Zrozumieć transformację energetyczną

Zrozumieć transformację energetyczną. Scenariusz 0: Stan obecny

Zrozumieć transformację energetyczną. Scenariusz 0: Stan obecny

Zrozumieć transformację energetyczną. Scenariusz 0: Stan obecny

Żeby móc stworzyć w Polsce bezemisyjny system energetyczny przyszłości, najpierw trzeba poznać punkt wyjścia. Czyli stan obecny.

W obecnym systemie elektrownie wprowadzają do sieci elektroenergetycznej tyle prądu, by zaspokoić bieżące zapotrzebowanie. Polskie zapotrzebowanie na prąd zmienia się tak, jak na ilustracji 1, pokazującej sytuację w pierwszym tygodniu 2021 roku.

Zmiany zapotrzebowania na moc w polskim Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE) godzina po godzinie w pierwszym tygodniu 2021 roku. Pozioma, niebieska linia pokazuje średnią moc zapotrzebowania na prąd w Polsce w 2021 roku równą 19,94 GW.

Zmiany zapotrzebowania na moc w polskim Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE) godzina po godzinie w pierwszym tygodniu 2021 roku. Pozioma, niebieska linia pokazuje średnią moc zapotrzebowania na prąd w Polsce w 2021 roku równą 19,94 GW.

W nocy zapotrzebowanie jest małe. Rośnie od rana, gdy ludzie wstają, włączają światło, robią sobie kawę, a następnie zaczynają pracę. W godzinach popołudniowych osiąga szczyt, po czym od godzin wieczornych zaczyna spadać do nocnego minimum. W czasie dni wolnych (na ilustracji 1 są to Nowy Rok 1 stycznia, weekend 2-3 stycznia oraz Święto Trzech Króli 6 stycznia) zapotrzebowanie jest o ok. 1/4 mniejsze niż w dni pracujące – to też oczywiste, bo nie pracują firmy, a ludzie przebywają więcej na dworze. 

Zużycie prądu w Polsce w 2019 roku z podziałem na sektory.

Zużycie prądu w Polsce w 2019 roku z podziałem na sektory.

Polskie średnie zapotrzebowanie na prąd (obciążenie systemu) w 2021 roku wynosiło ok. 20 GW (gigawatów) (albo 20 GWh na godzinę), sumując się do zużycia ok. 175 TWh energii w ciągu całego roku. Z tego ponad 20 TWh zużywają same elektrownie i górnictwo (to aż 3/4 zużycia w gospodarstwach domowych!), a kolejne 15 TWh tracone było na przesyle. 

Ile prądu z wiatru i słońca?

Wykorzystajmy symulator systemu energetycznego Polski i przyjrzyjmy się produkcji prądu przez wiatr i słońce. W 2021 roku mieliśmy w Polsce lądowe farmy wiatrowe o zainstalowanej mocy 7 GW (to moc średnia, przy wzroście w ciągu roku z 6,6 GW do 7,3 GW), które wyprodukowały 15,2 TWh prądu, oraz instalacje fotowoltaiczne o zainstalowanej mocy 5,5 GW (to moc średnia, przy wzroście w ciągu roku z 3,9 GW do 7,1 GW), które oddały do sieci 4,6 TWh prądu. Ponieważ farmy wiatrowe wytwarzają prąd, gdy wieje wiatr, a panele fotowoltaiczne, gdy świeci słońce, ich produkcja energii elektrycznej silnie zależała do warunków pogodowych. Ilustracja 3 pokazuje produkcję prądu w różnych porach roku (styczeń, kwiecień, lipiec, październik), zestawioną z całym polskim zapotrzebowaniem na prąd godzina po godzinie. Niebieska linia pokazuje zapotrzebowanie na prąd w Polsce (w dłuższym okresie prezentuje to, co ilustracja 1 dla pierwszego tygodnia stycznia), zielone pole produkcję energii elektrycznej przez polskie turbiny wiatrowe, a żółte pole nad zielonym – przez instalacje fotowoltaiczne. 


Moc to tempo wytwarzania (lub zużywania) energii. Wyrażamy ją w watach lub wielokrotnościach, jak kilowat kW (1000 watów), megawat MW (1 000 000 watów) lub gigawat GW (1 000 000 000 watów).  Gdy wytwarzamy energię w tempie 1 kW przez 1 godzinę [h], wyprodukujemy 1 kWh energii. Gdybyśmy wytwarzali energię w tempie 5 kW przez 2 h, wyprodukujemy 5 kW · 2 h = 10 kWh energii.  Gdy zużywamy energię w tempie 20 GW przez cały rok (365 dni po 24 godziny), zużyjemy 20 GW · 365 · 24 h = 175 200 GWh = 175,2 TWh.


Zestawienie zapotrzebowania na energię (linia niebieska) oraz jej produkcji przez polskie farmy wiatrowe i fotowoltaikę w czterech miesiącach w różnych porach roku. 

Zestawienie zapotrzebowania na energię (linia niebieska) oraz jej produkcji przez polskie farmy wiatrowe i fotowoltaikę w czterech miesiącach w różnych porach roku.

Widać, że zimą wiatr wieje nieźle (choć często z kilkudniowymi okresami słabego wiatru), ale latem dość słabo. Z kolei panele fotowoltaiczne produkują dużo energii latem, a zimą bardzo mało. 

Te pogodozależne źródła energii mają już zauważalny udział w całości systemu elektroenergetycznego i stopniowo go zwiększają, jednak wciąż stanowią tylko jego niewielką część. A gdyby zbudować ich więcej? 

Efektywne proporcje między farmami wiatrowymi a PV 

W Polskim klimacie latem słońce dobrze świeci, ale zimą panele fotowoltaiczne dają mało energii. Wiatr za to ma odwrotnie: wieje znacznie silniej w chłodnej połowie roku. W rezultacie te dwa źródła energii całkiem dobrze się uzupełniają. Gdybyśmy opierali się tylko na jednym z nich, trzeba by myśleć o olbrzymim przewymiarowaniu instalacji lub magazynowaniu sezonowym. Jednak gdy połączymy oba te źródła w miksie energetycznym, tak, żeby średniorocznie farmy wiatrowe wytwarzały 2,5-krotnie więcej energii elektrycznej niż farmy fotowoltaiczne, to we wszystkich miesiącach roku będziemy mieli zbliżoną produkcję energii, a nawet trochę więcej zimą, gdy zapotrzebowanie na energię do ogrzewania jest największe. 

Względna produkcja energii elektrycznej w polskich warunkach z wiatru i słońca w kolejnych miesiącach roku przy średniorocznej produkcji wiatru 2,5-krotnie większej niż z fotowoltaiki (Konkretne wartości nie są istotne, gdyż interesuje nas względna produkcja z wiatru i słońca. Jak przeskalujemy moc farm wiatrowych i PV o ten sam czynnik, ilustracja pozostanie bez zmian). 

Względna produkcja energii elektrycznej w polskich warunkach z wiatru i słońca w kolejnych miesiącach roku przy średniorocznej produkcji wiatru 2,5-krotnie większej niż z fotowoltaiki (Konkretne wartości nie są istotne, gdyż interesuje nas względna produkcja z wiatru i słońca. Jak przeskalujemy moc farm wiatrowych i PV o ten sam czynnik, ilustracja pozostanie bez zmian).

W polskich warunkach pogodowych, aby mieć we wszystkich miesiącach roku zbliżoną produkcję prądu na 1 GW wiatru powinno przypadać ok. 1,5 GW w PV (wynika to z tego, że współczynnik wykorzystania mocy nowoczesnych lądowych turbin wiatrowych zlokalizowanych w miejscach o przeciętnych warunkach wiatrowych wynosi 35-40%, dla morskich farm wiatrowych jest to ok. 50%, a dla fotowoltaiki 11%). 


Więcej materiałów na podstawie książki „Zrozumieć transformację energetyczną” wraz z symulatorem systemu energetycznego znajdziesz w tym miejscu.

Podobne wpisy