Na portalu WysokieNapiecie.pl, który sam siebie reklamuje jako wręcz „najlepszy portal o energetyce w Polsce”, podana została informacja, że miniony rok 2023 był rokiem rekordowym, jeśli chodzi o liczbę wydanych przez Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. (PSE) odmów przyłączeń OZE do sieci przesyłowych.
Na rysunku 1 pokazano, jak w latach ubiegłych dynamicznie wzrastała liczba takich odmów i jak jeszcze szybciej rosła sumaryczna moc OZE, którym odmówiono przyłączenia do sieci.
Jak widać, w ubiegłym roku odmówiono przyłączenia do sieci przesyłowych OZE o wręcz niewyobrażalnie wielkiej sumarycznej wartości mocy zainstalowanej, przekraczającej ponad 80 GW. Jest to wartość, która wręcz „powala z nóg” i to każdego, kto ma jakiekolwiek wyobrażenie o rzędach wielkości fizycznych. Warto tylko wspomnieć, że przeciętne zapotrzebowanie na moc w krajowym systemie elektroenergetycznym wynosi „zaledwie” nieco ponad 20 GW, a moc potężnej elektrowni węglowej w Kozienicach to „tylko” 4 GW. Zatem już na pierwszy rzut oka widać, że „coś tutaj najwyraźniej nie gra”, bo niby po co mielibyśmy instalować w OZE aż tak potężne moce, które gdyby zostały wprowadzone do sieci przesyłowych, to i tak rozsadziłyby dosłownie system elektroenergetyczny od środka, ponieważ tak wielkiej mocy nie byłoby jak na bieżąco w żaden sposób odebrać, a energii elektrycznej nie można w obwodach jakoś chwilowo „zatrzymać”, żeby spożytkować ją w późniejszym terminie – prąd elektryczny to przecież nieustanny ruch elektronów wywołany różnicą potencjałów pola elektrycznego i suma energii wydawanej ze źródeł mocy elektrycznej zawsze jest równa sumie energii pobieranej przez jej odbiorców (zasada zachowania energii obowiązuje w elektrotechnice zawsze i wszędzie).
Tymczasem tajemnica tych na pozór zagadkowych działań sprowadza się głównie do tego, że w większości przypadków wnioskodawcy, którzy ubiegają się o wydanie pozwolenia na przyłączenie planowanych przez nich źródeł energii do sieci przesyłowych, wcale nie mają najmniejszego zamiaru tych źródeł w rzeczywistości instalować, gdyż w tym wypadku chodzi jedynie o uzyskanie stosownego pozwolenia, które w przyszłości będzie można komuś, być może, odsprzedać po odpowiednio wyższej cenie i w związku z tym nieźle na owym procederze zarobić – ot, czysta spekulacja!
Warto wspomnieć, że w obiegowej opinii krążą na ten temat również swego rodzaju „teorie spiskowe”, w myśl których miałaby istnieć jakaś swego rodzaju tajna zmowa przedstawicieli klasycznych źródeł energii elektrycznej (elektrowni cieplnych, kopalń, spółek węglowych itp.), dla których OZE stanowią konkurencję, przed którą muszą się zawzięcie bronić, i dlatego utrudniają im zapewne jakimiś tajnymi kanałami uzyskanie zgody na przyłączenie do sieci przesyłowych. To całkowita nieprawda, ponieważ niemożność przyłączania do sieci przesyłowych mocy o sumarycznej wartości przekraczającej 80 GW wynika wprost z obowiązujących w naszym wszechświecie praw fizyki i absolutnie nic nie jesteśmy w stanie na to poradzić.
Z kolei w rozważanym artykule zamieszczonym na portalu WysokieNapiecie.pl autor zrzuca odpowiedzialność za zaistniały stan rzeczy głównie na krajowe elektroenergetyczne sieci przesyłowe, które według niego wymagają remontów, przebudowy i potężnych inwestycji. Jak wynika z informacji zamieszczonych na rozważanym portalu, autor rozważanego artykułu jest absolwentem politologii, dziennikarstwa i komunikacji społecznej.
Owszem, modernizacja i rozbudowa krajowych sieci elektroenergetycznych jest zapewne jak najbardziej pożądana – trudno temu zaprzeczyć, ale to nie jakiś chroniczny niedorozwój tych sieci stanowi tutaj istotę problemu. Choćbyśmy w najbliższej przyszłości wybudowali tysiące kilometrów sieci przesyłowych pracujących pod napięciem 110 kV, 220 kV i 400 kV, to i tak w sumie nie wiele to zmieni, jednak żeby to zrozumieć, trzeba po pierwsze wiedzieć, a nawet w pewien sposób wręcz „czuć”, czym de facto jest system elektroenergetyczny i dlaczego nieustannie musi on znajdować się w stanie równowagi.
Co to jest system elektroenergetyczny?
System elektroenergetyczny jest jednym z najbardziej złożonych i najbardziej obszarowo rozległych systemów technicznych. W jego skład wchodzą trzy zasadnicze komponenty, do których zaliczamy, po pierwsze, źródła generujące energię elektryczną, takie jak elektrownie cieplne (bazujące na spalaniu paliw kopalnych stałych, ciekłych i gazowych, a także biomasy), elektrownie jądrowe (bazujące na kontrolowanych procesach rozpadu jąder atomów pierwiastków promieniotwórczych w reaktorach atomowych), a ponadto elektrownie wodne, wiatrowe i ostatnio wiodącą prym pod względem wartości mocy zainstalowanej fotowoltaikę. Kolejnym komponentem systemu elektroenergetycznego są sieci przesyłowe, odpowiednio najwyższych (220 kV i 400 kV), wysokich (110 kV), średnich (15 kV) i niskich (0,4 kV) napięć. Ostatnim z rozważanych komponentów systemu elektroenergetycznego są odbiorcy końcowi energii elektrycznej.
Gdybyśmy mieli poszukiwać jakiejś przemawiającej do wyobraźni czytelnika analogii, to system elektroenergetyczny można byłoby wyobrazić sobie jako podpartą na środku drewnianą belkę, na końce której z obu stron działają pewne siły (rysunek 2).
Jedną z tych sił jest sumaryczna wartość generowanej w systemie elektroenergetycznym mocy elektrycznej, pochodzącej ze wszystkich aktualnie pracujących źródeł, a drugą jest sumaryczne zapotrzebowanie na moc zgłaszane w danej chwili przez wszystkich odbiorców przyłączonych do sieci przesyłowych. Co istotne, wymienione siły zawsze muszą się równoważyć.
Przykładowo, gdy zapotrzebowanie na moc staje się większe niż suma mocy generowanych przez źródła wytwórcze, wówczas rozważana belka ulega wychyleniu. W rzeczywistości częstotliwość pracy systemu elektroenergetycznego, wynosząca nominalnie 50 Hz, zaczyna spadać, ponieważ generatory zaczynają wirować coraz to wolniej, pozbywając się swej energii kinetycznej ruchu obrotowego. W takiej sytuacji operator systemu elektroenergetycznego musi podnieść wartości mocy generowanych przez wybrane bloki elektrowni cieplnych bądź przykładowo zmuszony jest uruchomić szybko elektrownie wodne zbiornikowe lub elektrownie szczytowo-pompowe, aby ponownie doprowadzić system elektroenergetyczny do pożądanego stanu równowagi.
W istocie praca systemu elektroenergetycznego sprowadza się do nieustannego balansowania wokół położenia równowagi, która jest równowagą chwiejną z tego powodu, że sumaryczne zapotrzebowanie na moc, zgłaszane ze strony odbiorców energii elektrycznej, podlega nieustannym zmianom, do których w tzw. czasie rzeczywistym muszą dopasowywać się bez przerwy źródła generujące moc elektryczną.
Mówiąc obrazowo, gdyby rozważana belka uległa nadmiernemu wychyleniu, to powstaje niebezpieczeństwo, że jej powrót do uprzedniego stanu równowagi nie będzie już więcej możliwy, ponieważ ostatecznie ulegnie ona całkowitemu wywróceniu, co jest już procesem nieodwracalnym. W przypadku systemu elektroenergetycznego w przypadku wystąpienia takiej krańcowej sytuacji mamy tzw. blackout, czyli wyłączenie dosłownie wszystkiego na obszarze całego kraju przez odpowiednie układy systemów automatyki zabezpieczeń.
Oczywiście, im rozważana belka będzie cięższa, tym trudniej będzie ją trwale ze stanu równowagi wytrącić. W rzeczywistości każdy system elektroenergetyczny charakteryzuje się tzw. inercją, czyli bezwładnością, która jest tym wyższa, im więcej turbogeneratorów w danym momencie wiruje z częstotliwością sieci wynosząca 50 Hz.
W tym miejscu trzeba koniecznie nadmienić, że blackout stanowi prawdziwą katastrofę o ostatecznie trudnych do dokładnego przewidzenia konsekwencjach (ogromne straty finansowe, narażenie na szwank zdrowia i życia ludzi itp.), a ponowne uruchomienie systemu elektroenergetycznego i zsynchronizowanie poszczególnych źródeł wytwórczych z częstotliwością pracy sieci przesyłowych może potrwać nawet i kilka dni. Z powyższego wynika, że system elektroenergetyczny, raz uruchomiony, musi pracować już w sposób ciągły i nie jest w żadnym wypadku możliwe jakieś chwilowe całkowite jego odstawienie z ruchu.
Kwestia nadmiaru mocy zainstalowanej w fotowoltaice
W ostatnich latach prawdziwym wyzwaniem dla pracy krajowego systemu elektroenergetycznego jest fotowoltaika, w której moc zainstalowana w chwili pisania niniejszego artykułu sięga już wartości 18 GW, czyli jest to prawie pięć razy tyle, ile wynosi moc potężnej elektrowni cieplnej w Kozienicach. Zresztą za pieniądze, które w Polsce wydano do tej pory właśnie na fotowoltaikę można byłoby wybudować dokładnie pięć tej wielkości elektrowni węglowych jak w Kozienicach, co w efekcie rozwiązałoby nasze problemy energetyczne na kolejne 40 lat.
Charakterystyczną cechą fotowoltaiki jest cykliczność jej pracy. Zakładając, że znajdujemy się w okolicach równonocy wiosennej, to wykres mocy generowanej przez instalacje fotowoltaiczne będzie miał postać dobowych impulsów o kształcie odwróconej paraboli, które pojawiać się będą w przedziale pomiędzy godziną szóstą a osiemnastą, co pokazano na rysunku 3.
Jeżeli zwiększymy sumaryczny poziom mocy zainstalowanej w panelach fotowoltaicznych, wówczas przedstawione na rys. 3 impulsy w kształcie odwróconej paraboli będą miały odpowiednio większą wysokość. Jednak systematycznie zwiększając poziom mocy zainstalowanej w fotowoltaice, na pewnym etapie okaże się, że jej nadmiar nie może już zostać zaabsorbowany przez system elektroenergetyczny, w którym, jak już wspomniano, musi być przez cały czas spełniony warunek równowagi mocy, co przedstawiono poglądowo na rys. 2. Z tego powodu redukcja poziomu mocy wprowadzanej z instalacji fotowoltaicznych do systemu elektroenergetycznego staje się absolutną koniecznością, ponieważ w przypadku przeciwnym ukazana na rys. 2, podparta na środku belka wystrzeliłaby dosłownie jak z katapulty, a w systemie elektroenergetycznym mielibyśmy w związku z tym blackout na terytorium całego kraju.
Przymusowa redukcja poziomu mocy wprowadzanej do systemu elektroenergetycznego przez fotowoltaikę powoduje, że wierzchołki rozważanych impulsów o kształcie odwróconej paraboli zostają obcięte i w związku z tym przyjmują kształt, jak pokazano na rysunku 4.
Ponieważ pole powierzchni pod rozważanymi impulsami jest miarą energii wprowadzonej przez fotowoltaikę do systemu elektroenergetycznego (jest całka z mocy), to z rys. 3 wynika jednoznacznie, że dalsze powiększanie sumarycznej mocy zainstalowanej w fotowoltaice nie ma już w zasadzie żadnego sensu, ponieważ owe impulsy nie staną się już przecież ani trochę wyższe, bo więcej mocy wprowadzić do systemu elektroenergetycznego po prostu nie można, tylko co najwyżej impulsy te mogą stać się nieco grubsze, ale fakt ten nie będzie powodował żadnego istotnego przyrostu ilości energii odebranej w ciągu doby z instalacji fotowoltaicznych.
W skrajnym przypadku, gdyby wartość mocy zainstalowanej w fotowoltaice rosła nieograniczenie, wręcz do nieskończoności, to rozważane impulsy swym kształtem upodobniłby się już całkowicie do fali prostokątnej, co pokazano na rysunku 5. Pole powierzchni takiego prostokąta wyznacza zarazem graniczną wartość energii, jaka może w ciągu doby zostać wprowadzona do systemu elektroenergetycznego z paneli fotowoltaicznych.
Jak już wspomniano, zwiększanie mocy zainstalowanej w fotowoltaice powoduje, że impulsy o kształcie odwróconej paraboli z obciętym wierzchołkiem stają się coraz to grubsze, a w związku z tym ich zbocza stają się coraz to bardziej strome. Oczywiście, pracujące w systemie elektroenergetycznym elektrownie cieplne muszą z poziomem generowanej przez nie mocy przez cały czas nadążać za kształtem rozważanych impulsów, tak aby popyt na moc i jej podaż były nieustannie w stanie równowagi. Zatem im większa jest stromość zboczy rozważanych impulsów, tym bardziej krytyczne stają się warunki pracy dla elektrowni cieplnych. Ogólnie rzecz ujmując, im stromość opadającego zbocza rozważanego impulsu jest większa, tym większa wymagana jest wartość tzw. gradientu mocy elektrowni cieplnych, który określa szybkość narastania poziomu generowanych przez te elektrownie mocy elektrycznej. Niestety, duże wartości stałych czasowych procesów cieplnych zachodzących w elektrowniach węglowych powodują, że elektrownie te mogą podnosić wartość generowanej przez siebie mocy jedynie w stosunkowo powolnym tempie, ponieważ wartości ich gradientów mocy są relatywnie niskie, co ma miejsce zwłaszcza w przypadku starych bloków węglowych o mocy 200 MW, pamiętających jeszcze czasy towarzysza Gierka, a nawet i niekiedy towarzysza Gomółki.
Z tego powodu polskie elektrownie węglowe w okresie, gdy spada podaż mocy z instalacji fotowoltaicznych, muszą być wspomagane elektrowniami wodnymi posiadającymi zaporę i zbiornik gromadzący wodę, a także elektrowniami szczytowo-pompowymi, w których to łącznie mamy zainstalowane jedynie nieco ponad 2,5 GW mocy. Szanse na to, że w perspektywie kolejnych 10 lat zostanie w Polsce wybudowana jakaś duża elektrownia szczytowo-pompowa, która mogłaby nieco poprawić istniejący stan rzeczy, są w zasadzie zerowe. Według aktualnych planów moc elektrowni szczytowo-pompowej, której budowa wlecze się już od ponad pół wieku w miejscowości Młoty w Kotlinie Kłodzkiej, miałaby zostać zwiększona do 1 GW, tylko że jej budowa prawdopodobnie zostanie w najbliższej przyszłości ostatecznie definitywnie porzucona z powodu… nietoperzy, które zagnieździły się swego czasu w wydrążonych w ubiegłym wieku sztolniach i nie mają najmniejszego zamiaru się stamtąd wynieść.
Jeśli w ciągu kilku najbliższych lat moc zainstalowana w polskiej fotowoltaice ma ulec podwojeniu, to powstaje niezwykle istotne pytanie, czy wymagany gradient przyrostu mocy nie osiągnie takich wartości, które nie będą mogły w już żaden sposób zostać w praktyce uzyskane, nawet w przypadku jednoczesnego uruchomienia wszystkich rezerw dostępnych w krajowych elektrowniach wodnych i szczytowo-pompowych. W takim wypadku konieczne będą przymusowe wyłączenia szerokich grup odbiorców, aby zmniejszyć w systemie elektroenergetycznym sumaryczne zapotrzebowanie na moc, a jeśli nie zostanie to dostatecznie szybko przeprowadzone, to blackout mamy gotowy… Jedyna nadzieja pozostaje w tym, że przymusowe odłączenia farm fotowoltaicznych od sieci przesyłowych w okresie wiosenno-letnim staną się na tyle częste i wygeneruje to w efekcie tak wysokie koszty wypłacanych ich właścicielom odszkodowań, że dalsze zwiększanie mocy zainstalowanej w polskiej fotowoltaice zostanie wreszcie ustawowo ograniczone.
Pan płaci, pani płaci, społeczeństwo…
W bieżącym roku stało się już swego rodzaju standardem, że począwszy w zasadzie od marca PSE zmuszone są wydawać komunikaty o tzw. nierynkowym redysponowaniu jednostek wytwórczych, co sprowadza się po prostu do przymusowego odłączenia od sieci wybranych farm fotowoltaicznych, przy czym komunikaty takie wydawane są nie tylko w dni wolne od pracy, ale nawet i w zwykłe dni robocze. Między innymi komunikat taki został wydany w dniu 12 maja 2024 roku.
Warto nadmienić, że rozważany komunikat był dwukrotnie aktualizowany, co sprowadzało się do systematycznego powiększania wartości redukcji mocy wprowadzanych przez farmy fotowoltaiczne. Jak można wyliczyć, w sumie w rozważanym dniu z farm fotowoltaicznych nie odebrano łącznie ponad 18 GWh energii elektrycznej. Ponieważ zdolności magazynowe potężnego obiektu hydrotechnicznego, którym jest elektrownia szczytowo-pompowa Porąbka-Żar, wynoszą „zaledwie” 2 GWh, to w celu ewentualnego zmagazynowania pojawiających się dniu 2 maja 2024 nadwyżek energii elektrycznej potrzebowalibyśmy przynajmniej dziewięciu tej wielkości elektrowni szczytowo-pompowych, ale elektrowni tych nie wybudujemy przecież nawet i za 50 lat.
Sam fakt odłączenia od sieci przesyłowych wybranych farm fotowoltaicznych nie byłby jeszcze sam w sobie jakimś większym problemem, natomiast bardzo poważną kwestią jest konieczność wypłacania właścicielom rozważanych farm fotowoltaicznych ogromnych odszkodowań za niewprowadzoną do sieci energię, za co płacimy de facto wszyscy w postaci mocno zawyżonych faktur za energię elektryczną wystawianych nam przez zakłady energetyczne.
Jak widać, sieci przesyłowe nie mają tutaj w zasadzie nic do rzeczy, ponieważ nawet gdybyśmy mieli możliwość przesłania nadmiaru mocy generowanej przez instalacje fotowoltaiczne, to i tak w żaden sposób nie mielibyśmy jak tej nadmiarowej mocy odebrać. Tymczasem w powszechnie obowiązującej narracji, to właśnie elektroenergetyczne sieci przesyłowe są winne temu, że PSE systematycznie wydają komunikaty o nierynkowym redysponowaniu jednostek wytwórczych. Jednym słowem, wszystkiemu winne są sieci przesyłowe, podobnie zresztą jak za całe zło występujące na świecie obwiniani są przysłowiowi „cykliści”.