Zmienność generacji źródeł odnawialnych - historycznie i w kontekście zmian klimatu

Odnawialne źródła energii dzisiaj

Systemy energetyczne przechodzą burzliwy okres transformacji charakteryzujący się rosnącym znaczeniem odnawialnych źródeł energii. Kluczową rolę zaczynają odgrywać źródła bazujące na energii słońca i wiatru - fotowoltaika oraz turbiny wiatrowe. W polskim systemie energetycznym na przestrzeni lat 2010-2016 moc zainstalowana w źródłach wiatrowych wzrosła blisko 5-krotnie (z 1,2 GW do 5,8 GW), a następnie w latach 2016-2019 wzrost ten został praktycznie zahamowany. Ostatnie lata okazały się jednak bardzo korzystne dla instalacji fotowoltaicznych, których moc pod koniec 2021 roku przekroczyła 6 GW. Można stwierdzić, iż zwiększające się znaczenie fotowoltaiki w systemie energetycznym podyktowane jest rosnącymi cenami energii, programami wsparcia oraz spadkiem kosztów systemów fotowoltaicznych.

Generacja wiatrowa i słoneczna - porównanie

Chociaż moce zainstalowane źródeł generacji wiatrowej oraz fotowoltaicznej są w Polsce zbliżone (końcówka XI 2021 wskazuje na około 10% przewagę energetyki wiatrowej), to udział tych źródeł w pokrywaniu zapotrzebowania na energię elektryczną jest różny. Wynika to bezpośrednio z dostępności zasobów energii pierwotnej. Wg danych za lata 2011-2020 turbiny wiatrowe pracują teoretycznie ze swoją mocą znamionową przez około 25% godzin w roku, natomiast dla instalacji fotowoltaicznych jest to około 11-12% godzin w roku. Wartości procentowe wynikają ze statystyk, iż 1-megawatowa turbina wiatrowa w Polsce w skali roku produkuje średnio około 2,2 GWh energii elektrycznej, natomiast instalacja fotowoltaiczna o takiej samej mocy dostarczy około 1 GWh. Cechą charakterystyczną obu źródeł energii jest jednak wysoka zmienność generacji w czasie.

Zmienność źródeł wiatrowych i słonecznych

Źródła generacji wiatrowej oraz słonecznej są z natury zmienne i niestabilne. Oznacza to, iż ilość energii elektrycznej przez nie dostarczanej zmienia się zarówno w czasie jak i w przestrzeni, tj. lokalizacji generatorów. Zmienność ta obserwowana jest nie tylko na poziomie sekund czy minut, ale również na przestrzenni wielolecia. Stąd też w latach 2016-2018 pomimo pomijalnie małego wzrostu mocy zainstalowanej w źródłach wiatrowych (przyrost mocy o około 60 MW), generacja oscylowała na poziomie 12,6 TWh (2016) do 14,9 TWh (2017) co stanowiło średnio 7,9% krajowego zużycia. Różnica w generacji wynikała między innymi z odmiennych warunków atmosferycznych, w szczególności prędkości wiatru. Przykładowo, według danych NASA średnia prędkość wiatru w okolicach Lęborka w roku 2016 wynosiła 5,06 m/s natomiast w roku 2017 już 5,5 m/s, a więc blisko 10% więcej.

Dobowy i sezonowy charakter fotowoltaiki i turbin wiatrowych

Praca instalacji fotowoltaicznej ma dobowy oraz sezonowy charakter. Można to zaobserwować na Rys. 1, gdzie przedstawiono ilość energii promieniowania słonecznego (nasłonecznienie) docierającej na powierzchnię 1 m2 w okolicach Warszawy w roku 2020. Na osi poziomej zaznaczono kolejne dni roku (licząc od 1 stycznia), natomiast oś pionowa to kolejne godziny doby. Kolory przedstawiają ilość energii i mieszczą się w zakresie od 0 do ponad 900 Wh/m2. Można zauważyć, iż zdecydowana większość potencjału generacji źródeł słonecznych przypada na okres wiosenno-jesienny.

Podobne, acz nie tak wyraźne wzorce możemy zaobserwować dla źródeł wiatrowych. Na Rys. 2 pokazano potencjał energii wiatru na wysokości 10 metrów nad poziomem gruntu ponownie w okolicach Warszawy (uwaga: obliczenia nie uwzględniają charakterystyki pracy turbiny wiatrowej). Według danych z Rys. 2 na okres grudzień-kwiecień przypada ponad 60% potencjału energii wiatru. Dane na poziomie kraju (raportowane przez Polskie Sieci Elektroenergetyczne - PSE) wskazują, iż miesiące październik-marzec odpowiadały za około 65% całości energii wyprodukowanej przez źródła wiatrowe. Dla porównania w lutym 2020 roku z energii wiatru pozyskano 2,14 TWh energii elektrycznej, natomiast w czerwcu 2020 roku niecałe 0,69 GWh, a więc ponad trzykrotnie mniej. Dane PSE wskazują jednoznacznie, iż na poziomie całego roku godziny nocne charakteryzują się generacją większą o około 15-20% w porównaniu np. do godzin porannych (tj. 8-9).

Rys. 1. Nasłonecznienie w okolicach Warszawy.

Rys. 2. Potencjał energii wiatru w okolicach Warszawy.

Zmienność wieloletnia w źródłach odnawialnych

Korzystając z danych udostępnianych przez NASA, można zaobserwować zmienność prędkości wiatru oraz nasłonecznienia na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat. Biorąc za przykład okolice Lęborka, przeanalizujemy zmienność wieloletnią w pracy typowej, hipotetycznej turbiny wiatrowej o mocy 2 MW oraz równie hipotetycznej farmy fotowoltaicznej. Należy zaznaczyć, że obliczenia zakładają niezmienność parametrów generatora (np. sprawności) – chcemy wziąć pod uwagę tylko zmienność zasobów energii pierwotnej.

Na Rys. 3 oraz 4 przedstawiono roczną sumę energii generowanej przez oba źródła energii w przeliczeniu na 1 MW mocy zainstalowanej w ujęciu rocznym. Szarą linią zaznaczono średnią wieloletnią, która dla generatora wiatrowego wynosi 2,80 GWh/MW, natomiast dla instalacji fotowoltaicznej 1,01 GWh/MW. Dla źródła wiatrowego można zaobserwować pojedyncze lata, które znacząco odbiegają od wyznaczonej średniej. Przykładowo - lata 1996 oraz 2018, w których generacja była o około 20% niższa niż średnia, czy też lata 1983 i 1990, gdy generacja była większa o około 16% od średniej wieloletniej. Dla generacji źródła fotowoltaicznego ten zakres odbiegania od średniej wieloletniej kształtuje się na poziomie około 8%. Oznacza to, iż mogą pojawić się lata, gdzie spodziewana generacja może być o około 80 MWh większa lub mniejsza w przeliczeniu na MW mocy zainstalowanej w stosunku do średniej wieloletniej.

Rys. 3. Symulowana generacja źródła wiatrowego w okolicy Lęborka.

Rys. 4. Symulowana generacja źródła fotowoltaicznego w okolicy Lęborka.

Tak wysoka zmienność wieloletnia generacji źródeł odnawialnych, w szczególności tych wykorzystujących energię wiatru niesie ze sobą stosunkowo duże zagrożenie dla funkcjonowania systemu energetycznego. Zagrożenie to będzie tym silniejsze, im większa będzie rola tych źródeł w pokrywaniu krajowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Ubytek generacji na poziomie 20% wymusi wykorzystanie alternatywnych źródeł zasilania lub import energii z krajów ościennych. Należy podkreślić, iż zjawiska ciszy wiatrowej oraz dni pochmurnych często nakładają się na siebie (niem. Dunkelflaute) i występują jednocześnie lub prawie jednocześnie na terenie całej Unii Europejskiej. Nawet jeżeli potencjalnie obserwujemy sytuację, gdy brak generacji wiatrowej nad Bałtykiem mógłby być kompensowany przez turbiny zlokalizowane na Półwyspie Iberyjskim, to stajemy w obliczu ograniczonych zdolności przesyłowych europejskiego systemu energetycznego. Stąd też międzynarodowe dążenia do wzrostu integracji systemów energetycznych na poziomie europejskim oraz budowa sezonowych magazynów energii.

Zmiana klimatu a generacja źródeł odnawialnych

Dane historyczne dotyczące źródeł wiatrowych i słonecznych wskazują na dość silną zmienność wieloletnią. W ramach tego opracowania została ona przedstawiona dla jednej wybranej lokalizacji, natomiast analizy danych przestrzennych wskazują na podobne trendy dla większości lokalizacji w Polsce [1]. W pracy zatytułowanej The impact of long-term changes in air temperature on renewable energy in Poland [2] w oparciu o dane surowe Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej podjęto próbę oceny wpływu zmian temperatury powietrza na pracę odnawialnych źródeł energii w Polsce.

Zrealizowane badania wskazały, że w najważniejszych miastach Polski obserwuje się istotny wzrost temperatury na poziomie 0,52°C na dekadę. Jednocześnie zaobserwowano redukcję zapotrzebowania w zakresie zużycia energii na cele ogrzewania przy jednoczesnym wzroście jej zużycia na chłodzenie.

Zmiana klimatu a źródła fotowoltaiczne

Wzrost średnich temperatur przy równoczesnym wzroście zużycia energii elektrycznej do zasilania klimatyzacji przekłada się na warunki, w jakich funkcjonują elektrownie konwencjonalne. Jak podaje literatura [3], wraz ze wzrostem temperatury powietrza o 1°C należy spodziewać się spadku sprawności elektrowni węglowych i gazowych na poziomie 0,12-0,45%.

Możemy mieć więc w systemie energetycznym sytuację, w której rośnie zapotrzebowanie na energię elektryczną (chłodzenie) przy jednoczesnym spadku sprawność elektrowni konwencjonalnych, wystąpieniu ograniczeń pracy elektrowni z otwartym układem chłodzenia (tj. wykorzystujących do tego celu np. rzeki), oraz rosnących strat przesyłowych wynikających z wysokich temperatur. W takiej sytuacji korzystny wydaje się dalszy rozwój generacji opartej o źródła fotowoltaiczne, w szczególności współpracujących z lokalnymi układami generacji chłodu (np. na potrzeby biurowców). Jednak i dla fotowoltaiki prognozowany dalszy wzrost temperatur powietrza będzie powiązany ze spadkiem sprawności, a tym samym generowanej przez nie energii.

Energetyka wiatrowa a wzrost temperatur

Czy wzrost temperatur powietrza może mieć wpływ na źródła wiatrowe? Przyjmuje się, iż typowy zakres pracy turbin wiatrowych to od -20 °C do 40 °C, co idealnie odzwierciedla zakres temperatur powietrza obserwowanych w Polsce. Na skutek rosnących temperatur można się spodziewać malejącej częstotliwości zdarzeń w postaci unieruchomienia turbiny na skutek jej oblodzenia. Jednak rosnące temperatury skutkują spadkiem gęstości powietrza (zakładając określoną jego wilgotność). To z kolei przekłada się na redukcję ilości energii generowanej przez źródła generacji wiatrowej.

Potencjał energetyki odnawialnej a zmiany klimatu - badania

Co o wpływie zmian klimatu na źródła odnawialne mówi pozostała literatura? Badania [4] opublikowane w Nature Climate Change wskazują, iż dla Europy Centralnej można spodziewać się wzrostu potencjału energetyki słonecznej (PV) o około 5-10%, natomiast dla energetyki wiatrowej sytuacja jest zmienna w zależności od analizowanego obszaru. Należy podkreślić, że zmiany w generacji przyjmują za punkt odniesienia dane historyczne z wielolecia 1970-2000, a dane prognozowane odnoszą się do lat 2070-2100, a więc wybiegają znacząco w przyszłość. Praca przeglądowa [5] z roku 2019, syntetyzująca doniesienia z przeszło 150 innych artykułów wskazuje, że w przyszłości na skutek zmian klimatu może dojść do wzrostu potencjału energetyki wiatrowej w Europie Północnej oraz Centralnej a redukcja zostanie zaobserwowana w Europie Południowej.

Reasumując...

Źródła generacji wiatrowej oraz słonecznej są z natury zmienne. Ich rosnąca rola w systemie energetycznym wyprowadza cały układ ze „strefy komfortu”, ponieważ nagle to nie tylko strona popytowa (zapotrzebowanie na energię) jest zmienna, ale również strona podażowa (źródła wytwórcze) staje się coraz mniej sterowalna i przewidywalna. Jak wskazano powyżej zmienność ta, nie ma miejsca wyłącznie w ujęciu pojedynczych dni czy miesięcy, ale również w perspektywie wieloletniej. Zaprezentowana wysoka tendencja, w szczególności źródeł wiatrowych, do silnych wahań energii generowanej z roku na rok może w przyszłości stanowić poważne wyzwanie dla systemów energetycznych zdominowanych przez źródła niedyspozycyjne, wzywając do zwiększenia ich elastyczności.

Przypisy:
[1] Jurasz, J., Mikulik, J., Dąbek, P. B., Guezgouz, M., & Kaźmierczak, B. (2021). Complementarity and ‘Resource Droughts’ of Solar and Wind Energy in Poland: An ERA5-Based Analysis. Energies, 14(4), 1118.

[2] Canales, F. A., Jadwiszczak, P., Jurasz, J., Wdowikowski, M., Ciapała, B., & Kaźmierczak, B. (2020). The impact of long-term changes in air temperature on renewable energy in Poland. Science of the Total Environment, 729, 138965.

[3] Henry, C. L., & Pratson, L. F. (2016). Effects of environmental temperature change on the efficiency of coal-and natural gas-fired power plants. Environmental science & technology, 50(17), 9764-9772.

[4] Gernaat, D. E., de Boer, H. S., Daioglou, V., Yalew, S. G., Müller, C., & van Vuuren, D. P. (2021). Climate change impacts on renewable energy supply. Nature Climate Change, 11(2), 119-125.

[5] Solaun, K., & Cerdá, E. (2019). Climate change impacts on renewable energy generation. A review of quantitative projections. Renewable and sustainable energy Reviews, 116, 109415.