Artykuł do pobrania w wersji publikowanej w czasopiśmie "Elektroinstalator 5/2025" do pobrania tutaj. Niemniej poniżej poleca się wersję autorską, nie korygowaną przez Wydawcę.
Autor:Grzegorz Kwiecień. Osoba prywatna, nie reprezentująca żadnej instytucji, mgr inż. elektroenergetyki ze specjalizacją w zakresie wytwarzania energii i z doświadczeniem w zakresie eksploatacji elektrociepłowni.
Streszczenie: w pracy oszacowano efekty zastosowania w KSE (Krajowym Systemie Elektroenergetycznym) magazynów bateryjnych o pojemności 17 GWh, oszacowano pojemność wymaganą dla likwidacji segmentu JWCD (Jednostek Wytwórczych Centralnie Dysponowanych) oraz wymaganą dla całkowitej likwidacji źródeł sterowalnych.
Słowa kluczowe: OZE, pojemność magazynów bateryjnych, KSEE, krytyka.
1. Wstęp.
W tym materiale pisząc o OZE będziemy mieć na myśli wyłącznie wiatraki i fotowoltaikę.
Kluczowym dla koncepcji OZE zagadnieniem jest poprawne rozwiązanie procesu prąd-magazyn-prąd. Bez tego jesteśmy skazani na ciągłe medialne doniesienia o skargach zwolenników OZE na wyłączanie nadmiaru generacji, oraz skargach przeciwników OZE na rekompensaty za wyłączenia będące dodatkową premią dla źródeł i tak mocno subwencjonowanych. W udostępnionej do konsultacji publicznej aKPEiK (aktualizacji Krajowego Planu w dziedzinie Energii i Klimatu) zapowiedziano budowę magazynów o mocy 17 GW, lecz nie podano ich pojemności. W wystąpieniach medialnych Zarządu PGE zapowiedziano budowę magazynów o pojemności 17 GWh, lecz nie podano ich mocy. Niezależnie od tego, czy mówimy o prostym błędzie w stosowaniu jednostek miary, czy też niefrasobliwości polegającej na niepodawaniu pary obu wymaganych wielkości, widać, szczególnie w planach ministerialnych, że poziom zrozumienia wymaganej skali magazynowania jest niski.
Pewne ustalenia możemy poczynić jeszcze przed rozpoczęciem właściwych badań. Proszę spojrzeć na rys.1. Po prawej stronie kolorem zielonym zaznaczono zakres aż 50 % mocy. Występuje on przez zaledwie 1479 h. Całe pole pod wykresem ma powierzchnię 40,7 TWh, tymczasem obszar nadwyżki ponad moc 8 GW to zaledwie 2,7 TWh, to jest 6,5 %.
Rys.1 Roczny, uporządkowany wykres generacji OZE w Polsce za rok 2024.
A zatem uporządkowana krzywa generacji OZE ma charakter silnie szczytowy. Stanowi on antytezę ekonomii. Jego cechą szczególną jest rażąca dysproporcja mocy do produkcji. Z powyższego kształtu wynikają wszelkie inne, niekorzystne cechy systemu elektroenergetycznego, który miałby być oparty o OZE. Siłą rzeczy, do takiego samego, nieekonomicznego trybu pracy zostają zmuszone sterowalne elektrownie rezerwowo regulacyjne, wszystkie rodzaje mających pełnić taką samą rolę instalacji magazynowych i towarzyszące im sieci przesyłowe. Opisana dysproporcja znajduje oczywiście także odwzorowanie w niekorzystnych układach finansowych.
Rys.2. Po lewej: uporządkowany wykres eksportu energii elektrycznej z Polski za rok 2024. Po prawej: uporządkowany wykres Rynkowej Ceny Energii w Polsce, również za rok 2024.
W roku 2024 warunki, w których jednocześnie wystąpił eksport energii i ceny niższe od 300 zł/MWh utrzymywały się przez 1417 h i ten zakres symbolicznie zaznaczono na rys. 2. Cały eksport wyniósł 3 760 772 MWh, a eksport z podanymi, nieopłacalnymi dla większości źródeł cenami to 1 952 130 MWh. Jak łatwo zauważyć, również import mógł się odbywać przy niekorzystnych warunkach finansowych.
2. Literatura. Literatura podejmująca się naukowej krytyki odnawialnych źródeł energii praktycznie nie istnieje. Autor poleca publikację własną [1] Wodór. Krytyka idei zastosowania. Zgodnie z tytułem zajmuje się ona podobną problematyką, lecz dotyczy magazynowania energii w wodorze. Tu należy przypomnieć, że takie paliwo, jak wodór nie istnieje. Źródłem wodoru ma być nadwyżka OZE i na analizie rynku nadwyżki OZE należało się skupić przed oceną możliwości magazynowania w wodorze. A ponieważ proces prąd-wodór-prąd jest znacznie mniej sprawny od procesu prąd-bateria-prąd, przeto w badaniach opisanych w [1] system oparty na OZE i wodór osiągnął rozmiary monstrualne.
3. Materiały i metody badań
Założenia ogólne.
Wykorzystano godzinowe dane PSE za rok 2024. Wykorzystano bez zmian przebiegi zapotrzebowania, generacji wiatru i fotowoltaiki. Na podstawie znanego autorowi przykładowego, rocznego obciążenia cieplnego zamodelowano generację źródeł sterowalnych nie dysponowanych centralnie. Nadano im nazwę EC, ponieważ głównie będą to elektrociepłownie. Arbitralnie przyjęto, że minimum techniczne JWCD (Jednostek Wytwórczych Dysponowanych Centralnie) wynosi 6720 MW równo przez cały rok. Nie jest to do końca słuszne. Aby przeprowadzić badanie dokładnie, należałoby 365 razy wystąpić w roli dyspozytora systemu i na podstawie ówczesnych prognoz pogody, planów n+9, planów dobowych, po części znanych zapasów magazynowych ustalać wymaganą ilość JWCD w ruchu. Przekraczałoby to znacznie rozmiary niniejszego badania, które ma głównie na celu oszacowanie pojemności magazynów, jakie miałyby być wymagane w przyszłości.
Podaną wartość minimum JWCD narzucono tak, aby model „bez magazynów” generował dokładnie taki eksport, jaki wystąpił w roku 2024, to jest 3 760 772 MWh.
Pozostałe elementy algorytmu raczej nie powinny budzić wątpliwości:
- jeśli nadwyżka OZE przekracza przyjętą moc ładowania magazynów, jej nadmiar jest kierowany na eksport,
- jeśli miejsce w magazynach zostanie wyczerpane, nadmiar OZE również jest kierowany na eksport,
- energia przyjęta na magazyn jest iloczynem sprawności ładowania i energii skierowanej na magazyn,
- jeśli niedobór OZE przekracza możliwości rozładowania magazynów, to odpowiednio zwiększana jest moc JWCD,
- jeśli zapas magazynowy zostanie wyczerpany, to również odpowiednio zwiększana jest moc JWCD,
- ubytek energii w magazynie jest ilorazem energii pobranej z magazynu i sprawności rozładowania.
W tym badaniu autor arbitralnie przyjął, że sprawność ładowania magazynów bateryjnych jest równa sprawności rozładowania i obie sprawności wynoszą 0,95. Z powyższego wynika, że cały proces prąd-bateria-prąd powinien mieć sprawność 0,95*0,95=0,90. Arbitralność założeń autora podyktowana jest tym, że brak jest dostatecznie dużej ilości publikacji opisujących sprawność magazynów wielkoskalowych, szczególnie w rocznym i wieloletnim horyzoncie czasowym. Prawidłowo należałoby także w każdym kroku obliczeniowym uwzględnić straty wynikające z magazynowania długookresowego i zmiany temperatur lato-zima. Wobec szacunkowego charakteru badania autor tego nie uczynił.
Badania przeprowadzono w ten sposób, że zapas początkowy musi się równać zapasowi końcowemu.
Przyjęto akademickie założenie o dopuszczalności rozładowania magazynu do zera. W praktyce taki sposób gospodarowania byłby niedopuszczalny, więc wymagane zapasy magazynowe muszą być większe od obliczonych teoretycznie.
Badanie przeprowadzono dla czterech, niżej opisanych wariantów.
Wariant porównawczy, bez magazynów.
Wykonany przy założeniach, jak wyżej, nie wymaga dalszego komentarza.
Wariant z magazynami 4500 MW, 17 GWh.
Na podstawie doniesień medialnych założono, że jest możliwa budowa magazynów o pojemności 3,8 h i z tego wynika narzucona moc ładowania, jak wyżej.
Wariant „bez JWCD”.
Lekceważąc wymogi stabilności systemu i nie rozważając, czy układy sztucznej inercji w przyszłości się sprawdzą, autor dla celów czysto akademickich założył likwidację JWCD.
W modelu wyłączono zabezpieczenia dotyczące mocy i pojemności magazynów. Moc wiatraków i fotowoltaiki przeskalowano w górę, po części wg. założeń aKPEiK, po części arbitralnie. Bez zmian pozostawiono segment EC.
Wariant „bez elektrowni sterowalnych”.
Oprócz likwidacji JWCD założono likwidację EC. Autor nie należy do ekstremistów i nie postuluje tutaj likwidacji ogrzewania. Założenie jest czysto akademickie i ma na celu ustalenie mocy OZE i magazynów, dla systemu o rozmiarach, jak KSEE. Likwidacja elektrociepłowni teoretycznie jest możliwa – można np. prowadzić ogrzewanie kotłami wodnymi. Do takich sytuacji dochodzi już obecnie – dotowane OZE doprowadzają na rynku do sytuacji, w których przestaje opłacać się produkcja energii elektrycznej w kogeneracji. Jest to nonsens wynikający z zakłócenia normalnych relacji rynkowych, ale jest faktem. Ostatecznie można wyobrazić sobie sytuację, w której dotowana energia będzie rzeczywiście cały czas „darmowa”. Gigantyczne koszty jej zabezpieczenia mogą być umieszczane na fakturach pod pozycją „za przesył”. Należy przestrzec, że likwidacja bloku generującego 50 MW prądu i 100 MW ciepła i zastąpienie go pompą ciepła oznacza w warunkach szczytowych, przy COP=2,0 dla zapotrzebowania na ciepło 100 MW zapotrzebowanie na prąd 50 MW, więc plan likwidacji EC i masowego przejścia np. na pompy ciepła oznaczałby znaczny wzrost zapotrzebowania energię elektryczną. Nie jest rozwiązaniem kocioł elektrodowy – on nie realizuje procesu prąd-magazyn-prąd, zdejmuje tylko nadwyżkę generacji z OZE, ale jej nigdy nie zwraca. Powtórzmy więc, że w tym badaniu chodzi tylko o teoretyczne ustalenie, jaka jest potrzebna moc wiatraków, fotowoltaiki i magazynów dla hipotetycznej dostawy energii dla systemu ze średnim zapotrzebowaniem 18,5 GW.
4. Wyniki i dyskusja.
Wariant porównawczy, bez magazynów.
Tabela1. Modelowe osiągi systemu bez magazynów.
Dla pokrycia średniego zapotrzebowania 18,6 GW utrzymujemy co najmniej 47 GW źródeł, w tym 20,8 GW OZE. Rzeczywista moc zainstalowana OZE na pewno jest większa. W tym opracowaniu posługujemy się tylko maksymalnymi odnotowanymi realnie osiągami wiatraków i fotowoltaiki, które w pewnym sensie reprezentują moc zainstalowaną. Importu nie przewidziano. Moc na eksporcie jest większa od maksymalnie odnotowanej w realu - skutek słabości założeń modelu.
Wariant z magazynami 4500 MW, 17 GWh.
Tabela2. Modelowe osiągi systemu posiadającego magazyny 4500 MW, 17 GWh.
Wprowadzenie do KSEE magazynów 17 GWh umożliwiło zmniejszenie rozmiarów eksportu i pracy elektrowni JWCD.
Eksport zmalał o 2 166 018 MW i liczba ta koresponduje z podanym na wstępie zakresem sprzedaży po cenach niekorzystnych. Moc maksymalna eksportowanej nadwyżki nie uległa zmianie, patrz rys.3. Przykładowo, dniu 01.11.2024 przepełnienie magazynów wystąpiło o godz. 4:00 i trwało 36 godz, patrz tabela 3. Gdyby nawet minimum techniczne JWCD obniżyć do 5000 MW, to przepełnienie wystąpiłoby o 7:00 i trwałoby 33 godziny.
Tabela 3. Przebiegi badanych wielkości w przykładowym okresie powstawania nadwyżki OZE.
Moc maksymalna JWCD nie uległa zmianie – w okresie największego zapotrzebowania zapasy magazynowe mogące obniżyć pracę JWCD były już puste.
Generacja JWCD w wyniku zastosowania magazynów 17 GWh zmalała o 1 938 681 MWh.
Rys.3. Roczne, uporządkowane wykresy eksportu w modelowych badaniach „z” i „bez” magazynów o pojemności 17 GWh.
Przy założonym koszcie wytworzenia energii 450 zł/MWh (na miale energetycznym z wliczoną opłatą emisyjną ETS) oznaczałoby to oszczędność paliwa 0,87 mld zł/a. Koszt inwestycji oszacowano na 1,97 mld zł/a. Zatem wystąpiłby przyrost kosztów 1,10 mld zł/a, który w odniesieniu do „sprzedaży” z magazynów oznaczałby koszt 566 zł/MWh, a w stosunku do całego KSEE podwyżkę o 6,73 zł/MWh.
Koszt inwestycji we wszystkich wariantach ustalono wg. założenia, że będzie to kredyt 3 %, rata stała, 10 lat spłaty. Koszt jednostkowy magazynów optymistycznie założono 1 mln zł/MWh, ponieważ w doniesieniach medialnych przewiduje się spadek do takiego poziomu. Póki co, w doniesieniach o planach PGE pisze się o koszcie magazynu dla Żarnowca 1,56 mln zł/MWh. Wtedy energia z magazynów wychodziłaby po 1130 zł/MWh, a przyrost kosztów systemu 13,44 zł/MWh. Wariant „bez JWCD”.
Tabela 4. Modelowe osiągi systemu, w którym OZE i magazyny pozwoliłyby na likwidację JWCD.
Likwidacja centralnie dysponowanych elektrowni blokowych generujących średnio 10,4 GW (od 6,72 GW do 20,99 GW) wymagałaby budowy co najmniej 64 GW źródeł OZE wraz z magazynami o mocy ładowania 32 GW i pojemności 4 501 614 MWh. Razem z EC wymagałoby to instalacji energetycznych o mocy 101 GW dla pokrycia średniego zapotrzebowania 18,6 GW.
Założono całkowitą likwidację JWCD, a więc nastąpiłby nie tylko ubytek kosztów paliwa, ale i utrzymania, stąd po stronie korzyści przyjęto, że będzie ubywać produkcji po 600 zł/MWh. Spłata odsetek od preferencyjnego przecież kredytu wynosiłaby 522 mld zł rocznie, więc przyrost kosztów systemu wyniósłby 467 mld zł/a. Koszt energii z magazynów wyniósłby 14 453 zł/MWh przy zerowym koszcie zakupu, co na masową skalę nie jest możliwe –producenci OZE jednak chcieliby zarabiać. Przyrost kosztów systemu z tytułu samej inwestycji w magazyny wyniósłby 2863 zł/MWh. Do powyższego należy dodać koszty budowy OZE o podanej mocy i stosownej rozbudowy sieci. Zapas wymagany 4500 GWh podano także w przeliczeniu na dni średniego zapotrzebowania (jest to 10 dni) i na tony węgla w tradycyjnym magazynie energii (jest to 1,9 mln ton węgla na zwałach). Poniżej poleca się uwadze rys.4. pokazujący przebieg zapasu magazynowego w badanym wariancie.
Rys.4. Przebieg cyklu ładowanie-rozładowanie zapasu magazynowego w przypadku posiadania 64 GW OZE i 32 GW magazynów bateryjnych.
Kluczowym jest zrozumienie, że oprócz mocy ładowania przekraczającej znacznie obecne szczytowe zapotrzebowanie PL konieczna jest odpowiednio duża pojemność. Próba opisania magazynów tylko za pomocą wielkości wyrażonej w [GW] jest bezprzedmiotowa.
Wariant „bez elektrowni sterowalnych”.
Tabela 5. Modelowe osiągi systemu, w którym OZE i magazyny całkowicie zastąpiłyby generację sterowalną.
Całkowita likwidacja tradycyjnego systemu generacji pokrywającego średnio 18,6 GW zapotrzebowania (od 11,4 GW do 28,3 GW) wymagałaby budowy OZE o mocy co najmniej 81 GW, magazynów o mocy 41 GW i pojemności 9000 GWh. Razem wymagałoby to instalacji energetycznych o mocy 122 GW. Podany zapas energii elektrycznej w bateriach musiałby wystarczyć na 20 dni zapotrzebowania średniego, a w przeliczeniu odpowiada on rezerwie 3,8 mln ton węgla.
Uwzględniwszy możliwość wystąpienia nieco surowszej zimy i konieczności utrzymywania zapasu większego, niż „na styk” powiemy, że dla systemu spełniającego żądania zwolenników 100 % OZE konieczny jest 30-dniowy zapas energii. Odpowiada on całkowicie prawdopodobnym warunkom pogodowym 3-5 tygodni bez wiatru i słońca. Zgromadzenie w/w zapasu węgla nie stanowiło żadnej trudności, a czy będzie to możliwe za pomocą magazynów bateryjnych – przekonamy się. Przy dzisiejszym stanie wiedzy energia z takich magazynów kosztowałyby 23 379 zł/MWh, a przyrost kosztów systemu z tytułu samych magazynów bez kosztów wiatraków i paneli fotowoltaicznych wyniósłby 5920 zł/MWh.
Przebieg zapasu magazynowego dla badanego wariantu pokazano na rys. 5. Znamienne byłoby tutaj charakterystyczne rozładowanie magazynów na przednówku i spory zapas wynikający z pogodnej jesieni, jednak zużyty w okresie pochmurnym i bezwietrznym. Byłaby to gospodarka o cechach rolniczych, istotnie „bliżej natury”, jednak wtedy musimy rozumować w skali roku, albo wieloletnich cykli pogodowych, a nie w skali kilku godzin.
Rys.5. Po lewej: przebieg zapasu magazynowego w systemie 100 % OZE opartym o wiatraki, fotowoltaikę i magazyny bateryjne. Po prawej: roczny, uporządkowany wykres generacji OZE w systemie, jak wyżej.
5. Podsumowanie.
Wykazano, że magazyny bateryjne o pojemności 17 GWh mogłyby zdjąć z eksportu najbardziej kontrowersyjną część nadwyżki OZE, tj. część powodującą sprzedaż energii po cenach niższych od 300 zł/MWh. W obszarze kosztów tej rozwijającej się technologii panuje jeszcze niepewność – energia z takich magazynów kosztowałaby od 600 do 1200 zł/MWh (przy zakupie po 0 zł/MWh). Nie jest to więc koszt całkowicie fantastyczny, jest całkowicie realny, ale wciąż wysoki. Inwestor jak najbardziej może także ładować magazyny prądem z węgla, co podniesie opłacalność inwestycji, ale na pewno nie oto chodzi „zielonym”. Za pomocą regulaminów giełdy można doprowadzić do różnic cenowych ± 1500 zł/MWh, gwarantujących, że eksploatacja takich magazynów stałaby się opłacalna. Nie jest powiedziane, że z takiego rozwiązania byliby jednak zadowoleni odbiorcy energii elektrycznej. (Średnia RCE 2024 wynosi 415 zł/MWh).
Czy wzmiankowana wyżej pewna realność zastosowania magazynów bateryjnych oznaczałaby, że podstawowy problem OZE - wielkoskalowe magazynowanie energii elektrycznej, miałby już być rozwiązany - nie. Magazyny 17 GWh są po prostu za małe. W stosunku do średniego zapotrzebowania 18,6 GW są to magazyny o pojemności 54,8 minuty. Obliczenia wykonano licząc w stosunku do generacji OZE w roku 2024. PGE planuje przedmiotowe magazyny zbudować do roku 2035. Do tego czasu, jeśli wierzyć obietnicom Ministerstwa Klimatu moc OZE ma znacząco wzrosnąć.
Na przeszkodzie w zastosowaniu dowolnej instalacji magazynującej energię elektryczną z generacji OZE w pierwszej kolejności stoi rażąca dysproporcja mocy do energii nadwyżki uniemożliwiająca godziwy zarobek właścicielom takiej instalacji. Następnie, gdyby dalej rozwijać OZE, narasta potrzeba przerzucenia coraz większych ilości energii „z nad kreski pod kreskę”, aż do ilości trudnych do wyobrażenia przy dzisiejszym stanie techniki. Na rysunku 5 po prawej pokazano roczny, uporządkowany wykres generacji OZE o mocy zainstalowanej 81 GW, a w tle pokazano towarzyszące danym godzinom zapotrzebowanie. Pozwala to wyobrazić sobie pole nadwyżki i niedoboru energii OZE w stosunku do zapotrzebowania w przypadku wizji systemu całkowicie opartego o OZE i magazynowanie w bateriach.
Oczekiwana przez zwolenników OZE likwidacja bloków systemowych o średniej generacji 10,4 GW wymagałaby magazynów o pojemności 4502 GWh. Całkowita likwidacja tradycyjnej generacji w Polsce wymagałaby magazynów 9000 GWh. Są to oczywiście wielkości znacznie większe, niż obiecywane 17 GWh. Czy dzięki postępowi technicznemu możliwy jest dalszy spadek kosztów magazynów? Niewątpliwie produkcja seryjna może się przyczynić do obniżki kosztów. Jednak, biorąc pod uwagę gęstość energii podawaną w poradnikach auto-moto dla baterii Tesli możemy powiedzieć, że zastąpienie składów węgla o pojemności 4 mln ton wymagałoby utworzenia składów baterii o masie 37 mln ton. Nie jest to przesłanka, w świetle której należałoby oczekiwać bezproblemowego rozwoju technologii magazynów bateryjnych.
Autor nie uważa za racjonalne, czy też „zrównoważone”, aby dla pokrycia średniego zapotrzebowania rzędu 18,6 GW budować instalacje energetyczne o mocy 100-120 GW. Wydaje się to wręcz nieprawdopodobne, ale zwolennicy wiatraków i fotowoltaiki całkowicie bezkrytycznie planują budowę OZE o mocach stanowiących wielokrotność podaży nad popytem i nie dostrzegają przy tym żadnej sprzeczności, ani trudności technicznych. Jak napisano, w trakcie pracy przyjęto szereg miejscami abstrakcyjnych założeń akademickich, w tym założenie o „likwidacji elektrociepłowni” i świadomym zlekceważeniu zasad bezpieczeństwa, a była to część tworzona tuż przed awarią systemową w Hiszpanii. W rzeczywistości więc, dla realizacji wizji 100 % OZE, oprócz budowy źródeł o sześciokrotności mocy zapotrzebowania i 530 razy większej (niż zaplanowano) pojemności baterii, doszłyby koszty stosownego przewymiarowania sieci i odtworzenia wymaganych funkcji bezpieczeństwa systemu.
Autor zauważa postęp w budowie bateryjnych magazynów energii, ale nie uważa za realne, aby miał powstać tani system elektroenergetyczny realizujący jednocześnie ideę „pełnej dekarbonizacji”. Zakończono 29.04.2025