Elektrownia w Bełchatowie - największa elektrownia w Europie
Elektrownia w Bełchatowie a precyzyjniej PGE Górnictwo i Energetyka Konwencjonalna S.A. – Oddział Elektrownia Bełchatów ze względu na swoje parametry jest podstawą polskiego systemu elektroenergetycznego. Ulokowana niecałe 100 km w linii prostej od geometrycznego centrum Polski (miasto Piątek) jest również strategicznie położona w pobliżu głównych ośrodków przemysłowych oraz administracyjnych takich jak GOP (110 km), Łódź (60 km) oraz Warszawa (160 km). Kluczową rolę w lokalizacji elektrowni odegrało jednak nie centralne położenie, a bliskość paliwa, jakim jest węgiel brunatny. Paliwa, którego właściwości czynią jego transport na duże odległości nieopłacalnym. A jednocześnie paliwa, które ze względu na swoją wysoką emisyjność CO2 w procesie spalania, powoli staje się ekonomicznym gwoździem do trumny takich elektrowni. Niewątpliwie jednak przez długie lata energia elektryczna pochodząca z węgla brunatnego należała do najtańszych, co było jednym z czynników warunkujących, że elektrownie spalające ten surowiec pracowały w podstawie systemu energetycznego.
Elektrownia w Bełchatowie - moc i działanie
Wracając do parametrów elektrowni - jej moc zainstalowana to blisko 5,1 GW (wg PGE), na którą pracuje łącznie 12 bloków energetycznych. Taka moc osiągalna czyni tę elektrownię największą w Europie i plasuje w ścisłej czołówce na świecie. 11 z 12 bloków obsługiwanych jest przez jedną stację transformatorową PSE Rogowiec – bohatera dalszej części wpisu. Moc generowana jest regularnie raportowana przez operatora polskiego systemu elektroenergetycznego - PSE S.A.
W roku 2020 elektrownia wygenerowała 24,8 TWh co stanowiło blisko 15% krajowego zużycia i wg danych pracowała ona ze średnią mocą około 2,9 GW (~55% mocy zainstalowanej). Moc generowana naturalnie zmieniała się w zależności od pory dnia, tygodnia czy sytuacji w systemie elektroenergetycznym. Pracę elektrowni w cyklu tygodniowym przedstawiono na Rysunku 1. Jest to typowy (średni) tydzień, gdzie wyraźnie widać, iż część mocy elektrowni aktywna jest przez cały tydzień (około 2 GW), natomiast w ciągu doby a w szczególności podczas godziny szczytów porannych i wieczornych - przekracza 3,4 GW. Można zaobserwować również typową sytuację związaną z niższym zapotrzebowaniem w systemie w soboty i niedziele, kiedy to elektrownia w Bełchatowie również obniża swoją moc generowaną. Reasumując, analizowana elektrownia odgrywa kluczową rolę w pokrywaniu krajowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Nie tylko części jego podstawy, ale również dopasowując się do zmienności dobowej.
Rysunek 1. Typowy tygodniowy wykres generacji energii elektrycznej w elektrowni Bełchatów w roku 2020
Awaria w Bełchatowie - o krok od blackoutu
Wcześniej wspomniano, iż elektrownia w Bełchatowie pokrywa do 15% krajowego zużycia energii elektrycznej. Korzystając z bliskości zasobów taniego paliwa, przy których elektrownia została zlokalizowana, stała się gwarantem bezpieczeństwa energetycznego kraju (własne zasoby paliwa). Kłopotliwym jednak okazało się, że 11 z 12 bloków tej elektrowni wyprowadza moc elektryczną do krajowego systemu elektroenergetycznego za pomocą stacji transformatorowej PSE Rogowiec. Jej potencjalna awaria jest równoznaczna z utratą w systemie energetycznym mocy dostarczanej przez bloki B2-12 z wyłączeniem bloku B14 (największego w Bełchatowie), który współpracuje z inną stacją transformatorową.
17 maja 2021 roku o godzinie 16:34 doszło do takiej sytuacji. Według informacji podanych przez PSE doszło do awaryjnego wyłączenia stacja transformatorowej PSE Rogowiec. Dane udostępniane przez PSE wskazują, iż o godzinie 14-tej/15-tej oraz 15-tej/16-tej średnia moc generowana wynosiła odpowiednio 3950 MW oraz 3983 MW. Dla godzin 16-tej/17-tej zaraportowano średnią moc na poziomie 2573 MW, natomiast o godzinie 18-tej był to już tylko blok 14-ty generujący 588 MW. Można więc stwierdzić, że w ciągu sekundy w krajowym systemie energetycznym zaobserwowano ubytek mocy rzędu 3,3 GW. W tych godzinach zapotrzebowanie na poziomie kraju oscylowało na poziomie 21,4 GW co oznacza, iż generacja utracona stanowiła 15,4% zapotrzebowania.
Sytuację uratował układ obrony systemu elektroenergetycznego, w skład którego wchodzą działania automatyczne oraz manualne (decyzje dyspozytorów). Rolę Bełchatowa zastąpiły: elektrownie utrzymujące rezerwę wirującą (rezerwa gorąca), elektrownie szczytowo-pompowe spuszczając wodę ze zbiorników górnych na turbiny oraz import energii z krajów ościennych, z którymi Polska ma połączenia transgraniczne. Na podstawie danych raportowanych przez PSE można zwizualizować to zdarzenie – przedstawiono je na Rysunku 2.Rys. 2. Struktura pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną w przeddzień, dzień oraz dzień po awarii stacji transformatorowej przy elektrowni w Bełchatowie.<
Rys. 2. Struktura pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną w przeddzień, dzień oraz dzień po awarii stacji transformatorowej przy elektrowni w Bełchatowie.
By zobrazować skalę zjawiska, na rysunku przedstawiono również dzień poprzedzający (16 maja) oraz następujący po awarii (18 maja), gdy przywrócono już funkcjonowanie stacji transformatorowej. Kolorami oznaczono różne źródła energii elektrycznej. Źródła konwencjonalne obejmują elektrownie centralnie sterowane, do których należy Bełchatów, ale również Jaworzno, Kozienice, Opole itd. By skoncentrować się na samym zdarzeniu, ograniczono zakres skali pionowej od 8 GW.
W skali kraju zapotrzebowanie na energię elektryczną w ciągu tych trzech dni wyniosło 1,3 TWh i zostało pokryte w 73,7% przez inne źródła konwencjonalne, a w 13,7% przez elektrownię w Bełchatowie. Pozostałe zapotrzebowanie pokryły źródła fotowoltaiczne oraz wiatrowe, które dostarczyły odpowiednio 4,3% oraz 3,8%. Natomiast magazyny energii (elektrownie szczytowo-pompowe) i wymiana transgraniczna odpowiednio 0,7% i 4%.
Z punktu widzenia pracy systemu elektroenergetycznego kluczowe jest, by generować energię elektryczną w momencie, gdy jest na nią zapotrzebowanie. Przykładowo gdybyśmy pominęli kwestię konieczności bilansowania podaży i popytu na poziomie sekund/minut, a patrzyli na system z punktu widzenia bilansów rocznych, polskie zużycie energii elektrycznej można by pokryć z około 170-180 GW mocy instalacji fotowoltaicznych. A zatem mocą 30-krotnie większą niż obecnie zainstalowana w PV (koniec 2021), a same farmy fotowoltaiczne zajęłyby powierzchnię 3 500 km2 (zakładając 175 GW mocy oraz 2 hektary na 1 MW mocy zainstalowanej). Powierzchnia ta odpowiada dwukrotności powiatu drawskiego (Zachodniopomorskie) lub siedmiokrotności powierzchni Warszawy. Alternatywnie to około 1,1% powierzchni kraju. Takie rozwiązanie jest jednak obecnie niemożliwe do zrealizowania ze względu chociażby na ograniczone zdolności magazynowania oraz przesyłu energii elektrycznej.
Praca odnawialnych źródeł energii podczas awarii w Bełchatowie
Wracając do majowej sytuacji związanej z elektrownią w Bełchatowie, można powiedzieć, iż dla pracy systemu elektroenergetycznego awaria i utrata znaczącej części mocy generowanej przez tę elektrownię miała miejsce w momencie krytycznym z punktu widzenia jego dobowego charakteru pracy – tj. zbliżający się szczyt zapotrzebowania. Wprawdzie szczyt w miesiącach cieplejszych nie jest tak widoczny jak w zimie, to wraz z kolejnymi popołudniowymi godzinami doby w systemie ubywa mocy generowanej przez instalacje fotowoltaiczne.
W skali całego dnia systemy fotowoltaiczne dostarczyły niewiele ponad 4% zapotrzebowania. Jednak z punktu widzenia mocy na przykład w godzinach 11-13 było to ponad 10%. Po „wypadnięciu” z systemu większej części generacji elektrowni w Bełchatowie wraz z kolejnymi godzinami obserwowano spadającą generację ze źródeł fotowoltaicznych. Ta sytuacja potęgowała negatywny bilans mocy, wywierając jeszcze większą presję na system elektroenergetyczny i kwestię pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną. Warto jednak zaznaczyć, że w porównaniu do awarii stacji transformatorowej, spadek generacji źródeł PV wraz z kolejnymi godzinami doby (popołudniem) jest czymś do pewnego stopnia przewidywalnym.
Jak w dniu awarii pracowały elektrownie wiatrowe? W pierwszych godzinach doby (17.05) elektrownie wiatrowe pokrywały około 6-8% zapotrzebowania. Wraz ze wschodem Słońca zaobserwowano jednak spadek mocy generowanej. O godzinie 10 było to niecałe 200 MW, a więc zaledwie 130 - 135 mocy zainstalowanej w generacji wiatrowej. Przez kolejne godziny moc generowana utrzymywała się na zbliżonym poziomie i dopiero w godzinach nocnych (po 20-tej) wzrosła do poziomu 500 MW. W momencie awarii turbiny wiatrowe pokrywały zaledwie 1,9% krajowego zapotrzebowania, a w kolejnych godzinach udział ten spadał do minimalnego poziomu 1,2%.
Reasumując, w godzinach awarii źródła generacji niesterowalnej, czyli fotowoltaika oraz turbiny wiatrowe wspomogły pracę systemu elektroenergetycznego w bardzo ograniczonym stopniu. Biorąc pod uwagę spodziewany charakter pracy źródeł fotowoltaicznych, można byłoby wysnuć hipotezę dotyczącą potencjalnych korzyści płynących z inwestycji w technologie magazynowania energii na poziomie gospodarstw domowych.
Magazynowanie energii a awaria
Gospodarstwa domowe w ostatnich latach przyczyniły się do znaczącego wzrostu mocy zainstalowanej w generacji fotowoltaicznej. Zmagazynowane w godzinach południowych nadwyżki mogłyby być wykorzystane w godzinach popołudniowych oraz wieczornych, gdy domownicy wracają z pracy i rozpoczynają typowe aktywności w gospodarstwie domowym. Na rysunku 2 widać wyraźnie jak w sytuacji, gdy pojawia się generacja ze źródeł fotowoltaicznych (kolor żółty), obserwujemy spadek generacji ze źródeł konwencjonalnych. Jest to dość typowa sytuacja związana z rosnącą generacją źródeł fotowoltaicznych określana mianem krzywej kaczej (ang. duck curve). Wtedy źródła PV „wypierają” z systemu generację konwencjonalną, ponieważ większość energii z instalacji PV należących do gospodarstw domowych jest przesyłana do systemu energetycznego jako nadwyżka.
Jak system energetyczny wsparły magazyny energii? Elektrownie szczytowo-pompowe (ESP) tj. Solina, Porąbka-Żar, Żydowo, Żarnowiec oraz Dychów w szczytowym momencie (godzina 18-ta) dostarczały do systemu elektroenergetycznego około 800 MW. W dniu awarii od godziny 14-tej pracowała już ESP Żarnowiec dostarczając do systemu średnio 24 MW mocy, a o godzinie 15-tej 176 MW. Wg danych PSE w godzinie awarii uruchomione zostały wszystkie ESP dostarczając o 16-tej średnio następującą moc: Dychów 11 MW, Porąbka-Żar 105 MW, Solina 59 MW, Żarnowiec 221 MW oraz Żydowo 48 MW. Na uwagę zasługuje fakt, że ESP (wg danych godzinowych) nie osiągnęły swojej mocy maksymalnej. Pozostała część zapotrzebowania na moc elektryczną została pokryta ze zwiększonej generacji jednostek konwencjonalnych innych niż Bełchatów oraz wymiany transgranicznej, która w szczytowym momencie wyniosła blisko 5,5 GW.
Rola wymiany transgranicznej
Warto zwrócić uwagę, że chociaż zarówno 16 jak i 18 maja część zapotrzebowania na energię elektryczną było pokrywane z zakontraktowanej wymiany transgranicznej, to w dniu awarii wolumen ten wzrósł bardzo znacząco i pozwolił na uniknięcie blackoutu lub w najlepszym wypadku brownoutu systemu elektroenergetycznego – czyli spadku napięcia w systemie. Zjawisko to pokazuje bardzo wyraźnie na rosnącą rolę połączeń transgranicznych, które pozwalają na zwiększenie niezawodności i bezpieczeństwa energetycznego kraju. Należ mieć jednak na uwadze fakt, iż rosnące zdolności przesyłu energii na poziomie europejskim mogą prowadzić do sytuacji (w graniach bezpiecznego funkcjonowania systemu) gdy nadwyżki rynkowo taniej energii ze źródeł odnawialnych z krajów o ich dużej mocy zainstalowanej będą zalewały kraje ościenne o niskim wykorzystaniu własnych źródeł OZE. Stawiając tym samym w trudnej ekonomiczne sytuacji źródła konwencjonalne, które gwarantują dostawy mocy na żądanym poziomie.
Podsumowując, w dniu awarii stacji transformatorowej polski system elektroenergetyczny utracił blisko 15% mocy generowanej przez największą krajową elektrownię. Źródła odnawialne tj. fotowoltaika oraz turbiny wiatrowe w niewielkim stopniu wsparły tego dnia pracę systemu elektroenergetycznego. Sytuację uratowały połączenia transgraniczne, moc dysponowana w rezerwie wirującej i elektrowniach dyspozycyjnych oraz magazynach energii tj. elektrowniach szczytowo-pompowych.
W kolejnej części naszego nowego cyklu “Sytuacje ekstremalne w systemach elektroenergetycznych” omówiona zostanie obecna sytuacja związana z rosnącymi cenami energii elektrycznej na poziomie Unii Europejskiej oraz jaką rolę w kształtowaniu tych cen odgrywają źródła odnawialne. Część nadchodzącego materiału możecie obejrzeć na załączonym materiale video:
