Spis treści
Unia Europejska ma zredukować emisje gazów cieplarnianych o 55% netto do 2030 roku. Do tego czasu wiele istniejących elektrowni zostanie zamkniętych lub przejdzie do rezerwy. Już za parę lat często będzie dochodzić do sytuacji, gdy OZE pokryją większość zapotrzebowania na prąd. Zdaniem Fundacji WWF i Polskiej Izby Magazynowania Energii potrzebujemy zwiększyć możliwości gromadzenia energii.
Szybka dostawa mocy na żądanie
Nasz system elektroenergetyczny powstał w większości w okresie PRL, gdy jedyną wydajną metodą produkcji prądu były turbiny parowe. Polskie Sieci Elektroenergetyczne są przyzwyczajone do sterowania małą liczbą dużych elektrowni tzw. Jednostek Wytwórczych Centralnie Dysponowanych (JWCD). Zawsze utrzymują one niewielki zapas mocy ponad aktualne zapotrzebowanie. Ta „rezerwa wirująca” może być na żądanie uruchomiona w ciągu zaledwie sekund, co pozwala pokryć szybkie skoki w zapotrzebowaniu na prąd. W ten sposób pokrywane są nagłe skoki poboru. Rezerwa wirująca jest też zabezpieczeniem przed skutkami niespodziewanej awarii w jednym z bloków.
Posiadanie „rezerwy wirującej” jest tak istotne, że powstają demonstracyjne układy z kołem zamachowym zamiast turbiny. Technologia jest podobna tej stosowanej przy wzbogacaniu uranu w wirówkach. Masywny „bączek” wiruje na łożyskach magnetycznych zawieszony wewnątrz próżniowej kapsuły. Generator rozpędza go do ogromnej prędkości, a potem utrzymuje w ruchu, aby w razie potrzeby błyskawicznie zamienić jego energię kinetyczną na prąd.
Wirujące magazyny energii nie przyjęły się, bo są drogie i można odzyskiwać z nich pełną moc tylko przez kilka minut. W dodatku generują straty, ponieważ utrzymywanie ich w ruchu też wymaga energii. „Rezerwa wirująca” może być z powodzeniem zastępowana przez baterie litowo-jonowe, które gromadzą więcej elektronów niż koła zamachowe i nie gubią ich tak łatwo.
Regulacja sieci i poprawa „jakości prądu”
PSE i spółki dystrybucyjne dbają też o pilnowanie „jakości prądu” czyli stabilnego napięcia i częstotliwości i o ograniczanie mocy biernej. Te parametry są bardzo istotne dla współczesnej elektroniki. Od nich zależy np. czy nowa winda działa, czy wyświetla komunikat o awarii kilka razy w miesiącu. Jeśli w sieci występują spadki napięcia, sterownik wyłączy urządzenie do czasu przyjazdu serwisu. „Jakość prądu” jest w Polsce znacznie niższa niż na zachodzie Europy, szczególnie na terenach wiejskich.
Dopóki udział elektrowni węglowych pozostaje wysoki, PSE zawsze ma pod ręką przynajmniej kilkanaście jednostek, którym może wydać polecenie nagłej zmiany mocy. W miarę jak odnawialne źródła energii zastępują węgiel, będą musiały same zacząć pełnić tę funkcję. W Kalifornii w słoneczne dni panele fotowoltaiczne potrafią pokrywać nawet połowę zapotrzebowania na prąd. To tam narodził się pomysł, aby wykorzystywać ich nadmiarową moc do symulowania rezerwy wirującej w elektrowniach cieplnych. Testy przeprowadzone w 2016 roku na farmie o mocy 300 MW pokazały, że da się nią sterować tak, aby poprzez załączanie i wyłączanie paneli sterować produkcją prądu dokładnie według narzuconego z zewnątrz sygnału. Podczas testów elektrownia pracowała z wydajnością niższą od maksymalnej, dzięki czemu w razie potrzeby mogła natychmiast ją zwiększyć nawet o kilkadziesiąt megawatów. Kompensacja mocy biernej (dokonywana przez falowniki) była możliwa nawet w nocy.
Pomoc sieciom średniego i niskiego napięcia
– Magazyny energii powinny być włączone do bilansowania sieci – mówi Krzysztof Kochanowski, wiceprezes Polskiej Izby Magazynowania Energii i Elektromobilności, gospodarza zeszłotygodniowego warsztatu „Energy Storage – Regulations, Safety, Technologies, Implementations”. – Potrzebujemy stworzenia katalogu usług regulacyjnych i ich wyceny, usług które mogą świadczyć magazyny energii elektrycznej operatorom dystrybucyjnym (OSD). To pierwszy krok, który pozwoli tym technologiom zaistnieć na rynku i otwiera też wiele innych rynkowych możliwości m.in. zwiększenia elastyczności systemu, stabilizacji pracy OZE czy uruchomienia nowych modeli biznesowych na rynku energii.
Podobne rozwiązania testuje się na kolejowych podstacjach trakcyjnych. Akumulatory mogą wspierać ich pracę poprzez dostarczanie dużej mocy w czasie, gdy po danym fragmencie linii przejeżdża pociąg. Jest to wskazane na mniej uczęszczanych liniach, gdzie momenty wysokiego poboru prądu przeplatają się z długimi przerwami umożliwiającymi ładowanie baterii. Główną korzyścią jest obniżenie szczytowego poziomu poboru, dzięki czemu płaci się znacznie niższe stawki dystrybucyjne. Prototypowy magazyn energii o pojemności 1,85 MWh i mocy szczytowej aż 6 MW zainstalowany został przez firmę My-Soft w podstacji PKP Garbce.
Spółki kolejowe są właścicielami największej w Polsce sieci prądu stałego, liczącej prawie 12 000 km długości na terenie całego kraju. Dzięki magazynowaniu mogą łatwiej współpracować z siecią dystrybucyjną, która nie zawsze umożliwia przyłączanie odbiorów o dużej mocy oraz z ładowarkami drogowych pojazdów elektrycznych.
Wskrzeszanie systemu
Najgorszym scenariuszem dla sieci elektroenergetycznej jest nagła utrata zasilania na dużym obszarze. Generatory w elektrowniach są wzbudzane napięciem pochodzącym z sieci, co oznacza, że bez zasilania nie mogą się same uruchomić. Jednostki węglowe są szczególnie wrażliwe, bo konsumują aż kilkanaście procent produkowanego prądu na potrzeby własne, a ich uruchamianie ze stanu zimnego trwa kilkanaście godzin.
Niektórzy nie mogą sobie pozwolić na tak długą przerwę. – Przykładem są huty. Żelazo nie może zastygnąć w piecu, dlatego przemysł inwestuje w magazyny pozwalające na podtrzymanie kluczowych procesów do czasu uruchomienia własnego źródła zasilania – mówi Kochanowski.
Wszystkie scenariusze ponownego rozruchu Krajowego Systemu Energetycznego zakładają, że pierwsza iskra przyjdzie z magazynu energii. Z akumulatorów uruchomione zostaną agregaty dieslowskie, które z kolei pozwolą wzbudzić generatory w elektrowniach wodnych, turbiny gazowe w elektrociepłowniach na gaz ziemny, a na końcu palniki w kotłach pozostałych elektrowni. Pełne przywrócenie zasilania potrwa nawet kilkanaście godzin, z czego najwięcej czasu zajmie rozpalanie węglowych kotłów.
Niezależność energetyczna
Im więcej magazynów energii, tym łatwiej przywrócić zasilanie po awarii. Najłatwiejsze do uruchomienia są elektrownie wodne i wiatrowe – zasilania wymaga tylko generator, a praca z pełną mocą jest możliwa w ciągu kilku minut. Równie szybko wystartować mogą biogazownie i małe układy kogeneracyjne. Możliwe, że dzięki OZE już za kilkanaście lat niektóre obszary kraju staną się samowystarczalne energetycznie i po przerwaniu połączenia z siecią będą mogły działać niezależnie przez dłuższy czas.
Ile magazynów energii będzie potrzebne aby móc zasilać Polskę tylko z odnawialnych źródeł? Na to pytanie będzie próbowała odpowiedzieć analiza „100% OZE w elektroenergetyce”, która w przyszłym roku zostanie wykonana na zlecenie Fundacji WWF. Mijający rok pokazał, że wiele ważnych gałęzi gospodarki może zostać zamkniętych ze względu na wyższą konieczność. Zmiana klimatu jest znacznie większym zagrożeniem niż koronawirus i nie ma na nią szczepionki. Ustanowienie unijnego celu redukcji o 55% już 2030 roku każe zastanowić się, czy wycofanie węgla i gazu nie nastąpi szybciej niż się spodziewamy.
Na kłopoty – OZE i magazyny energii
Nowe źródła energii, przede wszystkim odnawialne, przejmują coraz większy udział w rynku. PSE i spółki dystrybucyjne będą musiały nauczyć się z nimi sterować zanim ostatnia elektrownia węglowa odejdzie do lamusa. Na szczęście stabilizacja sieci może być gwarantowana nie tylko przez tradycyjne elektrownie, ale też przez OZE i magazyny energii. Razem mogą skutecznie chronić przed skokami napięcia i kompensować moc bierną, a nawet zapewnić ponowne uruchomienie elektrowni węglowych po blackoucie. Producenci i właściciele magazynów czekają aż operatorzy sieci wyciągną do nich rękę do współpracy.
Niniejszy artykuł jest kolejnym z cyklu „W poszukiwaniu świętego graala neutralności klimatycznej z WWF Polska”. W ramach cyklu przyjrzymy się obecnie dostępnym i przyszłościowym technologiom magazynowania energii. Spróbujemy odpowiedzieć na pytanie, jak z pomocą magazynów energii możemy przejść transformację do bezemisyjnej gospodarki opartej o odnawialne źródła energii. Pełen raport Politechniki Warszawskiej dla Fundacji WWF jest dostępny pod tym linkiem
