Spis treści
Ładowanie kilku milionów aut elektrycznych
„A czy można sobie wyobrazić jednoczesne ładowanie kilku milionów aut elektrycznych. Która sieć energetyczna to wytrzyma?”. „A macie gdzieś u siebie artykuł na temat tego, co się stanie z siecią energetyczną, jeśli np. milion aut elektrycznych będzie ładowane jednocześnie ładowarkami o mocy, dajmy na to, 100 kW? Przecież milion aut na taki kraj jak Polska to nie jest dużo. Dobrze liczę, że jest to moc 100 GW, kiedy rekord poboru to niecałe 27 GW?”. „No i gdzie to tankować, skoro teraz nawołują nas do oszczędności energii, bo jej momentami brakuje”.
Te i podobne pytania można przeczytać pod naszymi artykułami dotyczącymi samochodów elektrycznych. Każde z nich jest ważne, więc postanowiliśmy przyjrzeć się tematowi.
Widzieliście kiedyś 3000 aut w kolejce po paliwo?
Aby zrozumieć, na jakie obciążenie systemu energetycznego musimy się przygotować z powodu elektryfikacji transportu, na początek warto zdać sobie sprawę z tego, że gdyby wszyscy chcieli jednocześnie zatankować, to pod każdą stacją benzynową w kraju utworzyłyby się kolejki liczące po… 3000 samochodów. Ich rozładowanie, nawet uwzględniając krótki czas tankowania i płacenia, trwałoby wiele dni. A gdyby wszyscy kierowcy w Polsce chcieli ruszyć tą samą drogą? Korek ciągnąłby się przez… 200 tys. km (pięć razy okrążałby Ziemię na równiku).
Blackout wywołać mogłyby pralki
Tak samo jest z energią elektryczną. Gdybyśmy wszyscy na raz włączyli czajniki elektryczne lub suszarki albo nastawili pranie, łączny pobór mocy tych urządzeń przekroczyłby 30 GW (gigawatów), doprowadzając Polskę do blackoutu. Tymczasem rekord zapotrzebowania na moc w naszym kraju (wliczając przemysł, biurowce, markety itd.) nigdy nie przekroczył 28 GW. Średni pobór mocy przez gospodarstwa domowe wynosi zaledwie 3,5 GW, a w szczycie nie przekracza 7 GW, chociaż ich przyłącza pozwoliłyby na pobór 100 GW.
Decyduje o tym współczynnik jednoczesności, a więc fakt, że nigdy wszyscy na raz nie potrzebujemy gotować, prać, tankować, ani ładować aut. A już na pewno nie z maksymalną mocą w tym samym momencie. W nocy wiele samochodów elektrycznych jest ładowanych jednocześnie, ale niewielkimi mocami (2-11 kW). Za to w dzień relatywnie mała liczba aut na prąd wymaga krótkiego doładowania na superszybkich ładowarkach (100-350 kW). A to wszystko w odstępach godzin, dni lub tygodni w przypadku pojedynczego auta.
PSE: za 10 lat elektryki będą odpowiadać za 1-4% obciążenia
Przed miesiącem Urząd Regulacji Energetyki zatwierdził plan rozwoju Polskich Sieci Elektroenergetycznych do 2032 roku. Dokument zawiera prawdopodobnie najbardziej wiarygodną prognozę rozwoju polskiej energetyki w najbliższej dekadzie. Operator nie publikuje dokładnych liczb, ale z wykresów możemy domyśleć się, że za 10 lat spodziewa się na polskich drogach mniej więcej 2 mln samochodów całkowicie elektrycznych i 1 mln hybryd plug-in. O ile zwiększy to obciążenie polskiego systemu energetycznego? W dniach o najwyższym zapotrzebowaniu na moc udział elektryków wyniesie mniej więcej 1% do 4%.
A gdy będziemy mieć już 10 mln samochodów elektrycznych na drogach (to połowa dzisiejszej floty osobówek)? Będą one wymagać średnio ok. 3 GW mocy ładowania, czyli ok. 12% spodziewanego w tym czasie poboru w całym kraju. Osiągnięcie tej liczby elektryków na drogach zajmie nam jednak jakieś 15-20 lat.
Zmiana floty potrwa 30 lat
Pamiętajmy, że unijny „zakaz rejestracji” nowych samochodów spalinowych od 2035 roku oznacza, że jeszcze do 2045-2050 roku do Polski będą spływać używane auta spalinowe z Zachodu, a całkowita elektryfikacja polskich ulic może potrwać nawet do 2055-2060 roku. To w tej perspektywie musimy przygotować infrastrukturę do ładowania 20 mln elektrycznych samochodów osobowych i jakichś 5 mln autobusów oraz ciężarówek, które w tym czasie zapewne będą jeździć po polskich drogach (możliwe, że już bez kierowców).
Skąd weźmiemy energię do ładowania aut elektrycznych?
Systematyczny wzrost liczby samochodów elektrycznych w okresie 20-30 lat ma istotne znaczenie także z punktu widzenia dostępności i rodzaju energii, jaka będzie je zasilać. W tej perspektywie PSE martwią się zarówno o to, aby powstały nowe elektrownie sterowalne i akumulatory, eliminujące możliwość niedoborów energii w niektórych godzinach, jak i o to co zrobimy z nadmiarem energii z odnawialnych źródeł (OZE) w innych godzinach. Operator spodziewa się, że za 10 lat połowa energii elektrycznej w Polsce będzie już „zielona” i w znacznej mierze zależna od pory dnia i pogody.
W ciągu 10 lat wzrośnie liczba godzin z nadmiarem energii
PSE przewidują, że w ciągu 10 lat znacznie wzrośnie liczba godzin w których ceny prądu będą zerowe lub ujemne. „Ich występowanie w przyszłości jest bardzo prawdopodobne, szczególnie w okresach wysokiej generacji OZE” – pisze operator.
Co więcej, część energii, jaką mogłyby dostarczyć farmy fotowoltaiczne i wiatrowe, będzie się marnować, jeżeli nikt jej nie odbierze. „W scenariuszu bazowym w 2032 roku źródła OZE mogłyby dostarczyć 108,1 TWh energii elektrycznej […]. Jednak biorąc pod uwagę godzinowy profil zapotrzebowania na moc […] energia ta nie może być w całości wprowadzona do systemu elektroenergetycznego. Realna produkcja OZE pozostaje zatem na poziomie 99 TWh” – prognozują PSE.
Ilość „zielonej” energii, jakiej – zdaniem PSE − za 10 lat nie będziemy już w stanie odebrać, wystarczyłaby do zasilenia przez cały rok dodatkowych 3 mln samochodów elektrycznych (pokonujących łącznie 45 mld km rocznie). Od kierowców elektryków i właścicieli domowych akumulatorów będzie zależało ile z tej energii pobiorą w cenie bliskiej zeru lub ujemnej.
Tanie ładowanie pod dyktando pogody
Jest też i druga strona medalu. Gdy nie będzie wiatru i słońca, w ruch będą musiały pójść magazyny energii i elektrownie rezerwowe – np. na gaz ziemny, biogaz, biomasę czy wodór. Prąd będzie wtedy drogi i jeżeli ktoś będzie chciał skorzystać z darmowej energii w godzinach nadmiaru „zielonego” prądu, to w dniach bez wiatru i słońca będzie płacić wysoką cenę za ładowanie auta czy pobór energii w domu. Jedni skorzystają z takiej opcji, a inni będą woleli święty spokój i jedną sztywną cenę prądu przez cały rok. Im więcej będzie tych pierwszych odbiorców prądu, tym łatwiej będzie „zazieleniać” krajową energetykę.
Dostępność energii nie jest bowiem wielkim problemem – można ją w dużych ilościach i tanio produkować z wiatraków i fotowoltaiki. Wyzwaniem będzie jej zbilansowanie gdy nie wieje i nie świeci. Jednak samochody elektryczne, przy odpowiednich zachętach finansowych i rozwiązaniach technicznych, mogą w tym pomóc, bo potencjalnie są znacznie bardziej elastycznym odbiorcą energii niż np. przemysł, a jednocześnie mogą być dostawcą mocy (do sieci krajowej lub wewnętrznej sieci domowej) w sytuacjach kryzysowych.
Czy sieci wytrzymają obciążenie ładowarkami?
Ładowanie aut elektrycznych, nawet za 20 lat, nie będzie mieć znaczącego wpływu na sieci najwyższych i wysokich napięć, a więc na szkielet systemu elektroenergetycznego, dostarczającego prąd do całych obszarów kraju. Na tym poziomie nawet tysiące ładowarek będą stanowić tylko kilka-kilkanaście procent łącznego obciążenia.
Jedna wtyczka pobierze tyle co cała fabryka
Problem z elektrykami zaczyna się jednak pojawiać na poziomie sieci średnich napięć, a więc takich, które rozprowadzają energię do dzielnic większych miast, całych miasteczek, fabryk albo stacji ładowania o dużych mocach. Jeszcze dwa lata temu za „szybkie” uznawaliśmy ładowarki o mocy 50 kW (to tyle ile zużywa duża stacja benzynowa).
Dziś operatorzy tacy jak GreenWay i Orlen nie stawiają już ładowarek o mocach poniżej 100-150 kW, a w ciągu kilku lat upowszechnią się w Polsce huby z kilkoma-kilkunastoma punktami o mocach 350-400 kW każdy i łącznej mocy przyłączeniowej na poziomie 1-5 MW (megawatów), a więc poborze porównywalnym ze sporą fabryką. Na tym jednak nie koniec, bo do końca dekady będziemy potrzebowali całej sieci obsługującej elektryczne autobusy i ciężarówki z pojedynczymi złączami ładowania w standardzie MCS o mocach 1-3 MW każdy i to od razu w hubach, których łączna moc może sięgać 10-20 MW. A to już zapotrzebowanie małego miasteczka.
Wyzwaniem nie jest przepustowość istniejących sieci średnich napięć, tylko konieczność budowy całkiem nowych linii lub przyłączy średniego napięcia, bo do tej pory do zasilania stacji benzynowej przy autostradzie wystarczyła linia niskiego napięcia. To czasami nawet 1-2 kilometry kabla. Kluczowy nie jest tu nawet koszt inwestycji, rzędu kilkuset tysięcy złotych, co czas jej realizacji. Dystrybutor energii elektrycznej musi uzyskać prawa do przeprowadzenia kabla czasami przez dziesiątki nieruchomości, co potrafi trwać nawet lata. Widać to po bardzo powolnym tempie rozwoju hubów ładowania o dużych mocach bezpośrednio przy autostradach i drogach ekspresowych.
Bez inteligentnego ładowania elektryki daleko nie zajadą
Z czasem coraz większy wpływ elektryków będzie widać także na sieciach niskich napięć, a więc tych odcinkach sieci, które ze stacji transformatorowej rozprowadzają energię do kilkudziesięciu okolicznych gospodarstw domowych. W małej skali współczynnik jednoczesności zbliża się bowiem do 100%, a więc rośnie prawdopodobieństwo, że wszyscy na raz podepną swoje auta elektryczne do ładowania w podobnym czasie – np. wieczorem po powrocie z pracy. Na to większość transformatorów w Polsce zapewne nie jest gotowa.
Ten problem widać dziś z fotowoltaiką, która także ma wysoki współczynnik jednoczesności w skali jednej ulicy (słońce świeci podobnie w całej okolicy). Tyle, że w przypadku fotowoltaiki napięcie w sieci rośnie, doprowadzając do odłączania mikroinstalacji, a w przypadku ładowarek napięcie będzie spadać, doprowadzając do wyłączenia transformatora.
Aby uniknąć wymiany transformatora na mocniejszy, konieczne będzie sterowanie poborem energii przez ładowarki aut. Zwykle samochody po całym dniu użytkowania „wokół komina” potrzebować będą zaledwie 2-3 godzin doładowania akumulatora. Chodzi o to, aby ładowanie u sąsiada A ruszyło np. o 21:00, u sąsiada B o 23:00, a u sąsiada C o 2:00 w nocy, rozkładając obciążenie lokalnej sieci równo na całą noc.
Elektryki dadzą zarobić energetykom
Chociaż ładowanie aut elektrycznych może być w przyszłości największym wyzwaniem dla sieci dystrybucyjnych, to będzie też szansą na ich rozwój dzięki rosnącym przychodom z istniejącej już infrastruktury sieciowej. Dziś 70-90% opłat za dystrybucję energii (czyli dostawy zakupionego prądu sieciami) zależy od tego ile energii zużyjemy, a tylko 10-30% to opłaty stałe. Jeżeli rodzina, która dziś zużywa 3 MWh energii rocznie, przesiądzie się do auta elektrycznego, które pobierze drugie 3 MWh rocznie, to spółka energetyczna niemal podwoi swoje przychody z istniejącej już infrastruktury dystrybucyjnej.
Każdy 1 mln samochodów elektrycznych to blisko 1 mld zł dodatkowych przychodów dla spółek dystrybucyjnych. Jeżeli tylko przychody nie będą służyły do obniżania opłat dystrybucyjnych, tylko będą zwiększać pulę środków na inwestycje dystrybutorów (co będzie zależeć m.in. od Urzędu Regulacji Energetyki), to pieniądze te powinny znacząco pomóc Polsce dogonić Zachód pod względem pewności zasilania (dziś liczba i długość przerw w dostawach energii, zwłaszcza na wsiach, jest wstydliwą wizytówką polskiej elektroenergetyki).
Zobacz więcej: Długa droga do przyzwoitych sieci
Ale podobno Szwajcarzy „zakazują poruszania się elektrykami”
Na koniec warto jeszcze zastanowić się czy obecna sytuacja energetyczna wpłynie na pęd Unii Europejskiej do elektryfikacji transportu. Mamy w Europie najpoważniejszy kryzys energetyczny w historii. Spowodowało go ograniczenie dostaw gazu, węgla, ropy i paliw płynnych z Rosji, a pogłębiają poważne problemy techniczne francuskich elektrowni atomowych czy wielomiesięczna susza w Skandynawii. Odpowiedzią Europy jest oszczędzanie energii, ograniczanie zużycia paliw kopalnych oraz – w dłuższym horyzoncie − wzrost inwestycji w odnawialne źródła, magazynowanie energii i – w niektórych państwach – inwestycje w elektrownie atomowe.
Na przykład Szwajcaria chce ograniczyć prędkość na autostradach do 100 km/h, aby zmniejszyć zużycie benzyny, oleju napędowego i energii elektrycznej. Gdyby kryzys się bardzo pogłębił, przygotowała mechanizmy ratowania krajowego systemu elektroenergetycznego m.in. poprzez zakazy korzystania z prądu w celach rozrywkowych (gry na komputerach) czy rekreacyjnych (jazdy samochodami elektrycznymi poza dojazdami do pracy, lekarza, sklepu itp.). Ryzyko, że do tego dojdzie jest niewielkie, ale przygotowanie scenariuszy na wypadek kryzysu jest bardzo rozsądne.
Zobacz: Szwajcaria „zakaże jazdy autami elektrycznymi”? Też tak powinniśmy
Jeszcze ostrzejsze zakazy były wprowadzane w stosunku do aut spalinowych w czasie kryzysów naftowych lat 70. i nie można wykluczyć, że w przyszłości ponownie dojdzie do konfrontacji Europy z reżimami z Zatoki Perskiej. Jeżeli więc z tego i poprzednich kryzysów mielibyśmy wyciągać jakiekolwiek wnioski, to takie, że powinniśmy budować system energetyczny i transportowy niezależny od importu paliw kopalnych.
