W ostatnim tygodniu po raz pierwszy od czasów komunizmu wprowadzono ograniczenia w dostawach prądu. Duzi odbiorcy energii (nie tylko huty, ale też przemysł spożywczy, biurowce, a nawet wrocławskie tramwaje), zostały zmuszone do ograniczenia zużycia prądu do niezbędnego minimum. Dlaczego wprowadzono 20 stopień zasilania i czy braki prądu będą się powtarzać?
Zacznijmy od przypomnienia struktury polskiego systemu energetycznego. Prawie 90% energii produkowane jest w elektrowniach węglowych, spalających węgiel kamienny lub brunatny z niewielką domieszką biomasy. Mogą one produkować energię wtedy, kiedy jest potrzebna, w dodatku po dość niskiej cenie (jeśli nie liczyć kosztów zewnętrznych), dlatego od lat stanowią trzon polskiej energetyki. Mają one jednak kilka istotnych ograniczeń. Po pierwsze, wymagają ogromnych ilości wody do chłodzenia. Woda ta może pochodzić z rzeki (elektrownie Kozienice, Połaniec, Dolna Odra), jeziora (Elektrownia Pątnów), mogłaby też z morza (często działają tak zagraniczne elektrownie jądrowe). W tym roku w Polsce trwa jednak susza, więc stany wód w największych rzekach są na bardzo niskim poziomie, dodatkowo z powodu upałów woda ta jest bardzo ciepła. Elektrownie, które chłodzą się wodą z rzeki muszą więc ograniczać produkcję, aby nie ugotować żyjących w rzece ryb.
Te elektrownie, które chłodzą się wodą z chłodni kominowych, również tracą na obecnej pogodzie. Podczas opadania wewnątrz chłodni kilka procent wody odparowuje i jest bezpowrotnie tracone, ta woda musi zostać uzupełniona wodą z rzeki, poddaną odpowiedniemu oczyszczaniu.
Podczas upałów temperatura wody chłodzącej elektrownię nieuchronnie rośnie, przez co spada moc i sprawność elektrowni. Wzrost temperatury w skraplaczu z 24°C do 36°C powoduje dwukrotny wzrost ciśnienia pary za turbiną. Para wodna rozpręża się słabiej, a więc ma do oddania mniej energii. Dla bloku o mocy 500 MW oznacza to ubytek 34 MW mocy (prawie 7% całości) [1] oraz spadek sprawności o ok. 2 punkty procentowe. W samej tylko grupie ENEA nieplanowane spadki mocy wyniosły 400 MW.
W elektrowniach gazowych, które buduje się ostatnio w Polsce na potęgę, jest jeszcze gorzej. Tam upały powodują spadek mocy aż o 15% względem warunków zwykłych i o jedną czwartą względem warunków zimowych. Istotnie spada też sprawność – nawet o 10%.
Do kryzysu energetycznego z ostatniego tygodnia dołączyły się też planowe i nieplanowane wyłączenia bloków energetycznych. Elektrownie węglowe wymagają częstych i długotrwałych remontów, które zazwyczaj przeprowadzane są latem, gdy zapotrzebowanie na prąd jest niższe niż zimą. Gdy do tego dojdą wyłączenia awaryjne, rezerwa mocy w systemie spada do niebezpiecznie niskiego poziomu. W miniony weekend awarii uległy dwa potężne bloki z elektrowni Bełchatów, w tym największa jednostka w polskim systemie, o mocy nominalnej 858 MW.
Przy wysokiej temperaturze przeciążone są również linie energetyczne wysokich i niskich napięć. Wynika to nie tylko z większego zapotrzebowania na prąd, ale też z większej oporności miedzi i glinu w wysokich temperaturach. Z tych samych przyczyn rośnie również ryzyko przegrzania i awarii transformatorów.
Upalna pogoda połączona z brakiem wody stanowi więc zabójcze połączenie dla energetyki kopalnej – z jednej strony utrudnia produkcję prądu i zwiększa zużycie paliwa, z drugiej pogarsza możliwości przesyłu energii na duże dystanse. A właśnie w taką pogodę, jak w ostatnich tygodniach, zapotrzebowanie na energię osiąga sezonowe rekordy, jak 7 lipca, gdy osiągnęło 22 310 MW.
Głównym powodem wzrostu zapotrzebowania jest coraz powszechniejsze użycie klimatyzacji. Klimatyzacja, która 20 lat temu była nowinką techniczną, dziś jest standardem większości publicznie dostępnych miejsc. Klimatyzowane są wszystkie nowe budynki użyteczności publicznej, biurowce i sklepy wielkopowierzchniowe. Również w modernizowanych budynkach, oraz w domach jednorodzinnych i mieszkaniach coraz częściej instaluje się klimatyzację, często w taki sposób, że jest ona całkowicie niewidoczna od wewnątrz i zewnątrz.
Jak więc poradzić sobie z zapewnieniem energii podczas upałów? Najprostszym i najbardziej skutecznym rozwiązaniem są instalacje fotowoltaiczne. Produkują one szczególnie dużo energii podczas letnich, słonecznych dni, czyli wtedy, gdy występuje największe zapotrzebowanie na klimatyzację. Jednocześnie są względnie tanie w budowie, a ich utrzymanie prawie nic nie kosztuje. W Niemczech, gdzie warunki słoneczne są takie, jak w Polsce, moc zainstalowana w fotowoltaice jest większa, niż łączna moc wszystkich elektrowni w Polsce. Gdyby Polska miała choćby jedną dziesiątą mocy niemieckiej fotowoltaiki, nikt nawet nie rozważałby odcięcia dostaw prądu dla przemysłu. Warto też dodać, że energetyka słoneczna jest z reguły rozproszona – małe (lub bardzo małe) elektrownie słoneczne są blisko odbiorców, dostarczając im prąd bezpośrednio, odciążając przy okazji linie przesyłowe.
Oprócz fotowoltaiki przydatne podczas upałów są elektrownie szczytowo-pompowe, które wykorzystują energię grawitacyjną wody jako akumulator energii, a więc mogą ją pobrać, lub oddać do sieci, kiedy potrzeba. Elektrownie szczytowo-pompowe są przydatne również podczas wieczornych szczytów zapotrzebowania na prąd, gdy panele słoneczne już nie pracują.
Nic dziwnego, że ci sąsiedzi Polski, którzy inwestują w nowoczesną energetykę, nie mają problemów z upałem. W Niemczech, Czechach, Hiszpanii i Włoszech elektrownie słoneczne całkowicie zaspokajają wzrost zapotrzebowania podczas upałów, zaś pozostałe kraje Europy Zachodniej, w tym Francja i Holandia, mają tak dobrze rozwiniętą sieć energetyczną, że mogą sprowadzić potrzebny prąd z Niemiec czy Norwegii. Polskie połączenia energetyczne z sąsiednimi krajami są słabo rozwinięte, w dodatku zanim nie zainstalujemy na nich przesuwników fazowych, nie mogą być wykorzystywane do importu prądu z Niemiec.
Jakie rozwiązanie problemu proponują polscy decydenci? Obecna polityka energetyczna zakłada kontynuację inwestycji w energetykę cieplną. Na braki mocy w systemie receptą mają być nowe olbrzymie bloki energetyczne na węgiel i gaz, a w przyszłości również jądrowe. To wyjątkowo kosztowne rozwiązanie problemu – kosztuje nie tylko budowa nowych elektrowni (same bloki w Opolu 11,6 mld zł brutto), ale też utrzymanie starych elektrowni w rezerwie – po rozbudowie mocy wytwórczych, bloki energetyczne z epoki Gierka będą uruchamiane bardzo rzadko i trzeba będzie subsydiować ich utrzymanie (rynek mocy? – czy się stoi, czy się leży, kupa kasy się należy?).
W krajach, gdzie polityka energetyczna skierowana jest na wyzwania przyszłości, nikt nie neguje ważnej roli energetyki słonecznej w generacji prądu podczas letnich szczytów. Wraz z postępującym wzrostem temperatur, oraz przyzwyczajaniem się ludzi do klimatyzacji, udział popytu na energię latem będzie rósł, a rola fotowoltaiki w zapewnianiu ludziom chłodu (a rolnikom prądu do pomp nawadniających), będzie coraz większa. Większym wyzwaniem dla OZE jest zapewnienie prądu w zimowych szczytach zapotrzebowania, które występują po zmroku, w szczególnie zimne dni, zazwyczaj podczas pogody wyżowej. W takich chwilach elektrownie słoneczne i wiatrowe nie pracują, dlatego tak istotne jest magazynowanie energii. Zimą bowiem elektrownie wiatrowe produkują zazwyczaj dużo prądu, choć nie zawsze w te dni, gdy potrzeba najwięcej, elektrownie biomasowe i elektrociepłownie pracują pełną mocą (i nocą produkują więcej prądu, niż jest potrzebne), a elektrownie słoneczne również dokładają się do bilansu (w mroźne dni zazwyczaj jest słonecznie). Magazynowanie energii powinno być naszym priorytetem nie tylko dlatego, że pozwala radzić sobie z kaprysami pogody, ale też dlatego, że coraz bardziej wymaga go energetyka konwencjonalna.
Jeszcze kilka lat temu największymi blokami energetycznymi w Polsce były 2 bloki klasy 500 MW w Elektrowni Kozienice i to na awarię jednego z nich system energetyczny musiał być w każdej chwili przygotowany. W 2011 roku uruchomiono olbrzymi blok 838 MW w Bełchatowie i odtąd każda jego awaria powoduje gorączkowe uruchamianie wszystkich rezerw. Za kilka lat mają zostać oddane do użytku jeszcze większe jednostki – dwie o mocy 900 MW w Opolu, jedna 900 MW w Jaworznie i gigantyczny blok 1075 MW w Kozienicach. Aby zapewnić odpowiednią rezerwę mocy w systemie, rozsądne byłoby wybudowanie kolejnej elektrowni szczytowo-pompowej, oraz kolejnych połączeń energetycznych z zagranicą, ale te inwestycje nie stoją najwyżej na liście priorytetów.
Podsumowując – energetyka węglowa i gazowa słabo radzi sobie podczas upałów i suszy, moc elektrowni spada, straty rosną, a konsumenci pobierają mnóstwo prądu do klimatyzacji. Polski system energetyczny jest niedoinwestowany, więc w razie awarii prądu zaczyna po prostu brakować. W miarę postępowania globalnego ocieplenia, które w Polsce objawia się m.in. naprzemiennymi suszami i powodziami w okresie letnim, problem będzie narastał. Dobrym rozwiązaniem są elektrownie słoneczne, które najwięcej prądu produkują właśnie wtedy i tam, gdzie latem najbardziej go potrzeba, oraz magazyny energii, które stanowią najlepszą ochronę przed wszystkimi zagrożeniami, jakie mogą spotkać system energetyczny.
Bernard Swoczyna
[1] Kocioł AP-1650 produkuje 458 kg pary na sekundę (1650 t/h). Spadek izentropowy z (p=0,06 bar, i=2500 kJ/kg) do 0,03 bar daje 92,76 kJ/kg. Zakładając 80% sprawność daje to 34 MW. Na ostatnim stopniu turbiny przepływ masowy jest mniejszy niż na poprzednich (upusty do wymienników regeneracyjnych i odgazowywacza), ale wzrost ciśnienia za turbiną powoduje wzrost ciśnienia na wszystkich jej stopniach, w tym na upustach nieregulowanych.
