Wpływ PV na bilansowanie KSE

Korzystne systemy wsparcia rozwoju i eksploatacji instalacji OZE w ostatnich kilku latach spowodowały w wielu krajach europejskich nagły wzrost mocy zainstalowanej.

We wzroście tym coraz większy udział mają instalacje systemów fotowoltaicznych (PV). Prostota montażu, łatwość transportu gotowych elementów układów fotowoltaicznych oraz malejące, szczególnie za sprawą udziału Chin, ceny detaliczne (szczególnie samych paneli, które stanowią połowę nakładów inwestycyjnych) powodują, że budowa instalacji PV o mocy nawet wielu megawatów przebiega niezwykle szybko.

Spodziewany gwałtowny rozwój fotowoltaiki wymusza konieczność przeprowadzenia weryfikacji podejścia operatora systemu przesyłowego (OSP) w zakresie bilansowania Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE), zarówno w kontekście prowadzenia ruchu, jak i sporządzania planów bilansowych. Wynika to przede wszystkim z charakteru pracy źródeł fotowoltaicznych, których generacja zależy od panujących na danym obszarze warunków atmosferycznych, w szczególności od nasłonecznienia (w tym przejrzystości powietrza), temperatury, a w okresach zimowych również od opadów śniegu. Moc źródeł PV, jaka w najbliższych kilku latach będzie mogła być przyłączona do KSE, uwarunkowana jest m.in. możliwościami zbilansowania systemu w stanach odpowiadających maksymalnej generacji w tego typu źródłach. Wydaje się, że takim dominującym stanem powinien być okres wiosenno-letni, kiedy z reguły występują najkorzystniejsze warunki pogodowe. Jednocześnie w okresie tym istnieje bardzo silna korelacja pomiędzy szczytem obciążenia systemu a szczytem nasłonecznienia, bowiem oba te zjawiska występują mniej więcej jednocześnie ok. południa. Źródła PV są przewidywalne w zakresie możliwości określenia krzywej generacji dla dni słonecznych na podstawie krzywych promieniowania słonecznego (irradiancji) w godzinach pomiędzy wschodem a zachodem słońca. Jest to możliwe dzięki pomiarom meteorologicznym z wielu lat oraz obecnie powszechnie dostępnym modelom prognostycznym.

Wyzwania dla KSE

Analiza charakterystyk dostępnych paneli PV wykazuje, że zależność pomiędzy poziomem nasłonecznienia a generacją mocy jest w bardzo szerokim zakresie liniowa. Uwzględnienie tego faktu umożliwi określenie maksymalnej mocy zainstalowanej przyłączanych do KSE źródeł, uwzględniającej z jednej strony spodziewane ograniczenia w maksymalnej generacji w źródłach fotowoltaicznych, a z drugiej czynniki generację tą ograniczające, takie jak nasłonecznienie, przejrzystość powietrza czy kąt padania promieni słonecznych. Głównym czynnikiem zakłócającym dobowy i sezonowy przebieg produkcji jest zachmurzenie, a przede wszystkim jego nieprzewidywalność. Zmiany zachmurzenia będą skutkować koniecznością wprowadzania korekt do opracowanych wcześniej prognoz nasłonecznienia i tym samym generacji w źródłach PV. Ponadto sama nieprzewidywalność warunków pogodowych i ich okresowych anomalii (m.in. dłuższe zimy, mniejsza liczba słonecznych dni, niższe temperatury otoczenia, powodzie, susze gwałtowne burze itp.) stanowi wyzwanie dla OSP w kontekście zapewnienia bezpiecznej pracy KSE w okresie potencjalnego gwałtownego rozwoju energetyki PV.

Na rysunku 1 przedstawiono przebieg dobowej zmienności krzywych promieniowania słonecznego dla wybranych dni 2012 r. Produkcja w źródłach PV dla dni bezchmurnych będzie naśladować kształt krzywych natężenia promieniowania słonecznego (irradiancji). Z drugiej strony nie bez znaczenia będzie także uwzględnienie warunków występujących poza godzinami maksymalnej generacji w źródłach PV. Co prawda w tym okresie generacja w tych źródłach będzie znacząco niższa, ale także warunki jej zbilansowania będą inne niż w czasie szczytu zapotrzebowania. Na rysunku 2 przedstawiono przebieg zapotrzebowania na moc w KSE w dzień roboczy, w dzień wolny od pracy (niedziela) oraz w dzień świąteczny w okresie letnim.

 
Porównanie przebiegu dobowej zmienności krzywych promieniowania słonecznego w okresie od maja do sierpnia z typowymi przebiegami zapotrzebowania na moc w KSE w tym czasie wskazuje, że w godzinach porannych krzywa zapotrzebowania w KSE zwykle narasta wolniej w stosunku do wzrostu poziomu nasłonecznienia, a tym samym w relacji do wzrostu generacji w źródłach fotowoltaicznych. Uwzględnienie tego zjawiska może wiązać się z koniecznością ograniczenia maksymalnego poziomu mocy generowanej przez źródła fotowoltaiczne.

Integracja dużej liczby źródeł PV (a w efekcie również mocy zainstalowanej) z KSE powodować będzie także inne problemy. Należy zwrócić uwagę na konieczność zwiększenia zakresu dostępnych rezerw mocy utrzymywanych, w szczególności w źródłach konwencjonalnych. Publikowane w literaturze światowej wyniki badań symulacyjnych wskazują, że średnio na każde 75 MW mocy zainstalowanej w źródłach PV konieczne będzie zapewnienie dodatkowych 3 MW mocy regulacyjnej w źródle konwencjonalnym oraz zdolności regulacyjnej o szybkości zmian rzędu 1 MW/minutę.

Korekta rezerwy

Znaczący udział źródeł fotowoltaicznych w ogólnym bilansie produkcji będzie powodował zjawisko „wypierania” produkcji mocy w źródłach konwencjonalnych, zwiększając tym samym nawet dwukrotnie zmienność obciążeń elektrowni w ciągu doby. Wymusi to korektę zakresu utrzymania rezerwy wtórnej i trójnej. Ponadto zapewnienie dotychczasowego reżimu pracy elektrowni szczytowo-pompowych (pompowanie w godzinach nocnych, generacja w szczycie zapotrzebowania) nie pozwoli na gromadzenie okresowo dostępnych nadwyżek energii generowanej w źródłach PV. W tym układzie będzie to wymuszać zmianę reżimu pracy źródeł szczytowo-pompowych.

Ponadto w przyszłości w przypadku bilansowania mocy w KSE trzeba będzie się liczyć z jednoczesną znaczącą generacją w farmach wiatrowych oraz generacją w źródłach PV. Godziny południowe będą w tym kontekście powodowały znaczącą niepewność odnośnie mocy generowanej w źródłach PV. To zwiększone ryzyko wymusi na OSP wykorzystywanie narzędzi prognostycznych, poszerzenie możliwości pozyskiwania danych o rzeczywistym poziomie produkcji w rozproszonych źródłach PV oraz wcześniejszego określenia technicznych warunków dla przyłączania takich źródeł i ich współpracy z KSE. 

Zaproponowane podejście zmierza w kierunku integracji planowania rozwoju nowych źródeł energii odnawialnej, co pozwoli w przyszłości uniknąć kosztów braku należytej koordynacji rozwoju nowych źródeł wytwórczych w KSE.

dr inż Henryk Majchrzak, prezes PSE

Tekst pochodzi z miesiecznika "Czysta Energia" 6/2013