Jeśli nie atom to co?

Problem ten sygnalizowałem już we wcześniejszym wpisie mówiąc o wyborze pomiędzy atomem, węglem i gazem (teoretycznie jeszcze ropą). Dość szybko pojawił się jednak komentarz, że taki wybór jest „fałszywy”, gdyż pomija inne możliwości, związane przede wszystkim z odnawialnymi źródłami energii. Ten temat zresztą pojawia się w debacie często – OZE jako alternatywa dla atomu. Czy jest to jednak sensowne postawienie problemu?

Otóż pod wieloma względami – nie jest. Wynika ono z braku zrozumienia dla sposobu w jaki funkcjonuje system elektroenergetyczny. Wielu uczestników dyskusji nie bierze bowiem pod uwagę dwóch faktów (które zresztą nie są oczywiste dla osób spoza branży energetycznej): po pierwsze nie jest wszystko jedno przy użyciu jakiej technologii i gdzie wytwarzana jest energia elektryczna. Po drugie produkcja energii nie jest jedyną rolą elektrowni (a przynajmniej nie każdej).

Przyjrzyjmy się tym zagadnieniom bardziej szczegółowo. Z punktu widzenia zwykłego odbiorcy energii elektrycznej nie ma znaczenia kto, gdzie, kiedy i czym ją wytwarza. Efekt dla użytkownika jest taki sam, energia w gniazdku nie ma koloru, zapachu ani smaku zależnego od sposobu produkcji, a urządzenia w „węglowej” Polsce nie działają ani lepiej ani gorzej niż w „wodnej” Norwegii. Prowadzi to do błędnego wniosku, że nie ma znaczenia skąd się tę energię bierze. Tak prosto jednak nie jest. Aby to zrozumieć, trzeba zastanowić się jak działa cały system elektroenergetyczny i jak się nim steruje, choćby w dużym uproszczeniu.

System energetyczny zasadniczo zakłada się z zakładów wytwórczych (elektrowni), sieci przesyłowych i dystrybucyjnych oraz odbiorców. W tym nie różni się szczególnie od systemów wytwarzania i sprzedaży innych dóbr użytkowych. Zasadniczą różnicę stanowi jednak brak możliwości magazynowania energii elektrycznej w systemie. Oznacza to, że w każdej chwili moc pobierana z systemu musi się równać mocy doń dostarczanej. Czyni to zagadnienie sterowania systemem co najmniej sporym wyzwaniem. Wyzwanie to dalej pogłębia ogromna liczba uczestników systemu – zarówno po stronie wytwarzania, jak i odbioru. Pierwsza na terenie Polski idzie w tysiące, druga – w miliony. Na dokładkę dochodzą jeszcze czysto techniczne ograniczenia w postaci ograniczonej przepustowości linii przesyłowych i mamy już zgrubny obraz trudności związanych ze sterowaniem całością. A sterowanie jest bardzo istotne. Każde niezbilansowanie mocy dostarczanej i odbieranej skutkuje zmianą parametrów energii – przede wszystkim zmianą częstotliwości. Jeśli moc dostarczana do systemu będzie niższa, niż pobór – częstotliwość spadnie. Jeśli wyższa – wzrośnie. A dla funkcjonowania systemu jako całości konieczne jest jej utrzymywanie na zadanym poziomie z bardzo wysoką dokładnością.

W przypadku systemu, w którym występują miliony niezależnych podmiotów (wytwórców i odbiorców) oczywiste wydaje się, że nie jest możliwe utrzymanie takiej równowagi bez jakiejś formy centralnej koordynacji. Wolny rynek energii, na którym wytwórcy i odbiorcy (na różnym poziomie – hurtowym i detalicznym) umawiają się co do ilości i czasu produkcji/poboru, zapewnia oczywiście zgrubną równość poboru i generacji, ale jest to poziom dokładności daleko niewystarczający. Poza tym plany mają to do siebie, że nie zawsze się sprawdzają. Stąd też w systemach elektroenergetycznych funkcjonują wyspecjalizowane podmioty zwane operatorami systemowymi. Najwyżej na szczeblu krajowym stoi operator systemu przesyłowego (OSP) – w Polsce rolę tę spełnia spółka Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A. OSP nie handluje energią ani jej nie wytwarza. Jego jedynym zadaniem jest zapewnienie bezpiecznej i niezawodnej pracy systemu przy utrzymaniu wymaganych parametrów – m.in. częstotliwości sieciowej, która w Europie wynosi 50 Hz.

Operator jednak nie ma – i nie może mieć – wpływu na wszystkie elementy systemu. Oczywistym jest, że (z wyjątkami sytuacji awaryjnego odłączenia) nie ma wpływu na odbiorców. Nie może też mieć wpływu na wszystkich wytwórców. Jest ich po prostu zbyt wielu. Z tego powodu w każdym systemie określone elektrownie pełnią rolę tzw. elektrowni systemowych (inną nazwą stosowaną w Polsce są Jednostki Wytwórcze Centralnie Dysponowane, JWCD). To nad tą grupą zakładów operator systemowy ma zdalną kontrolę, te same zakłady posiadają też rozbudowane układy automatycznej regulacji reagujące bez przerwy na drobne odchyłki w parametrach pracy sieci. Logiczne jest, że z jednej strony takich elektrowni nie może być ich zbyt wiele, a z drugiej muszą zapewniać zdolność regulacyjną, czyli mieć odpowiednio dużą łączną moc. Z tych powodów rolę elektrowni systemowej pełnią największe bloki energetyczne w danym systemie.

Używając prostej analogii rola operatora systemu przesyłowego i układów centralnej dyspozycji mocy jest podobna do tej jaką spełnia tempomat (a przy większych zakłóceniach – kierowca) w samochodzie. Tak jak tempomat i kierowca w samochodzie dostosowują moc silnika do aktualnego obciążenia (wynikającego z jakości drogi, jej nachylenia, prędkości wiatru i wielu innych drobnych zmiennych) w celu utrzymania stałej prędkości, tak układy automatycznej i ręcznej regulacji w dyspozycji OSP dostosowują moc bieżącą sterowanych elektrowni do bieżącego obciążenia. Trudność polega jednak na tym, że w systemie elektroenergetycznym operator nie na wszystkie elektrownie ma wpływ. To trochę tak, jakby w samochodzie zainstalowany był drugi silnik, na którego pracę kierowca (ani tym bardziej tempomat) nie ma wpływu. Proszę sobie wyobrazić jazdę takim pojazdem. Oczywiście, póki ten drugi silnik jest relatywnie niewielki, a jego moc nie zmienia się zbyt gwałtownie, to sytuacja jest do opanowania. Ale im większy ten "dodatkowy" silnik, tym większe problemy z utrzymaniem prędkości jazdy. Zbyt duży lub zbyt nieprzewidywalny przeszkadzałby zamiast pomagać. Dokładnie tak samo dzieje się w systemie elektroenergetycznym.

Zapewnienie możliwości sterowania systemem i utrzymania jego stabilności jest jednym z kluczowych zadań elektrowni systemowych, ale nie jest jedynym. Inną ważną ich funkcją jest zapewnianie utrzymania pracy sieci w przypadku poważnych awarii. System elektroenergetyczny musi być bowiem przygotowany i na takie zdarzenia, i po wytrąceniu z równowagi (co zawsze jest możliwe, choćby wskutek klęski żywiołowej) nie może się cały rozsypywać jak domek z kart. Dlatego od elektrowni systemowych wymaga się dużo wyższej zdolności do „przetrwania” zjawisk awaryjnych. Takie zjawiska to może być zbyt duża i nieopanowana odpowiednio szybko odchyłka częstotliwości. Albo poważne zwarcie w sieci przesyłowej niedaleko od elektrowni. Większość zakładów w takich sytuacjach wyłączy się automatycznie dla ochrony własnych urządzeń. Elektrownie systemowe mają jednak zapewniać większy margines bezpieczeństwa, a co za tym idzie dłuższy czas reakcji dla operatorów. W praktyce może wyglądać to tak, że w wyniku dużej awarii (np. przerwania połączeń transgranicznych, przez które akurat następuje import energii) następuje niezbilansowanie systemu. Częstotliwość natychmiast spada. Jeśli zakłócenie jest dostatecznie duże, nawet rozbudowane systemy automatycznej regulacji nie zdążą zareagować. Co więcej zakłady mniej odporne na odchyłki częstotliwości zaczną się automatycznie odłączać, co tylko pogłębia problem. W takiej sytuacji operator systemu zastosuje środek obrony brutalny i prosty – odłączenie dużych grup odbiorców, może nawet całych regionów kraju, po to by sieć nie załamała się do końca. Żeby w ruchu pozostał szkielet systemu, od którego będzie można przystąpić do względnie szybkiej odbudowy. Tym szkieletem są właśnie połączone siecią przesyłową najwyższych napięć elektrownie systemowe. Elektrownie zaopatrzone w dużo bardziej złożone układy zabezpieczeń, zapewniające operatorowi czas na reakcję.

Skoro już z grubsza wiadomo czym jest i do czego służy elektrownia systemowa, to można zastanowić się co elektrownią systemową może być, a co takiej funkcji pełnić nie może. Wymogi wydają się proste: elektrownia musi podlegać przewidywalnemu sterowaniu (a więc nie może być całkowicie zależna od kaprysu pogody) i musi być przyłączona do sieci przesyłowej, najlepiej najwyższego napięcia (żeby „efekty” jej działania miały wpływ na duży obszar). Z tego nie wynika bezpośrednio, że musi być to zakład duży, jednak tu „interweniuje” ekonomia. Instalacja odpowiednich układów sterowania, jak również przyłącza do sieci wysokich napięć małego zakładu jest po prostu mało opłacalna i efektywna. Ot skórka niewarta wyprawki.

W praktyce rolę elektrowni systemowych na świecie pełnią zasadniczo duże elektrownie węglowe, gazowe, olejowe, jądrowe oraz wodne. Duże (względem danego systemu), scentralizowane zakłady przyłączone do sieci przesyłowej. Z zasady nie pełnią jej natomiast zakłady energetyki rozproszonej, przyłączane do lokalnych sieci dystrybucyjnych i wyposażone w prostsze układy sterowania i zabezpieczeń. W szczególności roli tej nie pełnią elektrownie wiatrowe i fotowoltaiczne, których praca jest zbyt nieprzewidywalna (a które dodatkowo w prawodawstwie wielu krajów cieszą się absolutnym priorytetem odbioru energii). W niektórych przypadkach może tu zresztą istnieć przeszkoda techniczna w postaci zbyt małej bezwładności generatora, niepozwalającej na utrzymanie pracy przy zakłóceniach w systemie.

I teraz nadchodzi czas, by wrócić do problemu polskiego. W Polsce elektrownia jądrowa ma oczywiście pełnić rolę elektrowni systemowej. A nowe elektrownie systemowe są Polsce bardzo potrzebne. Spośród 117 istniejących jednostek w XXI wieku zbudowano raptem trzy (Bełchatów-14, Łagisza-10 oraz Pątnów II), a od 1990 roku – siedem (dodatkowo cztery bloki Elektrowni Opole, wykorzystujące technologię rodem z lat 70.), a kolejnych sześć poddano bardzo głębokiej modernizacji (w Elektrowni Turów). Reszta natomiast ma już po ćwierć wieku albo więcej. Te zakłady będą niebawem wymagały wymiany. Pierwsze zostaną wyłączone jeszcze w tym roku.

Z drugiej strony rozwijające się dynamicznie odnawialne źródła energii są niemal w całości przypisane do sektora energetyki rozproszonej. Wyjątkiem są tu elektrownie wodne dużej skali (ale w Polsce nie ma w zasadzie możliwości budowy dużych zakładów tego rodzaju) oraz ewentualnie większe bloki geotermalne (do których także nie mamy warunków geograficznych). Teoretycznie nie ma technicznych przeciwwskazań, by rolę elektrowni systemowych pełniły także zakłady opalane biomasą, ale ich skala na ogół na to nie pozwala. Pozyskanie biomasy dla naprawdę dużego zakładu jest po prostu zbyt skomplikowane, tak logistycznie, jak i ekonomicznie. I zbyt niepewne.

Oczywiście nie można dziś zakładać, że bariery o których mowa są technicznie nie do pokonania. Zapewne są. Nowoczesne techniki sterowania, powiązane z odpowiednim wkładem kapitałowym i nowymi mechanizmami rynkowymi, z pewnością będą w stanie przesunąć granicę między energetyką systemową a rozproszoną. Być może kiedyś nawet całkowicie ją zatrzeć. Ale to będzie kiedyś. My natomiast potrzebujemy rozwiązania problemu, który staje się palący. Nie możemy czekać na bliżej nieokreślony postęp techniki, który umożliwi „trzecią rewolucję przemysłową”, bo zanim się doczekamy, zgaśnie nam światło. Tak więc w obecnym horyzoncie planowania strategicznego – do roku 2030 czy 2040 – pozostaje nam powtórzenie rozwiązań tradycyjnych. Zastosowanie – jak to pisze wiele osób z pogardą – technik XX wieku. A te ograniczają się w naszym przypadku do węgla, ropy, gazu i atomu. Odnawialne źródła energii nijak nie stanowią tu rozwiązania. Co jednocześnie w żaden sposób nie stanowi argumentu przeciwko nim – one po prostu pełnią w systemie zupełnie inną funkcję.

No dobrze, można spytać, jeśli to takie oczywiste, to dlaczego Niemcy…? Prawda jest taka, że Niemcy w istocie czynią tak samo, tyle że mają kilkanaście lat przewagi w procesie modernizacyjnym energetyki systemowej. Ale o tym w osobnym poście.