Z E S Z Y T Y N A U K O W E WYŻSZEJ SZKOŁY INFORMATYKI, ZARZĄDZANIA I ADMINISTRACJI W WARSZAWIE t. 14, z. 4(37) 2016 ISSN 1641 9707 s. 154 167 Michał KUŹNIEWSKI 1 GENERACJA WIATROWA ENERGETYCZNY ROLLERCOASTER I SPOSOBY NA JEGO OKIEŁZNANIE Źródłami stabilizującymi produkcję energii elektrycznej ze zmiennych pogodowo źródeł odnawialnych w systemach elektroenergetycznych, nie tylko polskim, pozostają obecnie źródła konwencjonalne opalane paliwami kopalnymi. Jak wykazała analiza generacji wiatrowej w Polsce i Niemczech w roku 2016, jej zmienność należy rozpatrywać nie jako lokalną, ale powiązaną ze sobą w skali regionalnej. Mając to na uwadze, oparcie stabilizacji krajowej generacji wiatrowej na imporcie energii z zagranicy wydaje się być więc wyborem najgorszym z możliwych. W artykule przedstawiono wyzwania, jakie może nieść dla bezpieczeństwa i stabilności Krajowego Systemu Elektroenergetycznego rosnąca rokrocznie moc zainstalowana w siłowniach wiatrowych, które stały się w ostatnim dziesięcioleciu głównym motorem w osiąganiu krajowego celu udziału produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Słowa kluczowe: farmy wiatrowe, bezpieczeństwo energetyczne, system elektroenergetyczny Wytwarzanie energii elektrycznej przez farmy wiatrowe, z uwagi na swoją istotę, cechuje wysoka zmienność w czasie oraz niesterowalność, wynikająca z zależności od czynnika pogodowego. Na przełomie lat 2016-2017 mieliśmy do czynienia w polskim systemie elektroenergetycznym z dwoma rekordowymi wydarzeniami: rekordowym udziale w pokryciu bieżącego zapotrzebowania na energią przez elektrownie wiatrowe (26.12.2016 r.) 2 oraz najwyższej w historii mocy dostarczanej przez generację wiatrową do systemu 1 Michał Kuźniewski mgr inż. energetyki Wydziału Mechanicznego Energetyki i Lotnictwa Politechniki Warszawskiej, stypendysta III edycji programu Akademia Energii w Fundacji im. Lesława Pagi. Specjalista w zakresie analiz rynku energii elektrycznej oraz energetyki konwencjonalnej i jądrowej. Kontakt z autorem poprzez redakcję ZN WSIZiA w Warszawie: zeszytynuakowe@dobrauczelnia.pl 2 http://wysokienapiecie.pl/oze/1971-historyczny-rekord-wiatraki-dostarczyly-1-3- energii-w-polsce
Generacja wiatrowa energetyczny rollercoaster i sposoby na jego okiełznanie 155 (3.01.2017 r.) 3. W artykule przedstawione zostaną wyzwania, jakie może nieść dla bezpieczeństwa i stabilności Krajowego Systemu Elektroenergetycznego rosnąca rokrocznie moc zainstalowana w siłowniach wiatrowych, które stały się w ostatnim dziesięcioleciu głównym motorem w osiąganiu krajowego celu udziału produkcji energii ze źródeł odnawialnych (na przestrzeni lat 2005 2016 moc zainstalowana w wietrze wzrosła aż 68 razy, zaś w pięcioleciu 2011 2016 wzrosła 3,5-krotnie). 9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1 158 1 362 1 524 83 153 288 Moc zainstalowana [MW] 1 678 1 993 451 725 1 180 2 556 1 616 3 082 2 497 4 416 5 511 6 029 3 390 3 834 6 970 8 241 4 582 5 660 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016* wiatr OZE razem * stan na 30.06.2016 Rys. 1. Moc zainstalowana w odnawialnych źródłach energii oraz farmach wiatrowych w Polsce Źródło: opracowanie własne na podstawie Urząd Regulacji Energetyki, Potencjał krajowy OZE w liczbach, Moc zainstalowana (MW), stan na 30.06.2016, http://www.ure.gov.pl/ download/1/7982/daneozemocwww.pdf. Rys. 2 przedstawia przebieg średniej godzinowej mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe w Polsce oraz ich udział w pokryciu chwilowego zapotrzebowania Krajowego Systemu Elektroenergetycznego w okresie od 1 grudnia 2016 r. do 25 stycznia 2017 r. Oparcie wytwarzania energii na sile wiatru skutkuje tym, że pomiędzy okresami bardzo wysokiej generacji wiatrowej, sięgającej niemal 90% mocy zainstalowanej (pogoda niżowa bądź przechodzący front atmosferyczny), występują okresy o generacji bardzo niskiej, niemal zerowej (pogoda wyżowa). Generacja wiatrowa w grudniu 2016 r. i styczniu 2017 r. była istnym roller- 3 http://gramwzielone.pl/energia-wiatrowa/24859/kolejny-rekord-generacji-energiiw-polskich-wiatrakow
156 Michał KUŹNIEWSKI 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 20.12 g. 11: 70 MW GW pokrywa ponad 30% zap. KSE Rekordowa moc ponad 5 GW 17.01 g. 13: 28 MW 2016-12-01 01:00 2016-12-02 19:00 2016-12-04 13:00 2016-12-06 07:00 2016-12-08 01:00 2016-12-09 19:00 2016-12-11 13:00 2016-12-13 07:00 2016-12-15 01:00 2016-12-16 19:00 2016-12-18 13:00 2016-12-20 07:00 2016-12-22 01:00 2016-12-23 19:00 2016-12-25 13:00 2016-12-27 07:00 2016-12-29 01:00 2016-12-30 19:00 2017-01-01 13:00 2017-01-03 07:00 2017-01-05 01:00 2017-01-06 19:00 2017-01-08 13:00 2017-01-10 07:00 2017-01-12 01:00 2017-01-13 19:00 2017-01-15 13:00 2017-01-17 07:00 2017-01-19 01:00 2017-01-20 19:00 2017-01-22 13:00 2017-01-24 07:00 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Generacja wiatrowa [MW] Udział gen. wiatrowej w zap. KSE [%] Rys. 2. Moc generowana przez farmy wiatrowe oraz jej udział w pokryciu zapotrzebowania Krajowego Systemu Elektroenergetycznego Źródło: opracowanie własne na podstawie: Polskie Sieci Elektroenergetyczne, Raporty dobowe o pracy KSE http://www.pse.pl/index.php?dzid=115&did=581 coasterem i osiągała nie tylko wcześniej przytoczone rekordowe wartości maksymalne w dniach 26 grudnia oraz 3 stycznia, ale również wartości drastycznie niskie jak 70 MW w 11. godzinie (10.00 11:00) 20 grudnia oraz tylko 28 MW w 13. godzinie (12.00 13.00) 17 stycznia. Warto zauważyć, że tak duże zmiany w mocy dostarczanej przez źródła wiatrowe do Krajowego Systemu Elektroenergetycznego następowały zazwyczaj na przestrzeni 2 3 dni. Tak duża zmienność mocy wytwarzanej przez elektrownie wiatrowe jest niewątpliwie dużym wyzwaniem dla służb Operatora Systemu Przesyłowego, zapewniających bieżące bilansowanie popytu i podaży energii elektrycznej oraz stabilną i bezpieczną pracę Krajowego Systemu Elektroenergetycznego. Należy zauważyć, że podstawę wytwarzania energii w polskim systemie elektroenergetycznym stanowią konwencjonalne bloki węglowe, których technologia skutkuje istotnymi ograniczeniami regulacyjnymi, przede wszystkim dotyczącymi minimum technicznego (minimalnej mocy, z jaką może pracować blok bez ryzyka uszkodzenia układów technologicznych) dla elektrowni węglowych zazwyczaj sięgającego ok. 50% mocy zainstalowanej oraz czasu uruchomienia i osiągnięcia pełnej mocy przez jednostkę po odstawieniu, sięgającego od dwóch godzin dla uruchomień ze stanu gorącego czas postoju maksymalnie do ok. 2 godzin do nawet kilkunastu godzin dla uruchomień ze stanu zimnego, w zależności od charakterystyki
Generacja wiatrowa energetyczny rollercoaster i sposoby na jego okiełznanie 157 cieplnej urządzeń danego bloku. Jednak to bloki elektrowni węglowych dostarczają znaczącą większość energii elektrycznej konsumowanej przez Krajowy System Elektroenergetyczny oraz stanowią zasoby regulacyjne. W systemie niemieckim jako źródło podstawowe pracują również elektrownie węglowe (stanowiące 44% produkcji energii elektrycznej w Niemczech w roku 2015 4 ), jak również elektrownie jądrowe (15% produkcji w 2015 3, planowane wyłączenie wszystkich elektrowni jądrowych do roku 2022) oraz źródła gazowe (10% produkcji w 2015 r. 3 ), które w porównaniu do elektrowni węglowych są znacznie bardziej elastyczne pod względem pracy z mocą inną niż nominalna(gradientów zmiany obciążenia oraz czasów uruchomień). W szczególności duże wyzwanie stanowi ulokowanie dużej generacji wiatrowej w systemie podczas doliny obciążenia w nocy lub w dni świąteczne. Jak informuje portal wnp.pl w wywiadzie z przedstawicielem Polskich Sieci Elektroenergetycznych 5, rekordowy udział produkcji energii w elektrowniach wiatrowych w pokryciu zapotrzebowania Krajowego Systemu Elektroenergetycznego, przypadający na dzień niższego zapotrzebowania (drugi dzień Świąt Bożego Narodzenia) skutkował nie tylko ograniczeniem mocy Jednostek Wytwórczych Centralnie Dysponowanych (których pracą steruje Operator w celu zapewnienia stabilnej pracy systemu), ale również elektrociepłowni, których pracą na co dzień steruje ich właściciel, zaspokajając w pierwszej kolejności miejskie zapotrzebowanie na ciepło (produkcja energii elektrycznej jest niejako produktem ubocznym). Co więcej, podczas krytycznej sytuacji w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym w sierpniu 2015 r., spowodowanej silnymi upałami i niskim stanem rzek, skutkującym ograniczeniem mocy dostępnej w części elektrowni konwencjonalnych pracujących w otwartym układzie chłodzenia oraz dodatkowo awariami kilku bloków, która skutkowała wprowadzeniem tzw. stopni zasilania, czyli przymusowych ograniczeń w poborze energii dla wybranych grup odbiorców, na skutek znajdującego się nad Polską wyżu, generacja wiatrowa pozostawała na bardzo niskim poziomie, dodatkowo komplikując kwestię zbilansowania zapotrzebowania. Rozwiązaniem, mającym na celu zapewnienie bilansowania generacji wiatrowej w dobie kształtującego się europejskiego rynku energii elektrycznej, mogłoby być wykorzystanie połączeń transgranicznych i import energii (w najbardziej optymalnym przypadku również energii zielonej ) w sytuacji niższego poziomu generacji oraz sprzedaży za granicą w sytuacji nadwyżek. Naturalnym kontrahentem w potrzebie importu zielonej energii z zagra- 4 Międzynarodowa Agencja Energii, Germany s renewables electricity generation grows In 2015, but coal still dominant, http://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=26372 5 Rekord generacji wiatrowej. Co to oznaczało dla KSE?, http://www.wnp.pl/wiadomosci/ rekord-generacji-wiatrowej-co-to-oznaczalo-dla-kse,289234_1_0_0.html
158 Michał KUŹNIEWSKI nicy wydawałyby się Niemcy światowy lider transformacji energetycznej. Szczytowe zapotrzebowanie Niemiec na energię elektryczną sięga 75 GW, zaś moc zainstalowana systemu wynosi aż 200 GW, z czego 43,2 GW w wietrze (3,3 GW zainstalowane w morskiej energetyce wiatrowej, ang. off-shore) i 39 GW w źródłach fotowoltaicznych 6, co rodzi duży potencjał eksportowy nadwyżek energii. Jak jednak wskazuje analiza historyczna danych dotyczących generacji wiatrowej Polski i Niemiec w 2016 roku, momenty maksymalnej oraz minimalnej generacji wiatrowej w obu systemach elektroenergetycznych w większości przypadków przypadają w podobnych okresach, co zaobserwować można na rysunku 3. Podobna korelacja występuje nie tylko w bezwzględnych wartościach mocy generowanej przez farmy wiatrowe, ale również w udziale źródeł wiatrowych (krajowych) w pokryciu chwilowego zapotrzebowania systemu niemieckiego i polskiego, co przedstawia rys. 4. Współczynnik korelacji Pearsona, będący matematycznym narzędziem umożliwiającym określenie poziomu zależności liniowej dwóch zmiennych losowych (jak np. wielkość generacji wiatrowej), obliczony dla powyższych danych wynosi 0,667 dla średniej godzinowej wielkości generacji wiatrowej w obu systemach oraz 0,683 dla udziału krajowej generacji wiatrowej w pokryciu godzinowego zapotrzebowania systemu niemieckiego oraz polskiego. Po dobowym uśrednieniu wielkości niemieckiej i polskiej generacji wiatrowej współczynnik ich wzajemnej korelacji jest jeszcze wyższy i wynosi 0,732. Analiza porównawcza danych przedstawionych na poniższych wykresach oraz współczynnik korelacji na poziomie ok. 0,7 (zarówno dla wartości godzinowych jak i średniodobowych) wskazuje na istniejącą silną zależność pomiędzy mocą generowaną przez elektrownie wiatrowe w Polsce i Niemczech. Niewątpliwie jest to skutkiem tego, iż zjawiska meteorologiczne decydujące o wielkości mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe nie są zjawiskami występującymi lokalnie, dającymi możliwość wzajemnego bilansowania mocy farm na poziomie krajowym lub regionalnym, lecz zjawiskami o charakterze zdecydowanie ponadregionalnym (układy ciśnienia znajdujące się w danym okresie czasu nad Europą Środkową). Na podstawie powyższych rozważań można wnioskować, że oparcie bezpieczeństwa energetycznego i stabilności dostaw na możliwości bilansowania krajowych niedoborów energii wytwarzanej przez elektrownie wiatrowe na hipotetycznej możliwej generacji zielonej energii w Niemczech jest założeniem błędnym, w szczególności, jeżeli chodzi o zimowe szczyty wieczorne zapotrzebowania podczas ciszy wiatrowej, gdy energii nie produkują zarówno elektrownie wiatrowe jak i źródła fotowoltaiczne w obu krajach (z uwagi na skalę mocy zainstalowanej, rozważania dotyczące fotowoltaiki 6 ENTSO-E Transparency Platform, https://transparency.entsoe.eu/
Generacja wiatrowa energetyczny rollercoaster i sposoby na jego okiełznanie 159 Rys. 3. Moc wytwarzana w elektrowniach wiatrowych w Polsce (PL) i Niemczech (DE) w 2016 r. Źródło: opracowanie własne na podstawie: ENTSO-E Transparency Platform, https://transparency.entsoe.eu/.
160 Michał KUŹNIEWSKI Rys. 4. Udział generacji wiatrowej w pokryciu chwilowego zapotrzebowania w systemach niemieckim oraz polskim Źródło: opracowanie własne na podstawie: ENTSO-E Transparency Platform, https://transparency.entsoe.eu/.
Generacja wiatrowa energetyczny rollercoaster i sposoby na jego okiełznanie 161 odnoszą się do Niemiec). Oparcie stabilności krajowych dostaw energii na imporcie, w systemie tak dużym jak polski, należałoby traktować jako wysoce ryzykowne rozwiązanie (nawet przy rozbudowie transgranicznych możliwości przesyłowych). W momencie niskiej generacji wiatrowej w obu systemach import energii z Niemiec do Polski skutkowałby tym samym, co oparcie stabilności systemu na krajowych źródłach wytwórczych zwiększeniem mocy wytwarzanej w elektrowniach konwencjonalnych, opalanych głównie węglem (zarówno brunatnym, jak i kamiennym, tak jak w Polsce) lub gazem. Oczywistym jest również, że w przypadku niższego poziomu mocy dostępnej ze źródeł niedysponowanych centralnie (jak źródła odnawialne i elektrociepłownie), Operatorzy Systemów Przesyłowych w pierwszej kolejności zadbają o odpowiedni poziom rezerwy mocy dla obciążenia systemu w ich krajach. Rys. 5. Wskaźnik zależności energetycznej (% importu netto w krajowym zużyciu, na bazie wartości w tonach oleju ekwiwalentnego) w Europie w roku 2014 Źródło: Eurostat, Energy production and imports, http://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/ index.php/energy_production_and_imports Należy zauważyć, że, o ile węgiel kamienny spalany przez polskie elektrownie jest wydobywany praktycznie w całości w polskich kopalniach, to węgiel kamienny spalany w elektrowniach niemieckich jest w znaczącej
162 Michał KUŹNIEWSKI części importowany (niemieckie kopalnie węgla kamiennego mają zostać zamknięte w 2018 r.), w znaczącej części spoza Unii Europejskiej (kraje takie jak: Kolumbia, Rosja, Stany Zjednoczone). W zakresie dostaw gazu, znacząca jego część, analogicznie jak w przypadku Polski, pochodzi z Rosji. Rozwiązanie takie skutkowałoby nie tylko możliwym zaburzeniem stabilności systemu elektroenergetycznego, powstającym na skutek niewystarczalności poziomu rezerwy mocy, i zmniejszeniem niezależności energetycznej samej Polski, poprzez import energii z zagranicy, ale również zwiększeniem zależności energetycznej całego regionu, poprzez zwiększenie dostaw węgla z zewnątrz (przy założeniu, że dodatkowy potrzebny import węgla do Niemiec nie zostałby pokryty przez polskie kopalnie, a przez tańszy węgiel importowany przez tzw. porty ARA Amsterdam Rotterdam Antwerpia). Warto przy tym zauważyć, że według danych opracowanych przez Eurostat, Polska jest krajem o znacznie niższym wskaźniku zależności energetycznej niż Niemcy, pozostającym również poniżej wartości średniej unijnej. Mając na uwadze powyższe wskaźniki, nie może dziwić podejście zachodnich krajów Unii Europejskiej do wytwarzania energii elektrycznej opartego na węglu kamiennym. Energetyka węglowa dla Zachodniej Europy stanowi nie tylko problem pod względem klimatycznym, ale również pod względem bezpieczeństwa i niezależności energetycznej. Sytuacja krajów posiadających nadal wysokie własne złoża węgla kamiennego, jak np. Polska i Czechy, pod względem bezpieczeństwa energetycznego jest zgoła odmienna, co powinno być przez nie podkreślane przy okazji negocjacji zapisów wspólnotowych dotyczących energetyki. W szczególności należy zwrócić tu uwagę na zapis tzw. Pakietu Zimowego dotyczący ograniczenia wsparcia mechanizmami mocowymi źródeł wytwarzania o emisyjności wyższej niż 550 g/kwh, eliminujący zupełnie ze wsparcia jakiekolwiek źródła węglowe nowoczesne jednostki o najwyższych sprawnościach osiągają wskaźnik emisyjności na poziomie co najmniej 700 g/kwh (zakładając brak instalacji typu CCS, ang. carbon capture and storage, które na przestrzeni ostatnich lat zostały negatywnie zweryfikowane przez rynek inwestycji energetycznych, ze względu na wysoką kapitałochłonność oraz bardzo ograniczone możliwości magazynowania CO 2 ). W przypadku Polski zastąpienie w przyszłości jednostek węglowych źródłami opalanymi np. gazem (mieszczącymi się w powyżej przytoczonym limicie), nawet przy dalszym znacznym rozwoju generacji odnawialnej, będzie skutkowało znacznym zwiększeniem wskaźnika zależności energetycznej i przemieszczeniem Polski na rys. 5 co najmniej w okolice, gdzie obecnie znajdują się Belgia i Litwa. Sytuację dotyczącą bezpieczeństwa dostaw gazu w takim scenariuszu z pewnością poprawią działania takie jak budowa gazociągu Baltic Pipe łączącego Polskę z Danią i dalej ze złożami na szelfie norweskim (w kilku koncesjach norweskich udziały posiada spółka- -córka Polskiego Górnictwa Naftowego i Gazownictwa S.A.: PGNiG Upstream
Generacja wiatrowa energetyczny rollercoaster i sposoby na jego okiełznanie 163 International) oraz rozbudowa gazoportu w Świnoujściu (zakupami LNG rządzą zasady czysto rynkowe), nadal jednak paliwo nie będzie pochodziło z krajowych źródeł. Wracając do danych przedstawionych na rys. 3 i analizując przebieg mocy generowanej przez elektrownie wiatrowe na przestrzeni roku 2016 w obu krajach, można zauważyć, że w okresie zimowym występują wyższe szczyty generacji wiatrowej niż w okresie letnim. Zielonym rozwiązaniem, mogącym temu zaradzić jest instalacja źródeł fotowoltaicznych (co na ogromną skalę miało już miejsce w systemie niemieckim), które zapewniałyby wyższą dostępność energii odnawialnej również w okresie letnim. Warto zauważyć, że udział energii odnawialnej w momentach szczytowej generacji wiatrowej występującej w ciągu letniego dnia osiągałby również wysokie wartości, o ile szczyt wynikałby z wyżu, a nie przechodzącego frontu atmosferycznego wyżowa pogoda jest zazwyczaj również słoneczna, fronty zaś wiążą się z dużym zachmurzeniem. Pamiętać należy przy tym, że źródła fotowoltaiczne zapewniają dostępność energii wyłącznie w szczycie dziennym. Podczas wieczornego szczytu zapotrzebowania (godziny 20 22), przy niskiej generacji wiatrowej występuje nadal problem rezerwowania odpowiednich mocy konwencjonalnych, zapewniających wystarczalność generacji. W przyszłości (być może niedalekiej) rozwiązaniem stabilizującym moc pochodzącą ze zmiennych pogodowo odnawialnych źródeł energii będą mogły być magazyny energii, które część niepotrzebnej systemowi energii przechowywałyby na okresy, w których pogoda lub pora dnia nie pozwalają na generację. Duże magazyny energii o mocy kilku MW (np. stabilizujące całą farmę wiatrową) są jednak w obecnej chwili niedostępne komercyjnie. Wysiłki naukowców i przemysłu oraz duży postęp technologiczny, jaki dokonał się w przeciągu ostatnich lat, np. w technologii baterii litowo-jonowych, wskazują, że technologia ta, po opracowaniu komercyjnego, atrakcyjnego kosztowo rozwiązania, może z powodzeniem bilansować OZE. Obecnie funkcję magazynującą w systemie stanowią elektrownie szczytowo-pompowe, które w pracy pompowej konsumują część nadwyżek energii powstającej w nocnej dolinie obciążenia, by móc produkować energię w pracy turbinowej podczas szczytu zapotrzebowania, dostarczając niezwłocznie potrzebnej mocy do systemu (w kilka minut od wydania polecenia). Moc elektrowni szczytowo-pompowych pracujących w polskim systemie elektroenergetycznym wynosi ponad 1750 MW, co w odniesieniu do mocy wiatrowych, może stanowić rezerwę mocy maksymalnie dla ok. 30% mocy zainstalowanej w farmach wiatrowych. Sprawność całego cyklu wynosi ok. 70 80% (zależnie od indywidualnych cech danej elektrowni szczytowo-pompowych, jak m.in. ukształtowanie zbiornika wodnego, indywidualne cechy rurociągów oraz turbozespołów odwracalnych), jednak dostępność mocy w części elektrowni zależy również od lokalnych warunków hydrologicznych. Budowa elektrowni szczytowo-pompowych stanowi poważną ingerencję w środowisko naturalne
164 Michał KUŹNIEWSKI (zazwyczaj budowa ogromnego sztucznego zbiornika lub zbiorników górnego i dolnego elektrowni) sztuczny zbiornik największej elektrowni tego typu w Polsce Elektrowni Żarnowiec o mocy 716 MW (dla pracy turbinowej) zajmuje powierzchnię aż 122 ha, odpowiadającą powierzchni ponad 110 boisk piłkarskich. Elektrownie szczytowo-pompowe zapewniają jednak również stabilność całego systemu elektroenergetycznego również w wypadku awaryjnego wyłączenia jednego z bloków konwencjonalnych. Ich praca z pełną mocą świadczy zatem o sytuacji pośredniego zagrożenia stabilności systemu przy pracy turbinowej elektrowni szczytowo pompowych jako rezerwa dla pokrycia krótkookresowego wzrostu zapotrzebowania pozostaje Operatorowi Systemu Przesyłowego jedynie kilkaset megawatów w postaci tzw. rezerwy wirującej elektrowni konwencjonalnych, mogących pracować przez określony czas (maksymalnie od kilkudziesięciu minut do kilku godzin) w zawyżeniu, tj. z mocą wyższą niż moc nominalna elektrowni. Kolejnym krokiem w przypadku awarii jednego z bloków wytwórczych lub spadku generacji przez źródła odnawialne pozostaje już rozwiązanie ostateczne w postaci przymusowych wyłączeń lub ograniczeń mocy grup odbiorców. Jednym z rozwiązań, które może załagodzić skutki niskiej generacji źródeł odnawialnych w trakcie szczytu wieczornego jest wdrożenie mechanizmów DSR (ang. demand side response), polegających na dobrowolnym ograniczeniu mocy pobieranych przez wybranych odbiorców na polecenie Operatora Systemu Przesyłowego, zrekompensowanym opłatami za gotowość (moc, opłata stała) oraz wykorzystanie (ilość niewykorzystanej energii, opłata zmienna). Rozwiązania takie funkcjonują już w dużej skali na rynkach amerykańskich (np. w rynku mocy na terenie operatora PJM w Stanach Zjednoczonych, koordynującego rynek energii elektrycznej na obszarze stanów położonych na północno-wschodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych, aktywa DSR mogą uczestniczyć równoważnie z aktywami wytwórczymi) oraz są implementowane w Wielkiej Brytanii (analogiczne uczestnictwo DSR w brytyjskim rynku mocy jak w Stanach Zjednoczonych), znajdują się natomiast w fazie implementacyjnej na rynku polskim projekt Karty Aktualizacji nr CB/17/2017 Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej, przewiduje wprowadzenie opłat za gotowość w usłudze redukcji obciążenia na polecenie operatora dla obiektów redukcji znajdujących się w Programie Gwarantowanym, tj. gwarantujących określony poziom mocowy redukcji obciążenia na polecenie Operatora. Ograniczenie poziomu pobieranej mocy przez wybranych odbiorców może dostosować bieżące obciążenie systemu do poziomu mocy generowanej, zaniżonego przez np. niską generację wiatrową. Należy przy tym pamiętać jednak, że zadaniem prawidłowo funkcjonującego systemu elektroenergetycznego w pierwszej kolejności jest zapewnienie poziomu mocy adekwatnego do zapotrzebowania. Uruchamianie programów DSR jest zatem rozwiązaniem, które stanowi wzmocnienie potencjału regulacyjnego systemu (przez ustalenie gwarantowanych poziomów redukcji mocy), rzeczy-
Generacja wiatrowa energetyczny rollercoaster i sposoby na jego okiełznanie 165 wista redukcja planowanego obciążenia przez odbiorców wykorzystywana powinna być raczej sporadycznie, w sytuacjach zagrożenia systemu. Podsumowując powyższe rozważania, w celu magazynowania nadwyżek energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych w celu ich konsumpcji w sytuacji niższej generacji, istnieje potrzeba rozwoju technologii magazynowania. Jak pokazuje kierunek bieżących badań, najbardziej obiecującą wydaje się być technologia baterii litowo-jonowych z uwagi na najmniejsze straty energii, jakie występują między cyklami ładowania i rozładowania (sprawność cyklu baterii litowo-jonowej sięga 99%). Duży potencjał w zakresie dostaw baterii dla energetyki stwarza rozwój elektromobilności. Zużyte akumulatory samochodów elektrycznych, które utraciły część swojej pierwotnej pojemności skutkiem wielokrotnych cyklów ładowania i rozładowania, są nadal przydatne dla celów energetycznych, co pokazuje przykład magazynu budowanego na stadionie Ajaxu Amsterdam, gdzie baterie używane wcześniej w samochodach elektrycznych Nissan Leaf stworzą magazyn energii o pojemności 4 MWh 7, pozwalający przechowywać energię wytwarzaną w źródłach odnawialnych do momentu, kiedy będzie ona potrzebna w celu zasilenia stadionu. O użyteczności zużytego akumulatora pochodzącego z samochodu elektrycznego dla energetyki stanowi odmienny sposób użytkowania baterii w obu zastosowaniach. W przypadku motoryzacyjnym cykle ładowania i rozładowania są stosunkowo krótkie, co więcej cykle rozładowania przebiegają z dużą zmiennością pobieranej mocy w czasie, w szczególności w eksploatacji samochodu podczas jazdy miejskiej, wymagającej dużych zmian dynamiki podczas jazdy. Długotrwałe użytkowanie akumulatorów litowo-jonowych w taki sposób skutkuje trwałym obniżeniem ich pojemności na przestrzeni lat użytkowania, co w przypadku samochodów elektrycznych znajduje przełożenie na coraz niższy możliwy do osiągnięcia zasięg na jednym ładowaniu. W użyciu na potrzeby energetyczne akumulator, nawet o zmniejszonej na skutek wcześniejszej eksploatacji pojemności, połączony w układ z innymi, pracuje w znacznie bardziej optymalnych, pod względem długowieczności baterii, warunkach polegających na stosunkowo długich i jednostajnych pod względem obciążenia cyklach. Podsumowując, źródłami stabilizującymi produkcję energii elektrycznej ze zmiennych pogodowo źródeł odnawialnych w systemach elektroenergetycznych, nie tylko polskim, pozostają obecnie źródła konwencjonalne opalane paliwami kopalnymi. Jak wykazała analiza generacji wiatrowej w Polsce i Niemczech w roku 2016, jej zmienność należy rozpatrywać nie jako lokalną, ale powiązaną ze sobą w skali regionalnej. Mając to na uwadze, oparcie sta- 7 Magazyn energii z baterii z EV zasili stadion Ajaxu Amsterdam http://gramwzielone. pl/trendy/24434/magazyn-energii-z-baterii-z-ev-zasili-stadion-ajaxu-amsterdam (dostęp: 4.2.2017)
166 Michał KUŹNIEWSKI bilizacji krajowej generacji wiatrowej na imporcie energii z zagranicy wydaje się być więc wyborem najgorszym z możliwych, ponieważ skutkowałoby, w przypadku importu z Niemiec, de facto przeniesieniem produkcji brudnej energii poza granice Polski oraz zwiększeniem importu paliw kopalnych, w szczególności z krajów spoza Unii Europejskiej. Wysoka zmienność mocy dostarczanej do systemów przez elektrownie wiatrowe stanowi istotne wyzwanie nie tylko dla Operatorów Systemów Przesyłowych, zapewniających bieżące bilansowanie produkcji i dostaw, ale również dla konwencjonalnych jednostek wytwórczych, które muszą zapewniać wystarczalność generacji, dużą swobodę regulacyjną, pozwalającą na zmiany mocy z dużymi nieraz gradientami godzinowymi oraz możliwość zaniżenia mocy w celu umieszczenia w systemie uprzywilejowanej energii odnawialnej. Zauważyć należy, że takie warunki pracy, w szczególności dotyczące pracy na minimum technicznym lub dużych gradientów zmiany obciążenia nie są warunkami optymalnymi dla źródeł węglowych (w szczególności dużych bloków klasy 1000 MW). Perspektywicznym rozwiązaniem służącym bilansowaniu mocy farm wiatrowych wydaje się być ich integracja z magazynem energii, zapewniającym względnie stały poziom mocy dostarczanej do systemu w całym okresie eksploatacji źródła odnawialnego. Działanie to pośrednio wpisuje się również w ideę tworzenia klastrów energetycznych, zapewniających bilansowanie dostaw energii do odbiorców umieszczonych na ograniczonym obszarze oraz wydaje się być pożądane z operatorskiego punktu widzenia. Zauważyć należy, że dopóki konwencjonalne źródła wytwórcze zapewniają wystarczalność generacji, problem polegający na zmieszczeniu mocy typu must-run (odnawialne źródła energii, elektrociepłownie, minima techniczne elektrowni konwencjonalnych) może stanowić wysoka generacja źródeł wiatrowych w dolinie obciążenia systemu (przykład: sytuacja z 26.12.2016 r.). Potencjalnym rozwiązaniem w przyszłości może być stabilizująca rola floty samochodów elektrycznych, ładujących się w nocnej dolinie obciążenia. W sytuacji zagrożenia systemu zbyt wysoką generacją, należałoby uznać również za zasadne redukowanie mocy elektrowni wiatrowych przez Operatora. NETOGRAFIA 1. http://wysokienapiecie.pl/oze/1971-historyczny-rekord-wiatraki-dostarczyly-1-3-energiiw-polsce 2. http://gramwzielone.pl/energia-wiatrowa/24859/kolejny-rekord-generacji-energii-wpolskich-wiatrakow 3. Międzynarodowa Agencja Energii, Germany s renewables electricity generation grows In 2015, but coal still dominant http://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=26372 4. Rekord generacji wiatrowej. Co to oznaczało dla KSE? http://www.wnp.pl/wiadomosci/ rekord-generacji-wiatrowej-co-to-oznaczalo-dla-kse,289234_1_0_0.html
Generacja wiatrowa energetyczny rollercoaster i sposoby na jego okiełznanie 167 5. ENTSO-E Transparency Platform, https://transparency.entsoe.eu/ 6. Magazyn energii z baterii z EV zasili stadion Ajaxu Amsterdam http://gramwzielone.pl/ trendy/24434/magazyn-energii-z-baterii-z-ev-zasili-stadion-ajaxu-amsterdam WIND GENERATION ENERGY ROLLERCOASTER AND WAYS OF ITS TAMING Summary Sources of stabilizing the production of electricity from variable weather-renewable sources in power systems, not only Polish, are currently the source of conventional fossil fuel fired. The analysis shows that wind generation in Germany and Poland in 2016, its variation must be considered not as a local, but linked together on a regional scale. With this in mind, support the stabilization of the domestic generation of wind energy imports from abroad seems to be so choice worst possible. The article presents challenges that can bring security and stability of the National Power System growing annually installed capacity of wind power plants, which have become in the last decade the main driving force in achieving the national target share of energy production from renewable sources. Keywords: wind farms, energy security, power system Artykuł otrzymano 9 grudnia 2016 r. Zaakceptowano do publikacji: 4 stycznia 2017 r.
168 Michał KUŹNIEWSKI