Zespół IMGW-PIB i PWr: Joanna Wieczorek, Jakub Jurasz, Bogdan Bochenek, Andrzej Mazur, Tomasz Strzyżewski, Mariusz Figurski, Adam Jaczewski i Marta Gruszczyńska
Projekt AMEW-PL realizowany jest przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy we współpracy z Politechniką Wrocławską w zespole kierowanym przez prof. Mariusza J. Figurskiego
Polsko grasz w zielone?
W ostatnich latach widać wyraźny trend rosnący poszukiwania alternatywnych i ekologicznych źródeł energii cieplnej. Zwłaszcza przez inwestorów indywidualnych oraz małe przedsiębiorstwa. Mikroinstalacje prosumenckie mają aż osiemdziesięcioprocentowy udział w rynku OZE w Polsce. Trend ten związany jest głównie ze wzrostem kosztów energii elektrycznej w Polsce, niż motywowany względami ekologicznymi. Dodatkowo stymulowany przez programy dopłat typu „Mój Prąd” czy „Czyste powietrze”. Największy udział w rynku, pod względem liczby instalacji, nadal przypada na instalacje fotowoltaiczne, które w ostatnich latach uplasowały Polskę na czwartej pozycji w europejskich rankingach PV.
Podjęte w ostatnich latach działania; zmiany instalacji wysokoemisyjnych na „czystą energię z OZE” przynoszą efekty. Choć patrząc na zmiany poziomu koncentracji zanieczyszczeń, efekty są odczuwalne głównie w skali lokalnej. Podnoszenie świadomości odnoszących się do środowiskowych i zdrowotnych skutków wykorzystywanych źródeł energii oraz skuteczna edukacja w zakresie zrównoważonego wykorzystania energii to działania w kierunku dobrej zmiany. Natomiast by w mroźny, zimowy poranek, w warunkach inwersyjnych i przy słabej wentylacji mieszkaniec każdego miasta w Polsce mógł odetchnąć pełną piersią i w dodatku bez zadyszki droga niestety jeszcze długa.
Natomiast warto by zmiany w strukturze sieci energetycznej w Polsce, w segmencie mikroinstalacji, postępowały w bardziej zoptymalizowany, ukierunkowany na cel i uporządkowany sposób. Przede wszystkim – by system rozliczania energii wyprodukowanej przez instalacje OZE był korzystny dla Inwestora, biorąc pod uwagę bilans jej podaży (np. z PV) i popytu (np. zużycie przez pompy ciepła). Tworzenie sieci łączących wykorzystanie coraz bardziej popularnych pomp ciepła i instalacji fotowoltaicznej staje się jednym z bardziej popularnych rozwiązań. Ale czy optymalnym w warunkach klimatu Polski (Rys. 1)?
Rysunek 1. Energia elektryczna pochodząca z turbin wiatrowych oraz systemów fotowoltaicznych w ujęciu sum miesięcznych (wg. Danych ENTSO-E) na tle średniej miesięcznej temperatury powietrza liczonej dla miast wojewódzkich (wg. Danych IMGW-PIB). Dane za rok 2022.
I ciepło i czyste powietrze? Tylko jak to pogodzić?
Wspomniane rozwiązanie, łączenia źródeł niskoemisyjnych i wymiana tradycyjnych kotłów na paliwa kopalne na popularne ostatnio pompy ciepła to dobry wstęp do reorganizacji instalacji grzewczych. Warto jednak rozważyć inne niż fotowoltaiczne źródła dodatkowego generowania mocy. Zwłaszcza, że PV w Polsce, w chłodnej połowie roku, w okresie krótkiego dnia, przy niskiej elewacji słońca może być niewystarczająca dla optymalnego zasilenia systemu i zaspokajania zapotrzebowania na energię cieplną w okresie roku, gdy to zapotrzebowanie jest największe. Alternatywnym rozwiązaniem jest wykorzystanie źródeł wiatrowych, których profil generacji jest dodatnio (lub co najmniej korzystniej niż w wypadku generacji PV) skorelowany z aktualnym zapotrzebowaniem na ciepło (Rys.1.).
Jak szczegółowy Atlas wietrzności może wspomóc zieloną transformację?
Wiedzą już niemal powszechną jest, że na obszarze Polski występują umiarkowane i stosunkowo niskie średnie prędkości wiatru, które ponadto wykazują często znaczne przestrzenne zróżnicowanie i zmienność z dnia na dzień. Pogląd ten, poparty z resztą dostępnymi opracowaniami o charakterze klimatologicznych map przeglądowych w dużej skali, nadmiernie upraszcza i generalizuje ocenę zasobów wiatrowych. Co zwykle studzi optymizm lub zniechęca potencjalnych Inwestorów do poniesienia nakładów na inwestycje w małą energetykę wiatrową.
Najnowsze analizy, przeprowadzone przez zespół ekspertów z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowego Instytutu Badawczego i Politechniki Wrocławskiej, wskazują, że zwłaszcza na północy kraju i na wybrzeżu, a także lokalnie w pozostałych regionach, notowane prędkości wiatru są wystarczająco wysokie, a ich przebieg dobowy i roczny bywa na tyle ustabilizowany i powtarzalny, że stwarza możliwość efektywnego wykorzystania instalacji małych turbin wiatrowych. Wartości użytkowe, z perspektywy instalacji prędkości wiatru (tj. w przedziale 3-25 m/s), obserwuje się również na wielu mniejszych obszarach (Rys. 2.), jednakże szczegółowe informacje na ten temat nie są obecnie rozpowszechnione.
Rysunek 2. Lokalizacja sieci stacji synoptycznych IMGW-PIB, z których pomiary prędkości wiatru udostępniane są na portalu danepubliczne.imgw.pl/ w porównaniu ze szczegółowym rozkładem przestrzennym potencjału energii wiatru wygenerowanym z bazy INCA-PL2
By wspomóc zrównoważony rozwój OZE i zieloną transformację w Polsce, Inwestorom potrzebne jest zatem narzędzie, które dostarczy rzetelnych materiałów i danych potrzebnych na etapie szacowania ryzyka i oceny ekonomicznej zasadności inwestycji. Dobra wiadomość jest taka, że wspomniane narzędzie właśnie powstaje.
Atlas małej energetyki wiatrowej (AMEW-PL)
Jest nim cyfrowy Atlas Małej Energetyki Wiatrowej dla obszaru Polski (AMEW-PL). Docelowo ma on umożliwiać uzyskanie kompleksowej informacji o warunkach wiatrowych i potencjale produkcyjnym w wybranej przez Użytkownika lokalizacji. Z uwzględnieniem charakterystyk pokrycia terenu oraz analizą warunków wietrzności i produktywności turbin wiatrowych na zadanych wysokościach; 10 i 30 oraz 50, 80 i 100 m nad poziomem gruntu. Atlas charakteryzuje wysoka rozdzielczość przestrzenna wynosząca 1x1km, co wyróżnia go spośród innych obecnie dostępnych opracowań. Formuła Atlasu zakłada możliwość pobrania pakietu danych w formie raportu średnich bądź wybranych szeregów czasowych.
Atlas stwarza możliwość swobodnej analizy szeregów danych godzinnych, uwzględniających dodatkowo charakterystyki meteorologiczne i techniczne (WPD – teoretyczny potencjał energii wiatrowej, WEP – generowana moc turbiny), w ujęciu dobowym, miesięcznym, sezonowym czy rocznym. Stanowi zatem cenne wsparcie na etapie przeprowadzenia oceny inwestycyjnej przedsięwzięcia czy uwarunkowań ekologicznych i możliwych wariantów realizacji inwestycji. Wstępna wersja Atlasu AMEW-PL, podobnie jak ogólnodostępny GWA 3.0, pozwolą Użytkownikowi na wybór jednego z trzech teoretycznych wariantów mocy projektowanej turbiny. We wstępnych założeniach przyjęto moce zainstalowane 3.2, 6.0 lub 8.2 kW. Wraz z rozwojem narzędzia planowane jest udostępnienie rozbudowanych katalogów wyboru wariantów technicznych stosowanych turbin.
A co, gdy lokalizacja „słaba” albo „słabo” wieje?
Ustawodawca czy miejscowe plany zagospodarowania terenu w pewnym stopniu narzucają Inwestorowi, zwłaszcza indywidualnemu, bądź z niewielkim portfelem gruntów inwestycyjnych, ograniczenia lokalizacyjne. Natomiast w przypadku możliwości rozważania wyboru lokalizacji w promieniu kilku kilometrów, na obszarze powiatu czy gminy, analiza danych o wietrzności w rozdzielczości 1x1 km może okazać się pomocna i wystarczająca. Na bardziej szczegółowe analizy przestrzenne i downscalling danych w rozdzielczości poniżej 250 m trzeba będzie jeszcze poczekać, choć zważając na rozwój współczesnych modeli meteorologicznych, nie jest to przyszłość bardzo odległa w terenach o nieskomplikowanej budowie geomorfologicznej. Słabsze uwarunkowania lokalizacyjne czy teoretycznie niższy potencjał energii wiatru w miejscu docelowej lokalizacji można próbować kompensować jeszcze doborem optymalnej turbiny. I takie działanie może okazać się wystarczające, zwłaszcza jeśli energia pozyskiwana z turbiny ma stanowić uzupełnienie istniejącej instalacji OZE czy funkcjonować jako zapasowe źródło. Na rynku polskim dostępnych jest co najmniej kilkadziesiąt rodzajów turbin o zróżnicowanych parametrach krzywych produkcyjnych i prędkościach uruchomienia i odcięcia.
Jakie dodatkowe informacje możemy pozyskać z atlasu? Na Rys. 3 przedstawiono godzinową oraz średnią miesięczną moc generowaną dla turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu o mocy maksymalnej 8.2 kW. Obliczenia wykonano dla dwóch lokalizacji jednej w Polsce północnej drugiej w południowej. Już na pierwszy rzut oka widzimy silne zróżnicowanie potencjału energii wiatru w obu lokalizacjach. Symulowana turbina wiatrowa w Łebie na każdy kW mocy zainstalowanej dostarczy około 2 380 kWh w skali roku, a w Krzanowicach niecałe 600 kWh. Dla porównania w warunkach polskich typowa instalacja PV na 1 kW mocy zainstalowanej w skali roku dostarczy około 950-1050 kWh.
Rysunek 3. Godzinowa oraz średnia miesięczna moc generowana turbiny wiatrowej (8,2 kW) zainstalowanej na wysokości 10 metrów n.p.g. w dwóch lokalizacjach wg bazy INCA-PL2.
Od Atlasu do Serwisu OZE
Czego jeszcze mogą spodziewać się Użytkownicy? W projektowanej wersji 2.0 AMEW-PL, podstawowe funkcjonalności uzupełnione zostaną o bieżące analizy i prognozy ultrakrótkoterminowe generowanych mocy, z rozdzielczością przestrzenną 1x1 km (na podstawie danych nowcastingowych systemu INCA-PL2) oraz prognozy dotyczące produktywności turbin wiatrowych w przebiegu dobowym. Generowane dla każdej lokalizacji w Polsce w horyzoncie czasowym + 30h /w rozdzielczości 2.5 km oraz 72h/ 4.0 km, aktualizowane czterokrotnie w ciągu doby. Pozwoli to Użytkownikowi na jeszcze lepsze zarządzanie pracy istniejących już instalacji np. w celach zwiększania konsumpcji własnej.
Więcej informacji o projektowanym Atlasie i Serwisie można dowiedzieć się tutaj: https://cmm.imgw.pl/?page_id=28551
