Technologie zwiększające elastyczność przyszłego niskoemisyjnego systemu energetycznego

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, podzielą się swoimi przemyśleniami - tym razem na temat tego, które technologie są podstawą zapewnienia elastyczności systemu elektroenergetycznego. 

Elastyczność pozwala systemowi energetycznemu stale radzić sobie ze zmiennością i niepewnością, dwoma czynnikami, które stają się codziennością, ponieważ nasz system elektroenergetyczny coraz bardziej polega na odnawialnych źródłach energii zależnych od pogody. Zarządzanie obciążeniem resztkowym staje się coraz ważniejsze i bardziej złożone niż kiedykolwiek wcześniej, a to właśnie narzędzia elastyczności będą w przyszłości leżały u podstaw radzenia sobie z dużą zmiennością w ramach systemu czystej energii elektrycznej.

Zagłębiając się bardziej w technologie, które obejmują niezbędne narzędzia elastyczności, zidentyfikowaliśmy cztery wymiary, które omówimy w tym artykule: elastyczność po stronie podaży, elastyczność po stronie popytu, magazynowanie energii i dynamicznie sterowane siecią. Zaawansowane technologie cyfrowe są niezbędne do uwolnienia pełnego potencjału i komplementarności tych czterech wymiarów w celu uzyskiwania optymalnych i skoordynowanych reakcji.

Elastyczność po stronie podaży

Na froncie wytwarzania energii, zasoby energii odnawialnej, takie jak elektrownie fotowoltaiczne i farmy wiatrowe, które generują energię elektryczną w bezprecedensowo zmiennych przepływach, kładą kres wysoce kontrolowanemu i dyspozycyjnemu systemowi energetycznemu. Tam, gdzie wcześniej o dostawach energii elektrycznej decydowali menedżerowie elektrowni, coraz większy wpływ będą miały warunki meteorologiczne, niezależnie od tego, czy produkcja jest potrzebna, czy nie.

Zdecydowanie największym wyzwaniem jest zarządzanie zmiennością wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych, ale także rosnącymi wahaniami popytu spowodowanymi elektryfikacją. Niemal stały stan zakłóceń między podażą a popytem jest również głównym wyzwaniem dla operatorów sieci w zakresie stabilności częstotliwości, pogarszanym w okresach przeciążeń. Tylko dzięki narzędziom cyfrowym operatorzy sieci mogą zarządzać zmienną mocą wyjściową, na przykład ograniczając pracę elektrowni słonecznych i farm wiatrowych w okresach nadmiernej produkcji. Należy to robić we właściwym czasie i miejscu, co można określić jedynie na podstawie dokładnie przeanalizowanych danych.

Patrząc w przyszłość, elastyczność po stronie podaży zostanie zwiększona dzięki pojawianiu się innowacyjnych, alternatywnych źródeł wytwarzania energii o zerowej emisji dwutlenku węgla, opartych na zrównoważonych paliwach, takich jak zielony wodór i amoniak. Będą one działać jako źródła rezerwowe dla produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych i często zastępować generatory rezerwowe oparte na paliwach kopalnych. Tego typu nowe źródła wytwórcze pomogą dostarczać czystą energię elektryczną i uzupełnią krótkoterminowe możliwości baterii, na przykład podczas ekstremalnych zjawisk pogodowych, takich jak burze piaskowe i monsuny, jak wspomniano w poprzednim artykule.

Elastyczność po stronie popytu

Rozwiązania w zakresie elastyczności systemu elektroenergetycznego obejmują nie tylko stronę wytwarzania, ale również te stosowane w sieciach elektroenergetycznych. W przypadku sieci dystrybucyjnych zarządzanie ograniczeniami ma zasadnicze znaczenie dla płynnej integracji wykładniczo rosnącej rozproszonej mocy energii odnawialnej - z której znaczna część to fotowoltaika umieszczona na dachach gospodarstw domowych - a także absorpcji potencjalnie jednocześnie pojawiających się na rynku nowych rodzajów obciążenia, takich jak ładowanie pojazdów elektrycznych i pompy ciepła.

Elastyczność jest nieodłączną cechą pojazdów elektrycznych i pomp ciepła, dzięki ich zdolności do magazynowania energii w bateriach i izolowanych zbiornikach wody do późniejszego wykorzystania. Pojazdy elektryczne są nie tylko zdolne do elastycznego ładowania, ale mogą również rozładowywać swoje baterie, aby dostarczać energię z powrotem do sieci w sytuacjach awaryjnych. Kluczem do wykorzystania tego potencjału są dwukierunkowe ładowarki, zarówno pokładowe, jak i zintegrowane z siecią oraz łączność cyfrowa zapewniająca wydajną wymianę danych i optymalną kontrolę.

Elastyczność po stronie popytu, zwłaszcza na poziomie gospodarstw domowych, będzie w coraz większym stopniu zarządzana przez agregatorów. Ci pośrednicy grupują wytwarzanie i zużycie energii elektrycznej przez dużą liczbę małych prosumentów w usługi elastyczności, które mogą komercjalizować, oferując środki reagowania po stronie popytu na rynkach bilansujących i rezerwowych, a także na rynkach energii elektrycznej z jednodniowym i śróddziennym wyprzedzeniem.

Obecnie agregatorzy oferują już usługi reagowania na popyt na rynkach rezerw mocy, aby działać jako mechanizmy rezerwowe w nieoczekiwanych sytuacjach. Na niektórych z największych rynków europejskich minimalna wielkość mocy aktywów dopuszczonych do licytacji na rynku rezerw została już zmniejszona z tradycyjnego standardu 5 MW do 1 MW w celu uwzględnienia mniejszych, elastycznych mocy. Oczekujemy, że w przyszłości w naszym systemie elektroenergetycznym pojawi się znacznie więcej takich usług.

Magazynowanie energii

Magazynowanie energii odgrywa istotną rolę w zapewnianiu elastyczności, od krótkich (sekundowo-godzinnych) do długoterminowych interwałów (liczonych w dniach lub tygodniach). Pomoże również zarządzać obciążeniem i dostawami energii elektrycznej od prosumentów. Zdolność systemów magazynowania energii do przesuwania popytu, jak również produkcji, jest absolutnie kluczowa dla dobrze funkcjonującego, elastycznego systemu energetycznego przyszłości. Na niektórych rynkach potrzeby w zakresie magazynowania są zaspokajane przez lokalne rozwiązania, takie jak sieci baterii do pojazdów elektrycznych lub zbiorniki ciepłej wody.

Na tradycyjnym rynku energii elektrycznej zdolność magazynowania energii była w dużej mierze zapewniana przez hydroelektrownie szczytowo-pompowe. Te gigantyczne zbiorniki wykorzystują energię elektryczną do zasilania pomp wodnych, które przesuwają duże ilości wody z niższego zbiornika do wyższego w okresach nadpodaży, a następnie uwalniają je ponownie, aby napędzać turbiny elektryczne i generować energię elektryczną w okresach, gdy potrzeba więcej mocy.

Chińska Krajowa Administracja Energetyczna aktywnie nadaje priorytet rozwojowi projektów elektrowni szczytowo-pompowych. Inicjatywa ta ma kluczowe znaczenie dla zwiększenia elastyczności sieci energetycznej, zwłaszcza w celu lepszej integracji rosnącego wkładu ze źródeł energii wiatrowej i słonecznej. Zgodnie z planem strategicznym określonym w 2021 r., Chiny zamierzają osiągnąć znaczący kamień milowy w zakresie mocy elektrowni szczytowo-pompowych. Celem jest osiągnięcie zainstalowanej mocy 62 GW do 2025 roku, a następnie ambitnego celu 120 GW do 2030 roku. Wysiłki te są świadectwem zaangażowania Chin w rozwój infrastruktury energii odnawialnej i optymalizację systemu energetycznego.

Wytwarzanie energii w elektrowniach wodnych będzie nadal odgrywać ważną rolę w zapewnianiu elastyczności systemu. Przykładowo, norweskie naturalne rezerwuary wodne już teraz działają jako narzędzie elastyczności, równoważąc nieciągłą produkcję energii z wiatru w sąsiednich krajach, które są połączone kablami podmorskimi. Na przykład połączenie międzysystemowe NordLink, łączące niemieckie i norweskie rynki energii poprzez umożliwienie integracji i transgranicznej wymiany odnawialnej energii słonecznej, wiatrowej i wodnej, pokazuje znaczenie połączeń międzysystemowych w dzieleniu się zasobami elastyczności w różnych obszarach geograficznych, co omówimy w następnej sekcji.

Bardziej bezpośredni nacisk na dostarczanie rozwiązań w zakresie magazynowania energii elektrycznej kładzie się na bateryjne systemy magazynowania energii (BESS). Litowo-jonowe baterie są główną technologią magazynowania energii elektrycznej, która jest obecnie wdrażana. W porównaniu z bateriami do pojazdów elektrycznych, stacjonarne systemy BESS na skalę użytkową oferują większą elastyczność pod względem dopuszczalnych technologii baterii i gęstości energii. Pozwala ona z kolei na bardziej elastyczne łańcuchy dostaw i potencjalne zastosowania baterii do pojazdów elektrycznych drugiego cyklu życia.

Technologie magazynowania energii nie rozwiązują jednak obecnie problemu braku elastyczności sezonowej, co pomogłoby również sprostać wyzwaniom związanym z trudnymi zjawiskami pogodowymi, jak omówiono w pierwszym artykule. Z ekonomicznego punktu widzenia, obecne zastosowania baterii są ograniczone do kilku godzin zanim się rozładują.  

Ale w jaki sposób niskoemisyjny system elektroenergetyczny poradzi sobie z dłuższymi okresami niskiej prędkości wiatru i promieniowania słonecznego, często w połączeniu z wysokim zapotrzebowaniem podczas mroźnych zimowych okresów? Jest to jedno z pytań, które spędza sen z powiek wielu ekspertom, ponieważ jak dotąd nie ma na nie oczywistej odpowiedzi.

Rozwiązanie problemu długoterminowych deficytów energetycznych wymaga technologii zdolnych do magazynowania znacznych ilości energii przy znacznie niższych kosztach. Wspomniane wyżej technologie, takie jak zielony wodór i amoniak, to niektóre z promowanych rozwiązań, ale ich ograniczona wydajność i znaczne początkowe koszty inwestycyjne są głównymi barierami dla ich powszechnego stosowania.

Potrzeba bardziej kontrolowanej i wzajemnie połączonej sieci

Zgadzamy się, że sieci, które są zarówno lepiej połączone, jak i kontrolowane, odgrywają kluczową rolę. Integracja rozwiązań magazynowania z solidnie połączoną siecią stanowi kluczowy filar w architekturze niskoemisyjnego, elastycznego systemu elektroenergetycznego przyszłości, ponieważ umożliwia przesuwanie podaży i popytu na możliwie najszerszym obszarze. Im większa różnorodność powiązanych lokalizacji klimatycznych, geograficznych i czasowych, tym bardziej elastyczny staje się system elektroenergetyczny. Na przykład, jeśli region zależny od fotowoltaiki doświadcza mniejszego nasłonecznienia niż oczekiwano, może to zrekompensować, importując energię z odległego obszaru przybrzeżnego z aktywnymi morskimi farmami wiatrowymi.

Połączone systemy energetyczne wyróżniają się pod względem dzielenia się zasobami elastyczności, przewyższając możliwości bardziej odizolowanych rynków. W rzeczywistości dobrze połączona sieć zmniejsza potrzebę stosowania środków elastyczności poprzez bardziej efektywne rozprowadzanie zmienności energii odnawialnej na szerszym obszarze. Wzmocnienie wzajemnych połączeń rynków energii elektrycznej wyłania się jako najbardziej opłacalna strategia zwiększania elastyczności systemu elektroenergetycznego. Różne badania konsekwentnie wskazują, że odizolowane systemy elektroenergetyczne ponoszą wyższe koszty, wynikające z niewykorzystanej mocy wytwarzania energii odnawialnej, a w niektórych przypadkach z konieczności ograniczenia tej mocy, jak również dlatego, że odizolowane systemy często wymagają dodatkowych urządzeń do magazynowania energii.

W Unii Europejskiej przepisy dotyczące wewnętrznego rynku energii elektrycznej stanowią, że do 2030 r. wszystkie państwa członkowskie muszą dysponować transgranicznymi połączeniami międzysystemowymi odpowiadającymi co najmniej 15% krajowych mocy wytwórczych. Co więcej, do końca 2025 r. operatorzy sieci w UE muszą przeznaczyć co najmniej 70% swoich transgranicznych zdolności przesyłowych na codzienny handel energią. Obecne trendy pokazują jednak, że europejscy operatorzy sieci przesyłowych nie osiągają tego celu, co grozi wzrostem cen dla europejskich konsumentów energii - ostrzegł niedawno Acer, unijny regulator rynku energii.

Połączenia międzysystemowe odgrywają kluczową rolę nie tylko w poprawie przesyłu energii elektrycznej; ułatwiają one również integrację odbiorców po stronie popytu, które umożliwią bardziej efektywne wykorzystanie nadwyżek produkcji energii odnawialnej, a także zaspokojenie wyraźnego zapotrzebowania na dodatkową moc. Będzie to szczególnie korzystne w gęsto zaludnionych obszarach – przykładowo, niedawne połączenie międzysystemowe HVDC między Kanadą a USA umożliwi dostarczanie energii odnawialnej między Québec a obszarem metropolitalnym Nowego Jorku.

Połączenia międzysystemowe są nie tylko ważne dla obsługi rynku transakcji natychmiastowych, ale stanowią również coraz bardziej użyteczne narzędzie na rynku rezerw. Zdolność do pozyskiwania mocy rezerwowych z sąsiednich krajów oznacza większe bezpieczeństwo energetyczne na połączonych rynkach, czyniąc połączenia międzysystemowe kluczowymi narzędziami elastyczności dla rynku mocy rezerwowej.

W UE realizowanych jest wiele ważnych projektów połączeń międzysystemowych, które znacznie poprawią elastyczność w tych krajach - a ostatecznie całego wewnętrznego rynku energii. Godnym uwagi przykładem jest połączenie międzysystemowe między Anglią i Francją, które ma na celu wzmocnienie sieci energetycznych w obu krajach oraz integrację energii odnawialnej.

Podobnie, nowe podmorskie połączenie HVDC między Hiszpanią a Francją ułatwi przesył hiszpańskiej energii odnawialnej do Europy Środkowej i Północnej. Projekty te podkreślają kluczowy aspekt: zwiększenie elastyczności całych systemów energetycznych wymaga zwiększenia elastyczności samych sieci.

Tradycyjnie linie energetyczne prądu przemiennego rozprowadzają energię elektryczną po ścieżce o najmniejszej impedancji. Jednak przyszłe systemy elektroenergetyczne będą wymagały przesyłu energii w nowych kierunkach. Przykładowo, Niemcy w przeszłości były eksporterem netto energii elektrycznej do Europy Południowej. Jednak wraz z oczekiwanym wzrostem mocy wytwarzania energii słonecznej i wiatrowej w regionie Morza Śródziemnego, nastąpi znaczące przesunięcie przepływu energii elektrycznej z Południa na Północ.

W zmieniającym się krajobrazie energetycznym, dynamiczne i elastyczne sterowanie przepływem mocy za pomocą technologii opartych na zaawansowanej energoelektronice będzie stawało się coraz bardziej istotne. Technologia HVDC odgrywa kluczową rolę w modernizacji sieci energetycznych, skutecznie kontrolując i kierując przepływ elektronów tam, gdzie jest to potrzebne, optymalizując w ten sposób przesył energii elektrycznej i minimalizując ograniczenia energii odnawialnej.

Cyfryzacja ma fundamentalne znaczenie dla zwiększenia elastyczności systemu elektroenergetycznego

Nadrzędnym elementem wszystkich tych zmian jest cyfryzacja, która stanowi jeden z kluczowych czynników umożliwiających stworzenie elastycznego, niskoemisyjnego systemu energetycznego. Bez szybkich komputerów, wykrywania sygnałów, gromadzenia i wykorzystywania danych za pomocą inteligentnych algorytmów oraz wydajnego i bezpiecznego systemu komunikacji nie będziemy w stanie kontynuować transformacji energetycznej. Cyfryzacja zapewnia nam większą dokładność, wgląd i kontrolę nad rynkiem energii oraz prowadzi branżę do większej autonomii.

Cyfryzacja jest również spoiwem łączącym wszystkie technologie elastyczności, których potrzebuje przyszły niskoemisyjny system elektroenergetyczny. Pomaga zorganizować każdy element układanki, taki jak magazynowanie energii w bateriach, połączenia międzysystemowe lub narzędzia reagowania na popyt, które dodają wartość w skoordynowanym systemie elektroenergetycznym. Potrzebujemy pomocy narzędzi cyfrowych na różnych etapach przejścia na niskoemisyjny system elektroenergetyczny: do planowania najbardziej wydajnego systemu, prognozowania jego potrzeb w zakresie podaży i popytu oraz do monitorowania operacji w czasie rzeczywistym, aby jak najlepiej reagować na nieprzewidziane okoliczności. Kluczowe znaczenie dla operatorów systemów przesyłowych ma inwestowanie w najnowocześniejsze narzędzia cyfrowe, które maksymalizują wydajność wszystkich dostępnych rozwiązań w zakresie elastyczności.

Przyszłość elastycznego zasilania

Jak wspomniano powyżej, dostępnych jest już wiele technologii zwiększających elastyczność w niskoemisyjnym systemie elektroenergetycznym. Każdy rynek odznacza się innymi cechami, które wpływają na wybór technologii, ale mocno wierzymy, że połączenie rozwiązań jest najlepszą opcją dla stabilnego systemu energetycznego. Nie ma jednego uniwersalnego rozwiązania, jeśli chodzi o elastyczność.

Biorąc pod uwagę wszystkie omówione elementy, jak będzie wyglądał elastyczny, cyfrowy system zasilania?

W rzeczywistości potrzeby i rozwiązania w zakresie elastyczności systemu elektroenergetycznego będą wyglądać inaczej na całym świecie i zależeć od regionalnej geografii oraz specyfikacji systemu elektroenergetycznego.

W Europie intensyfikuje się wysiłki na rzecz zwiększenia elastyczności systemu elektroenergetycznego w celu osiągnięcia celów klimatycznych, przy jednoczesnej poprawie bezpieczeństwa energetycznego i optymalizacji wydajności aktywów systemu. Przewiduje się, że w nadchodzących latach trend ten nabierze rozpędu na całym świecie.

W przypadku krajów ze stosunkowo odizolowanym rynkiem energii elektrycznej, takich jak Korea Południowa czy Japonia, magazynowanie energii w połączeniu z silnymi sieciami regionalnymi będzie głównym elementem elastyczności.

Inne obszary, które się wyróżniają, to te, które planują być w 100% zależne od produkcji energii odnawialnej w nadchodzących latach. Na przykład neutralne pod względem emisji dwutlenku węgla miasto NEOM w Arabii Saudyjskiej będzie w całości zaopatrywać się w energię elektryczną z fotowoltaiki i wiatru. Głównym wyzwaniem dla systemu elektroenergetycznego NEOM nie będzie dzienna zmienność generacji fotowoltaicznej, ale wpływ na panele słoneczne burz piaskowych, które mogą trwać kilka dni. Te wydłużone okresy zmniejszonej produkcji energii słonecznej wymagają trwałych rozwiązań w zakresie elastyczności, które można osiągnąć poprzez długotrwałe pompowanie wody i magazynowanie energii cieplnej oraz przez połączenie z szerszą siecią krajową¹.

W silnie połączonych regionach elastyczność systemu elektroenergetycznego będzie obejmować wszystkie cztery elementy opisane w tym artykule: elastyczność po stronie popytu, elastyczność po stronie podaży, magazynowanie energii i kontrolowane sieci. Koordynacja i optymalizacja tych zróżnicowanych i geograficznie rozproszonych zasobów jest złożonym wyzwaniem, które wymaga zaawansowanych rozwiązań cyfrowych. Ponieważ elastyczność staje się coraz ważniejsza w przyszłych zrównoważonych systemach energetycznych, stanie się ona znaczącą usługą rynkową, oferującą znaczne korzyści wszystkim dostawcom elastyczności.

Co najważniejsze, dostosowanie infrastruktury sieciowej musi stanowić najwyższy priorytet, aby sprostać wyzwaniom, których będzie wymagał cyfrowy, elastyczny system zasilania.