Polskie Towarzystwo Fizyczne Oddział Katowicki Konwersatorium Elektroenergetyka polska wybrane zagadnienia Maksymilian Przygrodzki Katowice, 18.03.2015 r
Zakres tematyczny System elektroenergetyczny Zapotrzebowanie na moc i energię elektryczną Potencjał wytwórczy Odnawialne Źródła Energii Uwarunkowania pracy Zbilansowanie KSE Prognozy rozwojowe Wybrane kraje europejskie 2
System elektroenergetyczny (1) System elektroenergetyczny (SEE) to zbiór wzajemnie powiązanych elementów realizujących funkcje: wytwarzania, przesyłania, rozdziału, użytkowania energii elektrycznej, a także elementów niezbędnych do sterowania jego pracą, połączonych ze sobą w celu realizacji ciągłej dostawy energii elektrycznej odbiorcom. Ze względu na niewielkie możliwości magazynowania energii elektrycznej, cała bieżąca produkcja energii jest natychmiast konsumowana. Ma to fundamentalne znaczenie dla procesu sterowania pracą SEE. 3
System elektroenergetyczny (2) Droga energii elektrycznej od miejsc wytworzenia (elektrowni) do miejsc konsumpcji (odbiorców) 4
System elektroenergetyczny (3) WYTWÓRCY 65 % SIEĆ ELEKTROENERGETYCZNA ODBIORCY 400 i 220 kv 5 % 30 % 110 kv 25 % 3 % 2 % SN 30 % 0,4 kv 40 % Źródło: ARE SA 5
System elektroenergetyczny (4) Źródło: PSE SA 6
Zapotrzebowanie na moc i energię elektryczną (1) 7
Zapotrzebowanie na moc i energię elektryczną (2) 25 000 24 000 23 000 22 000 21 000 20 000 19 000 styczeń luty marzec kwiecień maj czerwiec lipiec sierpień wrzesień październik listopad grudzień Zapotrzebowanie w KSE [MW] 25 000 24 000 23 000 22 000 21 000 20 000 19 000 poniedziałek wtorek środa czwartek piątek sobota niedziela Miesiące Tydzień Maksymalne miesięczne zapotrzebowanie na moc Maksymalne tygodniowe zapotrzebowanie na moc (październik) 26 000 26 000 26 000 24 000 22 000 20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 24 000 22 000 20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 24 000 22 000 20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 8 Zapotrzebowanie w KSE [MW] Zapotrzebowanie w KSE [MW] 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Zapotrzebowanie w KSE [MW] Zapotrzebowanie w KSE [MW] Doba robocza letnia Doba świąteczna letnia Doba robocza zimowa Doba Robocza Letnia (czerwiec) Doba Świąteczna Letnia (czerwiec) Doba Robocza Zimowa (grudzień) Źródło: PSE SA
Zapotrzebowanie na moc i energię elektryczną (3) Źródło: PSE SA 9
Potencjał wytwórczy (1) Podsystem wytwórczy tworzą go wszystkie elektrownie krajowe, które ogólnie dzielą się na: elektrownie cieplne na węgiel kamienny i inne paliwa, np. gaz ziemny, elektrownie cieplne na węgiel brunatny, elektrownie wodne (w tym szczytowo-pompowe), elektrownie przemysłowe, źródła odnawialne. Źródło: PSE SA 10
Potencjał wytwórczy (2) Przebieg zapotrzebowania na moc w KSE w dniu, w którym wystąpiło maksymalne krajowe zapotrzebowanie na moc i sposób jego pokrycia Źródło: PSE SA 11
Potencjał wytwórczy (3) Przebieg zapotrzebowania na moc w KSE w dniu, w którym wystąpiło minimalne krajowe zapotrzebowanie na moc i sposób jego pokrycia Źródło: PSE SA 12
Bilans mocy w KSE Zapotrzebowanie na moc w KSE Produkcja mocy w KSE P PV Produkcja w źródłach PV P ozeinne P FW Produkcja w źródłach odnawialnych innych niż FW oraz PV Produkcja w farmach wiatrowych P obc P mintech Minimalne techniczne obciążenia źródeł innych niż OZE 13
Odnawialne Źródła Energii Odnawialne źródło energii odnawialne, niekopalne źródła energii obejmujące energię wiatru, energię promieniowania słonecznego, energię aerotermalną, energię geotermalną, energię hydrotermalną, hydroenergię, energię fal, prądów i pływów morskich, energię otrzymywaną z biomasy, biogazu, biogazu rolniczego oraz z biopłynów Źródło: URE 14
Warunki wietrzne 4 Średniomiesięczne prędkości wiatru w Polsce 4500 Moc zainstalowana [MW] 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 3833,8 3390 2496,7 1616,4 1180,3 724,7 451,1 306,3 6,2 29,3 59,3 60 64,9 123,5 173,1 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Źródło: IMGW Rok Moc zainstalowana w FW 15
Generacja FW (1) 4 Średnie wykorzystanie mocy w FW w Polsce Wybrane przebiegi wykorzystania mocy w FW 16
Generacja FW (2) 4 Częstość [-] 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 0,9-1,0 Generacja FW [p.u.] Częstość występowania stopnia wyzyskania mocy zainstalowanej w farmach wiatrowych dla okresu wiosenno-letniego (k FW = 0,4) Częstość [-] 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 0,0-0,1 0,1-0,2 0,2-0,3 0,3-0,4 0,4-0,5 0,5-0,6 0,6-0,7 0,7-0,8 0,8-0,9 0,9-1,0 Generacja FW [p.u.] Częstość występowania stopnia wyzyskania mocy zainstalowanej w farmach wiatrowych dla okresu jesienno-zimowego (k FW = 0,7) 17
Warunki nasłonecznienia 4 600 500 400 300 200 100 0 styczeń luty marzec kwiecień maj czerwiec lipiec sierpień wrzesień październik listopad grudzień Natężenie prom. słonecznego [W/m 2 ] 600 500 400 300 200 100 0 poniedziałek wtorek środa czwartek piątek sobota niedziela Miesiące Tydzień Miesięczne wielkości nasłonecznienia Tygodniowe wielkości nasłonecznienia (październik) 600 500 400 300 200 100 0 600 500 400 300 200 100 0 600 500 400 300 200 100 0 Doba Robocza Letnia (czerwiec) Doba Świąteczna Letnia (czerwiec) Doba Robocza Zimowa (grudzień) 18 Natężenie prom. słonecznego [W/m 2 ] Natężenie prom. słonecznego [W/m 2 ] 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Natężenie prom. słonecznego [W/m 2 ] Natężenie prom. słonecznego [W/m 2 ] Doba robocza letnia Doba świąteczna letnia Doba robocza zimowa Źródło: www.mir.gov.pl
Analiza warunków nasłonecznienia (1) 25 000 24 000 23 000 22 000 21 000 20 000 19 000 19 styczeń luty marzec kwiecień maj czerwiec lipiec sierpień wrzesień październik listopad grudzień Zapotrzebowanie w KSE [MW] Miesiące 26 000 24 000 22 000 20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 0 600 500 400 300 200 100 26 000 24 000 22 000 20 000 18 000 16 000 14 000 12 000 10 000 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Zapotrzebowanie w KSE [MW] Natężenie prom. słonecznego [W/m 2 ] Doba robocza letnia 600 500 400 300 200 100 0 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Zapotrzebowanie w KSE [MW] Natężenie prom. słonecznego [W/m 2 ] Zapotrzebowanie maksymalne na moc w KSE a średnie nasłonecznienie Doba robocza zimowa Zapotrzebowanie dobowe na moc w KSE a średnie nasłonecznienie
Analiza warunków nasłonecznienia (2) Pasmo efektywnej generacji (>70% F maxi ) Zapotrzebowanie dobowe na moc w KSE a średnie nasłonecznienie (lato / zima) 20
Analiza pracy źródeł konwencjonalnych Minimalny poziom generacji w źródłach konwencjonalnych uwzględnia: jednostki wytwórcze pracujące w układzie kogeneracji (elektrociepłownie), jednostki wytwórcze ESP, jednostki wytwórcze w elektrowniach kondensacyjnych, których praca jest wymuszona przyczynami leżącymi po stronie wytwórców, jednostki wytwórcze w elektrowniach kondensacyjnych, których praca jest wymuszona ze względu na bezpieczeństwo pracy sieci, jednostki wytwórcze, których praca jest niezbędna dla utrzymania procesów technologicznych dużych odbiorców (elektrownie przemysłowe). Analizowany stan Dni robocze w okresie wiosenno-letnim (szczyt poranny) Dni wolne od pracy (weekend) w okresie wiosennoletnim (szczyt poranny) Dni robocze w okresie jesienno-zimowym (szczyt poranny) Dni wolne od pracy (weekend) w okresie jesiennozimowym (szczyt poranny) P mintech [MW] 2015 2020 2025 9 099,1 10 691,0 10 839,9 8 468,8 9 928,1 10 080,6 12 266,7 15 168,1 14 798,4 11 744,2 14 519,0 14 152,3 W okresie Świąt Wielkiej Nocy (dolina poranna) 9 495,7 11 592,8 11 740,6 21
Analiza (współ)pracy źródeł odnawialnych 22
Ocena generacji w źródłach PV P dopoze = P obc min P min tech P PV = P dopoze P FW P OZEinne P FW = k FW P zfw 23
Weryfikacja wyznaczonego bilansu (1) Przebiegi zapotrzebowania na moc w KSE w dniu, w którym wystąpiło maksymalne krajowe zapotrzebowanie na moc i sposób jego pokrycia na tle krzywej natężenia promieniowania słonecznego 24
Weryfikacja wyznaczonego bilansu (2) Przebiegi zapotrzebowania na moc w KSE w dniu, w którym wystąpiło minimalne krajowe zapotrzebowanie na moc i sposób jego pokrycia na tle krzywej natężenia promieniowania słonecznego 25
Wnioski Ocena dopuszczalnych wielkości produkcji OZE powinna być wielostronna, obejmując zarówno stronę popytową jak i podażową. Warto zauważyć, że mogą również występować takie dni, dla których w godzinach południowych będą zachodziły jednocześnie dobre warunki wietrzności oraz dogodne warunki nasłonecznienia, szczególnie w okresie wiosenno-letnim. Godziny południowe będą w tym kontekście wnosiły znaczącą niepewność (ryzyko) co do poziomu mocy generowanej w źródłach fotowoltaicznych i tym samym do sumy mocy generowanych w KSE. Znaczący udział źródeł PV będzie powodował zjawisko wypierania produkcji mocy w źródłach konwencjonalnych, zwiększając tym samym nawet dwukrotnie zmienność obciążeń tych elektrowni w ciągu doby, zmuszając do korygowania zakresu utrzymania rezerwy wtórnej i trójnej. Zapotrzebowanie w KSE [MW] 22 000 21 000 20 000 19 000 18 000 17 000 16 000 15 000 14 000 13 000 12 000 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Doba robocza letnia Zapotrzebowanie w KSE [MW] 22 000 21 000 20 000 19 000 18 000 17 000 16 000 15 000 14 000 13 000 12 000 0:00 1:00 2:00 3:00 4:00 5:00 6:00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 Doba świąteczna letnia bez PV z PV bez PV z PV 26
Prognoza rozwoju źródeł w KSE Źródło: PSE SA 27
Wybrane kraje europejskie (1) Sumaryczna moc zainstalowana w źródłach fotowoltaicznych na świecie, w MW Sumaryczna moc zainstalowana w źródłach fotowoltaicznych w krajach europejskich, w MW Źródło: EPIA 28
Wybrane kraje europejskie (2) Prognoza sumarycznej mocy zainstalowanej w źródłach fotowoltaicznych w Europie, w MW Źródło: EPIA 29
Wybrane kraje europejskie (3) Źródło: Fraunhofer Institute Procentowy udział źródeł odnawialnych w zużyciu energii elektrycznej przez odbiorców w Niemczech 30
Wybrane kraje europejskie (4) Moc zainstalowana w Niemczech do lipca 2014 roku, w MW 31
Wybrane kraje europejskie (5) Źródło: Institute of Electrical Power Systems Moc zainstalowana w Niemczech w źródłach PV 32
Wybrane kraje europejskie (6) Źródło: Institute of Electrical Power Systems Prognoza rozwoju mocy zainstalowanej w Niemczech w źródłach wiatrowych 33
Wybrane kraje europejskie (7) Źródło: Fraunhofer Institute / BDEW Procentowy udział źródeł odnawialnych w zużyciu energii elektrycznej brutto w Niemczech założenia celowe 34
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ! 35