Dobra prognoza dla OZE w Polsce
Opracowanie: dr B. Bochenek, prof. dr hab. inż. Mariusz Figurski, dr inż. M. Gruszczyńska, M. Grzelczyk, dr A. Jaczewski, dr A. Mandal, dr A. Mazur, T. Strzyżewski, dr J. Wieczorek Centrum Modelowanie IMGW-PIB i dr inż. J.Jurasz Politechnika Wrocławska.
Rynek instalacji OZE w Polsce dynamicznie się rozwija, zwłaszcza w segmencie mikroinstalacji. To dobry kierunek. Zwłaszcza w ujęciu poszukiwania czystych źródeł energii, a w dobie klimatycznych wyzwań i rosnących cen energii – zaspokajania zapotrzebowania na energię. Programy wspierające inwestycje OZE stanowią pewną zachętę i bywają pomocne, natomiast o ile wzrasta moc instalacji, tak niezmiennie wartą optymalizacji pozostaje kwestia dystrybucji energii w sieci energetycznej i maksymalizacja autokonsumpcji u prosumenta. I tu realną pomocą mogą być prognozy uzysku mocy ze źródeł OZE, uwzględniające zmienność warunków meteorologicznych.
Zmiana klimatu, cele energetyczne a produkcja OZE w Polsce
Przyjęcie pakietu „Fit for 55” przez Radę Europy, wyznacza jeszcze bardziej ambitne cele realizacji polityki klimatycznej przez państwa UE – do 2030 roku ponad 40 % energii w miksie energetycznym ma pochodzić z OZE [1]. Zmiany w polityce energetycznej mają stanowić realne wsparcie w misji ograniczania emisji gazów cieplarnianych. Druga strona tego problemu to wzrost globalnej temperatury powietrza i adaptacja mieszkańców do życia w warunkach większej zmienności pogody, narażenia na zjawiska ekstremalne czy długookresowe obciążenie gorącem. Niezależnie od urzeczywistnienia się scenariusza zmiany globalnej temperatury powietrza – przyrostu o 1.5°C czy 2°C, najnowsze symulacje wskazują, że regionami, gdzie zapotrzebowanie na energię wzrośnie w największym stopniu – zwłaszcza na cele zapewnienie chłodzenia (zagadnienie tzw. CDDs, ‘cooling degree days), będzie m.in. Europa Środkowa i Północna [2]. Potrzeba zatem dobrego planu na organizację systemu energetycznego, najlepiej projektując wykorzystanie zasobów OZE. Natomiast w skali Polski, w zużyciu krajowym brutto nadal brakuje do uzyskania choćby 20% udział zielonej energii w miksie energetycznym. Podczas gdy udział OZE w krajowej produkcji stale rośnie, zwłaszcza w segmencie instalacji prosumenckich. W przypadku źródeł fotowoltaicznych w rekordowym tempie – przyrost o 176% w roku 2020 w stosunku do roku 2019. Na ich tle elektrownie wiatrowe z zaledwie 4% przyrostem, choć pod względem produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych nadal plasują się na pierwszym miejscu w Polsce [3].
Potencjał wykorzystania zasobów słonecznych i wiatrowych
Firmy doradztwa inwestycyjnego w sektorze mikroinstalacji OZE, jak i sami inwestorzy mają już stosunkowo dobre teoretyczne rozpoznanie sezonowej i dobowej zmienności zasobów użytkowych energii wiatru i promieniowania słonecznego. W dużym uproszczeniu można przyjąć, że okres największej produkcji energii elektrycznej w systemach instalacji PV w ujęciu dobowym przypada na miesiące ciepłej połowy roku od kwietnia do października, natomiast w instalacjach wiatrowych w okresie chłodnej – od grudnia do kwietnia (Rys. 1). Łączenie generacji mocy z obu wskazanych źródeł w warunkach klimatu Polski wydaje się zatem rozwiązaniem komplementarnym. Właściciele tego typu instalacji wskażą również na uzupełnianie się energii ze źródeł naturalnych w przebiegu dobowym. Bowiem o ile generacja energii w systemach PV uwarunkowana będzie porami wschodu i zachodu słońca, tak w dniach o typowym przebiegu lokalnej cyrkulacji powietrza, większych uzysków mocy w instalacji wiatrowej można się zwykle spodziewać w godzinach nocnych.
Rys. 1. Przebieg dobowy nasłonecznienia i prędkości wiatru w kolejnych dniach roku 2022 dla lokalizacji stacji synoptycznej IMGW-PIB w Sulejowie
W perspektywie rocznej można przyjąć w przybliżeniu, że turbiny wiatrowe pracować będą na poziomie mocy znamionowej średnio przez 25% godzin w roku, natomiast w przypadku instalacji fotowoltaicznych będzie to średnio około 12% godzin w roku [4]. Jednak dopiero uwzględnienie synoptycznej zmienności warunków zachmurzenia i przepływu powietrza pozwala na realną ocenę spodziewanych uzysków. A te, ze względu na powyższe uwarunkowania, mogą znacznie różnić się nawet w sąsiednich lokalizacjach lub w kolejnych terminach dla tej samej lokalizacji. Dlatego nie sposób w horyzoncie sezonowym przewidzieć jaki będzie przeciętny bilans dobowy produkcji dla danej lokalizacji. Ponadto lista najkorzystniejszych pod względem bilansu rocznego lokalizacji może również podlegać niewielkiej zmienności w zależności od roku. Z pewnością warto przyjąć, że w kolejnych dniach roku wartości współczynnika wykorzystania mocy znamionowej danej instalacji OZE na poziomie 70-80 % dotyczyć będą raczej pojedynczych i stosunkowo krótkich okresów czasu.
Dobry wgląd w zmienność warunków generacji mocy
Rys. 2. Moc generowana w systemie PSE [MWh] w dniach 6-8 października 2023
Dobrym do ilustracji przykładem zmienności generacji w kolejnych dniach jest drugi weekend października 2023. W niedzielę 8 października instalacje OZE na poziomie krajowym wygenerowały rekordowy uzysk energii, pokrywający aż 97% zapotrzebowania odbiorców w Polsce [5]. Z kolei w piątek i sobotę dostarczyły łącznie mniej mocy, a przychody na poziomie krajowym systemu PSE różniły się znacznie w zależności od źródła generacji (Rys. 2). Wspomniane różnice były uwarunkowane dynamiczną sytuacją meteorologiczną – przejściem frontu atmosferycznego nad Polską, z czym związany był wzrost prędkości wiatru w sobotę 7.10.2023. Natomiast za frontem rozbudowa zachmurzenia wpłynęła na wyraźną redukcję promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni tego dnia (Rys. 3).
Rys. 3. Minutowe natężenie promieniowania całkowitego [W/m2] i 10-min średnia prędkości wiatru [m/s] zarejestrowane na stacjach Mikołajki i Sulejów w dniach 06-08.10.2023
Wspomniana ogólna zmienność zasobów OZE w trzech kolejnych dobach początku października była podobna co do tendencji w całej Polsce, natomiast krótkookresowa zmienność już bardziej zróżnicowana w odniesieniu od lokalizacji. Co miało wpływ na produktywność instalacji wiatrowych i fotowoltaicznych (Rys. 4). Gdyby uwzględnić predykcje wykorzystania mocy znamionowej małej turbiny wiatrowej* – przy założeniu stabilności warunków w okresie godzinnym – to w sobotę 7 października instalacja taka miała szansę pracować nawet na poziomie niemal 90 % mocy znamionowej w Mikołajkach, natomiast w Sulejowie do 63%. W sobotę 7 października, po przejściu frontu atmosferycznego i większych przejaśnieniach wzorcowa instalacja fotowoltaiczna w Mikołajkach mogła pracować ze średnią godzinową generacją mocy na poziomie do 51 % mocy znamionowej, podczas gdy identyczna instalacja w Sulejowie, gdzie zachmurzenie znacznie ograniczało dopływ promieniowania słonecznego, jedynie na poziomie do 17 % mocy. Ze względu na lokalny przebieg zachmurzenia i jego istotny wpływ na możliwość generacji mocy (w Polsce liczba dni pogodnych zaledwie w siedmiu lokalizacjach stacji synoptycznych przekracza 100% [6]) stosując krzywe maksymalnego promieniowania dla lokalizacji geograficznej spodziewane uzyski mogą okazać się znacząco przeszacowane. Przygotowanie bardziej precyzyjnych prognoz szacowania potencjalnych uzysków, nawet w obrębie przedziałów godzinowych, wymaga uwzględnienia prognoz numerycznych modeli pogody.
Rys. 4. Godzinowa wartość prognozowanego wykorzystania mocy znamionowej w systemach wiatrowych i PV dla lokalizacji instalacji Mikołajki i Sulejów w dniach 6-8 października 2023. *Jako instalację wiatrową przyjęto teoretyczny wzorzec, bez odniesienia opłacalności takiego rozwiązania; o średnicy turbiny 1m2, zainstalowanej mocy znamionowej 8.2 kW i wartości progowej użytecznej prędkości wiatru rzędu 3 m/s na poziomie 10 m n.p.g Moduł PV o mocy wzorcowej 1kW, nachyleniu 30 stopni i ekspozycji w kierunku południowym (180°).
Od niewiadomej do prognozy
W specyfikacji każdej instalacji określono spodziewane uzyski, natomiast zwykle moc generowana w czasie takich testów przewyższa tę, z którą faktycznie pracuje instalacja, nawet stosunkowo nowa [7]. Choć postęp w inżynierii i konstrukcji ogniw jest wyraźny [8] to nadal finalny uzysk mocy w instalacjach PV uwarunkowany jest szeregiem dodatkowych, poza meteorologicznych czynników. Przyjmując efekt zabrudzenia i strat na inwerterze i okablowaniu w wyniku nagrzania ogniwa (wzorcowo zakłada się pracę w temperaturze instalacji 25 stopni Celsjusza – w realiach okresu letniego panele potencjalnie będą nagrzewać się do 50-60 stopni, stąd ich efektywność będzie dużo niższa) w bardzo korzystnych warunkach należy spodziewać się uzysków w systemach PV przeważnie na poziomie do 80 % mocy znamionowej. Największe osiągi spodziewane są w dniach z dużym i niezakłóconym dopływem promieniowania słonecznego oraz gdy nie dojdzie do nadmiernego nagrzania powierzchni instalacji, stąd również w okresie wyżowej pogody zimą godzinowe uzyski mogą pozytywnie zaskakiwać. O ile w dniach pogodnych wiadomo w przybliżeniu, jakich uzysków może spodziewać się właściciel instalacji, o tyle problem pojawia się, gdy stopień pokrycia nieba chmurami oraz charakter zachmurzenia (chmury w piętrach, ich rodzaje) zmieniają się w przebiegu dnia. A w klimacie Polski zdecydowana większość przypadków to dni z zachmurzeniem częściowym, które dodatkowo może ulegać zmianom w ciągu doby. Wówczas odpowiedź na pytanie: ile energii wygeneruje instalacja, a ponadto czy generacja pokryje zapotrzebowanie lub zbilansuje zużycie, bywa zdecydowanie bardziej problematyczna. Nawet gdy instalacja wykorzystuje zarówno zasoby słoneczne jak i wiatrowe. Duża zmienność z dnia na dzień, a w najgorszym ujęciu łączne występowanie zjawiska ciszy wiatrowej i z zaleganiem warstwy chmur piętra niskiego, mogą niestety występować jednocześnie. Choć zwykle nawet przy pogodzie tego typu w przebiegu dobowym występują okresy z nieco lepszą generacją mocy. Jak zatem je wykorzystać?
Jak optymalnie planować wykorzystanie energii generowanej we własnej instalacji?
Skoro długookresowe strategie, w nawiązaniu do powyższej specyfiki OZE, są trudne do wypracowania warto skupić się na możliwościach jakie stwarza wykorzystanie prognoz OZE (https://cmm.imgw.pl/?page_id=37629). Generowane z krokiem czasowym 1 godziny, w horyzoncie kolejnych 72 godzin, wskażą okresy o potencjalnie najlepszym uzysku mocy, spodziewanym w danych warunkach pogodowych. Większość urządzeń elektrycznych, których praca wiąże się z wykorzystaniem większych zasobów energii w określonym czasie posiada możliwość programowania pracy. Znając prognozy generacji mocy można zatem z dobrym rozeznaniem zaplanować jej autokonsumpcję, zamiast (często błędnie) zakładać, że typowo największa generacja ze źródeł PV przypadnie na godziny południowe, lub że warunki wiatrowe w okresie wieczornym będą słabsze (Rys. 5). I warto taką wiedzę o zużyciu energii przez sprzęty we własnym gospodarstwie domowym sobie zbudować. Choćby po to, by uniknąć przekroczenia limitów (obecny 2000 kWh dla gospodarstwa, 2600 kWh jeśli w gospodarstwie zamieszkują osoby niepełnosprawne lub 3000 kWh dla gospodarstw z tzw. Kartą Dużej Rodziny lub seniorów zamieszkujących z co najmniej trójką dzieci) i podwyżek cen energii w kolejnym roku. A zliczając jedynie średni roczny pobór energii lodówki, pralki, płyty indukcyjnej i piekarnika do tego limitu już bardzo blisko [9] Poboru energii przez urządzenia pracujące w trybie ciągłym – jak lodówka, trudno zoptymalizować ale wobec pozostałych, zwłaszcza gdy pracują w tym samym czasie, mamy duży wpływ na optymalizację zużycia, choćby wybierając najlepszy termin ich pracy. Jednym z najbardziej energochłonnych sprzętów gospodarstwa domowego jest płyta indukcyjna – w skali roku może generować średnie obciążenie dla domowego budżetu rzędu 750 zł. A gdyby tak rozplanować przygotowanie posiłków w okresach prognozowanych nadwyżek produkcji OZE? Idea ‘Smart Home’ zyskuje dodatkowe wsparcie z Serwisem Prognoz OZE (https://cmm.imgw.pl/?page_id=37629).
Rys. 5. Przebieg generacji mocy ze źródeł wiatrowych i słonecznych w Mikołajkach w dniu 6 października 2023, a planowanie konsumpcji energii elektrycznej wygenerowanej w instalacji OZE.
Jak korzystać z prognoz w Serwisie OZE
Jak każde predykcje również prognozy OZE zostały opracowane z uwzględnieniem założeń i uproszczeń. Wartości prognostyczne uzysków mocy mają charakter orientacyjny (Rys. 6). W przedziałach godzinowych przyjęto stałe i uśrednione wartości natężenia promieniowania słonecznego i prędkości wiatru. Ze względu na krótkookresową zmienność zasobów, wartości w krótszych przedziałach czasowych mogą wykazywać większe odchylenia. Wartości prognostyczne wyrażone zostały jako odsetek [%] uzysku mocy znamionowej instalacji wiatrowej lub fotowoltaicznej według przyjętych parametrów instalacji (zobacz https://cmm.imgw.pl/?page_id=37629).
Rys. 6. Prognozy produkcji energii elektrycznej ze źródeł wiatrowych i słonecznych dla obszaru Polski publikowane w Serwisie OZE CMM IMGW-PIB.
W modelu prognostycznym przyjęto parametry instalacji wiatrowej – turbinę wiatrową o średnicy 1m2, o zainstalowanej mocy znamionowej 8.2 kW i wartości progowej użytecznej prędkości wiatru na poziomie 3 m/s. Jako wzorcową instalację fotowoltaiczną przyjęto jeden moduł PV ekspozycji południowej, nachyleniu jednostki 30% od podłoża i mocy generowanej w warunkach standardowych 1 kW, gdzie maksymalne dobowe natężenie promieniowania słonecznego w warunkach standardowych ustalono na poziomie 1000 W/m2. Jako temperaturę pracy modułu w warunkach rzeczywistych przyjęto wartość 50°C, a ogólną sprawność systemu uwzględniającą straty na inwerterze, okablowaniu czy zabrudzeniu modułów na poziomie 80%.
Na wykresach zestawiono wartości prognostyczne [%] wykorzystania mocy znamionowej godzinowej generacji mocy w systemach wiatrowych lub PV wzorcowej instalacji. Przykładowo wartość 50% oznacza, że jeśli cała instalacja może wygenerować maksymalnie 10 kW to średnio w ciągu danej godziny można się spodziewać uzysku na poziomie 5 kW. Na wykresach generacji PV dodano linię potencjalnej generacji mocy w tych samych warunkach termicznych i wariancie nieba bezchmurnego (clear sky).
[2] https://www.nature.com/articles/s41893-023-01155-z
[3] https://enerad.pl/wiedza/odnawialne-zrodla-energii-w-polsce/
[4] https://enerad.pl/wiedza/zmiennosc-generacji-zrodel-odnawialnych/
[6] Liczba dni pogodnych w Polsce https://klimat.imgw.pl/pl/climate-normals/D_POGODNE
[7] https://solarspot.com.pl/parametry-paneli-fotowoltaicznych-jak-je-rozumiec/#Warunki_STC
[8] https://www.nrel.gov/pv/module-efficiency.html
[9] https://www.rachuneo.pl/artykuly/ile-pradu-zuzywaja-sprzety-domowe
Serwis OZE realizowany jest przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy we współpracy z Politechniką Wrocławską, przez zespół kierowany przez prof. Mariusza J. Figurskiego w składzie: dr B. Bochenek, dr inż. M. Gruszczyńska, M. Grzelczyk, dr A. Jaczewski, dr inż. J.Jurasz, dr A. Mandal, dr A. Mazur, T. Strzyżewski i dr J. Wieczorek.
