Czy dalsze zwiększanie mocy zainstalowanej w polskiej fotowoltaice ma jeszcze jakikolwiek sens?
Autor: Miroslaw Gajer
W chwili pisania niniejszego artykułu moc zainstalowana w polskiej fotowoltaice osiągnęła już wartość 17GW. Jest to bardzo dużo – wystarczy uświadomić sobie, że moc największej w Polsce elektrowni cieplnej w Bełchatowie wynosi nieco ponad 5GW. Zatem w polskiej fotowoltaice mamy już zainstalowane więcej niż trzy takie elektrownie, jak w Bełchatowie, w związku z czym wydawać by się mogło, że wszelkie problemy energetyczne powinniśmy mieć już definitywnie rozwiązane – właśnie dzięki fotowoltaice.
Tak jednak bynajmniej nie jest, ponieważ w polskich warunkach (na szerokościach geograficznych powyżej pięćdziesiątego równoleżnika) wykorzystanie mocy zainstalowanej w panelach fotowoltaicznych jest na poziomie zaledwie około 10 proc. W związku z tym ostateczny skutek energetyczny jest taki, jakbyśmy zamiast wspomnianych trzech elektrowni tej wielkości, co w Bełchatowie, mieli zaledwie jedną średniej wielkości elektrownię o mocy 1,7 GW, ale za to pracującą ze stałą mocą przez cały rok. Dokładnie tyle energii jest w stanie wygenerować w ciągu jednego roku polska fotowoltaika, po wszakże jednym zasadniczym warunkiem, że całą wygenerowaną w panelach fotowoltaicznych energię jesteśmy w stanie na bieżąco odebrać.
Tymczasem w roku 2024 w niedzielę w dniu 3 marca doszło do sytuacji, w której Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. musiały wydać nakaz przymusowego odłączenia od sieci elektroenergetycznych wybranych farm fotowoltaicznych o łącznej mocy kilku gigawatów. Tego rodzaju sytuacja powtórzyła się w godzinach około-południowych w kolejną niedzielę 10 marca.
Zważywszy na to, że wtedy była jeszcze zima, a sezon generacji mocy w polskiej fotowoltaice rozpoczyna się w zasadzie od równonocy wiosennej i trwa do równonocy jesiennej, czyli wtedy, gdy dzień jest dłuższy od nocy, a słońce wędruje relatywnie wysoko nad horyzontem, należy oczekiwać, że w miesiącach wiosenno-letnich tego typu sytuacje staną się już zwyczajną normą. Ponadto nie będą dotyczyć wyłącznie niedziel, gdy zapotrzebowanie na energię elektryczną jest relatywnie najniższe, ale także i zwykłych dni roboczych w godzinach około-południowych.
Jest rzeczą niezwykle istotną, że za takie przymusowe wyłączenia farm fotowoltaicznych ich właścicielom wypłacane są odpowiednie odszkodowania, stanowiące ekwiwalent tego, co rozważane farmy fotowoltaiczne by zarobiły, gdyby wyprodukowaną w panelach energię mogły wprowadzić w rozważanym okresie czasu do sieci elektroenergetycznych. Oczywiście za tego rodzaju „fanaberie” płacą de facto pozostali odbiorcy energii elektrycznej, a zwłaszcza drobni przedsiębiorcy, którym nie przysługują żadnego rodzaju tarcze osłonowe, zapomogi, rozliczane po niższej cenie limity zużycia itp. Wszyscy przedsiębiorcy płacą za energię elektryczną stawkę nawet kilkakrotnie wyższą niż zwykłe gospodarstwa domowe.
Nie ma się zatem czemu dziwić, że z rynku znikają powoli małe sklepy, różnego rodzaju warsztaty rzemieślnicze, punkty usługowe, piekarnie, cukiernie, drobna gastronomia itp. Niestety, wszystko wskazuje na to, że w przyszłości będzie już tylko gorzej, a takich drobnych rodzinnych biznesów za kilka lat w zasadzie może w ogóle już nie być, ponieważ tak drastycznych podwyżek cen energii elektrycznej nie będą w stanie po prostu więcej zdzierżyć.
Dodatkowo takie przymusowe odłączenia od sieci elektroenergetycznej farm fotowoltaicznych powodują, że wartość współczynnika wykorzystania mocy w nich zainstalowanej drastycznie spada, ponieważ w okresie, gdy są relatywnie najlepsze warunki do generacji mocy, są one na okres kilku godzin całkowicie wyłączane. Jeśli wartość współczynnika mocy zainstalowanej dla polskiej fotowoltaiki w wyniku przymusowego odłączenia od sieci spadnie poniżej 5 proc., to mówienie o jakiejkolwiek opłacalności tego typu instalacji będzie po prostu czystą kpiną.
Wszystkiemu winne są sieci elektroenergetyczne
Za taki stan rzeczy winione są w powszechnym przekazie krajowe sieci elektroenergetyczne, które w obiegowej opinii są archaiczne, przestarzałe, niewydolne i całkowicie niedostosowane do współpracy z fotowoltaiką. Stwierdzenia takie powtarzane są aż do znudzenia, jak jakaś swego rodzaju mantra, gdy tymczasem prawda jest o wiele bardziej złożona. Sama modernizacja sieci elektroenergetycznych, polegająca na wymianie transformatorów, kabli, słupów i przewodów, niewiele tutaj zmieni, bowiem istota problemu polega na czymś zupełnie innym i wiąże się przede wszystkim z koniecznością zbilansowania mocy występujących w systemie elektroenergetycznym.
Reasumując, wszystkie źródła wytwórcze muszą generować dokładnie tyle mocy, ile w danym momencie żądają odbiorcy i nie ma żadnego sposobu na efektywne magazynowanie nadwyżek wytworzonej energii elektrycznej w tak ogromnej skali, jak cały krajowy system elektroenergetyczny.
Dzieje się tak dlatego, że w dowolnym obwodzie elektrycznym, przykładowo takim jak pokazano na rys. 1, w każdej chwili czasu moc elektryczna wydawana przez źródło prądu I jest równa mocy pobieranej przez odbiornik R i nie ma tutaj żadnej możliwości swego rodzaju „upchania” gdzieś tego prądu, żeby go później w jakiś sposób wykorzystać.
Tymczasem za wszystko obwiniane są Bogu ducha winne sieci elektroenergetyczne – zwłaszcza te niskich napięć. Tego typu opinie upowszechniły się wręcz do tego stopnia, że można całkiem poważnie zastanawiać się, czy aby w tym wypadku nie mamy już do czynienia ze swego rodzaju „anty-siecizmem”. Zrzucanie odpowiedzialności na sieci elektroenergetyczne pojawia się powszechnie w publikacjach zamieszczanych na przykład na portalu WysokieNapiecie.pl. Jednocześnie z rozważanego portalu możemy się dowiedzieć, że jeden z autorów tego rodzaju publikacji jest absolwentem prawa i dziennikarstwa, a drugi politologii i komunikacji społecznej. Poza tym żadna z osób tworzących ten portal nie jest inżynierem, a zatem nie ma żadnego wykształcenia technicznego, o ukończeniu wydziału elektrycznego na politechnice nawet nie wspominając.
Osobiście uważam, że trzeba mieć sporo odwagi – żeby wręcz nie powiedzieć: tupetu – aby z tak wielką swobodą „buszować” po dziedzinach jakże odległych od własnej profesji. Ponadto studia magisterskie na uczelni politechnicznej z elektrotechniki, elektroniki czy automatyki, trwają pięć lat i są powszechnie uważane z jedne z najtrudniejszych.
Tego rodzaju sytuację można przykładowo porównać do zachowania się osoby, która swego czasu przeczytała kilka popularnych opracowań na temat judaizmu, po czym ogłosiła się „ekspertem” w kwestiach związanych z interpretacją Talmudu, odczytywaniem przekazu Tory, znajomością Miszny i Gemary oraz praktycznym stosowaniem Halachy, a jeszcze na dodatek ma czelność ortodoksyjnych rabinów w tych sprawach pouczać, nie zważając zupełnie na to, jak wielce zwiła jest to materia…
Tego rodzaju sytuacja ma miejsce powszechnie w dziedzinie elektroenergetyki, gdzie różnej maści samozwańczy i domorośli „eksperci” nagminnie piszą, że za przymusowe odłączenia farm fotowoltaicznych odpowiedzialne są wyłącznie sieci elektroenergetyczne, które rzekomo „zapychają się prądem”. Tymczasem „zapchać się” to może co najwyżej zlew w kuchni, ewentualnie rura kanalizacyjna w ubikacji, natomiast w przypadku obwodów elektrycznych tego rodzaju zjawiska w ogóle nie mają miejsca.
Niemożność odwrócenia kierunku przepływu prądu
Ogólnie rzecz ujmując, generowany w elektrowniach prąd płynie przez sieci przesyłowe najwyższych napięć 220kV i 400kV (sieci oczkowe) do sieci przesyłowo-rozdzielczych 110kV (sieci oczkowe i promieniowe), a z nich do sieci średnich napięć 15kV (sieci promieniowe) i następnie poprzez transformatory 15/0,4kV do sieci niskich napięć 400/230V, do których podłączeni są już odbiorcy końcowi.
Jeśli mamy kolonię domków jednorodzinnych zasilanych z sieci niskiego napięcia 400/230V, podłączonych do wspólnego transformatora 15/0,4kV, na dachach których zainstalowano panele fotowoltaiczne o mocy rzędu kilku kilowatów, to w trakcie godzin okołopołudniowych w sieci tej będzie się pojawiała potężna nadwyżka mocy – w wielkości nawet kilkuset kilowatów. Jeśli jednocześnie do sieci tej nie są podłączone żadne zakłady przemysłowe lub choćby jakiś tartak czy stolarnia, gdzie pracują maszyny elektryczne i w związku z tym pobór mocy jest znaczny, to można postawić retoryczne pytanie, dokąd ten prąd generowany przez panele fotowoltaiczne ma w zasadzie płynąć? Około południa w takim domku jednorodzinnym w zasadzie raczej nikogo nie ma, pracuje tam być może lodówka, jakaś elektronika znajduje się w stanie czuwania, ewentualnie jakiś emeryt ogląda telewizję lub przez kilka minut świeci światło w toalecie.
Taki stan rzeczy powoduje, że napięcie w rozważanej sieci niskiego napięcia gwałtownie wzrasta ponad dopuszczalną wartość wynoszącą 253V, w wyniku czego falowniki zaczynają się wyłączać. Pomiędzy falownikami zainstalowanymi w poszczególnych budynkach rozpoczyna się swoista „zabawa” – swego rodzaju „chocholi taniec”, ponieważ zaczynają się one cyklicznie wyłączać i zaraz ponownie włączać, aby ubiec nieco konkurencję i tym samym wprowadzić do sieci trochę energii, aż jej napięcie ponownie przekroczy 253 V i konieczne będzie w związku z tym kolejne odłączenie się od sieci, w której napięcie wzrosło ponad dopuszczalną wartość.
Należy przy tym zaznaczyć, że nie ma żadnej możliwości, aby prąd płynął z sieci niskiego napięcia 400/230V do sieci średniego napięcia 15kV, czyli w kierunku przeciwnym, niż ma to miejsce w warunkach normalnych. Aby wymusić taki odwrócony kierunek przepływu prądu w sieci niskiego napięcia, należałoby podnieść jej napięcie znacznie powyżej maksymalnej dopuszczalnej wartości 253V. Być może napięcie to musiałoby wynosić przykładowo 275V, a może nawet i około 300V – wszystko zależy od ustawień zaczepów transformatora 15/0,4kV. Tak mocno zawyżone napięcie sieci spowodowałoby natychmiastowe uszkodzenie przyłączonych do niej urządzeń odbiorczych – chyba, że zadziałyby wcześniej zabezpieczenia przeciwprzepięciowe, oczywiście pod warunkiem, że dana domowa instalacja elektryczna jest w nie wyposażona.
Przy okazji warto uświadomić sobie jeszcze jedną rzecz. Mianowicie, gdy napięcie sieci wzrośnie do maksymalnie dopuszczalnej wartości wynoszącej 253V, wówczas klasyczna stuwatowa żarówka pobiera moc wynosząca około 121W, co znacznie skraca jej żywotność. Natomiast gdyby napięcie wzrosło do wartości 275V, wówczas żarówka ta pobierałaby około 143W, oczywiście gdyby nie uległa wcześniej natychmiastowemu przepaleniu.
Ogólnie rzecz ujmując, instalacje fotowoltaiczne poprzez zawyżanie napięcia w sieci przyczyniają się do zwiększenia zużycia energii elektrycznej, ponieważ moc odbiorów rezystancyjnych zależy od kwadratu przyłożonego na ich zaciskach napięcia. Z kolei wszelkiego typu „majstrowanie” przy falownikach, aby nie wyłączały się po przekroczeniu dozwolonych 253 V, co staje się w naszym kraju niestety coraz częstszą praktyką, stanowi już poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa użytkowania wszelkiego typu urządzeń elektrycznych, grożąc ich nieodwracalnym uszkodzeniem.
Mrzonki o magazynowaniu energii
Równie powszechnie lansowane są przez różnych „ekspertów” opinie, że wszelkie problemy rozwiąże wielkoskalowe magazynowanie energii elektrycznej. Tymczasem tego rodzaju „eksperci” powinni powrócić na lekcje fizyki do liceum, aby nabyć konieczną wiedzę, pozwalająca im później policzyć, z jakimi rzędami wielkości fizycznych mamy w tym wypadku do czynienia.
W okresie jesienno-zimowym dobowe zapotrzebowania na energię elektryczną w Polsce przekracza znacznie 500GWh i z roku na rok systematycznie rośnie. Porównajmy to teraz z pojemnością drugiego co do wielkości magazynu energii w Polsce, którym jest elektrownia szczytowo-pompowa Porąbka-Żar. Jej zdolność magazynowania energii wynosi „zaledwie” 2GWh. Zakładając, że jedynie 20 proc. dobowego zapotrzebowania na energię elektryczną w naszym kraju miałoby być pokrywane za pośrednictwem magazynów energii, to takich elektrowni szczytowo-pompowych, jak Porąbka-Żar należałoby wybudować co najmniej 50. Jest to oczywiście ilość wręcz niewyobrażalna – tego nie byłoby po prostu gdzie wybudować, abstrahując już od faktu, że koszt budowy tylko jednego tego typu obiektu sięga wartości około 10 miliardów złotych, a sama budowa trwa około 10 lat. Zresztą, co tu dużo mówić, jak niby mielibyśmy te 50 nowych elektrowni szczytowo-popowych w naszym kraju wybudować, gdy przez okres kilkudziesięciu lat nawet nie jesteśmy w stanie ukończyć budowy tylko jednego tego typu obiektu w miejscowości Młoty w Kotlinie Kłodzkiej.
Jako alternatywa dla elektrowni szczytowo-pompowych proponowane są obecnie akumulatorowe magazyny energii. Są to jednak urządzenia o zdecydowanie mniejszej mocy, wynoszącej najczęściej kilka bądź kilkanaście megawatów. Dla porównania moc elektrowni szczytowo-pompowej Porąbka-Żar po jej modernizacji wynosi 540 MW, a moc największej polskiej elektrowni szczytowo-pompowej w Żarnowcu 716 MW. We wspomnianym Żarnowcu ma powstać także największy akumulatorowy magazyn energii o mocy 205 MW, czyli prawie cztery razy mniejszej niż znajdująca się tam elektrownia szczytowo-pompowa (zresztą pojawiły się ostatnio wątpliwości czy ten magazyn energii w ogóle kiedykolwiek powstanie – jak zwykle „na papierze” to my mamy dosłownie wszystko!)
Problem z akumulatorowymi magazynami energii polega jeszcze na tym, że akumulatory wraz z upływem czasu tracą swoją pojemność i po 10 latach użytkowania nadają się już w zasadzie do wymiany. Nie rozwiążą one zatem problemu efektywnego magazynowania energii elektrycznej na wielką skalę, tym bardziej że nie są w stanie rozwiązać tego problemu znacznie potężniejsze od nich elektrownie szczytowo-pompowe.
W związku z powyższym pojawiają się od czasu do czasu różnego rodzaju pomysły dotyczące wykorzystania nadmiaru mocy elektrycznej, generowanej w panelach fotowoltaicznych w godzinach około-południowych. Do najbardziej popularnych należy nakłanianie prosumentów, aby w swych domach zainstalowali bojlery elektryczne, służące do podgrzewania wody użytkowej.
Jednak nie jest to w stanie całkowicie rozwiązać problemu, co wykażę za pomocą odpowiednich wyliczeń. Przyjmijmy zatem, że w domku jednorodzinnym zainstalowano duży bojler elektryczny o pojemności 300 litrów. Ponadto przyjmijmy, że po porannej toalecie jego mieszkańców, na którą zużyli nieco ciepłej wody, temperatura wody w bojlerze spadła do 40 stopni Celsjusza. Następnie w godzinach około-południowych, gdy produkcja energii z instalacji fotowoltaicznych osiąga swój szczyt, woda ta jest ponownie podgrzewana do maksymalnej dopuszczalnej dla tego typu urządzeń temperatury, czyli do 60 stopni Celsjusza.
Zużytą w tym celu energię można wyliczyć ze wzoru E=mCw(t2-t1), gdzie (m) – masa wody 300kg, (Cw) – ciepło właściwe wody 4200J/kgK, t1 – temperatura początkowa wody, t2 – temperatura końcowa wody (różnica tych temperatur wynosi 20 stopni Celsjusza). Ostatecznie energia zużyta do podgrzania wody wynosi około 7kWh.
Zakładając, że typowa moc paneli umieszczonych na dachu domku jednorodzinnego wynosi 5kW, to przy przeciętnym nasłonecznieniu w okresie wiosenno-letnim woda w bojlerze zostanie podgrzana w przeciągu około dwóch godzin. A co z pozostałymi godzinami okresu, gdy jeszcze silnie świeci słońce? Jak widać, zainstalowanie bojlera do podgrzewania wody użytkowej nie do końca rozwiązuje przedstawiony tutaj problem.
Ponadto, aby wyrobić sobie pogląd odnośnie tego, jak w sumie zawodne są odnawialne źródła energii (zwłaszcza fotowoltaika i wiatraki), wystarczy spojrzeć na rys. 2, na którym zamieszczono dane udostępnione na stronie internetowej Polskich Sieci elektroenergetycznych S.A.
Otóż w dniu 13 marca 2024 roku (przy czym nie jest to z pewnością kwestia owej „feralnej trzynastki”), tuż po godzinie osiemnastej, zapotrzebowanie na moc w krajowym systemie elektroenergetycznym wynosiło 23,478GW i było pokrywane głównie przez elektrownie cieplne 19,652GW (83,7 proc. zapotrzebowania). Dodatkowo elektrownie wodne generowały 1,436GW (6,1 proc. zapotrzebowania), choć w tym przypadku sformułowanie „elektrownie wodne” jest pewnym nadużyciem, ponieważ do tej kategorii zaliczane są także elektrownie szczytowo-pompowe i to właśnie one generowały większość mocy.
Zapewne nikogo specjalnie nie dziwi, że fotowoltaika w marcu po godzinie osiemnastej generuje dokładnie zero watów, natomiast pewnym zaskoczeniem może być informacja, że elektrownie wiatrowe generowały wtedy jedynie 0,181GW, podczas gdy moc w nich zainstalowana przekracza już 10GW – wykorzystywały zatem niecałe 2 proc. swego potencjału. Parafrazując słowa wypowiedziane niegdyś przez towarzysza Wiesława, można byłoby powiedzieć: „gdybyśmy mieli więcej wiatraków, mielibyśmy więcej prądu, ino wiatru nie mamy…”
Uwagę zwraca także relatywnie wysoki import energii elektrycznej z krajów ościennych w wysokości aż 2,163GW (9,2 proc. zapotrzebowania). W tym ostatnim przypadku jesteśmy jednak zdani całkowicie na łaskę bądź raczej niełaskę naszego zachodniego sąsiada, co raczej dobrze nie wróży na przyszłość.
Co zatem nas czeka?
Wszystko wskazuje na to, że w kolejnych latach moc zainstalowana w polskiej fotowoltaice będzie nadal systematycznie wzrastać i z każdym rokiem będzie przybywać tam po kilka gigawatów, co w okresie wiosenno-letnim w godzinach około-południowych będzie powodowało coraz poważniejsze problemy związane z koniecznością zbilansowania mocy w systemie elektroenergetycznym – w skrajnym przypadku taki niekontrolowany wzrost mocy generowanej przez fotowoltaikę może doprowadzić w efekcie nawet do tzw. blackoutu, czyli całkowitego wyłączenia prądu na obszarze całego kraju.
Powyższe stwierdzenie warto rozpatrzyć także w kontekście niedawno uchwalonej unijnej dyrektywy EPBD, która wymusza instalowanie paneli fotowoltaicznych na wszystkich nowo-powstałych budynkach mieszkalnych, począwszy już od 2029 roku, co przyczyni się w stopniu istotnym do kolejnego powiększania mocy zainstalowanej i dalszego przewymiarowania polskiej fotowoltaiki – w godzinach około-południowych większość tych instalacji trzeba będzie i tak odłączać od sieci, aby dosłownie nie „rozsadzić” systemu elektroenergetycznego od środka.
Na koniec warto jeszcze wspomnieć, że koszt zainstalowania jednostki mocy w fotowoltaice jest porównywalny z kosztem zainstalowania jednostki mocy w elektrowni cieplnej. Dokładnie za te same pieniądze, za które zainstalowano łącznie ponad 17GW mocy w polskiej fotowoltaice, można było wybudować przecież aż cztery elektrownie cieplne o porównywalnej wielkości, jak elektrownia w Bełchatowie, ale wyposażone już w nowoczesne bloki nadkrytyczne o sprawności netto sięgającej 46 proc., co definitywnie rozwiązałoby nasze problemy energetyczne na co najmniej kolejne 30 lat. Zamiast tego w przyszłości będziemy mieć tylko coraz to większe problemy z gigantycznym wręcz nadmiarem mocy generowanej w godzinach około-południowych przez instalacje fotowoltaicznych, której w żaden sposób nie będziemy w stanie efektywnie zagospodarować.