Instalacje hybrydowe przyszłością OZE?

Wraz z odchodzeniem od paliw kopalnych i rosnącym zapotrzebowaniem na energię elektryczną, coraz większą popularnością cieszą się czyste źródła energii, takie jak energia słoneczna i wiatrowa. Działająca od 1926 roku firma doradcza Kearney ostatnio wypowiedziała się w temacie przyszłości OZE w gospodarce energetycznej.

Rosnąca popularność produkcji zielonej energii, pokazuje także ułomności tych technologii, które sprawiają, że powstająca tak energia często nie jest wykorzystywana optymalnie, a czasami wręcz marnowana. Antidotum na to mają być projekty hybrydowe, które łączą w jednym miejscu różne technologie wytwarzania energii elektrycznej uzupełnione o jej magazynowanie.

Michał Krawczyk z warszawskiego biura Kearney tłumaczy, że chcąc efektywnie gospodarować energią jej wytwórcy muszą zmienić dotychczasowy paradygmat i rozważyć wdrażanie projektów hybrydowych. Dziś, pozyskiwanie energii ze słońca i wiatru jest procesem niedojrzałym, a niewystarczający rozwój szerszego ekosystemu gospodarowania energią z OZE tworzy istotną lukę efektywnościową, zwłaszcza gdy mówimy o skali masowej. Praktycznym przykładem jest ograniczanie mocy wytwórczych OZE w momencie nadpodaży energii w celu ochrony infrastruktury przesyłowej. W tym roku zjawisko to wystąpiło po raz pierwszy w Polsce już 3 marca.

Podejście do sposobu generowania i wykorzystania zielonej energii, która jest motorem transformacji energetycznej powinno być od nowa przemyślane. Światowy boom na odnawialne źródła energii nie zwalnia.

W Europie, moc zainstalowana w fotowoltaice rośnie średnio o 20% rocznie, a w przypadku energii z wiatraków na lądzie o 8,5%

Ambitne cele w tym obszarze stawiają sobie nie tylko rządy, ale również energetyczni giganci. Do roku 2030:

ENEL Green Power (Włochy): planuje potroić swoją moc z OZE
EDPR (Portugalia): planuje dodać kolejne 50 GW mocy z OZE i osiągnąć neutralność emisyjną w produkcji energii elektrycznej
RWE (Niemcy): w planach ma rozbudowanie zielonej mocy o dodatkowe 35 GW

Na rynek OZE wkraczają również koncerny paliwowe:

BP: celuje w 50 GW mocy z OZE
ORLEN: planuje osiągnięcie 9-10 GW mocy z OZE w swoich instalacjach w Polsce

Unia Europejska stawia na odnawialne źródła energii i dąży do osiągnięcia neutralności emisyjnej do 2050 roku. Technologie OZE stają się coraz bardziej dostępne i tańsze, co zwiększa ich atrakcyjność dla inwestorów. To co ostatnio się dzieje na rynku produkcji energii pokazuje tylko, że najbliższa przyszłość energetyki należy właśnie do produkcji energii z tych źródeł. Inwestycje gigantów energetycznych w te technologie to nie tylko korzyści dla środowiska, ale również szansa na nowe miejsca pracy i rozwój technologiczny.

Niestety realizację tych ambitnych planów utrudnia szereg wyzwań technicznych i infrastrukturalnych. Przede wszystkim kwestie związane z wydajnością sieci oraz brakiem nowych przyłączy, które stają się “wąskim gardłem” w rozwoju energii odnawialnej. Problemem staje się również wydłużony czas dostawy dużych podstacji czy chociażby ceny turbin wiatrowych, które rok do roku wzrosły o ponad 30%.

„Zagadnienia te blokują rozwój energii odnawialnej zarówno w Polsce, jak i w wielu innych krajach. Opublikowane przez URE dane pokazały, że w 2022 roku odnotowano rekordową liczbę odmów wydania warunków przyłączeniowych. Z negatywną decyzją spotkały się moce o łącznej wartości równej 51 GW, notując znaczny wzrost w porównaniu do sytuacji z roku wcześniej (14 GW). Niemal połowa tych odmów związana była z brakiem odpowiednich warunków technicznych. Rozwój energii wiatrowej spowolniły natomiast kontrowersje związane z tzw. ustawą wiatrakową oraz dyskusja na temat lokalizacji elektrowni wiatrowych”, zauważa Michał Krawczyk.

Wyzwania po stronie przychodowej w rozwoju OZE: „krzywa kaczki” i jej wpływ na rynek

Czym jest zjawisko „krzywej kaczki” (ang. Duck Curve)?

Termin pierwszy raz został użyty 12 lat temu przez Karen Edson z Kalifornijskiego Niezależnego Operatora Systemu. O co dokładnie chodzi?

Otóż po naniesieniu scenariusza całkowitego zapotrzebowania na energię w ciągu dnia (24h), wykres bardzo przypomina siedzącą kaczkę. Schemat zużycia energii elektrycznej jest zmienny, ale przewidywalny. Zapotrzebowanie na energię jest najwyższe rano i potem spada utrzymując się na niższym poziomie w ciągu dnia, by następnie osiągnąć szczyt pod wieczór, a później w nocy ponownie spaść.

Problemem jest to, że w godzinach południowych i południowych, czyli w momencie, gdy instalacja fotowoltaiczna wytwarza największą ilość energii zapotrzebowanie na nią jest dużo mniejsze niż rano i w godzinach wieczornych. Wynika to przede wszystkim z faktu, że w południe większość osób jest w pracy lub szkole, a co za tym idzie w tym czasie nie zużywa energii elektrycznej w domu.

Zużycie prądu gwałtownie rośnie natomiast popołudniu, kiedy wszyscy wracają do domu. O tej porze dnia spada wydajność instalacji fotowoltaicznej, która ze względu na wysokość położenia słońca jest w stanie wyprodukować znacznie mniejszą ilość energii elektrycznej niż w południe.

Poniższa ilustracji obrazuje jak to wygląda na przykładzie w Californii.

Źródło ilustracji: Artykuł „Energy Storage and the California „Duck Curve””
Michael Burnett, Stanford University

Problem „krzywej kaczki” w branży fotowoltaicznej staje się coraz bardziej widoczny. Nadprodukcja energii słonecznej w ciągu dnia prowadzi do spadków cen, a wieczorem, gdy produkcja spada i rośnie zapotrzebowanie, ceny drastycznie wzrastają.

Skutki tego zjawiska:

• Niestabilność sieci przesyłowej: wahania cen i nadmiar energii w ciągu dnia mogą prowadzić do przeciążenia sieci i problemów z jej stabilnością

• Opłacalność projektów fotowoltaicznych: niskie ceny w godzinach największej produkcji mogą negatywnie wpływać na rentowność elektrowni słonecznych

Rozwiązaniem na to jest rozwój i modernizacja infrastruktury sieciowej. Inwestycje w inteligentne sieci i magazyny energii mogą pomóc w magazynowaniu nadwyżek energii i uwalnianiu ich w godzinach szczytowego zapotrzebowania, zaś opracowanie systemów inteligentnego sterowania produkcją i zużyciem energii może pomóc w zrównoważeniu podaży i popytu. Istotną rzeczą w tym wszystkim są także zmiany regulacyjne. Wprowadzenie nowych mechanizmów cenowych i systemów wsparcia może zwiększyć opłacalność inwestycji w OZE i zbalansować rynek.

Jak wskazują eksperci Kearney ważnym elementem w całej układance jest współpraca rządów, przedsiębiorstw energetycznych i regulatorów. Wspólne opracowanie strategii rozwoju i rozwiązań systemowych jest tym na czym powinniśmy się skupić. Wspieranie innowacji w zakresie technologii magazynowania energii i inteligentnych sieci oraz edukacja czyli podnoszenie świadomości społeczeństwa w temacie wyzwań i korzyści płynących z OZE muszą płynąć informacją do ludzi.

„Krzywa kaczki” to poważne wyzwanie dla rozwoju zielonej energii, ale nie jest ono nie do pokonania. Skoordynowane działania i odpowiednie rozwiązania technologiczne, regulacyjne i infrastrukturalne mogą zapewnić stabilny i zrównoważony rozwój dynamicznie rozwijającego się sektora energii odnawialnej.

Hybrydyzacja projektów odnawialnych

Hybrydyzacja OZE jest kluczem do stworzenia stabilnej i zrównoważonej energetyki. Pozwala na bardziej efektywne wykorzystanie dostępnych zasobów naturalnych. Połączenie różnych źródeł energii o różnych profilach produkcji może pomóc w lepszym dopasowaniu podaży energii do zmiennego zapotrzebowania. Przykładowo, szczytowe zapotrzebowanie na energię często występuje wieczorem, kiedy produkcja energii słonecznej spada. W tym czasie elektrownia wiatrowa lub wodna może uzupełnić niedobór energii.

Nie tylko zwiększa ogólną wydajność wytwarzania energii odnawialnej, ale także pozwala na lepsze dopasowanie do wzorców konsumpcji, minimalizując problem z nadprodukcją lub niedoborem energii.

Projekty tego typu są zdefiniowane jako współlokalizowane i współkontrolowane technologie wytwarzania i magazynowania energii np. fotowoltaika połączona z energią wiatrową i geotermalną oraz magazynami energii i ciepła.

Jak tłumaczy Michał Krawczyk, dzięki hybrydyzacji projekty będą bardziej opłacalne. Wpłynie to na stabilizacją przypływów finansowych ze sprzedaży energii.

W kontekście ekosystemu OZE uzupełnionego o magazynowanie i przetwarzanie energii możemy wydzielić cztery technologie szczególnie warte uwagi:

1. elektrownie szczytowo-pompowe – które są znanym od lat sposobem magazynowania i generacji energii w pikach.

2. baterie litowo-jonowe – które zyskują obecnie globalnie na popularności .

3. zielony wodór – który będzie jedną z najważniejszych technologii w przyszłości

4. baterie żelazowo-powietrzne – które są przykładem długoterminowego magazynowania energii (LDES)

Z perspektywy bezpieczeństwa energetycznego magazynowanie i przetwarzanie energii będzie pełnić funkcję stabilizatora systemu elektroenergetycznego. Krytyczne jest jednak wzięcie pod uwagę opłacalności ekonomicznej tego typu przedsięwzięć. Projekty magazynowania można zaklasyfikować jako rentowne w przypadku, w którym różnica między ceną sprzedaży natychmiastowej a ceną zbycia energii w terminie późniejszym przewyższa łączne koszty inwestycji i eksploatacji magazynu skorygowane o wydajność samego magazynowania.

W kontekście kosztów magazynowania przeliczonych na kWh, najtańszymi dostępnymi dziś technologiami są elektrownie szczytowo-pompowe oraz zielony wodór. Po drugiej stronie stawki plasują się baterie litowo-jonowe, które na obecnym etapie rozwoju stają się konkurencyjne kosztowo jedynie w przypadku inwestycji wielkoskalowych.

Wymienione wyżej technologie nie pozostają jednak bez wad. W kontekście planów inwestycyjnych elektrownie szczytowo-pompowe często odkładane są na dalszy plan ze względu na negatywny wpływ na środowisko i ograniczoną liczbę dostępnych lokalizacji dla takich inwestycji.

Opłacalność stosowania baterii litowo-jonowych, mimo obniżenia kosztów ich produkcji na przestrzeni ostatnich dekad, jest bardzo podatna na wahania globalnych cen minerałów napędzanych przez wzrost popytu ze strony producentów samochodów elektrycznych i bieżące konflikty geopolityczne.

W przypadku wodoru, największym powiązanym ryzykiem inwestycyjnym jest relatywna niedojrzałość technologiczna rozwiązań opartych na spalaniu wodoru, brak skali i odpowiedniej infrastruktury oraz rynków zbytu.

Kluczowe pytania

Projekty hybrydowe stają się kluczowym elementem w realizacji celów strategicznych przedsiębiorstw i całych systemów energetycznych. Chociaż hybrydyzacja sama w sobie nie jest ostateczną strategią, odgrywa znaczącą rolę we wspieraniu szerszych celów strategicznych, takich jak maksymalizacja wykorzystania mocy oraz poszerzenie i dywersyfikacja portfolio. Wraz z rozwojem technologii i obniżenia jej kosztów, hybrydyzacja może pozwolić na zwiększenie ogólnych marż osiąganych przez producentów energii z OZE.

Czy jednak hybrydyzacja OZE to zawsze najlepsze rozwiązanie?

Jak zauważają eksperci Kearney, nie każdy projekt może lub powinien być hybrydowy. Wdrażający takie rozwiązania muszą najpierw odpowiedzieć sobie na kilka zasadniczych pytań dotyczących tego, jak wpłynie to na poprawę kluczowych wskaźników związanych np. z rentownością projektu lub ilością dodatkowej mocy uzyskanej dzięki inwestycji.

Równie istotne są pytania dotyczące optymalnych kombinacji hybrydowych, które najlepiej odpowiadają zarówno potrzebom rynku, jak i wymaganiom technicznym. Kombinacje te muszą być dopasowane do lokalnych warunków, dostępności zasobów oraz celów specyficznych projektów, aby maksymalizować ich efektywność i rentowność.

„Decyzja o wdrożeniu projektu hybrydowego powinna być oparta na dogłębnej analizie kosztów, korzyści oraz celów strategicznych danego przedsiębiorstwa. Inwestycje w projekty hybrydowe, mimo istniejących wątpliwości dotyczących dojrzałości technologicznej niektórych kombinacji i wyzwań związanych z integracją systemową, potrafią oferować znaczące korzyści finansowe oraz operacyjne, jeżeli są przeprowadzone poprawnie”, dodaje Michał Krawczyk.

Wartość tych projektów wykracza również poza aspekty czysto finansowe, przyczyniając się do realizacji globalnych celów zrównoważonego rozwoju i redukcji emisji gazów cieplarnianych. Dlatego też angażowanie się w projekty hybrydowe jest nie tylko opłacalne, ale stanowi także szansę dla przedsiębiorstw dążących do bycia liderami zrównoważonej transformacji energetycznej.