Wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną

Wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną – moc dyspozycyjna

Wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną rośnie wraz z rynkiem PV, którego gwałtowny rozwój od trzech lat można zaobserwować również w naszym kraju (fotowoltaika w Polsce na koniec 2020 r. osiągnęła poziom prawie 4500 MW mocy zainstalowanej).

Mimo że fotowoltaika stanowi źródło sterowalne, to nie jest przewidywalne, a tym samym ma ograniczoną dyspozycyjność. Przy określaniu bilansu mocy, granicę bezpieczeństwa KSE wyznaczają źródła całkowicie dyspozycyjne [1]. Jak wskazuje Urząd Regulacji Energetyki (URE), pomimo wzrostu zdolności produkcyjnych energii elektrycznej (całkowitej mocy zainstalowanej w systemie), moc dyspozycyjna spada [2].

Aby precyzyjnie określić, jak inwestycje w nowe moce w poszczególnych technologiach wytwórczych przekładają się na stabilność działania KSE, a co za tym idzie – również wpływ instalacji fotowoltaicznych na system elektroenergetyczny, pomocne jest wykorzystanie tzw. korekcyjnego współczynnika dyspozycyjności (KWD). Został on określony w Rozporządzeniu Ministra Klimatu w sprawie parametrów aukcji głównej dla roku dostaw 2025 oraz parametrów aukcji dodatkowych dla roku dostaw 2022 [3]. Współczynnik pokazuje dyspozycyjność źródeł w zależności od zastosowanej technologii i np. dla elektrowni słonecznych KWD wynosi ok. 2%, dla turbin wiatrowych lądowych – 14%, a dla elektrowni wodnych szczytowo-pompowych – ponad 99% [2].

Wpływ instalacji fotowoltaicznych na system elektroenergetyczny – blackout

Wpływ instalacji fotowoltaicznych na system elektroenergetyczny, w obliczu przyrostu nowych mocy, stawia przed konwencjonalnymi sieciami przesyłowymi dwa główne wyzwania. Dotyczą one zapobiegania przeciążeniom istniejących linii przesyłowych, które mogą prowadzić do przeciążeń termicznych, a także zakłóceniom progowych wartości częstotliwości i napięcia sieci [4]. Jest to o tyle istotne, że konsekwencją wspomnianych zagrożeń są przerwy w dostawach energii (tzw. blackouty) oraz destabilizacja systemy przesyłowego.

Przykładem może być hawajska wyspa Kauai, gdzie wiosną 2021 r. ponad 35 000 mieszkańców zostało pozbawionych dostępu do elektryczności w wyniku wahań częstotliwości, w czasie, gdy sieć pracowała w 100% w oparciu o energię odnawialną [5]. Nie był to pierwszy tego rodzaju incydent (wcześniej wystąpił również na innych hawajskich wysypach, np. Oahu), dlatego w kraju zainicjowano projekt, który ma na celu wyposażenie 6000 domów w bateryjne magazyny energii, aby ograniczyć wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną i wspomóc jej działanie [6].

Paradoksalnie, do wzrostu problemów z przerwami dostaw energii przyczynili się w dużej mierze sami Hawajczycy, bowiem użytkownicy paneli fotowoltaicznych zwykle nie mają świadomości, że ich domowa instalacja PV nie może pracować podczas przerw w dostawie energii elektrycznej od dostawcy [7].

Niekorzystny wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną objawił się także w Kalifornii (USA) [8] czy Queensland (Australia) [9], gdzie w ostatnich latach występowały liczne blackouty. Tam również rozpoczęto wyposażanie budynków w magazyny energii na masową skalę. Magazyny eliminują problem braku energii elektrycznej w przypadku przerwy w jej dostawie z sieci głównej, ale należy wspomnieć, że są także częstą przyczyną pożarów, nie stanowią więc idealnego rozwiązania.

Innym problemem towarzyszącym technologiom PV jest fakt, że nasłonecznienie nie zawsze jest skorelowane z temperaturą, która jest bezpośrednią przyczyną wzrostu popytu na energię elektryczną (systemy klimatyzacji). Może to prowadzić to do takich sytuacji, jak np. latem 2020 r., kiedy w czasie fali upałów blackout dotknął ok. 3,3 mln Kalifornijczyków. Rok wcześniej, w październiku 2019 r., ok. 800 000 mieszkańców Kalifornii zostało pozbawionych energii elektrycznej [10]. Łącznie w 2019 r. wystąpiło 25 281 blackoutów w Kalifornii i było to o 23% więcej niż w 2018 r. Liczba odbiorców pozbawionych prądu wyniosła 28,4 mln, co stanowiło wzrost o 50% w stosunku do 2018 r. [11]. Z kolei w 2020 r. doszło w tym stanie do pierwszych od 19 lat rotacyjnych wyłączeń energii elektrycznej. Ostatnim razem takie przerwy miały miejsce podczas letnich szczytów w latach 2000 i 2001, kiedy zmagano się z kryzysem energetycznym, wywołanym przez błędnie przeprowadzoną deregulację sektora oraz manipulacje na rynku energii. Obecnie, stanowy operator sieci CAISO i analitycy Wood Mackenzie [12] winą obarczają zbyt szybkie wyłączenie elektrowni gazowych w stosunku do wahań produkcji energii z OZE.

Wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną w postaci masowych przerw w dostawach energii obserwuje się w ostatnich latach także w Australii. W związku z szybkim rozwojem rynku PV i wysokim ryzykiem kolejnych awarii, operatorzy sieci elektroenergetycznych w Australii Południowej przejęli (od 2021 r.) uprawnienia do zdalnego wyłączania nowych paneli fotowoltaicznych [13]. Pierwsze wykorzystanie nowo nabytych kompetencji miało miejsce w marcu 2021 r. [14].

Wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną – jakość energii

Wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną w Europie w aspekcie jej przeciążeń, które prowadzą do blackoutów jest nieco ograniczony, dzięki systemom połączeń transgranicznych. Pojawia się za to problem niekontrolowanych rozpływów energii, który występuje, np. w Niemczech. Nasi zachodni sąsiedzi są dobrym przykładem, pokazującym, że nawet jeśli zadbamy o dobrą jakość sieci przesyłowych, to wyzwaniem pozostaje jakość energii [15]. W lutym 2021 r. niemieckie Stowarzyszenie Firm Rodzinnych zaprezentowało wyniki ankiety, przeprowadzonej wśród prawie 1100 firm członkowskich (małe i średnie przedsiębiorstwa – MŚP). 47% z nich poinformowało, że w ciągu ostatnich czterech lat ucierpiało z powodu wahań napięcia w sieci. To samo badanie przeprowadzone 8 lat wcześniej ujawniło, że dotkniętych tym problemem było 34% MŚP [16].

Jako że tego rodzaju problemy pojawiały się już wcześniej, niemiecka Federalna Agencja ds. Sieci przeprowadziła wśród MŚP badanie w okresie od 2018 r. do pierwszej połowy 2020 r. Niestety, w ankiecie wzięła udział mało reprezentatywna liczba przedsiębiorstw, bo zaledwie 69. Według niektórych z nich, w ostatnich latach jakość napięcia stale się pogarsza lub wzrasta liczba zdarzeń, które prowadzą do awarii. Z drugiej strony, Federalna Agencja ds. Sieci wskazała, że liczba zdarzeń zakłócających po stronie sieci pozostawała w okresie badania na podobnym poziomie. Warto jednak dodać, że w raporcie powołano się na wskaźnik SAIDI, który rejestruje przerwy wynoszące >3 min. W przypadku np. zapadów napięcia liczonych w milisekundach nadal nie wiadomo, jak wygląda statystyka. W tym zakresie raport odniósł się do operatora sieci, który jest odpowiedzialny za monitorowanie i przestrzeganie standardowych zakresów napięcia zasilającego i może on przeprowadzać długoterminowe pomiary w przypadku lokalnych problemów z jakością napięcia [17].

Wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną – korzyści i wady

Wpływ fotowoltaiki na sieć elektroenergetyczną może być niekorzystny w niektórych kwestiach, ale obecność źródeł PV w systemie ma również szereg zalet. Warto więc czerpać z benefitów tego rozwiązania, jednak nie zapominając o zagrożeniach, które jednocześnie mu towarzyszą. Ich zaniedbanie może doprowadzić bowiem do poważnych konsekwencji dla systemu elektroenergetycznego. Rozwój nowych technologii wytwarzania energii, takich jak fotowoltaika, a także plany zakończenia eksploatacji konwencjonalnych elektrowni opartych na węglu, wymuszają określone zmiany, m.in. struktury bilansowania KSE czy wprowadzenia nowych rozwiązań rynkowych. Jednocześnie należy podkreślić, że za przerwy w dostawach energii nie odpowiada wyłącznie OZE. Najczęstszą przyczyną blackoutów na świecie są zjawiska pogodowe i naturalne.

Korzyści i wady włączania instalacji fotowoltaicznych do systemu elektroenergetycznego:

• Ekonomia inwestycji
  Korzyści: sposób na obniżenie rachunków za energię elektryczną i uzyskanie częściowej niezależności od dostawcy energii; w miarę dalszej popularyzacji ceny modułów będą maleć;
  Wady: wysokie koszty początkowe instalacji fotowoltaicznych; ceny paneli będą rosnąć, ponieważ surowce wykorzystywane do ich produkcji (np. selen, german, kadm, gal) nie należą do najpowszechniej występujących na świecie, a ich znaczenie z czasem będzie coraz bardziej istotne;
• Rynek pracy
  Korzyści: rozwój nowej gałęzi gospodarczej – wysoki popyt na panele PV skutkuje szybkim wzrostem firm zajmujących się ich montażem, produkcją części lub całych modułów, a także świadczeniem usług, np. doradczych czy serwisowych;
  Wady: nieprofesjonalni wykonawcy – w Polsce już obserwuje się rosnący problem braku kompetencji niektórych firm i niedostatecznej wiedzy fachowej kadry pracowniczej, co skutkuje nie tylko wadliwym montażem paneli, ale również obniżeniem ich sprawności czy nawet stwarzaniem zagrożenia dla mienia oraz zdrowia i życia użytkowników (wyłączanie przez instalatorów systemów bezpieczeństwa prowadzi m.in. do zaburzeń napięcia w sieciach dystrybucyjnych albo przegrzania instalacji PV i pożaru);
• Krajowy System Elektroenergetyczny
  Korzyści: przenoszenie części produkcji energii elektrycznej na prosumentów odciąża KSE;
  Wady: wzrost problemów z bilansowaniem KSE; ryzyko destabilizacji sieci przesyłowych w wyniku przeciążeń termicznych lub zakłóceń napięcia sieci;
• Technologie
  Korzyści: inicjacja rozwoju technologii towarzyszących, np. sposobów magazynowania energii, usług elastyczności itp.;
  Wady: konieczność dodatkowych inwestycji w technologie, np. we wzmacnianie sieci przesyłowych, wyspecjalizowane liczniki energii (tzw. inteligentne) czy magazyny;
• Umiejscowienie
  Korzyści: umożliwiają zagospodarowanie niewykorzystywanych przestrzeni, np. dachów, starych terenów pofabrycznych;
  Wady: zajmują niewspółmiernie dużo przestrzeni w stosunku do wydajności;
• Ochrona środowiska
  Korzyści: w czasie pracy moduły fotowoltaiczne nie emitują zanieczyszczeń;
  Wady: biorąc pod uwagę cały łańcuch wartości, moduły fotowoltaiczne są obciążone śladem węglowym na etapie produkcji i utylizacji;
• Edukacja
  Korzyści: dysponowanie modułami fotowoltaicznymi wzmaga u użytkowników zainteresowanie kwestiami energetycznymi, powoduje wzrost świadomości w zakresie ekologii, oszczędzania energii i podnoszenia efektywności energetycznej;
  Wady: asymetria informacji (model pryncypał-agent) – użytkownicy paneli fotowoltaicznych zazwyczaj nie posiadają specjalistycznej wiedzy i są zależni od ekspertów branżowych;
• Ubóstwo energetyczne
  Korzyści: sposób na zmniejszanie skali ubóstwa energetycznego;
  Wady: sektor przetwórstwa zużytych modułów fotowoltaicznych jest wciąż bardzo słabo rozwinięty, co zwiększa ryzyko, że stare i nieefektywne produkty będą trafiały do uboższych krajów czy warstw społecznych.

Literatura
1. W. Mielczarski, „Spór odnawialnych źródeł energii z atomem, „Energetyka – Społeczeństwo – Polityka” 2018, nr, 1.
2. „Odchodzimy od dyspozycyjnych i sterowalnych mocy. Niezbędne będzie zabezpieczenie system”, Urząd Regulacji Energetyki, www.ure.gov.pl.
3. Rozporządzenie Ministra Klimatu z dnia 6 sierpnia 2020 r. w sprawie parametrów aukcji głównej dla roku dostaw 2025 oraz parametrów aukcji dodatkowych dla roku dostaw 2022 (DzU z 2020 r., poz. 1355).
4. „Grid Stability Issues With Renewable Energy Sources, How They Can Be Solved”, https://hivepower.tech.
5. www.thegardenisland.com.
6. www.greentechmedia.com.
7. https://simpliphipower.com.
8. www.fastcompany.com.
9. www.pv-magazine.com.
10. https://deadline.com.
11. www.bloomenergy.com.
12. www.greentechmedia.com.
13. www.abc.net.au.
14. www.abc.net.au.
15. www.deutschlandfunk.de.
16. www.finanzen100.de.
17. „Bericht zur Spannungsqualität 2020, Bericht zur freiwilligen Umfrage über die Spannungsqualität in Unternehmen”, Bundesnetzagentur.