Czy fotowoltaika uderza w elektrownie węglowe?
Porównaliśmy godzinową produkcję energii z elektrowni opalanych węglem kamiennym podczas ośmiu kolejnych dni końca czerwca w 2016 roku, gdy fotowoltaika praktycznie nie istniała i w 2026 roku, gdy moc zainstalowana PV w Polsce przekroczyła już 27 GW. Dane PSE/ENTSO-E w wolnym dostępie znajdziecie na Energy.Instrat.pl , więc sami możecie sprawdzić dowolny inny okres roku.
Elektrownie węglowe od zawsze regulowały moc
Pierwszy wniosek może zaskoczyć. Na wykresach z 2016 roku nie widać elektrowni pracujących z niemal stałą mocą. Wręcz przeciwnie – każdego dnia zwiększały produkcję rano wraz ze wzrostem zapotrzebowania na energię, a następnie stopniowo ją ograniczały wieczorem i nocą.
Największy godzinowy wzrost produkcji w analizowanym tygodniu wyniósł 2,2 GW, a największy spadek 1,6 GW. Oznacza to, że dekadę temu, podobnie jak przez poprzednie 100 lat, krajowy system wymagał od bloków węglowych stosunkowo dużej elastyczności – zwiększania i zmniejszania generacji w szybkim tempie. Pytanie, czy dziś bloki węglowe muszą zmieniać swoje obciążenia jeszcze szybciej i kiedy to robią?
Fotowoltaika zmieniła rytm pracy elektrowni
To, co zmieniło się najbardziej w ciągu ostatniej dekady, to pora dnia, w której bloki węglowe zwiększają i zmniejszają generację. W 2016 roku największe wzrosty produkcji przypadały na godziny poranne, gdy rosło zapotrzebowanie odbiorców. Dziś największe najazdy pojawiają się po godzinie 17–18, gdy produkcja fotowoltaiki gwałtownie spada.
Z kolei najszybsze ograniczanie produkcji bloków węglowych następuje obecnie rano i przed południem, kiedy energia słoneczna szybko przejmuje znaczną część obciążenia systemu.
To właśnie ten przesunięty w czasie dobowy profil jest największą zmianą, jaką przyniósł rozwój fotowoltaiki.
Mniej pracy węgla latem – mniejsze ryzyko braków mocy w systemie
Ma to swoje plusy. W sierpniu 2015 roku w polskim systemie elektroenergetycznym zabrakło mocy, aby bezpiecznie prowadzić dalszy ruch systemu elektroenergetycznego. PSE musiały wprowadzić 20 stopień zasilania, czyli najbardziej restrykcyjne ograniczenia w poborze mocy, zaraz przed obszarowym wyłączaniem wszystkich odbiorców na poszczególnych kawałkach kraju.
Elektrownie węglowe były wtedy o dekadę młodsze i było ich w systemie więcej (20,2 GW) niż dziś (20 GW). Nie były jednak w stanie pokryć zapotrzebowania kraju na moc, bo znaczna część z nich chłodzona jest bezpośrednio wodą z rzek i jezior, a stany wód systematycznie spadają (Polska pustynnieje), przez co podczas fali upałów, zbiorniki szybciej się nagrzewają. Dalsza praca elektrowni pełną mocą oznaczałaby zabicie życia w tych akwenach. Ten problem widać dziś choćby we Francji, Szwajcarii i na Węgrzech, w przypadku elektrowni atomowych.
Stąd zresztą w raporcie PSE dla rządu po kryzysie energetycznym z 2015 roku jedną z rekomendowanych zmian był rozwój fotowoltaiki.
Rampy rzeczywiście wzrosły...
W efekcie tego wzrostu, nie tylko zapotrzebowanie na elektrownie węglowe spadło ogółem i odwróciło się z dnia na noc, ale też zmieniło gradienty najazdów i zejść bloków węglowych.
Największy godzinowy wzrost produkcji elektrowni na węgiel kamienny zwiększył się z 2,2 GW w ostatnim tygodniu czerwca 2016 roku do 3 GW w analogicznym okresie 2026 roku. Największy spadek wzrósł z 1,6 GW do 2,1 GW.
Po uwzględnieniu faktu, że dziś pracuje w systemie mniej bloków węglowych niż dziesięć lat temu, różnica wygląda jeszcze wyraźniej. Największy ramp-up odpowiadał w 2016 roku wzrostowi produkcji o około 17% w ciągu godziny, podczas gdy obecnie sięga już 33%. W przypadku ramp-down wartości wzrosły odpowiednio z około 12% do 18%.
To pokazuje, że pracujące dziś bloki rzeczywiście muszą reagować szybciej niż kiedyś.
...ale nie tak bardzo, jak często się twierdzi
Jednocześnie dane nie potwierdzają tezy, że fotowoltaika całkowicie zmieniła charakter pracy elektrowni węglowych. W analizowanym tygodniu w 2016 roku wystąpiło 14 godzin, w których produkcja rosła o co najmniej 10% w ciągu godziny. W 2026 roku takich godzin było 21. Różnica jest zauważalna, ale nie oznacza rewolucji.
Znacznie mocniej wzrosła liczba godzin z szybkim ograniczaniem produkcji. W 2016 roku spadki przekraczające 10% w ciągu godziny zdarzyły się zaledwie dwa razy, natomiast w 2026 roku już dziewiętnaście razy. To bezpośredni efekt coraz większej produkcji energii słonecznej w środku dnia.
Stare bloki przejmują pracę szczytową, nowe weszły w podstawę
Warto też pamiętać, że w energetyce, podobnie jak w wielu innych sektora przemysłu, starzejące się maszyny zaczynają służyć jako rezerwowe (szczytowe), gdy do pracy wchodzą nowsze. Przez ostatnią dekadę zbudowaliśmy w Polsce ponad 4 GW mocy w 5 blokach elektrowni węglowych (Opole, Kozienice, Jaworzno, Turów), które wyeliminowały z użytku kilkanaście najstarszych bloków węglowych.
Dekadę temu w szarpany sposób – z większą liczbą załączeń i odstawień – pracowały bloki klasy 100 i 200 MW, pamiętające Gomułkę, a bloki z lat 70. I 80. stanowiły podstawę systemu. Dziś po blokach z lat 60. nic nie zostało, bloki z lat 70. Systematycznie odchodzą na zasłużoną emeryturę, podstawę stanowią bloku z XXI wieku, a jednostki z lat 80., a nawet 90. pełnią rolę jednostek szczytowych, którymi się dużo „macha”.
Widać to dobrze na przykładzie Elektrowni Opole, gdzie bloki klasy 360 MW, które kiedyś stanowiły podstawę, teraz latem pracują już w znacznej mierze szczytowo, podczas gdy dwa nowe bloku klasy 900 MW, uruchomione w 2019 roku, przejęły rolę podstawy systemu.
Większa zmienność pracy znacznej części bloków węglowych wynika z naturalnego zastępowania starych jednostek nowymi, a w mniejszym stopniu zmianą miksu energetycznego. Ten ostatni ma natomiast istotny wpływ na to, że część bloków w ogóle odstawiana jest na dłuższy czas, wliczając w to także remonty.
Węgiel nie bilansuje systemu już sam
Jest jeszcze jeden element, który często umyka w publicznej dyskusji. Porównując wykresy z 2016 i 2026 roku łatwo odnieść wrażenie, że cała dodatkowa regulacja spada na elektrownie węglowe. Tak jednak nie jest.Znacznie większą rolę odgrywają dziś elektrownie i elektrociepłownie gazowe, które są znacznie lepiej przystosowane do szybkich zmian mocy. Coraz częściej to właśnie one przejmują część wieczornych wzrostów produkcji oraz regulację systemu.
Do tego dochodzą wielkoskalowe magazyny energii, które właśnie są budowane i przyłączane do sieci, o mocy rzędu kilku gigawatów, a nadto mniejsze domowe baterie, których mamy już 150 tysięcy i przyłączamy do sieci po kilka tysięcy miesięcznie. Ich łączna pojemność nadal jest niewielka w porównaniu z potrzebami krajowego systemu, ale z roku na rok coraz większa część krótkookresowej regulacji będzie przechodziła właśnie na magazyny, a nie na elektrownie konwencjonalne. Widać to już wyraźnie na rynkach energii, które są kilka lat przed nami.
Fotowoltaika nie eliminuje węgla. Zmienia jego rolę.
Analiza danych pokazuje, że wpływ fotowoltaiki na pracę elektrowni węglowych jest bezdyskusyjny. Największą zmianą nie jest jednak gwałtowny wzrost amplitudy pracy bloków, lecz przesunięcie godzin, w których muszą one zwiększać i ograniczać produkcję. Rampy rzeczywiście stały się większe, zwłaszcza po uwzględnieniu malejącej liczby pracujących bloków, ale skala tej zmiany jest znacznie mniejsza, niż często przedstawia się w debacie publicznej.
W kolejnych latach coraz większą część tego zadania będą przejmować elektrownie gazowe, magazyny energii i elastyczni odbiorcy. To właśnie od tempa rozwoju tych technologii będzie zależało, czy dalszy wzrost fotowoltaiki stanie się dla systemu problemem, czy kolejnym etapem jego naturalnej ewolucji.
Warto zdawać sobie sprawę, że tak jak pozbyliśmy się już z systemu bloków klasy 100 MW, budowanych za Gomułki, tak zaczynamy się już pozbywać bloków klasy 200 MW z czasów Gierka. Jedne i drugie były projektowane na 20-25 lat pracy, a przepracowały już 40, a niekiedy nawet 50 lat i musimy je czymś zastąpić.
Najbardziej prawdopodobnym kierunkiem wydaje się miks oparty na wietrze (zima), słońcu (lato), bateriach elektrochemicznych (szczyty poranne i wieczorne), gazie (okresy ciemnoflauty), z dodatkiem wody, biomasy, biogazu, a w przyszłości zapewne też wodoru i baterii elektrochemicznych przepływowych, czy atomu.