą technologią która przychodzi na myśl są elektrownie wiatrowe oraz fotowoltaika. Pobożne życzenia wielu ludzi to budowa dużej ilości elektrowni wiatrowych oraz paneli fotowoltaicznych. Oczywiście wszystko da się zrobić, ale czy spełni to oczekiwania? Przede wszystkim, jakie są oczekiwania?

W projekcie Polityki Energetycznej Państwa do 2040 roku widnieje następujący zapis: „W dalszej perspektywie warunkiem przyłączenia niestabilnego źródła energii powinno być zapewnienie możliwości pokrycia rezerwy w okresach nieczynności”. Wskazuje to na konieczność zbilansowania źródeł niesterowalnych. Jednym ze sposobów rozwiązania tego problemu są magazyny energii. Są one wciąż technologią drogą, choć szybko rozwijającą się. Nie są jednak wciąż na tyle opłacalne, aby mogły pełnić wskazaną rolę w sposób efektywny ekonomicznie. Z tego względu nadal konieczna jest współpraca energetyki niesterowalnej ze sterowalną, ponieważ niesterowalne źródła OZE nie są w stanie zapewnić nam ciągłości dostaw energii elektrycznej.

Pytanie jednak brzmi: ile jesteśmy w stanie pozyskać energii z niesterowalnych źródeł OZE, a konkretniej: elektrowni wiatrowych oraz słonecznych,  jeżeli byłyby one jedynym źródłem odnawialnym na obszarze, tzn. zakładamy, że nie ma stabilnych źródeł, które mogłyby znacząco poprawić udział zielonej energii w produkcji i zużyciu.

Czy będą to wielkości pozwalające zbliżać się do celów udziału energii z OZE w produkcji energii wyznaczanych przez Unię Europejską? Już w tej chwili mówi się o udziale energii odnawialnej w zużyciu na poziomie 32% w perspektywie 2030 roku, a cele te zapewne będą tylko rosnąć. Więc może istnieje konieczność wspomagania się chociażby biomasą czy biogazem, aby wypełnić zobowiązania?

A gdyby tak tylko wiatr i słońce?

Celem analizy jest wskazanie ile energii elektrycznej można byłoby uzyskać z niesterowalnych źródeł OZE, jeżeli byłyby one jedynym źródłem energii odnawialnej na obszarze, a jednocześnie sam obszar stanowiłby wyspę energetyczną. Analizowanym obszarem może być zarówno gmina, powiat czy nawet kraj. Sposób analizy w każdym ze wspomnianych przypadków pozostaje ten sam. Niewielkiej zmianie mogą ulec założenia, jednak ostateczny wynik nie będzie się znacząco różnił. Założeniami do analizy są:

• brak połączeń z innymi systemami, tzn. brak importu i eksportu,

• brak sterowalnych źródeł OZE na obszarze,

• brak magazynów energii.

Jak wspomniano wcześniej, obszar może być dowolnej wielkości. Dla ułatwienia analizy, aby nie wykonywać działań wyłącznie na procentach, założyłem, że rozpatrywanym obszarem jest gmina, której zużycie roczne energii elektrycznej wynosi 70 GWh. Dobowy profil zapotrzebowania przedstawiony został na Rysunku 1. Jest to profil KSE z dnia, w którym wystąpiło minimalne zapotrzebowanie. Został on wybrany, ponieważ nie chcąc dopuścić do eksportu, musimy dostosować moc zainstalowaną w źródłach niesterowalnych do minimalnego zapotrzebowania. Istotnym faktem jest również to, że minimalne zapotrzebowanie występuje w okresie letnim, a więc w trakcie dnia znaczącą rolę w produkcji energii mogą odegrać elektrownie słoneczne.

Czytaj także: Polska największą wiatrakową budową środkowej Europy

Minimalne zapotrzebowanie na moc na tym obszarze wynosi około 5075 kW i ma ono miejsce o godzinie 6 rano. Instalacja takiej ilości źródeł niesterowalnych, które osiągały moc 5075 kW, spowodowałaby, że mogłoby być konieczne odstawienie wszystkich źródeł sterowalnych. Miało by to miejsce w przypadku wystąpienia minimum zapotrzebowania i jednoczesnej maksymalnej produkcji z elektrowni niesterowalnych. Taka sytuacja może zagrozić bezpieczeństwu i ciągłości dostaw. W związku z tym, przynajmniej cześć z istniejących źródeł sterowalnych powinna pracować na minimum technicznym, aby móc bilansować zmiany produkcji źródeł sterowalnych. Ponadto, pozostałe źródła sterowalne stanowiące rezerwę w samobilansującym się systemie powinny być zdolne do szybkiego rozruchu, aby bilansować zarówno zmiany zapotrzebowania, jak i zmiany produkcji w niesterowalnych źródłach OZE. Biorąc to pod uwagę, założono, iż w momencie minimalnego zapotrzebowania w roku produkcja ze źródeł sterowalnych nie powinna wynieść mniej niż około 10% całego zapotrzebowania. Dla analizowanego obszaru przyjęto 550 kW jako minimum produkcji ze źródeł sterowalnych, poniżej którego nie powinno się schodzić. W związku z tym, na obszarze możemy uzyskać maksymalnie 4525 kW mocy ze źródeł niesterowalnych, aby nie dopuścić do eksportu energii w okresie minimalnego zapotrzebowania.

Jakie niesterowalne źródła OZE mogłyby pokryć to zapotrzebowanie? Jest to pora dnia, w której słońce nie świeci jeszcze intensywnie, w związku z tym jedynym wyborem spośród analizowanych technologii są elektrownie wiatrowe. W warunkach polskich lądowe elektrownie wiatrowe są w stanie wyprodukować około 2500 kWh rocznie z każdego kilowata mocy zainstalowanej, natomiast elektrownie słoneczne około 1000 kWh/kW_p. Chcąc uzyskać jak największy udział energii elektrycznej ze źródeł OZE w produkcji i konsumpcji energii elektrycznej, powinniśmy w jak największym stopniu pokryć zapotrzebowanie (max. 4525 kW) źródłem o wyższym współczynniku wykorzystania mocy zainstalowanej, a więc elektrowniami wiatrowymi. W związku z tym nie ma sensu pozostawiać „zapasu” mocy, aby mieć większy przedział możliwej do zainstalowania mocy dla elektrowni słonecznych.

W Niemczech, gdzie elektrownie wiatrowe oraz słoneczne stanowią ponad 50% całej zainstalowanej mocy w systemie, maksymalne chwilowe wykorzystanie mocy wszystkich lądowych elektrowni wiatrowych wynosiło w 2018 roku około 78%. Sytuacja wyglądała podobnie również w poprzednich latach. Zatem osiągnięcie 100% chwilowego wykorzystania mocy z elektrowni wiatrowych wydaje się mało prawdopodobne. Należy jednak pamiętać, iż tamtejsze źródła są rozproszone na obszarze 357 386 km², co jest wielkością około 3000 razy większą, niż średni obszar gminy w Polsce. Analizując obszar o wiele mniejszy, warunki wietrzne są dużo mniej zróżnicowanie, w związku z czym możemy oczekiwać, iż chwilowe wykorzystanie mocy będzie większe. Zakładając, że nie przekroczy ono 90%, zgodnie z wzorem z Rysunku 2 możemy zainstalować na analizowanym obszarze elektrownie wiatrowe o łącznej mocy około 5025 kW.

Czytaj także: Co przyniesie duża i mała nowelizacja ustawy o OZE

Przy założeniu, że z każdego kilowata mocy zainstalowanej uzyskujemy średnio 2500 kWh w ciągu roku, z wzoru z Rysunku 2 wynika, iż roczna produkcja źródeł wiatrowych wyniesie 12,56 GWh. Stanowi to prawie 18% całej energii zużywanej na obszarze.

O ile elektrownie wiatrowe mogą produkować energię elektryczną zarówno w dzień, jak i w nocy, o tyle elektrownie słoneczne produkują ją jedynie w dzień. Jest to o tyle korzystne, iż wiąże się również ze wzrostem zapotrzebowania na energię elektryczną. Na analizowanym samobilansującym się obszarze, aby osiągnąć jak największą produkcję z niesterowalnych źródeł OZE, należy zainstalować panele fotowoltaiczne, ponieważ ich produkcja wypełni wzrost zapotrzebowania, a jednocześnie nie wpłynie na ewentualny eksport w dolinie nocnej.

Według danych z www.energy-charts.de, niemieckie elektrownie słoneczne osiągają 60% mocy około godziny 9, natomiast niemalże 100% od godziny 11. Całkowite zapotrzebowanie na analizowanym obszarze o godzinie 9 wynosi 6100 kW, natomiast o godzinie 11 – 6750 kW. Wynika z tego, iż od godziny 6, w której wystąpiło minimalne zapotrzebowanie na moc, wzrosło ono o 1025 kW do godziny 9 i o 1675 kW do godziny 11. Wskazany wzrost został przedstawiony na Rysunku 1 linią zieloną, gdzie jako podstawę przyjęto 5050 kW – oznaczone kolorem bordowym. Ponadto, na wykres ten został nałożony profil produkcji ze źródeł PV, które w godzinie maksymalnej produkcji osiągają 1700 kW. Jak wynika z wykresu, profile te są bardzo zbieżne, w związku z czym możliwe jest zainstalowanie 1700 kW mocy w źródłach fotowoltaicznych, stanowiących źródło szczytowe.

Kwestia maksymalnego chwilowego wykorzystania mocy zainstalowanej w przypadku źródeł fotowoltaicznych wygląda podobnie jak w przypadku źródeł wiatrowych. W Niemczech w 2018 roku maksymalna moc uzyskana z elektrowni słonecznych stanowiła około 65% mocy zainstalowanej w tych źródłach. Jednak jak już wspomniano przy okazji analizy źródeł wiatrowych, jest to spowodowane przede wszystkim przez duże rozproszenie źródeł. W analizowanym przykładzie, mimo niewielkiego obszaru, wydaje się mało prawdopodobne, aby wszystkie źródła PV na obszarze osiągnęły pełną moc w danej chwili. O ile sytuacja, że na całym obszarze nie będzie zachmurzenia jest bardzo prawdopodobna, o tyle samo ułożenie paneli względem słońca czy występujące zacienienia mogą powodować niższą produkcję w danym momencie. W związku z tym, maksymalne chwilowe wykorzystanie mocy na poziomie około 85% wydaje się być odpowiednim założeniem. Biorąc to pod uwagę, zgodnie z wzorem z Rysunku 2, moc zainstalowana w źródłach fotowoltaicznych może wynosić 2000 kW_p.

Czytaj także: Polska ostro zbacza z zielonej ścieżki

Zgodnie z założeniem, iż jeden kW_p mocy zainstalowanej produkuje średnio około 1000 kWh energii elektrycznej rocznie, elektrownie słoneczne są w stanie dostarczyć 2 GWh energii elektrycznej w ciągu roku, co wynika z wzoru z Rysunku 2. Stanowi to niecałe 3% całej energii produkowanej i zużywanej w analizowanym obszarze.

Z analizy wynika, iż niesterowalne źródła OZE dostarczyłyby do analizowanego terenu około 14,6 GWh energii elektrycznej, co stanowi 20,9% całkowitego zużycia.

Jeżeli analizowany obszar byłby wielkości Polski lub Niemiec, maksymalne wykorzystanie mocy elektrowni wiatrowych i słonecznych byłoby podobne do tego osiąganego w Niemczech. Wynosiłoby ono więc około 80% dla elektrowni wiatrowych oraz 65% dla elektrowni słonecznych. Tak duże rozproszenie źródeł sprawia, iż istnieje mniejsza szansa na jednoczesną pracę wszystkich elektrowni. Dzięki temu moglibyśmy zainstalować więcej mocy w tych źródłach, co skutkowałoby większym udziałem energii odnawialnej w całkowitej produkcji.

Zmieniając we wzorach [1][3] wskazanie współczynniki, możemy łatwo obliczyć, iż udział energii odnawialnej produkowanej w elektrowniach niesterowalnych na obszarze o wielkości zbliżonej do Polski wyniósłby niecałe 25%.

Eksport pilnie potrzebny

Założenie o maksymalnej mocy, którą możemy zainstalować na analizowanym obszarze jest nad wyraz ostrożne. Szansa na to, iż minimalne zapotrzebowanie w ciągu roku pokryje się z maksymalną produkcją ze źródeł wiatrowych jest nieduża. Jest to spowodowane chociażby statystycznie mniejszą produkcją energii elektrycznej z elektrowni wiatrowych w trakcie okresu letniego. Ponadto, jednoczesne wykorzystanie maksymalnej mocy w źródłach wiatrowych i słonecznych też jest raczej mało prawdopodobne.  Przykładem mogą być Niemcy, gdzie maksymalna produkcji ze źródeł wiatrowych oraz fotowoltaicznych w jednym momencie wynosiła około 50% mocy zainstalowanej w tych źródłach.

Czytaj także: Ile kosztuje budowa farmy słonecznej i jak szybko się zwróci?

Biorąc to pod uwagę, osiągnięcie wyższej produkcji i zużycia energii elektrycznej na analizowanym obszarze, niż wynikające z analizy 21-25% jest możliwe. Jednak osiągnięcie chociażby 2530 procentowego udziału energii elektrycznej ze źródeł wiatrowych i słonecznych w produkcji energii elektrycznej, bez udziału magazynów energii, jest już nie lada wyzwaniem. W Niemczech w 2018 roku produkcja z OZE wyniosła 28,8%. Nie obyło się jednak bez eksportu taniej, niesterowalnej energii za granicę. Osiągnięcie takiego poziomu udziału energii ze źródeł wiatrowych i słonecznych było możliwe dzięki ogromnej mocy zainstalowanej w tych źródłach. Elektrownie wiatrowe i słoneczne stanowiły łącznie około 105 GW mocy zainstalowanej, przy czym całkowita moc zainstalowana w systemie elektroenergetycznym Niemiec wynosiła około 207 GW. Warto również wspomnieć, iż najwyższe i najniższe średnio-godzinowe zapotrzebowanie wynosiło odpowiednio 81 GW oraz 31 GW.

Osiągnięcie zatem tak dużych udziałów energii wyprodukowanej w elektrowniach wiatrowych oraz słonecznych było możliwe dzięki dużemu eksportowi, który chociażby w okresie 8-10 grudnia 2018 roku wynosił około 15-17 GW. Było to spowodowane niższym zapotrzebowaniem na energię elektryczną w trakcie weekendu, podczas którego zapotrzebowanie na moc wahało się pomiędzy 45 GW a 60 GW. Przy jednoczesnej produkcji elektrowni wiatrowych na poziomie 35-45 GW, elektrowni słonecznych nawet do 5 GW, a także elektrowni wodnych i biomasowych razem na poziomie około 7,5 GW, utrzymanie źródeł sterowalnych na minimalnym poziomie zapewniającym bezpieczeństwo dostaw energii elektrycznej wymagało dużego eksportu. We wspomnianym okresie, eksport ten stanowił nawet do 25% całkowitej produkcji.

Czytaj także: Małe elektrownie wodne przyniosą większe zyski

Rozwiązaniem mogącym przysłużyć się do większego udziału energii odnawialnej wyłącznie ze źródeł niesterowalnych jest regulacja mocy elektrowni wiatrowych. Nowoczesne wiatraki mogą zredukować produkowaną moc poprzez zmianę kąta natarcia łopaty, a więc ustawienia jej względem kierunku wiatru. Ponadto, w przypadku nadmiaru mocy zawsze istnieje możliwość zatrzymania takiej turbiny, a w konsekwencji zmniejszenia produkcji ze źródeł niesterowalnych, aby nie dopuścić do nadmiaru mocy w systemie. W takim jednak przypadku należy pamiętać o tym, iż koszt jednostki energii z takiego wiatraka rośnie. Przy jednoczesnej konieczności utrzymania rezerwy w postaci źródeł sterowalnych, koszt energii elektrycznej rośnie w skali całego systemu, czy byłaby to gmina, czy kraj.

Unijne cele dla Polski są możliwe, ale….

Ilość energii z OZE będzie zależeć w dużej mierze od tego, ile elektrownia wiatrowa czy panel fotowoltaiczny będzie produkował rocznie energii na jednostkę zainstalowanej mocy. Ważnym zagadnieniem jest również możliwość regulacji mocy źródeł niesterowalnych w momencie produkcji. Jest to niezwykle istotne z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy systemu, a jednocześnie znacząco wpływa na ilość wyprodukowanej energii z OZE w skali roku. Możliwość redukcji mocy jednostek niesterowalnych sprawia, iż możemy zainstalować więcej tego typu elektrowni, bez obaw o nadmierną produkcję. Z drugiej strony jednak wiąże się to z większą ceną energii elektrycznej z uwagi na większe koszty inwestycyjne na budowę dodatkowych elektrowni wiatrowych i konieczność utrzymania źródeł sterowalnych dla zapewnienia ciągłości dostaw. Z drugiej strony, wyłączanie darmowej energii wydaje się być czystym marnotrawstwem. W przypadku takiego przewymiarowania, warto zastanowić się nad budową ekonomicznie opłacalnych instalacji, które mogłyby odbierać nadmiar mocy. Warto jednak pamiętać, iż wspomniana opłacalność w dużym stopniu zależy od przewidywanej nadmiarowej ilości energii elektrycznej w ciągu roku.

Czytaj także: Prosumenci poszkodowani przez liczniki energii

Perspektywiczną technologią w kontekście magazynowania energii może być elektroliza. Powstający w procesie wodór może być wykorzystany na wiele sposobów. Jednym z nich jest przekształcenie go, w reakcji z CO₂, w syntetyczny gaz ziemny. Tego typu instalacja została zbudowana w Elektrowni Łaziska. W konsekwencji, nie tylko możemy zmagazynować energię, ale również zagospodarować dwutlenek węgla ze spalin. Innym rozwiązaniem może być ogniwo paliwowe z elektrolitem ze stopionych węglanów (MCFC). Pozwoliłoby ono nie tylko na produkcję energii elektrycznej w momentach niedoboru, ale również umożliwiłoby wykorzystanie CO₂ ze spalin elektrowni.

Zgodnie z przedstawioną analizą, osiągnięcie udziału energii elektrycznej z niesterowalnych źródeł OZE na poziomie 21-25% jest jak najbardziej możliwe. Zgodnie z PEP 2040 oraz KPEiK, do 2030 r. przewiduje się wzrost udziału OZE do ok. 27% w produkcji energii elektrycznej netto. Aby zbliżyć się do celów unijnych przypadających na 2030 rok, a także kolejnych, które zapewne będą jeszcze wyższe, nie obejdzie się bez takich rozwiązań jak:

• eksportu nadmiarowej energii,

• obecności magazynów energii,

• produkcji energii w sterowalnych źródłach OZE,

• większej efektywności źródeł niesterowalnych,

• możliwości redukcji mocy źródeł niesterowalnych w momencie produkcji.

Ponadto, jeśli chodzi o eksport nadmiarowej energii, warto wspomnieć, iż taki kraj jak Niemcy może sobie pozwolić na tak duży eksport taniej, niesterowalnej energii przede wszystkim dlatego, że kraje sąsiadujące nie mają tak dużego udziału energetyki wiatrowej i słonecznej w swoich miksach energetycznych. Gdyby wszystkie kraje w Europie posiadały tak dużą moc w tego typu jednostkach, eksport mógłby być ograniczony w przypadkach, gdy inne kraje również zmagałyby się z nadmiarem mocy w danej chwili.

Jednocześnie trzeba pamiętać, iż pomimo tego, że biomasa jest źródłem odnawialnym, nie jest dostępna w nieograniczonych ilościach. A przede wszystkim, nie jest dostępna w każdej lokalizacji w rozsądnej cenie. Ze względu na dużą objętość, transport biomasy na duże odległości jest nieopłacalny.

Czytaj także: Polacy ruszyli po tańsze rachunki za prąd. Słońce bije rekordy

Elektrownie wiatrowe oraz słoneczne są już na takim etapie rozwoju, że ich budowa zaczyna się opłacać nawet bez wsparcia w postaci subsydiów. Efektem większej konkurencji na rynku jest coraz większy postęp technologiczny tychże źródeł, a co za tym idzie coraz większa efektywność. Niewątpliwie energetyka odnawialna będzie odgrywać coraz bardziej znaczącą rolę, zarówno w polskim jak i europejskim miksie energetycznym. Warto mieć jednak świadomość, iż źródła niesterowalne nie są w stanie w sposób ciągły pokryć naszego zapotrzebowania na energię elektryczną. A przynajmniej nie do czasu, gdy wdrożone zostaną magazyny energii o odpowiednio dużej mocy i pojemności, a także akceptowalnej cenie. Nie oznacza to jednak, iż nie należy tych technologii wdrażać na coraz większą skalę. Należy jednak podejść do tego zagadnienia z rozsądkiem. Przewymiarowanie mocy zainstalowanej w źródłach niesterowalnych, przy braku możliwości sprzedaży taniej energii za granicę, wiąże się ze wzrostem ceny energii. Niestety nie można mieć wszystkiego. Chociaż… Być może można. Wystarczy stosowna ustawa…