Mielczarski: Jedna literka przesądzi o porażce OZE w Polsce (ANALIZA)
– Zakładane udziały źródeł odnawialnych w produkcji energii elektrycznej nie zostaną osiągnięte. Są one formułowane w OZE, natomiast wyprodukowanie tej energii wymaga odpowiedniej wielkości mocy, która jest ograniczona przez możliwości systemu elektroenergetycznego. Ta „drobna” różnica (jedna literka), pomiędzy energią (MWh) i mocą (MW) będzie przyczyną niepowodzenia polityki energetycznej w zakresie OZE [1] – pisze prof. Władysław Mielczarski w BiznesAlert.pl.
Wzrost celów polityki klimatycznej, formułowanych jako wzrost energii z OZE w systemie elektroenergetycznym, powoduje ograniczenie potencjału produkcyjnego tych instalacji w wyniku przymusowych wyłączeń (curtailment). Wyłączenia są powodowane przez brak możliwości ulokowania w systemie elektroenergetycznym mocy niezbędnej do wyprodukowania zakładanej wielkość energii OZE. Przy celach udziału OZE sięgających 50 procent, przymusowe wyłączenia OZE powodują straty od 20-34 procent potencjalnej do wyprodukowania energii. W przypadku prób osiągnięcia 70 procent udziału OZE, straty te osiągną 80 procent, a moce zainstalowane OZE przekraczają 400GW, czyli ponad 10-krotnie więcej od obecnego całkowitego poboru mocy. Osiągnięcie 90 procent udziału OZE wymagałoby instalacji tysięcy GW mocy OZE, co jest zupełnie nierealne, jak nierealna jest polityka energetyczna w tym obszarze.
Elektroenergetyka 2022
W roku 2022 zużycie energii elektrycznej w Polsce wynosiło 175TWh [2]. Produkcja energii elektrycznej w odnawialnych źródłach energii oznaczonych jako OZE_A obejmująca produkcję w instalacjach biogazowych, biomasowych i elektrowniach wodnych wyniosła 16TWh. Wzrost produkcji w tej grupie jest od lat stabilny i prawdopodobnie tak będzie w przyszłości. Produkcja energii elektrycznej w grupie oznaczonej OZE_B obejmuje produkcję przez farmy wiatrowe i panele PV wynosił 28TWh, z czego 18.8TWh [3] przypada na energię z wiatru i 9.3TWh na energię z paneli PV. Udział OZE w produkcji energii elektrycznej wynosił 25 procent, co jest blisko celu 32 procent wskazanego przez UE na 2030 rok. Wypełnienie tego celu, nawet tylko przez energię elektryczna jest realne – Tabela 1. [4]
Obciążenie mocą systemu elektroenergetycznego może być podzielone, przy pewnych uproszczeniach, na dwa charakterystyczne okresy: Lato i Zima. Obciążenie systemu elektroenergetycznego latem wynosi średnio około 22GW, a zimą 26GW. W celu utrzymania sieci elektroenergetycznej w stabilnej pracy potrzeba około 5 GW [5] ciągle pracujących mocy wytwórczych odpowiednio rozmieszczonych w sieci przesyłowej. Druga grupa wytwórców energii elektrycznej, która ma pierwszeństwo pracy to elektrociepłownie i elektrownie przemysłowe oznaczane jako nJWCD. Grupa ta jest stosunkowo niewielka w okresie letnim – około 2.5GW i znacznie większa w okresie zimowym, kiedy elektrociepłownie dostarczają ciepło. Pozostała część niezbędnej mocy może zostać dostarczona przez instalacje OZE i wynosi ona około 15GW. Taką moc OZE może przyjąć obecnie system elektroenergetyczny. Wielkość ta nie będzie ulegać istotnym zmianom, w ciągu następnych kilku lat, ponieważ zależna jest od obciążenia mocą systemu i jednostek z priorytetem pracy – Tabele 2.
Analizy wzrostu udziału OZE
Przeprowadzając analizy wzrostu udziałów OZE założono trzy główne warianty. Różnią się one udziałem OZE w produkcji energii elektrycznej: 32, 50 i 70 procent. Zakładane udziały pozwalają na obliczenie niezbędnych wielkości energii OZE, która spełni zakładane cele oraz wyznaczenie za pomocą symulacji optymalizacyjnych niezbędnych wielkości mocy odnawialnych źródeł energii, aby taka energia została wyprodukowana.
Zakładano, że cele produkcji wypełni głównie grupa OZE_B (wiatraki i panele PV), podczas gdy grupa OZE_A pozostanie relatywnie stabilna – Tabela 3.
Dokonując optymalizacji symulacyjnych przeanalizowano produkcję godzinową energii elektrycznej za cały rok 2022 podawaną w raportach PSE (www.pse.pl) oraz godzinowe zapotrzebowanie na energię elektryczną, produkcję JWCD oraz nJWCD jak również wymianę zagraniczną. Na podstawie tych danych symulowano profile godzinowe poboru energii oraz produkcję energii elektrycznej przez farmy wiatrakowe i panele PV dla danego celu udziału OZE w całkowitej produkcji [6].
Wariant 1
W wariancie 1 założono trzy opcje różniące się relacją pomiędzy mocą paneli PV i instalacji wiatrakowych. W opcji A dominującą technologią są panele PV, których moc zainstalowana wynosi 30MW, podczas gdy opcja C jest opcją zrównoważonego rozwoju pomiędzy instalacjami wiatrowymi i panelami PV. Opcja B jest opcją pośrednią.
Przeprowadzając symulacje w krokach godzinowych dla horyzontu czasowego jednego roku zakładano, że system elektroenergetyczny stara się przyjąć jak największą możliwą energię OZE, tak aby umożliwić pracę źródeł odnawialnych z jak największą mocą, co pozwala na optymalne wykorzystanie zainstalowanych mocy OZE. Wyniki symulacji dla Wariantu 1 podane są w Tabeli 4.
Założenie celu 32 procent energii ze źródeł odnawialnych powoduje konieczność wyprodukowania 52TWh przez instalacje OZE_B. W symulacjach optymalizacyjnych produkcja ta była niewiele większa od zakładanej, tak że przymusowe wyłączenie instalacji OZE_B dotyczyły nadmiaru energii wynoszącej od 0.6TWh dla Opcji A do 0.2TWh dla opcji C. Spełnienie tego celu OZE wymaga zwiększenia mocy wytwórczych OZE. W przypadku instalacji wiatrakowych zwiększenie mocy wynosiło od 1.5-2.0 w stosunku do istniejących mocy, w zależności od wybranej opcji. Dla paneli PV zwiększenie mocy zainstalowanych wynosiło od 1.9-3.2 wielkości obecnie istniejących mocy wytwórczych.
Tabela 4. Moce instalacji OZE dla Wariantu 1 wraz z produkcją energii elektrycznej. Symulacje własne.
Przeprowadzone analizy wskazują, że osiągnięcie celu 32 procent OZE jest możliwe przy znacznych inwestycjach w nowe instalacje, zarówno wiatrakowe, jak i paneli PV. Optymalna alokacja nowych mocy wytwórczych, jak wskazują przeprowadzone symulacje, będzie prowadziła do stosunkowo małych nadmiarów energii z OZE i niewielkich przymusowych wyłączeń instalacji OZE – Tabele 4.
Wariant 2
Wariant 2 dotyczył założenie, że udział źródeł odnawialnych w produkcji energii elektrycznej będzie wynosił 50 procent. Chociaż ustalonym celem OZE na rok 2030 jest 32 procent, to toczą się dyskusje o zwiększeniu i to znacznym tego celu. Niezależnie czy cel na 2030 r. zostanie zwiększony i ile, polityka energetyczna będzie dążyła do zwiększenia celów OZE, które mają osiągnąć nawet 100 procent produkcji energii elektrycznej.
W Wariancie 2 podobniej jak poprzednio, zakładano trzy opcje różniące się relacjami mocy zainstalowanych w farmach wiatrowych i panelach PV. Opcję A cechuje duża moc paneli PV, podczas gdy Opcja C jest opcją zrównoważoną, a opcja B jest opcją pośrednią. Wielkości odpowiadające opcjom Wariantu 2 pokazane są w Tabeli 5.
W przypadku Wariantu 2 zakładającego udział produkcji OZE na poziomie 50 procent wyprodukowana energia z OZE musi wynosić co najmniej 88TWh. Aby taką energię wyprodukować potencjał generacji energii ze źródeł odnawialnych grupy OZE_B wynosić od 111-133TWh, różnice te wynikają z różnych wielkości mocy podlegających przymusowym wyłączeniem. Przymusowe wyłączenie OZE powodują, że od 22.6-45.3TWh energii elektrycznej z OZE nie zostanie wyprodukowane (Nadmiar) ze względu na ograniczenia alokacji mocy w systemie elektroenergetycznym.
Wariant 50 procent energii ze źródeł odnawialnych wymaga bardzo dużych inwestycji. Moce instalacji wiatrowych powinny wzrosnąć od 2.9-3.7 razy w stosunku do obecnie zainstalowanych, a w przypadku paneli PV wzrost ten wynosi od 4.8-7.5 razy w stosunku do mocy istniejących w 2022 roku. Uwagę zwraca ponad 30 procent niewykorzystanych zdolności wytwórczych energii z OZE ze względu na przymusowe wyłączenia. Opcja ta jest mało realna -Tabela 6.
Tabela 6. Wyniki optymalizacji dla Wariantu 2. Symulacje własne.
Wariant 3
Wariant 3 zakłada udział energii z OZE na poziomie 70 procent całej produkowanej energii elektrycznej. Podobnie jak w przypadku poprzednich wariantów, opcje A, B i C pokazują różne relacje pomiędzy mocami zainstalowanymi na farmach wiatrowych i w panelach PV. Przyjęcie poziomu 70 procent energii ze źródeł odnawialnych powoduje konieczność osiągnięcia przez instalacje OZE wielkości mocy ponad 400GW – Rys.7
Tabela 7. Opcje Wariantu 3. Symulacje własne.
Założenie 70 procent energii z OZE wymaga wyprodukowania 128TWh energii w instalacjach OZE_B.
Wyprodukowanie takiej ilości energii powoduje znaczne zwiększenie mocy instalacji wiatrowych od 175 do 225GW (od 21.3 do 27.4 razy więcej od istniejących mocy) i mocy paneli PV od 200 do 300GW (od 16.7 do 25 razy więcej od istniejących mocy wytwórczych PV). Tak duże moce zainstalowane powodują, że potencjalne zdolności produkcyjne instalacji OZE wynoszą od 639TWh do 670TWh. Jednak tylko niewielka część z tych zdolności produkcyjnych jest wykorzystana, ponieważ zachodzi konieczność przymusowych wyłączeń OZE – Tabela 8. Opcja ta jest całkowicie nierealna.
Tabela 8. Wyniki optymalizacji dla Wariantu 3. Symulacje własne.
Podsumowanie
Symulacje optymalizacyjne pokazały, że realne jest osiągnięcie celu 32 procent udziału OZE, chociaż przy bardzo dużych inwestycjach w moce wytwórcze instalacji odnawialnych źródeł energii. Utracone potencjalne zdolności produkcyjne są na poziomie 1 procent. Zwiększenie udziału energii ze źródeł odnawialnych do 50 procent powoduje konieczność bardzo dużych inwestycji w moce źródeł odnawialnych, przy jednoczesnym niewykorzystaniu potencjału produkcji od 20-34 procent. Opcja ta jest mało realna.
Natomiast zwiększenie udziału OZE do 70 procent powoduje nie tylko konieczność inwestycji w moce źródeł odnawialnych na poziomie ponad 10-krotnie większym niż całe zapotrzebowanie na energię elektryczną, ale także olbrzymie niewykorzystanie możliwości produkcyjnych OZE sięgające 80 procent potencjalnych możliwości. Opcja ta jest całkowicie nierealna.
Mielczarski: Polska stoi przed widmem wojny falowników przez problemy OZE (ANALIZA)
Symulacje wskazują na uzasadnienie techniczne dla udziału energii z OZE na poziomie 32-40 procent. Większe udziały OZE w produkcji energii elektrycznej są mało realne, co powoduje, że zastąpienie źródeł konwencjonalnych produkcji energii elektrycznej przez źródła odnawialne jest również mało realne [7]. Założenia polityki energetycznej w obszarze OZE nie są możliwe do realizacji.
Wykorzystanie magazynów energii może poprawić wykorzystanie energii na poziomie kilku procent. Wielkoskalowe (moce dziesiątek czy setek MW) nie istnieją, a szansa na ich techniczne wdrożenie jest niewielka, nie mówiąc już o potrzebie inwestycji na poziomie dziesiątek miliardów.
Podane wielkości ograniczeń w produkcji OZE nie uwzględniają ograniczeń wynikających z przepustowości sieci elektroenergetycznych. W warunkach polskich ograniczenia sieciowe, ze względu na lokalizację źródeł OZE mogą zwiększyć przymusowe wyłączanie OZE o 30-50 procent.
[1] Przedstawione tabele i wykresy są wybraną częścią wyników prowadzonych w Instytucie Elektroenergetyki Politechniki Łódzkiej prac nad udziałami energii ze źródeł odnawialnych w systemach elektroenergetycznych.
[2]Dane szacunkowe. W dniu pisania publikacji były dostępne dane do grudnia 2022.
[3]W pracy konsekwentnie używano oddzielania części dziesiętnych za pomocą „kropki”.
[4]Całkowite dane dotyczące roku 2022 są jeszcze niedostępne w dniu pisania artykułu. Wielkości pokazane w Tabeli 1 są estymacją z dostępnych danych za 11 miesięcy.
[5]Dokładna liczba tzw. must-run sieciowych nie jest publikowana. Podana wielkość 5GW wynika z estymacji bazujących na raportach pracy systemu elektroenergetycznego.
[6]Praca wykorzystuje metodę analiz warunkowych.
[7]Przy posługiwaniu się analizą warunkową może zawsze zdarzyć się, że nie wszystkie zakładane warunki zostaną dokładnie spełnione. Jednak przy analizie w horyzoncie jednego roku (8760h) odchylenie dla danej godziny są kompensowane odchyleniami dla kolejnych godzin.I wnioski końcowe będą takie same.
Premier chce liberalizacji ustawy odległościowej, która uwolni środki KPO
