ENERGETYKA WIATROWA W POLSCE REALNA OCENA MOŻLIWOŚCI WYTWÓRCZYCH

Transkrypt

1 Str. Rynek Energii Nr 6 (9) - 2 ENERGETYKA WIATROWA W POLSCE REALNA OCENA MOŻLIWOŚCI WYTWÓRCZYCH Słowa kluczowe: generacja wiatrowa, farmy wiatrowe Piotr Kacejko, Michał Wydra Streszczenie. W artykule dokonano oceny możliwości energetyki wiatrowej w Polsce, w oparciu o przeiegi prędkości wiatru z lat 26, 27, 28 uzyskane z atlasu wiatru Anemos. Pod uwagę wzięto farmy wiatrowe które posiadają aktualne warunki przyłączenia do sieci WN. Analiza uwzględnia typy turin wiatrowych przewidzianych do instalacji w farmach. Uzyskane wyniki poddano analizie oraz postawiono wnioski mające na celu określenie realnych wartości mocy i energii, która może yć wprowadzona do systemu elektroenergetycznego jako efekt pracy tych oiektów.. WSTĘP W okresie ostatnich lat oserwuje się w Polsce ogromne zainteresowanie energetyką wiatrową. Wiele przedsięiorstw, spółek i osó fizycznych podejmuje ki mające na celu zainicjowanie udowy farm wiatrowych. Wiele emocji i kontrowersji wzudza szacowanie możliwości energetyki wiatrowej w Polsce. Spójną metodykę wypracowało w tym zakresie PSEW, pulikując szereg prognoz i analiz miedzy innymi []. Prezentowany artykuł nie jest prognozą, tylko próą oceny czego można się spodziewać, z oiektów energetyki wiatrowej, które ądź zostały oddane do użytku, ądź dla których inwestorzy wykonali szereg ków przygotowawczych. W momencie opracowywania niniejszego artykułu (styczeń 2) podmiotom uiegającym się o przyłączenie ponad 2 oiektów do sieci przesyłowej oraz sieci kv, wydano dokumenty zwane warunkami przyłączenia. Oznacza to dość istotny (choć jeszcze odległy od celu, którym jest pozwolenie na udowę) stan zaawansowania etapu wstępnego tych inwestycji. Moc znamionowa siłowni wiatrowych przewidzianych do zainstalowania w zidentyfikowanych oiektach to ponad 2 MW. Według niektórych pulikacji [] możliwe jest przyłączenie do KSE farm wiatrowych o takiej właśnie mocy, według innych źródeł przekracza ona możliwości przyłączeniowe systemu ponad dwukrotnie. Zdając soie sprawę, że realia ekonomiczne i formalno prawne dokonają jeszcze głęokiej weryfikacji wszystkich rozpatrywanych projektów, autorzy artykułu postawili soie za cel określenie, na jaki efekt energetyczny można potencjalnie liczyć, gdyy wszystkie te inwestycje zostały zrealizowane zgodnie z zmierzeniami inwestorów zarówno co do lokalizacji jak i co do wielkości farm. Przez termin efekt energetyczny rozumiano nie tylko ilość energii wyprodukowaną w elektrowniach i farmach wiatrowych (umiejętność jej szacowania ze wzoru E P FW 2 opanował każdy zainteresowany), ale także rozkład mocy możliwej do uzyskania w skali u. Powyższe zadanie nie jest łatwe, jeśli weźmie się pod uwagę fakt, że jego rozwiązanie wymaga precyzyjnej lokalizacji wszystkich oiektów na oszarze Polski oraz, co znacznie ardziej istotne, znajomości dla każdego z nich rocznych rozkładów wietrzności. Autorzy dysponowali informacją o lokalizacji oiektów jako współpracownicy PSE-Opertor SA i dla każdego oiektu, na podstawie analizy topograficznej, ustalono charakterystyczny punkt w terenie stanowiący jego reprezentację w rozważaniach. Niniejsze działania prowadzone dla celów adawczych nie naruszają odpowiednich klauzul poufności, a szczegóły lokalizacyjne farm nie ędą omawiane w żadnym miejscu niniejszego artykułu. Metodę oszacowania warunków wiatrowych dla każdej rozpatrywanej lokalizacji oparto na atlasie wietrzności przestawionym w dalszej części rozważań. 2. MODELOWANIE WARUNKÓW WIATROWYCH POLSKI Na potrzey niniejszej analizy wykorzystano numeryczny Atlas Wiatru firmy ANEMOS [2] posiadający certyfikat niemieckiego centrum DAR. Atlas ten (w gruncie rzeczy jest to specjalne oprogramowanie wraz z azą danych) pozwala na odtworzenie ex-post prędkości i kierunku wiatru w węzłach siatki o oku 5 km pokrywającej terytorium Polski. Oprogramowanie wykorzystuje trójwymiarowy model stanu atmosfery Ziemi, dostępny co 6 godzin z rozdzielczością 2,5 stopnia, znany jako NCAR/NCEP Reanalysis Data, udostępniany przez NOAA-CIRES Climate Diagnostics Center, Boulder, Colorado, USA. Na podstawie niniejszego modelu są tworzone warunki rzegowe ędące warunkami początkowymi symulacji nie-hydrostatycznego modelu atmosfery MM5. Model MM5 powstał w wyniku współpracy Pennsylvania State University i University Cooperation for Atmospheric Research (UCAR) i pozwala na uzyskanie rozdziel-

2 Nr 6 (9) - 2 Rynek Energii Str. czości horyzontalnej 5 x 5 kilometrów. Zmienne wyjściowe pochodzące z symulacji modelu są zapisywane co minut, dla różnych wysokości np. 36 m, 87 m, 52 m. Wartości na poziomach pośrednich, są wyznaczane przy pomocy algorytmów interpolacyjnych. Poziom gruntu został porany z SRTM (Shuttle Radar Topography Mission, USGS EROS Data Center) oraz interpolowany na siatkę modelu. Dane topograficzne zostały porane w u 2 z rozdzielczością powierzchniową ok. 9 m natomiast rozdzielczość pionowa wynosiła m. Warunki nierówności terenu (szorstkość) oraz informacje na temat roślinności w oszarze zainteresowań zostały uzyskane na podstawie zioru danych CO- RINE opracowanych przez European Environment Agency (EEA). Warunki nierówności terenu zostały opracowane na podstawie pracy satelity LANDSTAT 7 w skali : o siatce m. Niniejszy atlas wiatru nie reprezentuje potencjału wiatru w wyszczególnionym punkcie i nie zastępuje wyników rzeczywistych pomiarów. Dane uzyskane z atlasu Anemos można rozważać w kategoriach zgrunego oszacowania warunków wiatrowych w punktach siatki o oku 5 km. Pozwala to na szyką estymację warunków wiatrowych w wielu lokalizacjach, w celu uzyskania poglądu dotyczącego rozkładu potencjału wiatru w skali rozległego oszaru. Tak też wykorzystano możliwości atlasu w przypadku lokalizacji ponad 2 farm na terenie Polski. Wykorzystane w analizie przeiegi czasowe zmienności prędkości wiatru rozpatrywano dla lat 26, 27, SYMULACJA MOŻLIWOŚCI GENERACJI WIATROWJ W POLSCE Wartości energii i mocy możliwej do wyprodukowania w farmach wiatrowych zlokalizowanych na terenie Polski wyznaczano dla 27 farm, które do stycznia 2 u uzyskały warunki przyłączenia do sieci przesyłowej i kv. Autorzy w pełni zdają soie sprawę z faktu, że nowelizacja ustawy Prawo energetyczne oraz inne uwarunkowania, mogą ardzo znacząco zmieniać kształt listy najardziej zaawansowanych projektów. Dlatego też, co należy wyraźnie podkreślić, analiza niniejsza nie jest traktowana jako prognoza, ale jako studium poglądowe. Zakładając, że rozpatruje się j-ty interwał minutowy (spośród TP = 5256 tworzących okres u), średnią moc dziesięciominutową z krajowych farm wiatrowych wyznaczano ze wzoru FW () P ( j) P f ( j) k W nfi Fi i RFi i przy czym P nfi oznacza moc znamionową i-tej farmy, f Fi jej charakterystykę wytwarzania ustaloną na podstawie zadeklarowanego przez inwestora typu siłowni, i ( j) jest prędkością wiatru wyznaczoną z zasoów atlasu Anemos dla węzła siatki 5x5 km położonego najliżej punktu reprezentującego i-tą farmę, współczynnik krfi, 75 uwzględnia zmniejszenie mocy wypadkowej farmy wynikające w powodu ograniczeń w dyspozycyjności siłowni, terenowego zróżnicowania położenia poszczególnych siłowni, efektu podkradania itp., FW=27 określa liczę farm. Taela Zestawienie wyników estymacji generacji wiatrowej dla prędkości wiatru z lat 26, 27, 28 (rozpatrywana moc zainstalowana P nf =2 4 MW) Opis Wartość średnia mocy z FW za, MW Odchylenie standardowe mocy z FW, MW Roczna wartość energii z FW, GWh Roczny czas użytkowania mocy zainstalowanej, h Krajowa produkcja rutto w GWh przewidywana na 22, wg [9] Procentowy udział z FW w stosunku do produkcji elektrycznej rutto Procentowy udział z OZE ogółem wskazany w [9] dla spełnienia celów indykatywnych UE lata 26, 27, ,9% 7,% 7,% 6,3% 8,4% 8,4% 8,4% 8,4% Roczną wartość energii uzyskanej z rozpatrywanych farm wyznacza się poprzez sumowanie energii wyprodukowanej podczas dziesięciominutowych interwałów, czyli

3 Str. 2 Rynek Energii Nr 6 (9) - 2 w TP w (2) E P j T j Wyniki uzyskane w rezultacie tak przeprowadzonej analizy pokazano w taeli oraz na rysunkach, 2 i 3. Z danych zwartych w taeli wynika, że szacowanie rocznego czasu wykorzystania mocy zainstalowanej farm wiatrowych na poziomie 2 22 godzin jest w warunkach Polski, przy wszystkich uproszczeniach, podejściem poprawnym. Jego weryfikacja została dokonana dla ardzo rozległej populacji farm i ogromnej liczy danych określających wietrzność (łącznie zasymulowano 34 miliony odczytów). Uruchomienie do 22 u wszystkich farm, dla których określono warunki przyłączenia do sieci, mogłoy mieć istotny wpływ na wypełnienie przez Polskę zoowiązań zawartych w dyrektywach UE [3] i dostosowanych do nich planach polityki energetycznej [9]. Z taeli wynika owiem, że zakładając hipotetycznie plany przyłączeniowe inwestorów za możliwe do zrealizowania, w 22 u aż 9% z OZE mogłoy pochodzić z farm wiatrowych. Jest to wyraźnie więcej niż zakłada się w PEP [9], gdzie dla wiatraków przewiduje się około 5% pochodzącej z OZE. Wierząc w wolnorynkowy charakter polskiej gospodarki, nie można mieć złudzeń, że szeo rozumiani decydenci mają ardzo wiele instrumentów, ay powyższe założenie urealniać (lu rzeczywiste trendy dopasowywać do założeń). Nie można jednak nie zauważać rozieżności pomiędzy prognozami zawartymi w PEP, a trendami i możliwościami energetyki wiatrowej pokazanymi jako rezultat niniejszych analiz, w znacznej mierze zieżnymi z [] oraz [7]. 4. ROCZNA ZMIENNOŚĆ MOCY ELEKTROWNI WIATROWCH W PERSPEKTYWIE ROKU 22 Na rysunkach, 2 i 3 przedstawiono roczne hipotetyczne przeiegi mocy z farm wiatrowych wyznaczone dla prędkości wiatru z lat 26, 27 i 28. Na pierwszy rzut oka widoczna jest, typowa dla energetyki wiatrowej, ogromna zmienność możliwości produkcyjnych, dająca się zaoserwować niezależnie od pory u (przeiegi tworzono według chronologii od stycznia do grudnia). Średnioroczne wartości mocy z farm wiatrowych nieznacznie przekraczają wartość 3 MW. Oczywiście generalna prawidłowość [7] mówiąca o mniejszych możliwościach wiatraków w okresie letnim jest potwierdzona, choć i w tym okresie mogą zaistnieć krótkotrwale możliwości generacji mocy o dużej wartości Rys.. Przeieg symulowanej zmienności sumarycznej danych wiatrowych z u Estymowana generacja wiatrowa w u 26 Wartość średnia GW (2876 MW) Odchylenie standardowe GW (225 MW) Kolejne próki co min Rys. 2. Przeieg symulowanej zmienności sumarycznej danych wiatrowych z u Estymowana generacja wiatrowa w u 27 Wartość średnia GW (3296 MW) Odchylenie standardowe GW (2532 MW) Kolejne próki co min Estymowana generacja wiatrowa w u 28 Wartość śrdenia GW (3292 MW) Odchylenie standardowe (2394 MW) Kolejne próki co min Rys. 3. Przeieg symulowanej zmienności sumarycznej danych wiatrowych z u 28 Wartości mocy dziesięciominutowych z farm wiatrowych pochodzące z kolejnych lat (dla każdego u ziór liczący 5256 elementów) poddano oróce statystycznej, a jej wyniki w przedstawiono w postaci x 4 x 4 x 4

4 Nr 6 (9) - 2 Rynek Energii Str. 3 histogramów. Z uwagi na ich podoieństwo poniżej przedstawiono histogram odpowiadający symulowanej generacji według danych o wietrzności z 26 r. Gęstość prawdopodoieństwa x -4 Rys. 4. Histogram częstości występowania poszczególnych wartości mocy sumarycznej generacji wiatrowej w Polsce uzyskany dla wietrzności z 26 u Analiza umożliwia łatwą estymację parametrów rozkładu prawdopodoieństwa wystąpienia generacji mocy z farm, w przedziale (, FW PW ( j) PnFi krfi ), i czyli do wartości maksymalnej wynoszącej 9 MW. Jest to rozkład gamma. Dla danych z u 26 rozkład taki, ma postać: x a f x x e a a Generacja wiatrowa w u 26 Rozkład Gamma Sumaryczna moc GW MW (3) gdzie współczynniki funkcji mają następujące wartości: a=,626, =795,78, (. ) funkcja gamma [5]. Interesującą informację dotyczącą zmienności mocy dostępnej z farm wiatrowych w skali u dostarcza także w ujęciu statystycznym skumulowany rozkład gęstości prawdopodoieństwa jej występowania. Dystryuanta rozkładu prawdopodoieństwa podanego w postaci wyrażenia (3) ma postać x t a F x t e dt a a (4) której odpowiada (dla tych samych wartości współczynników) wykres przedstawiony na rys.5. Jak można zauważyć, prawdopodoieństwo wystąpienia mocy o wartości mniejszej niż 6 MW (czyli 5% mocy zainstalowanej) jest ardzo wysokie i wynosi,9. Zamieszone na rysunkach, 2, 3 przeiegi roczne można przedstawić w postaci uporządkowanej rys. 6. Postać wykresu mocy uporządkowanej odpowiada podonym wykresom zamieszczonym w [] uzyskanym na podstawie rzeczywistych pomiarów wiatru i mocy z farm niemieckich i duńskich. Weryfikuje to pozytywnie przedstawioną metodę analizy możliwości generacji wiatrowej w Polsce. Co więcej, stanowi potwierdzenie tezy, że rozpatrywanie wartości mocy generowanej w farmach wiatrowych na poziomie większym niż 5% mocy zainstalowanej (lecz mniejszym od 75%, w rozpatrywanym przypadku jest to moc powyżej 6 MW) dotyczy okresu 5 godzin w u. Skumulowana gęstość prawdopodoieństwa Sumaryczna moc GW MW Rys. 5. Dystryuanta rozkładu prawdopodoieństwa wystąpienia określonych wartości mocy w farmach planowanych do przyłączenia do KSE, wg wietrzności dla u 26 Jest to ardzo istotna informacja, owiem jeśli weźmie się pod uwagę zmienność ociążenia systemu elektroenergetycznego, może się okazać że prolemy ilansowania mocy dostępnej z farm oraz mocy elektrowni konwencjonalnych, których utrzymanie w ruchu jest konieczne w celu utrzymania ezpiecznych warunków pracy systemu, dotyczą hipotetycznych sytuacji, których realne prawdopodoieństwo wystąpienia można oceniać na 2 godzin rocznie. Moc generacji wiatrowej MW Generacja wiatrowa w u Godziny w u Rys. 6. Uporządkowane wykresy sumarycznej mocy generacji wiatrowej uzyskane z symulacji z podziałem na lata 26, 27, 28 A przecież w takich sytuacjach warto skorzystać z innej właściwości siłowni wiatrowych pełnej

5 Str. 4 Rynek Energii Nr 6 (9) - 2 sterowalności i możliwości ograniczania wytwarzanej w nich mocy, licząc że oowiązek odioru mocy z farm wiatrowych zwarty w zapisach ustawy Prawo energetyczne zostanie zweryfikowany i dopasowany do realnych możliwości ilansowych SEE [4]. 5. PODSUMOWANIE Na podstawie planów inwestycyjnych dotyczących farm wiatrowych, dla których wydane zostały warunki przyłączenia do sieci (2 MW), można oszacować ilość wytworzonej w nich energii. Oliczenia symulacyjne przeprowadzone na podstawie analizy rzeczywistej lokalizacji planowanych farm oraz historycznych danych dotyczących prędkości wiatru w Polsce (dane z 26, 27, 28) wskazują, że energii tej może yć 24 GWh, co znacząco przekracza wielkości szacowane w dokumencie rządowym [9]. Roczny rozkład mocy dostępnej z farm wiatrowych szacowany na podstawie tych samych danych i przy tych samych założeniach, wskazuje że wartość mocy przekraczająca 5 % mocy zainstalowanej z prawdopodoieństwem wynoszącym,9 nie zostanie przekroczona, lu inaczej jej przekroczenie może mieć miejsce w okresie rzędu godzin w ciągu u. Analiza możliwości ilansowania mocy wytwarzanej w farmach wiatrowych oraz w elektrowniach konwencjonalnych powinny rać pod uwagę rzeczywiste możliwości generacyjne farm wiatrowych i nie powinno azować (co czasem się czyni) na sumarycznej wielkości mocy znamionowych farm Zadanie korelacji zapotrzeowania na moc w skali u z rozkładem możliwości wytwórczych farm wiatrowych planowanych w Polsce jest kolejnym zadaniem adawczym, które autorzy niniejszego artykułu realizują z pomocą systemu Anemos. LITERATURA [] Buchta F., Jaroń M., Morkisz J., Gąszczak B.: O potencjale technicznym przyłączenia elektrowni wiatrowych do krajowego systemu elektroenergetycznego, Rynek Energii, Nr 2, kwiecień 2. [2] Documentation Anemos Wind Atlas for Poland, Document No PL Rev WA MS, Gesellschaft fur Umweltmeterologie mh, Novemer 29. [3] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 29/28/WE z 28 kwietnia 29 w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych. [4] Kacejko P., Pijarski P. Przyłączanie farm wiatrowych ograniczenia zamiast przewymiarowanych inwestycji. Rynek Energii 29, nr. [5] Klonecki W.: Statystyka dla inżynierów, PWN, Warszawa 999. [6] Kora R.: Zdolności przyłączeniowe krajowej sieci 4 i 22 kv, Rynek Energii 2, nr 2. [7] Luośny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym, WNT, Warszawa 29. [8] Paska J., Kłos M.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektroenergetycznym stan oecny i perspektywy, stosowane generatory i wymagania. Rynek Energii 29, nr 5. [9] Prognoza zapotrzeowania na paliwa i energię do 23 r., Zał. Nr 2 do dokumentu Polityka Energetyczna Polski do 23 r., Ministerstwo Gospodarki, Warszawa sierpień 29. [] Wind Power in Power Systems, editor T. Ackerman, John Wiley and Sons, Ltd, 28. [] Wizja rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce do 22 r., Raport Instytutu Energetyki Odnawialnej dla PSEW, Warszawa 29. This work was originated during evaluation of research and development project under Grant N R 2 6/29 WIND ENERGY IN POLAND REAL ESTIMATION OF GENERATION POSSIBILITIES Key words: wind generation, wind atlas, statistical analysis Summary. The ailities of wind power generation in Poland ased on wind speed variations otained from Anemos Wind Atlas for Poland from 26, 27 and 28 year was inspected. The wind farms with issued actual conditions of interconnection into the HV grid was taken into consideration. The analysis took into account different wind turine types planned to e installed on mentioned farms. Achieved results was analyzed and conclusions were proposed in order to determine real values of powers and energies which could e injected into the system as a result of its operation. Piotr Kacejko, prof. dr ha. inż., Politechnika Luelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Sieci Elektrycznych i Zaezpieczeń, p.kacejko@pollu.pl Michał Wydra, dr inż., Politechnika Luelska, Wydział Elektrotechniki i Informatyki, Katedra Sieci Elektrycznych i Zaezpieczeń, m.wydra@pollu.pl