Tematem, który w zasadzie nie jest w ogóle poruszany podczas wszelkich dyskusji dotyczących wprowadzanej obecnie w naszym kraju transformacji energetycznej, jest inercja mechaniczna systemu elektroenergetycznego. Jest to tym bardziej dziwne, że bez wspomnianej inercji mechanicznej żaden system elektroenergetyczny nie może w ogóle funkcjonować, ponieważ pierwsze lepsze zakłócenie – przykładowo zwarcie na elektroenergetycznej linii przesyłowej, rozdzielni lub stacji transformatorowej, czy też awaryjne wyłączenie któregoś z dużych bloków energetycznych – skutkowałoby natychmiastowym blackoutem, czyli awaryjnym wyłączeniem dosłownie wszystkiego na terytorium całego kraju.
Ostatnio tego rodzaju sytuacja miała miejsce na Półwyspie Iberyjskim w dniu 28 kwietnia 2025 roku, a przeprowadzone w okresie późniejszym analizy rozważanego zjawiska jako zasadniczą przyczynę wspomnianej katastrofy wskazały właśnie zbyt niski poziom inercji mechanicznej hiszpańskiego systemu elektroenergetycznego, gdyż wówczas w tzw. źródłach inercyjnych generowane było zaledwie około 6 GW mocy elektrycznej (3 GW – elektrownie gazowe i 3 GW – elektrownie atomowe), podczas gdy fotowoltaika wnosiła do systemu aż 17 GW i dodatkowo 3 GW generowały siłownie wiatrowe, przy czym inercyjność zarówno fotowoltaiki, jak i energetyki wiatrowej wynosi dokładnie zero, ponieważ tego typu urządzenia podłączone są do sieci elektroenergetycznych za pomocą falowników, czyli przyrządów półprzewodnikowych, przetwarzających prąd stały na prąd zmienny o odpowiedniej częstotliwości i fazie.
Akumulowanie wielkich ilości energii kinetycznej
Wspomniana inercja mechaniczna w swej istocie nie jest niczym innym jak jedynie energią kinetyczną ruchu obrotowego, zakumulowaną w wirujących potężnych masach turbin i generatorów, tzw. turbogeneratorów, gdyż obie rozważane maszyny (mechaniczna – turbina i elektryczna – generator prądu zmiennego) są zamocowane na wspólnym wale mechanicznym. Tego rodzaju turbogeneratory wykonują w ciągu sekundy aż 50 pełnych obrotów, co zarazem jest bezpośrednią przyczyną tego, że w sieci elektroenergetycznej mamy częstotliwość wynoszącą właśnie 50 Hz. Ponieważ energia kinetyczna ruchu obrotowego zależy od kwadratu częstotliwości obrotów, to proszę sobie wyobrazić, jak potężna w swej istocie musi być rozważana energia, zważywszy, że dużych rozmiarów turbogenerator ma masę wirnika wynoszącą kilkadziesiąt, a nawet i ponad sto ton (masa wirnika turbogeneratora TWW-200 wynosi 42 tony, TWW-360 już 55 ton, a TWW-500 to aż 80 ton, natomiast w przypadku turbogeneratora bloku B11 elektrowni Kozienice o mocy 1075 MW masa jego wirnika wynosi około 110 ton). Widok przykładowego potężnego turbogeneratora czytelnik może podziwiać na rys. 1.
(źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_generation)
Aby czytelnik mógł wyrobić sobie pewne wyobrażenie odnośnie do tego, jak wielka jest to energia, to wyobraźmy sobie, że wirnik turbogeneratora ma formę jednorodnego walca o promieniu jednego metra oraz posiada masę równą 100 ton. Jego energię kinetyczną ruchu obrotowego można wyznaczyć ze wzoru: E=2π2Jf2, gdzie (J) to moment bezwładności wirnika, a (f) to częstotliwość jego obrotów, wynosząca 50 Hz, przy czym moment bezwładności walca wyznaczamy ze wzoru: J=0,5MR2, gdzie (M) to masa walca równa 100 ton, a (R) jego promień równy jeden metr. Ostatecznie energia kinetyczna ruchu obrotowego wirnika turbogeneratora wyraża się wzorem E=π2MR2f2 i wynosi około 2,5 GJ.
Żeby wyrobić sobie pojęcie, jak wielka w swej istocie jest to energia, wystarczy wspomnieć, że pozwoliłaby ona unieść radziecki czołg T-34 o masie 30 ton, czyli powszechnie znany „Rudy 102” z propagandowego komunistycznego filmu „Czterej pancerni i pies”, ma wysokość ponad 800 metrów. Rozważana energia pozwoliłaby także na podgrzanie od temperatury 20 stopni Celsjusza do temperatury wrzenia ponad 7 metrów sześciennych wody.
Akumulowanie aż tak wielkich ilości energii kinetycznej w wirujących masach turbogeneratorów jest absolutnie konieczne w celu zapewnienia stabilnej pracy krajowego systemu elektroenergetycznego, przy czym mowa jest tutaj o jego stabilności napięciowej, częstotliwościowej i fazowej. Wspomniana stabilność może ulec znacznemu zaburzeniu podczas wystąpienia różnego rodzaju zakłóceń, takich jak choćby potężnych rozmiarów zwarcia, mające od czasu do czasu miejsce w elektroenergetycznych liniach przesyłowych wysokich i najwyższych napięć. Wspomniana inercja mechaniczna pozwala w takich wypadkach systemowi elektroenergetycznemu skutecznie się obronić i przetrwać kilka dziesiątych części sekundy w stanie zwarcia, dopóki automatyka zabezpieczeń nie wyłączy obwodu, w ramach którego do rozważanego zwarcia doszło, tym samym je całkowicie eliminując. Gdyby inercji mechanicznej w systemie elektroenergetycznym w ogóle nie było, to podczas pierwszego lepszego zwarcia doszłoby do jego rozsynchronizowania, w efekcie czego rozpadłby się on jak jakiś domek z kart bądź wręcz runął, jak wybudowany przez dziecko na plaży zamek z piasku.
Kluczowe kilka dziesiątych części sekundy
Przykładowo na pewnej linii wysokiego napięcia może nagle urwać się izolator, w wyniku czego któryś z jej przewodów fazowych dotknie elementów konstrukcyjnych słupa kratowego bądź opadnie na inne przewody fazowe. W wyniku tego w systemie elektroenergetycznym pojawi się potężne zwarcie, którego moc pozorna w przypadku linii pracującej pod napięciem 110 kV może sięgać nawet 5000 MVA, a w przypadku linii 400 kV może przekraczać wartość 12000 MVA. Gdyby w systemie elektroenergetycznym inercji mechanicznej w ogóle nie było, doszłoby wówczas do gigantycznego zapadu napięcia w sieciach elektroenergetycznych i wszystkie źródła energii elektrycznej uległby natychmiastowemu rozsynchronizowaniu, a przecież muszą one wszystkie pracować nie tylko z tą samą częstotliwością, wynoszącą 50 Hz, ale dodatkowo wszystkie muszą generować sinusoidalne przebiegi napięcia w tej samej fazie, tzw. wierzchołki i doliny poszczególnych sinusoid muszą się ze sobą wzajemnie pokrywać, gdyż w przypadku przeciwnym w elektroenergetycznych liniach przesyłowych pojawiłby się potężne zwarcia, w efekcie których automatyka zabezpieczeń wyłączyłaby w momencie dosłownie wszystko na terytorium całego kraju i zapanowałby w związku z tym powszechny blackout.
Tymczasem zakumulowana w wirnikach turbogeneratorów potężna energia kinetyczna pozwala na wytworzenie przez wspomniane kilka dziesiątych części sekundy potężnej wartości mocy pozornej, sięgającej kilku tysięcy megawoltamperów, w rezultacie czego do wspomnianego gigantycznego zapadu napięcia nie dojdzie i w związku z tym poszczególne źródła energii elektrycznej się nie rozsynchronizowują. Owszem, w całym systemie elektroenergetycznym ma miejsce potężne „szarpnięcie” i obserwowany jest gwałtowny spadek częstotliwości jego pracy, ale jeśli tylko uda się mu przetrwać tych kilka dziesiątych części sekundy, po upływie których dane zwarcie zostanie ostatecznie wyłączone przez systemy automatyki zabezpieczeń, to system elektroenergetyczny wyjdzie ostatecznie z tego rodzaju incydentu z obronną ręka, a po upływie zaledwie kilku sekund częstotliwość jego pracy powróci ponownie do wartości nominalnej. W tym miejscu należy jeszcze nadmienić, że każdy pracujący w ramach systemu elektroenergetycznego turbogenerator wnosi swój wkład do tzw. stałej inercji systemu elektroenergetycznego, który jest równy stosunkowi energii kinetycznej ruchu obrotowego wirującego z częstotliwością 50 Hz turbogeneratora do jego mocy pozornej.
Opisaną powyżej sytuację można porównać także z rozpędzonym samochodem, który wjeżdża nagle na wyboisty odcinek drogi, na którym są różnego rodzaju dziury, dołki i wyboje. Jeśli tylko samochód ten jest dostatecznie rozpędzony, czyli dysponuje odpowiednim zapasem energii kinetycznej ruchu postępowego, to owszem na wspomnianych dziurach, dołkach i wybojach tym samochodem nieźle „potrzepie”, wytraci on też nieco ze swej prędkości, ale ostatecznie będzie w stanie pokonać taki feralny odcinek drogi i kontynuować jazdę dalej już dobrej jakości szosą. Gdyby natomiast prędkość wspomnianego samochodu była relatywnie niewielka, wówczas po prostu utknąłby na wspomnianym wyboistym odcinku drogi, po tym jak jego koła wpadłyby tylko w jakiś głębszy dołek.
Nieszczęście „zielonego ładu”
Z wymienionych powodów inercja mechaniczna jest niezwykle istotną kwestią i bez niej żaden system elektroenergetyczny nie może w ogóle pracować. Dawniej nie było z tym żadnych problemów, ponieważ prawie cała wytwarzana w Polsce energia elektryczna pochodziła wyłącznie ze spalania węgla oraz w niewielkim stopniu także gazu ziemnego. Ponadto udział hydroenergii jest w Polsce wręcz na symbolicznym poziomie, zaledwie około 1 proc., przy czym elektrownie wodne również wnoszą pewien wkład do stałej inercji systemu elektroenergetycznego, jednak jest on relatywnie niewielki z uwagi na niską prędkość obrotową turbin wodnych w porównaniu z turbogeneratorami elektrowni cieplnych. Później w wyniku implementowania w naszym kraju „zielonego ładu” i związanej z nim transformacji energetycznej pojawiły się najpierw siłownie wiatrowe, a następnie fotowoltaika, w której zdołano do chwili obecnej zainstalować już ponad 27 GW mocy elektrycznej (więcej niż 5 elektrowni w Bełchatowie razem wziętych). Taki stan rzeczy spowodował znaczny spadek wartości stałej inercji krajowego systemu elektroenergetycznego, w sytuacji gdy zarówno siłownie wiatrowe, jak i fotowoltaika wprowadzają do niego jednocześnie znaczne wartości mocy.
Przyjmuje się, że przynajmniej 1/3 generowanej w krajowym systemie elektroenergetycznym mocy powinna pochodzić ze źródeł inercyjnych, czyli w naszym przypadku z elektrowni węglowych bądź gazowych, a pozostała jej część może być generowana w źródłach bezinercyjnych. W przypadku naszego kraju oznacza to, że elektrownie cieplne (głównie węglowe) muszą generować przynajmniej 8 GW mocy elektrycznej, a schodzenie poniżej tej wartości, jest już przysłowiowym „igraniem z ogniem” albo wręcz igraniem z bezpieczeństwem państwa i życiem ludzkim, ponieważ w przypadku pojawienia się na terytorium całego kraju powszechnego blackoutu bez ofiar śmiertelnych bynajmniej już się nie obędzie.
Dlaczego fotowoltaika nie może pracować sama
Jak widać, o tym, co jest możliwe bądź w ogóle możliwe nie jest, w przypadku systemu elektroenergetycznego, decyduje przede wszystkim fizyka. Oczywiście, elektroenergetyka to nie jest tylko i wyłącznie fizyka i matematyka, gdyż dochodzi do tego jeszcze solidna wiedza inżynierska i przede wszystkim liczne umiejętności praktyczne, ale prawa fizyki nas tutaj bezsprzecznie ograniczają, ponieważ tych praw nie jesteśmy w stanie w jakikolwiek sposób zmienić, czy nawet w jakimś sposobem obejść.
Na przykład nigdy nie będziemy w stanie zbudować statku kosmicznego, który poruszałby się z prędkością większą niż prędkość światła w próżni, ponieważ zgodnie ze szczególną teorią względności Einsteina jest to absolutnie niemożliwe, gdyż masa każdego ciała zależy od jego prędkości i rośnie do nieskończoności, gdy tylko jego prędkość zmierza w granicy do prędkości światła w próżni. Zatem osiągnięcie prędkości światła w próżni wymagałby wydatkowania nieskończenie wielkiej energii, co jest oczywiście niemożliwe. Podobnie nigdy nie zbudujemy bloku elektrowni cieplnej, w przypadku którego sprawność jego cyklu termodynamicznego byłaby większa od teoretycznej granicznej sprawności tzw. cyklu Carnota, danej następującym wzorem n=1-T2/T1, gdzie T1 to temperatura grzejnika, a T2 temperatura chłodnicy.
W związku z powyższym nie jest tak, jak próbują wmawiać ludziom jacyś domorośli i samozwańczy „eksperci” bez jakiegokolwiek wykształcenia technicznego, że jak tylko Słońce świeci, to w krajowym systemie elektroenergetycznym może pracować wyłącznie tylko sama fotowoltaika i nic innego nie jest już wtedy potrzebne. Elektrownie węglowe, poza wspomnianym faktem dostarczania systemowi elektroenergetycznemu niezbędnej inercji mechanicznej, nie mogą zostać wyłączone ot tak sobie na okres zaledwie kilku godzin okołopołudniowych, gdy fotowoltaika pracuje w sposób najbardziej intensywny, również i z tego powodu, że ponowny rozruch elektrowni węglowych z wystudzonymi kotłami może zająć nawet do ośmiu godzin. Z tego powodu w pobliżu południa słonecznego niektóre z bloków węglowych są przesuwane do tzw. gorącej rezerwy, czyli spalają nadal węgiel, aby tylko utrzymać rozgrzane kotły, a energii elektrycznej w tym czasie żadnej bynajmniej same nie generują.
Dlaczego jesteśmy skazani na import energii
Według krajowego miksu energetycznego wyliczonego za rok 2025 udział fotowoltaiki wyniósł 11,8 proc. Można zapewne dyskutować, czy jest to dużo, czy mało, ale moim zdaniem w celu przeprowadzenia rzetelnych wyliczeń od podanej wartości należałoby odjąć przede wszystkim energię, która mogłaby być potencjalnie wytworzona ze spalonego węgla na potrzeby utrzymania wspomnianej gorącej rezerwy kotłów. Ponadto należałoby odjąć także energię, która pozostaje nieodebrana od farm fotowoltaicznych odłączonych od sieci wskutek ogłoszenia przez operatora tzw. nierynkowego redysponowania źródeł fotowoltaicznych, a za którą trzeba właścicielom wspomnianych farm fotowoltaicznych wypłacać stosowane rekompensaty. Dodatkowo wypadałoby odjąć także energię wysyłaną zagranicę po cenach ujemnych w ramach organizowanego naprędce tzw. eksportu awaryjnego, mającego na celu zapewnienie stanu równowagi mocy w krajowym systemie elektroenergetycznym. Po odjęciu od wspomnianych 11,8 proc. wszystkich wymienionych powyżej ilości energii jest rzeczą interesującą, jaki byłby rzeczywisty udział fotowoltaiki w krajowym miksie energetycznym?
Tymczasem obniżanie około południa słonecznego mocy krajowych elektrowni węglowych do ich technicznego minimum ma jeszcze ten niepożądany skutek, że podczas trwania tzw. wieczornego szczytu obciążenia w polskim systemie elektroenergetycznym brakuje po prostu mocy i w związku z tym skazani jesteśmy wyłącznie na import w tym czasie sporych ilości energii elektrycznej, zwykle po mocno wygórowanych cenach, co można zobaczyć na rys. 2.
W dniu 16 lipca 2026 roku o godz. 21.38 zapotrzebowanie mocy w krajowym systemie elektroenergetycznym wynosiło 20010 MW i było pokrywane przede wszystkim przez elektrownie cieplne w wysokości 13674 MW (68,3 proc.). Elektrownie wodne i szczytowo-pompowe generowały dodatkowo 1242 MW (6,2 proc.). Z kolei wiatraki lądowe i morskie generowały łącznie 937 MW (4,7 proc.). W związku z powyższym powstała w krajowym systemie elektroenergetycznym potężna luka mocy była pokrywana importem energii elektrycznej pochodzącej ze wszystkich krajów ościennych, z którymi posiadamy tylko połączenia transgraniczne (Litwa, Szwecja, Niemcy, Słowacja, Czechy i Ukraina). Saldo rozważanego importu wynosiło aż 4159 MW (20,8 proc.) i w ogóle było bliskie kresu możliwości technicznych, szacowanych na nieco ponad 5000 MW.
Jak widać, w sytuacji takiej jak przedstawiona została na rys. 2, jesteśmy całkowicie skazani na łaskę bądź raczej niełaskę naszych sąsiadów i w zasadzie jedynie od ich dobrej woli zależy, czy w sytuacji krytycznej udzielą nam wsparcia (oczywiście tego rodzaju sąsiedzka pomoc ma swoją cenę). Gdyby w rozważanym dniu 16 lipca 2026 o godz. 21.38 wspomnianego wsparcia nam odmówiono, oznaczałby to gigantyczny deficyt mocy, sięgający aż 4 GW, co wymusiłoby bezwzględnie konieczność ogłoszenia dwudziestego stopnia zasilania i przymusowe wyłączenie wybranych grup odbiorców, a wówczas wręcz całe dzielnice polskich miast tonęłyby po prostu w ciemnościach.
Teoretycznie moc zainstalowana w polskich elektrowniach węglowych pozwala pokryć w stu procentach zapotrzebowanie we wspomnianej wysokości 20010 MW, jednak w tym wypadku problem polega na tym, że gdy zaczyna zachodzić Słońce, moc generowana przez instalacje fotowoltaiczne zaczyna gwałtownie maleć i w związku z tym w krajowym systemie elektroenergetycznym pojawia się potężny gradient mocy o wartości przekraczającej nawet 50 MW/min. Niestety, krajowe elektrownie cieplne, które są w większości starymi konstrukcjami powstałymi jeszcze w epoce Edwarda Gierka, nie są w stanie podnosić wytwarzanej przez siebie mocy elektrycznej w aż tak zawrotnym tempie. Z tego powodu, chcąc utrzymać w krajowym systemie elektroenergetycznym wymagany stan równowagi mocy, trzeba posiłkować się potężnym importem energii elektrycznej po mocno wygórowanych cenach.