Naukowcy: Jak rozbudowa OZE w Kalifornii doprowadziła do blackoutu

24 sierpnia 2020, 13:00 Energetyka

Zwolennicy wiatru twierdzą, że w razie ciszy wiatrowej będą mogli importować energię elektryczną od sąsiadów, bo „wiatr zawsze gdzieś wieje”, ale rzeczywistość przeczy temu twierdzeniu. Co się faktycznie wydarzyło w Kalifornii? – piszą dr inż. Andrzej Strupczewski, prof. Narodowego Centrum Badań Jądrowych i Łukasz Koszuk z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Skutki rozbudowy OZE – Blackouty w Niemczech, Australii Południowej i Kalifornii

Niemiecka organizacja pozarządowa Vernunftkraft (Rozsądna energetyka) od dawna ostrzegała, że same odnawialne źródła energii (OZE) nie mogą zapewnić ciągłego i niezawodnego zasilania odbiorców, bo słońce zachodzi 365 razy w roku a wiatr jest zmienny – na lądzie wiatraki pracują na mocy od zera do około 70 procent mocy znamionowej, średnio dają energię równoważną pracy na pełnej mocy przez 20 do 25 procent czasu w roku. Wprawdzie zwolennicy wiatru twierdzą, że w razie ciszy wiatrowej będą mogli importować energię elektryczną od sąsiadów, bo „wiatr zawsze gdzieś wieje”, ale rzeczywistość przeczy temu twierdzeniu. Wykresy przebiegu zmian siły wiatru pokazują, że w krajach tak odległych jak Niemcy i Wielka Brytania, wiatr jednocześnie przybiera na sile lub słabnie i o wzajemnej wymianie energii wiatrowej nie ma mowy. Co więcej, roczne wykresy dla 14 krajów Europy pokazują, że zmiany siły wiatru przebiegają jednocześnie na obszarze sięgającym od Finlandii do Hiszpanii (Rys. 1).

Rys. 1 Moc dostarczana przez farmy wiatrowe w 14 krajach europejskich, od Finlandii do Hiszpanii (dane rejestrowane co godzinę przez cały rok 2016) wykres oparty na danych Entso-e, cytowany za zezwoleniem Rolfa Schustera z organizacji Vernunftkraft.

Przerwy w generacji energii elektrycznej z wiatraków na morzu sięgają ponad 100 godzin, co widać na wykresie dla niemieckich farm wiatrowych zlokalizowanych na Bałtykuw maju 2018 roku pokazanym na Rys. 2. W ciągu okresu ciszy morskiej trwającej 4,5 dni i nocy, średnia moc morskich farm wiatrowych wynosiła mniej niż 0,6 procent mocy nominalnej.

Rys. 2 Moc niemieckich morskich farm wiatrowych na Bałtyku źródło: https://www.energy-charts.de/power.htm?source=wind-offshore&year=2018&month=5)

Moc rzeczywista niemieckich morskich farm wiatrowych (MFW) na Bałtyku w 2016 roku spadała poniżej 1 procenta mocy nominalnej przez 256 godzin rocznie, czyli trwała blisko 11 dni[1]. Dane o wietrze są zbierane w odstępach co 15 minut, godzina po godzinie przez ponad 10 lat. Propagatorzy OZE  nie chcą ich brać pod uwagę, twierdząc, że są to dane „anegdotyczne”[2].  Czy jednak prace obejmujące dziesiątki lat i setki tysięcy danych nie zasługują na uwagę?Okresy ciszy wiatrowej występują też na lądzie w Niemczech rok po roku. Na Rys. 3  pokazana jest generacja energii w grudniu 2014 roku trwająca około pięć dni i nocy, a więc ponad 100 godzin.

Rys. 3 Wytwarzanie energii elektrycznej z różnych źródeł, Niemcy, grudzień 2014

W 2016 roku, przy produkcji energii z wiatraków zainstalowanych na lądzie w Niemczech równej 65 TWh i mocy nominalnej 45911 MW  średni wskaźnik wykorzystania mocy wynosił 16 procent. Minimalna moc wyniosła 135 MW, a więc stosunek mocy minimalnej do nominalnej był mniejszy niż 0,3 procent.

Podobnie w bieżącym roku, od 2020-07-27, godz. 4 do godz. 16 średnia moc niemieckich farm wiatrowych  na Bałtyku wyniosła 23 MW, co stanowiło 0,021 mocy zainstalowanej. W następnych 10 godzinach wiatr nieco wzrósł, co dało średnią moc 81,7 MW, to jest 0,076 mocy zainstalowanej w ciągu 22 godzin. Gdybyśmy w Polsce planowali uzyskać z MFW średnio w ciągu roku 40 TWh (a taką wielkość podawano w planach z 2018 roku jako pożądaną) to przytoczona powyżej cisza morska przez 22 godziny spowodowałaby brak 22/365 x 40 000 GWh x 0,924 = 2 227 GWh. Dla porównania warto przypomnieć, że łączna energia, jaka może być maksymalnie zgromadzona w elektrowniach szczytowo-pompowych w Polsce, to 7,8 GWh. Czy warto budować więcej elektrowni szczytowo-pompowych? Tak, ale do wyrównywania zmian siły wiatru jeszcze nam będzie wciąż bardzo daleko.

W Niemczech udaje się uniknąć blackoutu, bo gdy brak wiatru to rząd nakazuje uruchomić wszystkie wyłączone wcześniej elektrownie, a sąsiedzi eksploatujący elektrownie jądrowe  sprzedają do Niemiec duże ilości energii elektrycznej. Doświadczenie pokazuje, że obok OZE trzeba mieć elektrownie systemowe, albo we własnym kraju, albo obok. Niestety pęd do rozbudowy OZE motywowany bogatymi subwencjami i tanimi kredytami na budowę wiatraków i paneli słonecznych sprawia, że elektrownie systemowe, pozbawione takich subwencji i zmuszone do dostosowania swej mocy do chwilowych kaprysów wiatru, pracują tylko wtedy, gdy cichnie wiatr. W ten sposób koszty zmienności mocy wiatraków przenoszone są na elektrownie systemowe. Energia z OZE wygrywa podwójnie – dzięki subwencjom obniżającym koszty wiatraków i paneli fotowoltaicznych, oraz wskutek nakazowego zmniejszania mocy lub nawet wyłączania elektrowni systemowych, co oczywiście sztucznie podwyższa koszty produkowanej przez nie energii elektrycznej. W efekcie praca elektrowni systemowych przestaje być opłacalna i jest ich w sieci coraz mniej.

Skutki tego widać w krajach i regionach o dużym udziale OZE w mocach sieci elektroenergetycznej. Tak np. w prowincji Australia Południowa, zaledwie w cztery miesiące od utraty zasilania elektrycznego  spowodowanej przez wadliwe działanie farm wiatrowych[3], w lutym 2017 roku farmy wiatrowe w tej prowincji znów zawiodły, dając tylko dwa procent mocy nominalnej, gdy wiatr przycichł w fali upału. Ponad 90 000 domów i firm zostało pozbawionych światła i klimatyzacji w chwili, gdy temperatury przekroczyły 40^oC.”Zielone szaleństwo” – pisze prasa australijska – „zagraża życiu ludzi”[4].

Wobec braku zasilania z wiatraków, które stały się głównym elementem systemu elektroenergetycznego w Australii Południowej, regulator Rynku Energetycznego Australii wprowadził blackout w tej prowincji, abyuchronić system przed zniszczeniem. Połączenie międzystanowe z prowincją Victoria dostarczające prąd z elektrowni węglowych pracowało na pełnym obciążeniu, ale to nie wystarczało – Południowa Australia nie miała dość własnych elektrowni. Eksperci energetyczni Australii przeanalizowali sytuację i sformułowali wnioski[5].

Wnioski te są warte uwagi w każdym kraju planującym rozbudowę OZE.

1. Południowa Australia ma najbardziej zawodny system elektroenergetyczny, a elektryczność jest w niej najdroższa, ponieważ zamknęła ona dużą część swych elektrowni systemowych i polega na elektrowniach wiatrowych, które dostarczają 40 procent energii elektrycznej.
2. Wskutek wysokich cen i zawodności dostaw energii elektrycznej Południowa Australia utraciła wiele miejsc pracy, a biednym i starym ludziom grozi utrata życia, gdy nie mogą ochłodzić swych domów w czasie upałów lub ogrzać się w zimie.
3. Południowa Australia nie może polegać na dostawach energii elektrycznej zsąsiedniej prowincji Victoria, która ma własne cele w energetyce odnawialnej i zapowiedziała już zamknięcie ogromnej elektrowni węglowej Hazelwood, dostarczającej 20 procent energii dla tej prowincji.
4. Jeśli rząd Australii będzie realizował cel polegający na produkowaniu 50 procent energii elektrycznej z OZE w 2050 roku, to trzeba będzie potroić moce wiatraków i paneli słonecznych (za cenę 48 miliardów dolarów), a w efekcie dostawy energii elektrycznej będą tak niepewne, jak w krajach Trzeciego Świata – lub w Australii Południowej.

Życie pokazało, że porównanie z krajami Trzeciego Świata nie jest najwłaściwsze – należałoby raczej mówić o Kalifornii, najbogatszym stanie USA. Otóż w ciągu ostatniego tygodnia ponad pół miliona ludzi straciło dostawy prądu elektrycznego, a ostrzeżenia przed blackoutem i wezwania, by ograniczać zużycie energii elektrycznej dotyczyły od 5 do 10 milionów osób. Poważne czasopisma  – jak Financial Times[6], Washington Times [7]i inne podkreślają, że Kalifornia nastawiła się na rozwój energii słonecznej i wiatrowej i już drugi raz w ciągu roku narażona jest na wyłączenia energii elektrycznej[8]. Ogólnokrajowy magazyn prawny The National Law Review podkreślił, że fala blackoutów zaczęła się 15 sierpnia, gdy farmy wiatrowe obniżyły dostarczanie energii elektrycznej o 1000 MW[9]. Nawet gubernator Gavin Newsom przyznał, że wyłączenia elektrowni gazowych i jądrowych pozbawiły Kalifornię stabilnych źródeł energii. Rozwój energii odnawialnej w Kalifornii opierał się na budowie paneli słonecznych, co było w pełni zrozumiałe skoro Kalifornia ma 2,5razy silniejsze nasłonecznienie niż Polska[10].  Energetyka odnawialna dostarcza obecnie 36 procent energii elektrycznej w Kalifornii – i dopóki słońce świeci i wiatr wieje władze stanowe szczycą się swym pędem do „nowoczesności”. Niestety wiatr jest zawodny, a słońce zachodzi co wieczór i mieszkańcy Kalifornii z trudem oddychający w temperaturach około 50^oC nie mogą włączyć klimatyzacji ani nawet światła – bo wieczorem słońca już nie ma, wiatr ucichł – i prądu też nie ma[11].

Co się faktycznie wydarzyło w Kalifornii?[12]Według lokalnych mediów, trzy największe przedsiębiorstwa energetyczne w stanie – Pacific Gas&Electric, Southern California Edison i San Diego Gas and Electric – wyłączyły zasilanie ponad 410 000 domów i firm na około godzinę w czasie trwania całego incydentu, które trwał około trzy i pół godziny. Operator sieci elektroenergetycznej zmagał się z dostawą energii elektrycznej już od piątku 14 sierpnia, kiedy to w czasie znacznego wzrostu temperatur ogłosił stan awaryjny drugiego stopnia w całym stanie Kalifornia, możliwe wówczas były tylko ostrzegawcze przerwy w dostawie prądu. Później tego samego dnia – o godzinie 18:36 – z powodu 1 GW utraconej mocy wytwórczej i wynikającego z tego nadzwyczajnego obciążenia sieci elektrycznej, operator podniósł stopień stanu awaryjnego do trzeciego stopnia, co zapoczątkowało przerwy w dostawie energii elektrycznej w całym stanie. O 19:51 sieć ustabilizowała się, kiedy zaczęto przywracać utracone moce. To nie zakończyło jednak problemów w dostawie energii elektrycznej, które zaostrzyły się następnego dnia, w sobotę 15 sierpnia około godziny 18:28, gdy operator sieci ponownie ogłosił stan awaryjny poziomu trzeciego, powołując się na „nieoczekiwaną utratę elektrowni o mocy 470 MW i utratę prawie 1000 MW energii wiatrowej”(Rys. 4, Rys. 5). W niedzielę operator sieci wydał ogólnostanowy Flex Alert, czyli wezwanie do dobrowolnego oszczędzania energii elektrycznej, który został przedłużony aż do środy. „Nie ma wystarczającej ilości energii, aby zaspokoić duże zapotrzebowanie podczas fali upałów”, ostrzegał operator. W poniedziałek ponownie podniesiono stan zagrożenia do poziomu 2, powołując się na wzrost temperatury zwiększający zużycie energii elektrycznej i obciążający sieć. W poniedziałek oraz kolejne dwa dni, kiedy podnoszono alarm oraz nakazano mieszkańcom oszczędzanie energii elektrycznej, nie doszło już do ponownego przerwania dostaw energii elektrycznej. „Te przerwy w dostawie energii, które miały miejsce bez wcześniejszego ostrzeżenia lub czasu na przygotowania, są niedopuszczalne i nie pasują do największego i najbardziej innowacyjnego stanu w kraju” – napisał na Twitterze zdenerwowany gubernator stanu Kalifornia.

Rys. 4 Moc dostarczana przez różne źródła energii w stanie Kalifornia w dniu 15 sierpnia 2020 roku, źródło: California Independent System Operator

Rys. 5 Moc dostarczana przez Odnawialne Źródła Energii w stanie Kalifornia w dniu 15 sierpnia 2020 roku, źródło: California Independent System Operator

Prezes  operatora sieci, Stephen Berberich, obarczył winą za brak elektryczności  Komisję  Towarzystw Energetycznych. Realizuje ona politykę rozbudowy OZE mimo ostrzeżeń, że trzeba zapewnić moc dyspozycyjną w gorące wieczory letnie, gdy generacja mocy paneli fotowoltaicznych spada do zera, a zapotrzebowanie energii pozostaje wysokie. Problem będzie rósł w miarę jak Kalifornia dodaje panele fotowoltaiczne i farmy wiatrowe, by osiągnąć 60 procent generacji energii elektrycznej z OZE w 2030 roku i 100 procent w 2045 roku, oświadczył Berberich.[13].

Ostatni blackout nie jest niestety niczym wyjątkowym. Jak podaje Bloomenergy, w okresie 2 lat od października 2017 do października 2019 w pięciu największych miastach Kalifornii  o łącznej populacji 7,7mln nastąpiło 10417 przerw w dostawach prądu elektrycznego dla 11.4 milionów odbiorców. W samym Los Angeles wystąpiło 5787 przerw, które dotknęły 6.4 miliona odbiorców[14]. W całym stanie Kalifornia liczba przerw w zasilaniu prądem elektrycznym rośnie. W 2019 roku było 25281 przerw, które dotknęły 28,4 milionów odbiorców, co stanowiło wzrost o 23 procent w stosunku do 20598 przerw w 2018 roku.

Łączny czas trwania przerw w dostawach prądu w Kalifornii w ciągu dwóch lat wyniósł 4547 dni, a wśród odbiorców pozbawionych prądu było około 89000 mieszkańców leczonych w domach, którzy wymagali nieprzerwanego zasilania prądem elektrycznym ze względów medycznych. Średni czas trwania przerw w dostawach prądu wynosił 46 godzin, to jest prawie dwie doby[15].

Eksperci energetyczni przewidują, że dalszy wzrost udziału niestabilnych OZE spowoduje pogorszenie sytuacji i  wzrost liczby blackoutów. Autorytatywne źródła jak Forbes i Wall Street Journal podają, że forsowne wprowadzanie OZE spowodowało wzrost ceny energii elektrycznej o 50 do 100 procent od 2009 do 2019 roku, a obecna cena dla odbiorców indywidualnych w Kalifornii wynosi 19.2 centa za kilowatogodzinę , co jest ceną o 47 procent wyższą od średniej w USA (13 c/kWh)[16]. Według opinii Wall Street Journal “jeśli wyeliminuje się paliwa kopalne, to przerwy w dostawach prądu są nieuniknione”. Wygląda, że dążenie do dominacji OZE źle wróży dla mieszkańców stanu.

Ale propagatorzy OZE mają rozwiązanie. Jakie? Może Czytelnik zgadnie? Wobec tego, że kryzys energetyczny zaczął się wskutek spadku mocy wiatru, proponują… zbudowanie większej liczby elektrowni wiatrowych[17]. Skąd taki wniosek? Otóż analitycy związani z branżą OZE twierdzą, że zmiany klimatyczne pogłębiają fale upałów, więc spalanie większej ilości paliw kopalnych, aby sobie z tym poradzić, przynosi pewne skutki odwrotne do zamierzonych. Jest to stwierdzenie słuszne, ale ignorują oni najważniejszy fakt – Kalifornia zamknęła ogromne źródło bezpiecznej, niezawodnej, zawsze włączonej, nieemitującej dwutlenku węgla i przyjaznej dla klimatu energii – czyli energii jądrowej. W 2013 roku państwowe organy regulacyjne wymusiły zamknięcie elektrowni jądrowej San Onofre, która dostarczała energię elektryczną do 1,4 mln gospodarstw domowych. Do 2025 roku kalifornijskie organy regulacyjne planują zamknąć elektrownię jądrową w kanionie Diablo, która może dostarczać energię elektryczną 3 milionom gospodarstw domowych. Problem zmian klimatycznych, wraz z awariami wynikającymi z nieodłącznych kaprysów energii wiatrowej i słonecznej, wskazują, że Kalifornia powinna nie tylko utrzymać swoje elektrownie jądrowe w ruchu, ale także zbudować ich znacznie więcej! Uczmy się zatem na błędach innych, szczególnie teraz, gdy wchodzimy na ścieżkę transformacji energetycznej naszego kraju.

[1]https://www.50hertz.com/de/Transparenz/Kennzahlen/Windenergie.
[2] G. Wiśniewski: Oświadczenia w dyskusjach w sekcji Nauki i Innowacji Narodowej Rady Rozwoju, 7.01.2019 i w Najwyższej Izbie Kontroli 24.01.2019
[3]Green Disaster: South Australian Blackout Due To Loss Of Wind Power,The Australian, 5 October 2016
[4]Rolling Blackouts In South Australia As Wind Farms Fail Again, Herald Sun, 8 February 2017
[5]Victorian Vortex: Wind & Solar Obsession Guarantees Mass Summer Blackouts & Power Prices Soar (Again) September 22, 2019 by stopthesethings
[6]Californians Face Dark, Hot Summer As Green Energy Is SappedFinancial Times, 18 August 2020
[7]’Forcing Americans In The Dark’: Green Energy Push Blamed In California’s Rolling Blackouts
Valerie Richardson, The Washington Times, 18 August 2020
[8]Chris Horner: The Year the Lights Went Out in CaliforniaThe Pipeline, 18 August 2020
[9] Green Power and the 2020 California Blackouts, The National Law Review, August 22, 2020, Volume X, Number 235https://www.natlawreview.com/article/green-power-and-2020-california-blackouts
[10]https://www.nrel.gov/gis/assets/images/solar-annual-dni-2018-01.jpg
[11]https://poweroutage.us/area/state/california
[12]https://www.powermag.com/california-blackouts-bring-calls-for-investigation/
[13] Green Power and the 2020 California Blackouts, The National Law Review, August 22, 2020, Volume X, Number 235 https://www.natlawreview.com/article/green-power-and-2020-california-blackouts
[14]https://www.bloomenergy.com/bloom-energy-outage-map
[15]tamże
[16]https://www.forbes.com/sites/robertbryce/2020/08/18/blackouts-expose-perils-and-costs-of-californias-electrify-everything-push/#16a191a57a01
[17]https://www.awea.org/resources/news/2020/california-renewable-energy-providers-urge-state-i

 

Kalifornia w ogniu. Władze ograniczają dostęp do energii elektrycznej