Polski system energetyczny nasycony fotowoltaiką uwydatnia wiele problemów związanych z przesyłem energii elektrycznej. Jak zatem można pomóc zarówno sobie, jak i sieci elektroenergetycznej? Ratunkiem mogą być magazyny energii, które zdobywają coraz większą popularność na rynku.
Krajowy system elektroenergetyczny (KSE) w Polsce to według definicji zbiór urządzeń służących do wytwarzania, transferu i dystrybucji energii elektrycznej od źródeł wytwórczych do klienta końcowego. Do tej definicji coraz częściej dodawane jest „magazynowanie”, czyli stosowanie urządzeń pozwalających na zachowanie energii pod wybraną postacią, a następnie oddanie jej w przypadku wzrostu zapotrzebowania. Według definicji prawa energetycznego magazyn energii to: „instalacja służąca do przechowywania energii, przyłączona do sieci, mająca zdolność do dostawy energii elektrycznej do sieci”. Natomiast ustawa o OZE definiuje go tak: „Wyodrębnione urządzenie lub zespół urządzeń służących do przechowywania energii w dowolnej postaci, niepowodujących emisji będących obciążeniem dla środowiska, w sposób pozwalający co najmniej na jej częściowe odzyskanie”.
Praca krajowego systemu elektroenergetycznego
Priorytetem pracy systemu elektroenergetycznego jest pokrycie zapotrzebowania odbiorców na moc i energię elektryczną przy uwzględnieniu warunków pracy sieci i jednostek wytwórczych oraz wymagań bezpieczeństwa. Największym problemem dla operatorów systemu dystrybucyjnego oraz przesyłowego jest konieczność równoważenia na bieżąco produkowanej energii z energią zużywaną. Dlatego podstawą zapewnienia bezpiecznego i efektywnego działania KSE jest odpowiednie planowanie jego pracy w różnych wymiarach czasowych. Podczas tego planowania konieczne jest również zapewnianie tzw. rezerw mocy, czyli nadwyżek, które mogą zostać uruchomione w przypadku wzrostu zapotrzebowania wśród odbiorców lub wystąpienia nieplanowanych awarii.
W skład źródeł wytwórczych krajowego systemu energetycznego wchodzi wiele jednostek, takich jak elektrownie węglowe, elektrownie gazowe oraz wszelkiego rodzaju źródła energii odnawialnej, czyli elektrownie wodne, farmy fotowoltaiczne oraz wiatrowe. I to te ostatnie, czyli źródła OZE, mimo swoich wielu zalet są największym problemem do prawidłowego zbilansowania mocy systemu.
Dzieje się tak, ponieważ wszelkiego rodzaju źródła energii odnawialnej (a w szczególności fotowoltaika i wiatraki) należą to grupy tzw. źródeł niestabilnych. Produkują energię tylko wtedy, gdy są ku temu odpowiednie warunki. Elektrownia słoneczna produkuje energię tylko w dzień, jednak kluczowa jest tu pogoda – wystarczy dzień o niewielkim natężeniu promieniowania i już z tego powodu będą widoczne spadki w produkcji. Analogiczna sytuacja występuje w przypadku farm wiatrowych – tu również nie jesteśmy w stanie do końca przewidzieć warunków wietrznych na dany moment. Więcej odnawialnych źródeł nie oznacza mniejszych mocy w energetyce konwencjonalnej, ponieważ każdy MW pochodzący z OZE, który jest zainstalowany w systemie elektroenergetycznym, musi mieć swoje powielenie pochodzące z paliw tradycyjnych.
>>> Polskie moduły fotowoltaiczne – co je wyróżnia?
>>> Centrale wentylacyjno-klimatyzacyjne. Energooszczędność
>>> Ochrona przeciwporażeniowa w sieciach elektroenergetycznych o napięciu wyższym niż 1 kV
>>> PGE zbuduje największy magazyn energii w Europie
Duża ilość źródeł rozproszonych uwydatnia również problemy z siecią elektroenergetyczną, z którymi muszą się borykać zakłady energetyczne. Przesyłanie dwukierunkowe energii oraz stałe podnoszenie napięcia sieciowego przez urządzenia OZE powodują przeciążenie sieci, a w konsekwencji braki mocy przyłączeniowych dla nowych farm oraz straty dla inwestorów w postaci czasowego odłączania od systemu ich generatorów. System elektroenergetyczny projektowany był i budowany jako system centralny – oparty na kilkunastu dużych źródłach wytwórczych rozsyłających za pomocą odpowiedniej infrastruktury energię elektryczną do odbiorców. Jego dostosowanie do obecnych standardów zajmie jeszcze kilka, kilkanaście lat. Wszystkie opisane problemy przenoszą się na rynek energii i wpływają na ceny. Przedstawia to rys. 1. Widać wyraźnie, że energia najtańsza jest w ciągu dnia (gdy produkcja z farm fotowoltaicznych jest największa), a najdroższa w czasie szczytów zużycia – czyli o poranku i późnym popołudniem. Duże wahania cen i niestabilność cen energii wpływają negatywnie na całą gospodarkę. Należy również pamiętać o użytkownikach instalacji fotowoltaicznych rozliczających się w systemie net-billingu – oni bowiem od połowy 2024 r. będą sprzedawali do sieci swoją energię po średnich cenach godzinowych – spowoduje to dużą dysproporcję między ceną zakupu a sprzedaży, w konsekwencji obniży rentowność całej instalacji. Z pomocą przychodzą magazyny energii – urządzenia, które pozwalają na przechowanie wyprodukowanej lub skumulowanej wcześniej energii i wykorzystanie jej w późniejszym czasie.
Rys. 1. Rynkowa cena energii z 18 lipca 2022 r. Źródło: www.pse.pl
Magazyny energii w systemie elektroenergetycznym
Opisując rolę magazynów w systemie elektroenergetycznym, należy zacząć od przeanalizowania profilu produkcji oraz zużycia energii. Profile te oczywiście będą się w pewnych aspektach różniły, w zależności od tego czy będziemy rozpatrywać energetykę zawodową czy prosumencką. Wpływ będzie miała też pora roku oraz sytuacja na światowych rynkach energii. Ale wszystko skupia się na jednym – braku korelacji między energią wytwarzaną w danym momencie a energią zużywaną. Magazyn energii podłączony do sieci pozwala przesunąć ten profil produkcyjny z okresu nadwyżek na godziny o zwiększonym poborze. Oczywiście w zależności od rodzaju magazynu wykorzystanie tej nadmiarowej energii będzie się różniło sposobami – zawodowa energetyka wykorzysta ją do stabilizacji parametrów sieci (regulacji częstotliwości i napięcia) lub uruchomienia w razie zwiększonego zapotrzebowania albo awarii, natomiast zakłady przemysłowe lub użytkownicy indywidualni – do zaspokojenia własnych potrzeb energetycznych.
Zaletą magazynu może być również kompensacja mocy biernej. Ten problem dotyka w największym stopniu odbiorców przemysłowych, którzy muszą za nią płacić. Dzięki kompensacji mocy biernej przez magazyn nie jest konieczne stosowanie kompensatorów czy baterii dławikowych.
Wykorzystując magazyn energii, możemy również stosować tzw. arbitraż cenowy. Polega on na kupowaniu energii z sieci elektroenergetycznej, wtedy gdy osiąga najniższą cenę (według rys. 1), przechowaniu i sprzedawaniu po cenach wyższych.
Fot. Magazyn energii w Rzepedzi na Podkarpaciu otwarty w grudniu 2020 r. przez PGE. Źródło: www.gkpge.pl
W dalszej części artykułu:
Rodzaje magazynów energii
- Magazyny energii elektrochemiczne
- Rodzaje akumulatorów litowo-jonowych
- V2G – inny sposób magazynowania
- Systemowe magazyny energii
- Mechaniczne magazyny energii
- Magazyny wodoru
Cały artykuł dostępny jest w numerze 2/2023 miesięcznika „Inżynier Budownictwa”.
mgr inż. Kamil Parfianowicz
Politechnika Rzeszowska
Wydział Elektrotechniki i Informatyki
