Elastyczność systemu elektroenergetycznego – kluczowy czynnik dla transformacji energetycznej

W niniejszym artykule Albert Moser, profesor w Instytucie Urządzeń i Sieci Wysokiego Napięcia, Cyfryzacji i Ekonomii Energetyki na Uniwersytecie RWTH Aachen, Jochen Kreusel, globalny dyrektor ds. innowacji rynkowych w Hitachi Energy, Alexandre Oudalov, menedżer ds. systemów zasilania przyszłości w Hitachi Energy, analizują definicję elastyczności systemu elektroenergetycznego i wyjaśniają, w jaki sposób narzędzia elastyczności kształtują neutralny węglowo system elektroenergetyczny.

Definicja elastyczności

Przeprowadziliśmy szeroko zakrojone badania nad dokładną definicją elastyczności systemu elektroenergetycznego i zdumiewające, jak wiele istnieje różnic interpretacyjnych. Elastyczność rozumiemy jako nieustanną zdolność systemów elektroenergetycznych do radzenia sobie ze zmiennością i niepewnością.

Elastyczny system elektroenergetyczny jest kluczem do zarządzania operacjami - zarówno w normalnych warunkach, jak i w czasie zakłóceń o wysokim prawdopodobieństwie, zawsze zapewniając wystarczające bezpieczeństwo dostaw energii. Rozwiązania w zakresie elastyczności są w stanie reagować w dowolnym czasie, od milisekund do lat, wpływając na stabilność, niezawodność i adekwatność systemu elektroenergetycznego (patrz: rysunek 1).

Przyszły system energetyczny będzie musiał szybko dostosowywać się do wszelkich zmian operacyjnych, niezależnie od tego, czy będzie to nieplanowane wyłączenie dużej elektrowni, czy też wysoki wzrost lub spadek produkcji energii odnawialnej zależnej od pogody. Bez względu na to, czy zdarzenie wystąpi nagle i raz na kilka minut, czy też będzie trwać tygodniami w okresie wysokiego zapotrzebowania, celem zawsze musi być znalezienie rozwiązania przy najniższych kosztach i minimalnym wpływie na konsumentów.

Pomiary elastyczności

Skoro elastyczność staje się tak ważna, jak możemy ją zmierzyć, aby zidentyfikować potencjalne niedobory i przewidzieć przyszłe potrzeby w zakresie elastyczności? Uważamy, że najprostszą miarą ilościowego określenia elastyczności systemu elektroenergetycznego jest ustalenie, jak skutecznie może on przywrócić równowagę między podażą a popytem po każdej zmianie. Jak szybko elastyczna zdolność systemu może wzrosnąć lub spaść w okresach niedoboru lub nadprodukcji energii odnawialnej? Ważne jest również, aby ocenić, czy system może szybko i ekonomicznie reagować na krótkie i długotrwałe przypadki braku równowagi podaży i popytu oraz czy może, w ekstremalnej sytuacji, sprostać najwyższemu szczytowi popytu.

Wyzwanie związane z rosnącym obciążeniem netto (residual load)

Przy definiowaniu elastyczności ważne jest również zrozumienie rosnącej roli obciążenia resztkowego. Podczas gdy w przeszłości zapotrzebowanie na energię elektryczną było w dużej mierze przewidywalne w ciągu dnia, szybko rosnące przyłącza zmiennej mocy energii odnawialnej, zwłaszcza fotowoltaiki, spowodowały pogłębiające się zakłócenia między momentem największego zapotrzebowania na energię elektryczną a szczytem produkcji. Obciążenie netto (ang. residual load) definiuje się jako całkowite zapotrzebowanie sieci energetycznej pomniejszone o produkcję energii elektrycznej ze zmiennych odnawialnych źródeł energii. Zarządzanie obciążeniem netto staje się coraz ważniejsze, ponieważ charakteryzuje się ono niezwykle szybkim tempem zmian w sieci. W tym przypadku zasoby zapewniające elastyczność są niezbędne do minimalizowania ograniczeń związanych z czystą energią elektryczną.

Ta zmiana w profilu obciążenia netto była szczególnie widoczna na niemieckim rynku energii, na którym zainstalowana moc fotowoltaiki wzrosła między 2008 r. a 2022 r. dziesięciokrotnie - z około 6,1 GW do ponad 67,5 GW. Do 2030 r. niemiecki rząd zamierza zainstalować moc fotowoltaiczną na poziomie 215 GW, co wskazuje, że to odnawialne źródło energii będzie nadal zwiększać swój wpływ na niemiecki rynek. W rezultacie profil obciążenia netto w Niemczech ewoluował od typowego kształtu „kaczki" do kształtu „kanionu", uwypuklając obecne potrzeby rynku w zakresie stromych wzrostów.

Elastyczność w przeszłości

Chociaż obecne dyskusje mogą prowadzić do takiego wniosku, elastyczność w systemie elektroenergetycznym wcale nie jest nowością. W przeszłości - i do pewnego stopnia nadal z niej korzystamy w naszym systemie energetycznym - elastyczność zapewniały duże elektrownie, które mogły dodawać lub wycofywać dostawy energii elektrycznej, po prostu spalając więcej lub mniej paliwa, głównie gazu ziemnego lub węgla.

Nawet w bardzo dużym systemie elektroenergetycznym, takim jak ten w Europie kontynentalnej, było to zaledwie kilkuset dostawców rozwiązań z zakresu elastyczności, z których usług można było stosunkowo łatwo skorzystać przy przewidywalnych i stabilnych wzorcach zapotrzebowania na energię elektryczną. Oznaczało to, że energia elektryczna była kupowana dokładnie zgodnie z przewidywanym zapotrzebowaniem; ujemne ceny z powodu nadpodaży, których obecnie coraz częściej jesteśmy świadkami, były niespotykane. W tym systemie elastyczność była raczej produktem ubocznym scentralizowanej, wysoce dyspozycyjnej maszyny do produkcji energii.

Wpływ warunków pogodowych

Elastyczność staje się obecnie centralnym elementem proaktywnego systemu energetycznego potrzebnego w gospodarce neutralnej węglowo. Oprócz wpływu obciążenia netto, rosnąca zależność od produkcji energii odnawialnej wymusiła również bezpośrednią zależność od warunków pogodowych. Niespodziewanie spokojne dni mogą mieć ogromny wpływ na potrzeby bilansowania sieci, podobnie jak okres bardziej słonecznej pogody niż oczekiwano.

Regionalne wzorce pogodowe stanowią wyjątkowe wyzwanie dla rynków energii elektrycznej w różnych częściach świata. Na przykład na Bliskim Wschodzie burze piaskowe mogą poważnie zakłócić produkcję energii fotowoltaicznej (PV) przez okres kilku dni. Podobnie Europa doświadcza zjawiska charakteryzującego się zmniejszonym poziomem światła i wiatru, które spowalnia produkcję energii odnawialnej, często występując w miesiącach zimowych o wysokim popycie. Dodatkowo, w niektórych krajach azjatyckich monsuny - z ich gęstym zachmurzeniem - mogą powodować długotrwałe przerwy w produkcji energii słonecznej.

Jednocześnie warunki pogodowe w innych regionach mogą powodować nadpodaż energii odnawialnej, przekraczającą rzeczywiste zapotrzebowanie. Nadwyżka ta może potencjalnie prowadzić do znacznego ograniczenia zielonej energii elektrycznej, co jest zjawiskiem niespójnym z globalnymi wysiłkami na rzecz osiągnięcia celów zerowej emisji netto. Ograniczenia są najwyższe w systemach energetycznych, w których środki elastyczności są dość małe lub nie istnieją, a wraz ze wzrostem mocy energii odnawialnej na całym świecie, narzędzia elastyczności będą stawały się coraz ważniejsze.

W krajach takich jak Japonia i Irlandia oraz w amerykańskim stanie Kalifornia zaobserwowaliśmy silną korelację między rosnącym udziałem zmiennych odnawialnych źródeł energii (VRES) a ograniczeniami.

Należy podkreślić, że konieczność radzenia sobie ze zmiennością i niepewnością w przyszłych systemach energetycznych będzie rosnąć. Potrzeba ta jest napędzana trwającą transformacją energetyczną w kierunku dekarbonizacji wytwarzania energii poprzez integrację bardziej zależnych od pogody odnawialnych źródeł energii. 

Cztery wymiary elastyczności

Zidentyfikowaliśmy cztery wymiary, które naszym zdaniem mają kluczowe znaczenie dla radzenia sobie z rosnącą zmiennością i niepewnością, jakie niesie ze sobą przyszły neutralny węglowo system energetyczny: elastyczność po stronie podaży, elastyczność po stronie popytu, magazynowanie energii oraz aktywne sieci przesyłowe i dystrybucyjne. Technologie cyfrowe odgrywają kluczową rolę w zwiększaniu elastyczności systemów energetycznych, działając jako katalizator, zapewniający optymalny wkład wszystkich czterech obszarów. Ułatwiają to w różnych skalach czasowych i lokalizacjach, wykorzystując połączone zasoby w celu uzyskania maksymalnej wydajności i zdolności adaptacyjnych.

Zapraszamy również do innego naszego artykułu, w którym przyglądamy się bliżej kluczowym segmentom technologii i temu, w jaki sposób każdy z nich przyczynia się do bardziej elastycznego systemu zasilania.