goggin m

Układy
magazynujące
energię
a integracja
elektrowni
wiatrowych
z systemem
elektroenergetycznym
Jedną z najczęściej poruszanych kwestii związanych z wykorzystaniem energii wiatru jest rola układów magazynowania energii elektrycznej w procesie integracji elektrowni wiatrowych
z systemem elektroenergetycznym. Jak wskazują doświadczenia,
Stanom Zjednoczonym udało się w 2008 r. włączyć do sieci ponad
8,5 tys. MW energii wiatrowej bez konieczności budowy w obrębie
systemu układów magazynowania energii o szerszej skali działania (przeprowadzane w tym zakresie projekty demonstracyjne
miały jedynie lokalny zasięg). Podobnie w Europie, gdzie kraje
takie jak Dania, Hiszpania, Irlandia i Niemcy z powodzeniem
wprowadziły na rynek znaczne ilości energii wiatrowej, nie inwestując jednocześnie w systemy magazynowania. Przeprowadzone w Stanach Zjednoczonych liczne badania dowiodły, że energia wiatrowa może stanowić ponad 20% całkowitej wytwarzanej
energii elektrycznej bez konieczności jej magazynowania.
Jak to możliwe? Kluczem do sukcesu w tym przypadku jest wykorzystanie istniejących źródeł szczytowych, które funkcjonują
w systemie. Ponieważ operatorzy systemów zmuszeni są do nieustannego reagowania na zmiany podaży i popytu, wykorzystują
w tym celu regulację poziomu generacji źródeł szczytowych, takich jak elektrownie wodne lub gazowe, które posiadają możliwość stosunkowo szybkiej i łatwej zmiany wielkości wytwarzanej
mocy. W ten sposób spiętrzenie wody za pomocą zapory lub odcięcie dopływu gazu w rurociągu można uznać za jedną z form
magazynowania energii, która następnie może zostać wykorzystana przez operatora w innym okresie. Te same źródła szczytowe służą także do równoważenia zmiennej wydajności źródeł
energii wiatrowej włączonych do systemu.
W systemach elektroenergetycznych funkcjonuje obecnie znaczna liczba źródeł szczytowych. Ich obecność spowodowana jest
zmiennym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, które zależy od kilku różnych czynników, między innymi godziny dnia lub
pory roku. Rocznie daje to setki gigawatów „elastycznej” mocy.
Ponieważ wspomniane wyżej elektrownie wodne i gazowe oraz
inne „elastyczne” źródła energii zostały już wcześniej wybudowane i przyłączone do systemu, ich wykorzystanie jest o wiele
bardziej opłacalne pod względem ekonomicznym niż tworzenie
nowych. I mimo iż postęp w dziedzinie technologii magazynowa-
Michael Goggin
Dzięki istniejącym źródłom szczytowym operatorzy sieci elektroenergetycznych będą mogli zintegrować z systemem znaczną
liczbę źródeł energii wiatrowej
89
Te
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
Najbardziej opłacalnymi pod względem ekonomicznym środkami
pozwalającymi osiągnąć elastyczność produkcji energii elektrycznej jest rynek energii oraz generacja energii przez źródła
szczytowe. Te same rozwiązania preferowane są również w sytuacji, gdy do systemu zostają włączone źródła o zmiennej wydajności, takie jak elektrownie wiatrowe.
Przeprowadzone w Stanach Zjednoczonych badania dotyczące
integracji energii wiatrowej z systemem wykazały, że wykorzystanie istniejących źródeł szczytowych w celu równoważenia
niedoborów tej energii kosztuje poniżej 0,005 dolara na 1 kilowatogodzinę, czyli około 10% średniej wartości hurtowej energii
wiatrowej.1 Studia te dowiodły również, że większość regionów
USA posiada na swym terenie wystarczającą ilość efektywnych
źródeł szczytowych wystarczających do zrównoważenia 20-procentowego udziału energii wiatrowej w ogólnej produkcji energii regionu. Jak widać, budowa nowych układów magazynowania
energii musiałaby być wyjątkowo opłacalna, aby mogły one skutecznie konkurować z tymi źródłami.
Ponieważ jednak udział energii wiatrowej w ogólnej produkcji
energii wciąż rośnie, może okazać się, że w niedługim czasie
źródła szczytowe okażą się niewystarczające. Dlatego konieczne
będzie zastosowanie innych, innowacyjnych technologii. Jedną
z nich jest automatyczne aktywne reagowanie na popyt, w ramach
którego odbiorcy przemysłowi (np. fabryki) na określony czas redukują zużycie energii w zamian za niższe opłaty taryfowe. Rozwiązanie to jest obecnie wdrażane przez niektórych operatorów
sieciowych jako jedna z bardzo opłacalnych opcji zapewnienia
elastyczności produkcji. Z kolei zmodyfikowane procedury operacyjne mogą w znacznym stopniu uelastycznić planowanie pracy i dyspozycję mocy w elektrowniach. Rozwój rynków energii, a
także stworzenie rynku źródeł szczytowych sprawi, że właściciele
Te c h n o l o g i a
Krzywa elastycznych dostaw
Te c h n o l o g i a
nia energii będzie z roku na rok dostarczał coraz bardziej korzystnych cenowo rozwiązań, warto mieć świadomość, że możliwa
jest integracja z systemem źródeł odnawialnych bez konieczności magazynowania energii.
90
elektrowni będą chętniej inwestować w technologie służące do
uelastycznienia produkcji. Podobną funkcję może spełniać czasowe zmniejszenie produkcji przez elektrownie wiatrowe, a także niezwykle korzystna pod względem ekonomicznym integracja
z systemem elektrowni gazowych. Jak więc widać, systemy elektroenergetyczne w ich obecnej formie oferują wiele możliwości
uelastycznienia popytu i podaży przy stosunkowo niskich nakładach, nieporównywalnych z wysokimi kosztami inwestycji w budowę nowych układów magazynowania energii.
Wysoki koszt magazynowania energii to jeden z głównych powodów, dla których wykorzystywane jest ono obecnie w minimalnym stopniu. Jak wynika z rys. 2, magazynowanie energii w celu
zapewnienia elastyczności dostaw standardowo kosztuje przynajmniej kilka centów za kilowatogodzinę, przy uwzględnieniu
jedynie kosztów inwestycyjnych (bez kosztów eksploatacyjnych,
wartości strat energii związanych z jej przekształceniem oraz
innych istotnych kosztów). Ponadto koszty te różnią się znacznie
w zależności od zastosowanych technologii oraz w przypadku
poszczególnych projektów. Dotyczy to w szczególności nakładów
na budowę nowej elektrowni szczytowo-pompowej (zamienia się
w niej energię poprzez wpompowanie wody ze zbiornika dolnego
do górnego w okresie nadwyżki produkcji nad zapotrzebowaniem na energię elektryczną), które w dzisiejszych czasach będą
znacznie wyższe niż koszty historyczne pokazane na wykresie
z powodu znacznego ograniczenia dostępnych terenów pod budowę oraz ostrzejszych norm środowiskowych.
Jak wynika z wykresu, magazynowanie energii w elektrowniach
szczytowo-pompowych oraz przy użyciu sprężonego powietrza
(gromadzenie sprężonego powietrza w wielkich podziemnych jaskiniach, które następnie jest uwalniane do produkcji energii)
to najtańsze technologie, których koszt wynosi mniej więcej kilka
centów za kilowatogodzinę. Tymczasem istniejące elektrownie
wodne oraz gazowe są w stanie zapewnić elastyczność produkcji
energii już za niewielki ułamek tej kwoty. Dla przykładu, w stanie
Nowy Jork średnia cena rynkowa rezerw mocy o czasie dostępu
wynoszącym 30 minut wynosi jedną dziesiątą centa za kilowatogodzinę.2
Dodatkowo wiele systemów magazynowania energii nie jest
odpowiednio przystosowanych, aby skutecznie radzić sobie z
okresowością i nieprzewidywalnością produkcji energii wiatrowej włączonej do systemu elektroenergetycznego. Jak wynika z
raportu opracowanego przez American Wind Energy Association
pt. „20-procentowy udział energetyki wiatrowej w zapotrzebowaniu energetycznym USA do roku 2020: energia wiatru, moc rezerwowa i emisje”, produkcja energii wiatrowej charakteryzuje
się niewielką zmiennością w okresach minutowych, natomiast
znaczną zmiennością w okresach przekraczających 30 minut.3
Na szczęście o wiele taniej jest zapewnić elastyczność produkcji w dłuższych okresach (np. w stanie Nowy Jork rezerwa mocy
o czasie dostępu 30 minut kosztuje 50 razy mniej niż rezerwa
sekundowa4). Niektóre z technologii magazynowania energii, takie jak zaawansowane akumulatory czy kinematyczne magazyny
energii mogą być opłacalne dla zmiennej wydajności w okresach
sekundowych, ale technologie te nie mogą skutecznie konkurować pod względem ekonomicznym z tradycyjnymi źródłami szczytowymi rezerwującymi produkcję w przypadku energii wiatrowej,
którą charakteryzują dłuższe okresy zmienności produkcji.
nie” doprowadziłoby jedynie do zwiększenia konieczności równoważenia podaży i popytu. Zamiast tego bardziej rozsądnym
podejściem do magazynowania energii wydaje się uznanie tych
układów za źródła systemowe wykorzystywane do równoważenia
zmiennej wydajności wszystkich źródeł oraz ogólnej zmienności
popytu w systemie elektroenergetycznym, a nie przypisywanie
ich do konkretnego źródła wytwórczego.
W niektórych, raczej rzadkich przypadkach łączenie elektrowni
wiatrowej z układem magazynowania energii może być zasadne,
jednak jak dotąd nie wdrożono w życie żadnego projektu w tym
zakresie. Jeśli istniejące ograniczenia w sieci przesyłowej sprawiają, że dana elektrownia nie jest w stanie sprzedawać całości
wyprodukowanej energii w trybie ciągłym, wówczas magazynowanie energii, która w przeciwnym wypadku zostałaby spisana
na straty, może mieć uzasadnienie ekonomiczne. Jest to jednak
rozwiązanie o charakterze wyłącznie krótkoterminowym, gdyż
najbardziej optymalnym sposobem na usunięcie ograniczeń systemowych jest przede wszystkim rozbudowa sieci przesyłowych.
Magazynowanie: pożyteczne, ale nie
niezbędne
Zwiększenie wydajności źródeł energii
wiatrowej poprzez magazynowanie
energii – fakty i mity
Mimo iż magazynowanie energii elektrycznej nie jest niezbędnym
warunkiem efektywnego włączenia źródeł energii wiatrowej do
systemu i często okazuje się nieopłacalne, niektóre z jego form
mogą w niewielkim stopniu obniżyć koszty tej integracji. Jednak
w sytuacji, gdy można do tego celu wykorzystać o wiele bardziej
opłacalne źródła szczytowe, technologie te przestają być konkurencyjne.
Jedynymi układami magazynowania energii elektrycznej powszechnie wykorzystywanymi w Stanach Zjednoczonych są
elektrownie szczytowo-pompowe o wydajności ok. 20 gigawatów.
Wiele z nich powstało w odpowiedzi na wzrost udziału elektrowni
atomowych w ogólnej produkcji energii, jaki miał miejsce w latach
1960., 1970. i 1980. Producenci ci, podobnie jak elektrownie wiatrowe i węglowe, nie są w stanie regulować poziomu produkowanej energii zgodnie z poleceniem operatorów systemu. Zmiana
wydajności produkcji w elektrowni atomowej lub węglowej wiąże
Istnieje przekonanie, że zwiększenie wydajności źródeł energii
wiatrowej przyczyni się do ich powszechniejszego wykorzystania
przez spółki elektroenergetyczne lub operatorów systemu. Tymczasem okazuje się, że nie ma potrzeby, aby poszczególne elektrownie wiatrowe produkowały energię bez przerwy. W rzeczywistości okresowość ich produkcji nie jest niczym nadzwyczajnym,
gdyż wiele jednostek wytwórczych często doświadcza czasowych
wyłączeń. Jak wcześniej wspomniano, zmienność popytu i podaży
jest od dawna obecna w systemie elektroenergetycznym, przejawiając się między innymi w wyłączaniu lub włączaniu urządzeń
elektrycznych przez odbiorców końcowych lub nieoczekiwanych
awariach sieci. Dlatego też zmienna wydajność źródeł energii
wiatrowej w wielu przypadkach stanowi odpowiedź na zróżnicowane zapotrzebowanie na energię elektryczną. Jej „wzmocnie-
91
Te
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
Te c h n o l o g i a
się ze zmianą ilości ciepła, jakie przepływa przez systemy parowe
tych obiektów. W rezultacie związane z tym wahania temperatur
powodują naprężenia cieplne w instalacjach i urządzeniach,
znacznie zwiększające koszty eksploatacji oraz ryzyko wystąpienia awarii.
Dlatego też opisani wyżej „nieelastyczni” wytwórcy odnoszą
znaczące korzyści z bliskości źródeł szczytowych, a także układów magazynowania energii, które mogą je odciążyć w razie konieczności dostosowania produkcji do zmiennego popytu. Jak
wykazało studium przeprowadzone w Holandii, głównymi beneficjentami systemów magazynowania energii były elektrownie
węglowe, pracujące w nocy i magazynujące wytworzoną w ten
sposób tańszą energię, którą następnie zastępowały kosztowne
wytwarzanie gazu w dzień. Doprowadziło to jednak do wzrostu
netto emisji dwutlenku węgla w holenderskim sektorze elektroenergetycznym.5
Badania nad integracją elektrowni wiatrowych z siecią pozwalają
z dużą dokładnością określić znaczenie magazynowania energii
w tym procesie. W ramach projektu przeprowadzanego w stanie Kolorado, w systemie elektroenergetycznym uwzględniono
10-procentowy udział energii wiatrowej przy dwóch scenariuszach: z uwzględnieniem oraz bez udziału elektrowni szczytowopompowej o mocy 324 MW6. W rezultacie okazało się, że obecność
tej elektrowni doprowadziła do obniżenia kosztów integracji
o 0,00134 dolara na kilowatogodzinę energii wiatrowej, co odpowiada oszczędnościom w wysokości 2,5 mln dolarów w skali
roku. Przy założeniu, że koszt wybudowania nowej elektrowni
szczytowo-pompowej wynosi ponad milion dolarów na 1 MW zainstalowanej mocy, sama jej budowa zwróciłaby się dopiero po stu
latach, bez uwzględnienia finansowania inwestycji ani kosztów
eksploatacyjnych. Jest to kolejny dowód na to, że koszt technologii magazynowania energii stanowi trudną do pokonania
barierę.
Ponieważ systemy magazynowania energii nie mogą w chwili
obecnej skutecznie konkurować z tradycyjnymi źródłami szczytowymi – szczególnie w przypadku dłuższych okresów zmienności
wydajności charakterystycznych dla elektrowni wiatrowych – konieczne są badania nad zastosowaniem nowatorskich techno-
logii, które uczynią je bardziej efektywnymi ekonomiczne. Dla
przykładu ogromny potencjał wydaje się tkwić w akumulatorach
pojazdów hybrydowych, których zakup szybko zwraca się dzięki
oszczędnościom na paliwie, jakie zyskują ich właściciele. Badając
ich możliwości oraz zastosowanie należy jednocześnie pamiętać,
że źródła energii wiatrowej mogą być z powodzeniem, zarówno
pod względem efektywności jak i opłacalności, zintegrowane
z systemem elektroenergetycznym bez udziału kosztownych
układów magazynowania energii.
1 http://www.nationalwind.org/pdf/Nickellstoragestory-Public.pdf
2 W oparciu o średnie ceny usług systemowych z okresu od 13.11.2007
do 12.11.2008 dostępne na stronie: http://www.nyiso.com/public/market_data/pricing_data/dam_ancilliary.jsp
3 http://www.awea.org/pubs/factsheets/Backup_Power.pdf
4 W oparciu o średnie ceny usług systemowych z okresu od 13.11.2007
do 12.11.2008 dostępne na stronie: http://www.nyiso.com/public/market_data/pricing_data/dam_ancilliary.jsp
5 B.Ummels i in. „Integration of large-scale wind power and energy
storage in the Netherlands’ electricity supply”, IET Renewable Power
Generation, 2008
6 Xeel, „Wind Integration Study for Public Service Company of Colorado,
maj 2006.
Autor: Michael Goggin zajmuje się propagowaniem inwestycji w sieć
przesyłową oraz zaawansowanymi modyfikacjami procedur operacyjnych przesyłu, a także problemem efektywnej integracji z systemem
energii wiatrowej przy zachowaniu niezawodności dostaw. Zanim został
członkiem AWEA, pracował dla firmy konsultingowej wspierającej programy rozwoju energii odnawialnej prowadzone przez amerykański Departament Energii. Ukończył socjologię na Uniwersytecie Harvarda.
Artykuł ukazał się w „Power Engineering”, November 2009. Został opublikowany za zgodą wydawcy i autora.
92