Zmienny wiatr i stabilna sieć w Hiszpanii

Artykuł jest tłumaczeniem tekstu napisanego przez Chrisa Goodalla, zatytułowanego „Spain’s variable wind and stable electricity networks”, opublikowanego w serwisie Carbon Commentary.

Jednym z argumentów służących krytyce energetyki wiatrowej jest stwierdzenie, że krajowy system elektroenergetyczny („sieć”) nie jest w stanie obsłużyć dużej liczby turbin wiatrowych ze względu na zmienność i nieprzewidywalność produkcji prądu. W sieci zapotrzebowanie na energię elektryczną i jej podaż muszą być zbilansowane, a ze wględu na spore zmiany warunków wiatrowych powoduje to spore problemy. Ostatnie dane zebrane w trakcie dwóch dni o niezwykłej pogodzie w Hiszpanii — w kraju będącym światowym liderem zarządzania zasobami energii odnawialnej — wskazują, że to stwierdzenie jest niemal na pewno fałszywe.

• Przez część dnia 8. listopada, ponad 50% energii zużywanej w Hiszpanii pochodziło z parków wiatrowych (elektrownie wiatrowe są tak wielkie, że nikt nie nazywa ich już farmami wiatrowymi), gdy na teren kraju napłyną niż atlantycki. W odróżnieniu do podobnych sytuacji z listopada 2008, gdy turbiny wiatrowe zostały odłączone od sieci elektroenergetycznej (ze względu na nadpodaż energii), tym razem sieć przyjęła całą moc z turbin wiatrowych.
• Zupełnie inna sytuacja miała miejsce w styczniu tego roku, gdy niespodziewanie silne wiatry spowodowały wyłączenie większości zainstalowanych w kraju turbin wiatrowych, prawie bez ostrzeżenia. Sieć poradziła sobie również i z tym niekorzystnym stanem. Te dwa zdarzenia pokazują, że dobrze zarządzana sieć przesyłowa może poradzić sobie z ekstremalnymi i nieoczekiwanymi zdarzeniami nawet gdy moc turbin wiatrowych stanowi znaczną część mocy zainstalowanej w systemie elektroenergetycznym.

W trakcie całego roku, Hiszpania wyprodukuje ok. 14% całej zużytej w kraju energii elektrycznej właśnie z turbin wiatrowych, a poziom ten zapewne jeszcze wzrośnie do dużych dwudziestu kilku procent do roku 2020. Hiszpania pokazuje reszcie świata, że liczby te nie są sprzeczne z założeniem stabilności systemu elektroenergetycznego. Chociaż wiatr jest „zmienny”, „okresowy” i „nieprzewidywalny”, dobrze funkcjonująca sieć wciąż może wykorzystywać energię wiatrową do stabilizacji cen prądu, obniżenia emisji dwutlenku węgla, i poprawy bezpieczeństwa energetycznego.

53% energii z wiatru

W czasie kilku okresów w nocy z 8 na 9 listopada, energia wiatrowa pokrywała 53% hiszpańskiego zapotrzebowania na energię. To ostatni rekord w tamtejszej sieci, który jednak zostanie wkrótce pobity, jako że w Hiszpanii wciąż instalowane są co roku tysiące nowych turbin.

Choć w Danii udział procentowy energii z wiatru jest podobny, wyniki osiągnięte w Hiszpanii są szczególnie istotne. Jak przypomina Red Eléctrica de España (REE), hiszpański operator systemu przesyłowego, kraj jest w znacznym stopniu odizolowany od zagranicznych systemów elektroenergetycznym.  Jest to „elektryczny półwysep, ze słabymi połączeniami transgranicznymi z Unią Europejską”. [1] Kraj o ograniczonej zdolności do importu czy eksportu energii elektrycznej ma większe kłopoty z obsługą dużych ilości energii elektrycznej produkowanej z wiatru. Dania ma połączenia transgraniczne o wydajności wystarczającej na pokrycie 50% jej całkowitego zapotrzebowania na energię, podczas gdy Hiszpania — tylko 1/10 tego poziomu. (Wielka Brytania również pod tym względem ma bardzo nieciekawą sytuację.) [Polska również — przyp. tłum.]

Hiszpania jest w stanie wykorzystywać energię wiatrową w systemie głównie ze względu na sporą ilość zainstalowanych mocy w elektrowniach wodnych i szczytowo-pompowych. [2] Energetyka wodna może być wykorzystywana wtedy, gdy wiatry są słabsze niż oczekiwano, a elektrownie szczytowo-pompowe mogą łagodzić skutki wiatrów mocniejszych i słabszych.

Podstawą krytyki energetyki wiatrowej jest fakt, że wiatr jest zbyt trudny do przewidywania, co powoduje, że duża ilość mocy zainstalowanych w klasycznej energetyce opalanej paliwami kopalnymi musi być utrzymywana w gotowości do zastąpienia w krótkim czasie elektrowni wiatrowych. Krytycy energii wiatrowej wierzą, że emisja dwutlenku węgla z utrzymywania elektrowni cieplnych w stanie zwanym w branży „gorącą rezerwą” jest olbrzymia. Elektrownie, jak twierdzą ci ludzie, spalają paliwo tak aby mogły natychmiast uruchomić produkcję prądu gdy wiatr osłabnie.

Ale czy wiatr zmienia się tak gwałtownie, że klasyczne elektrownie muszą zapewnić natychmiastową dostawę energii? Niesamowicie przydatna witryna internetowa REE zawiera łatwe do wykorzystania dane do sprawdzenia tej teorii. Wykorzystałem te dane aby spróbować zademonstrować, że w czasie dnia 8 listopada produkcja energii elektrycznej z turbin wiatrowych była niesamowicie stabilna. [3] Dobre dane meteorologiczne pozwalają w dużym stopniu przewidzieć prędkość wiatru, ale witryna REE pokazuje, że nawet w czasie wietrznych dni na początku listopada ilość energii produkowanej w turbinach wiatrowych zmieniała się stopniowo.

Podczas tego 24-godzinnego okresu sumaryczna moc produkowana w turbinach wiatrowych zmieniała się w zakresie 9 300 MW do szczytowej produkcji 11 500 MW o 14:30. Przez większą część tego dnia, moc turbin wiatrowych zmieniała się nieznacznie w okolicy 10 000 MW. (Moc produkowana w turbinach wiatrowych mierzona co 10 minut dostępna jest na witrynie REE.) Średnia zmiana procentowa między jednym pomiarem a kolejnym wyniosła 0,72%. Tylko podczas trzech ze 143 pomiarów zmiana w stosunku do poprzedniego pomiaru przekroczyła 2%.

Kiedy wiatr wieje mocno, wszelkie lokalne zmiany w prędkości wiatru są równoważone przez zmiany na innym obszarze. Kraj taki, jak Hiszpania, w którym ponad 10 000 turbin wiatrowych rozproszonych jest po bardzo dużej powierzchni kraju, będzie notował niewielkie wahania mocy produkowanej w turbinach wiatrowych. Gdy liczba turbin będzie zwiększana, zmniejszą się wahania mocy. W Hiszpanii, zmiany zaobserwowane 8/9 listopada nie stanowiły żadnego zagrożenia dla stabilności systemu elektroenergetycznego, nawet gdy turbiny wiatrowe dostarczały ponad połowę energii elektrycznej zużywanej w danym momencie w kraju.

Nieprzewidziane wypadki

Szczyt produkcji 8/9 listopada był przewidywany przez REE. Zupełnie inna sytuacja miała miejsce 23. stycznia 2009 r. Hiszpania była wtedy pod wpływem silnych wiatrów powodowanych przez atlantycką burzę Klaus, i spodziewano się, że turbiny wiatrowe będą produkować ok. 11 000 MW energii elektrycznej przez większą część 23. i noc 23/24 stycznia.

Sytuacja rozwinęła się jednak inaczej. Prędkości wiatru były niespodziewanie niskie rano 23. stycznia a produkcja energii utrzymywała się na poziomie 9 500 MW. Gdy prędkość wiatru rosła, również produkcja prądu zaczęła rosnąć mniej więcej w południe i sięgnęła maksimum ok. 16:00. O tej porze wiatr był dostatecznie silny, by turbiny wiatrowe na północy kraju zaczęły się automatycznie wyłączać. (W branży nazywa się to zabezpieczeniem przed nadmierną prędkością obrotową i oznacza, że turbiny przestają w ogóle produkować prąd.) Zarządca sieci tego nie przewidział i moc pracujących turbin wiatrowych zaczęła spadać poniżej spodziewanego poziomu. O godzinie 21:00, moc turbin wiatrowych spadła do ok. 7 000 MW, niemal 4 000 MW poniżej przewidywanego poziomu. Moc spadała jeszcze przez całą noc, aby nieco zwiększyć się wcześnie rano następnego dnia.

Minimum produkcja prądu z turbin wiatrowych osiągnęła o 6:30 24. stycznia, wtedy różnica między mocą faktycznie produkowaną a spodziewaną przekroczyła 7 000 MW, albo ekwiwalent 4-5 dużych elektrowni opalanych węglem.

Taki przebieg wypadków jest nietypowy w dwójnasób. Po pierwsze, był ekstremalny. Nie udało mi się dotrzeć do danych dotyczących prędkości wiatru w Hiszpanii, ale zarządca sieci twierdzi, że w niektórych parkach wiatrowych prędkość wiatru sięgała 220 km/h. Dane z Francji sugerują, że Klaus spowodował najbardziej destruktywne wiatry na obszarze południowej części kraju (tej części, która znajduje się na północ od Hiszpanii) od 10 lat. W niektórych miejscach we Francji zgłoszono zniszczenie 1/3 drzew w lasach.

Po drugie, nikt nie przewidział takiej intensywności wiatru. Spodziewano się bardzo dużej ilości produkowanej energii elektrycznej, ale nie spodziewano się wiatru tak silnego, że turbiny zaczną się automatycznie wyłączać. Połączenie tych dwóch czynników spowodowało powstanie najtrudniejszej do wyobrażenia sobie sytuacji w systemie przesyłowym: spodziewano się dużej produkcji energii z elektrowni wiatrowych, ale ta produkcja nagle stała się nieosiągalna. Jeśli hiszpański system elektroenergetyczny mógł sobie z tym poradzić, mógłby również przetrwać niemal wszystkie inne nietypowe sytuacje powodowane przez odnawialne źródła energii.

I poradził sobie. Centrum dyspozycji mocy uruchomiło elektrownie wodne i szczytowo pompowe, tymczasowo także prąd sprowadzany był przez połączenia transgraniczne. W ciągu kilku godzin od nadejścia niespodziewanie gwałtownej burzy, system elektroenergetyczny znów był w stanie równowagi i już ok. godziny 22:00 23. stycznia (a więc kilka godzin przed wystąpieniem minimum produkcji z turbin wiatrowych) z powrotem eksportował prąd za granicę. Elektrownie węglowe i gazowe pracowały z dużą mocą tylko do godziny 23, gdy zapotrzebowanie na prąd zaczęło spadać w kierunku doliny nocnej.

Istotną cechą wiatru jest to, że jego natężenie spada powoli, nawet w tak ekstremalnych sytuacjach, jak spowodowane przez burzę Klaus. Poniżej jest wykres produkcji prądu z hiszpańskich turbin wiatrowych (o mocy zainstalowanej rzędu 15 000 MW) rozsianych na terenie całego kraju, ale skoncentrowanych głównie w pobliżu wybrzeża Atlantyku od miasta Vigo na północ. Na wykresie widać, że moc zmniejszała się stopniowo, niemal liniowo, tylko z małymi zaburzeniami. Około godziny 3:00, produkcja prądu zaczęła się stabilizować. Wykres powstał w oparciu o pomiary wykonywane tylko co 10 minut, i tylko dwa spośród 65 pomiarów wskazały spadek mocy o więcej, niż 5%.

Największy spadek odnotowany w tym okresie między dwoma pomiarami sięgnął 450 MW, miał miejsce dopiero dość późno, gdy dyspozycja mocy z powrotem kierowała nadwyżki prądu do elektrowni szczytowo-pompowych. Dyspozycja mogła natychmiast zmniejszyć ilość energii wykorzystywanej do pompowania wody do górnych zbiorników elektrowni w odpowiedzi na kilka przypadków drastycznego spadku mocy pracujących turbin.

Nauka wynikająca z tego zdarzenia jest głęboko optymistyczna. W hiszpańskim systemie elektroenergetycznym spodziewano się w nocy z 23. na 24. stycznia aż 45% udziału energii wiatrowej. Przez większą część nocy ten udział wyniósł tylko ok. 16%. System poradził sobie z tym problemem, nie było wyłączeń prądu.

Konsekwencje tych dwóch wydarzeń dla europejskiej energetyki wiatrowej

Krytycy energetyki wiatrowej, w szczególności w Wielkiej Brytanii, twierdzą, że wiatr jest tak nieprzewidywalny, że aż bezużyteczny. Straszą oni wizjami elektrowni gazowych pracujących tylko po to, by dostarczyć prąd, gdy wiatr nagle przestanie wiać. Twierdzą, że redukcja emisji dwutlenku węgla jest pomijalna, a koszt instalacji turbin olbrzymi.

Żadne z tych stwierdzeń nie jest prawdziwe. Studium tych dwóch hiszpańskich przypadków przedstawione w artykule wskazuje, że skuteczne zarządzanie siecią przesyłową pozwoli zagospodarować duże ilości energii elektrycznej produkowanej z wiatru bez większych problemów, przy założeniu, że elektrownie wodne i szczytowo-pompowe mogą być wykorzystywane do magazynowania energii elektrycznej a połączenia transgraniczne umożliwiają łatwy eksport i import prądu. Co równie istotne, emisja dwutlenku węgla z produkcji energii elektrycznej w Hiszpanii w czasie godzin szczytu w dniach 8-9. listopada jest szacowana przez REE na ok. 145 kg na kWh, mniej więcej 1/4 emisji dla Wielkiej Brytanii [a nawet 1/6 dla Polski — przyp. tłum.]. Wykorzystanie dużych ilości energii wiatrowej znacząco obniża emisję dwutlenku węgla wynikającą z produkcji energii elektrycznej.

A co z kosztem prądu z elektrowni wiatrowych? Operator hiszpańskiego systemu płaci właścicielom tamtejszych parków wiatrowych 75€ za 1 MWh w typowych warunkach a nawet 90€ za 1 MWh gdy ceny energii elektrycznej na rynku są nadzwyczajnie wysokie. Dla porównania, jest to znacznie mniej, niż zazwyczaj zarabiają operatorzy brytyjskich farm wiatrowych (za energię elektryczną i świadectwa pochodzenia energii ze źródeł odnawialnych).

Hiszpański system zatem a) poprawia bezpieczeństwo energetyczne kraju, b) obniża emisje dwutlenku węgla, c) kosztuje mniej za MWh niż wdrożony w Wielkiej Brytanii system wsparcia i d) zachęca do ciągłego uruchamiania dużej liczby kolejnych turbin wiatrowych. Inne kraje mogą się wiele nauczyć od Hiszpanii.

Przypisy

[1] Prezentacja „Wind energy development in Spain”, przedstawiona przez Luisa Atienzę, prezesa i CEO REE 03.04.2009 dla MIT Energy Club.

[2] Elektrownie szczytowo-pompowe spuszczają wodę przez turbiny gdy jest zapotrzebowanie na prąd. Woda spływa do dolnego zbilrnika. Gdy w systemie jest nadmiar energii, woda jest pompowana z powrotem do górnego zbiornika. Te systemy mogą wyprodukować prąd w ciągu pół minuty od wydania takiego polecenia. Duże elektrownie szczytowo-pompowe mają moc rzędu gigawatów, ale tylko mogą produkować energię przez kilka godzin. Są szczególnie przydatne do zabezpieczenia systemu przed niespodziewanymi wyłączeniami dużych elektrowni konwencjonalnych lub jądrowych, które mogą się zdarzać (choć rzadko) zupełnie bez uprzedzenia.

[3] System REE teraz pozwala na monitorowanie pracy większości pojedynczych turbin w czasie rzeczywistym. Z pewnością nie jest to normą w innych systemach elektroenergetycznych. Dane widoczne są natychmiast na stronie  http://www.ree.es/operacion/curvas_demanda.asp (w języku hiszpańskim).