Gaz, węgiel czy energia jądrowa: jak możemy zapobiegać wielkim awariom systemów elektroenergetycznych?

12 milionów mieszkańców Nowego Jorku na ponad 25 godzin zostało pozbawionych energii elektrycznej 13 lipca 1977 roku. To był skutek uderzenia pioruna w stację zasilania Edison, położoną przy rzece Hudson. Stanęła komunikacja, windy, zasilanie szpitali oraz innych ważnych instytucji. W ciągu jednej nocy splądrowano ponad 1500 sklepów, dokonano około 1000 podpaleń i aresztowano prawie 4000 osób.

Podobne awarie energetyczne zdarzają się na wielu kontynentach, a przyczyną są różne zdarzenia losowe i błędy projektowe. Inżynierowie wprowadzają nieustannie modernizacje, zmniejszając ryzyka np. poprzez poprawę ochrony odgromowej, zdublowanie elementów systemu, wprowadzając nowoczesne układy automatyki i sterowania oraz zarządzając przepływem energii w głównych punktach sieci.

Ilość energii wytwarzanej z ilością energii konsumowanej musi się zrównać. To absolutna podstawa. Inaczej systemowi zagraża utrata jego stabilności, co skutkuje odejściem od nominalnej częstotliwości sieci 50Hz w bardzo wąskim zakresie.

Źródła i zasady produkcji energii

W Polsce większość energii produkowana jest w elektrowniach węglowych i gazowych. Elektrownie jądrowe pracują u naszych sąsiadów od wielu dekad. Z paliw produkowana jest para wodna o wysokim ciśnieniu, napędzająca generatory energetyczne. Krajowa Dyspozycja Mocy (KDM) to służba dyspozytorska nadzorująca pracę skomplikowanej tkanki zbudowanej z elementów sieci przesyłowych wysokich napięć: 750, 400 i 220 kV, także wybranymi liniami 110 kV. KDM decyduje o załączeniu dużych jednostek wytwarzania energii lub odłączenia z sieci dużych odbiorców, gdy zachodzi taka potrzeba.

Jednak kluczowym i niedocenianym czynnikiem stabilizującym częstotliwość jest bezwładność mechaniczna dużych jednostek wytwórczych, pracujących synchronicznie z siecią.

To właśnie ich masywna konstrukcja i ogromne cielska wirników generatorów obracających się synchronicznie z dużą prędkością są magazynem energii kinetycznej. Bronią stabilności całego systemu energetycznego. Co istotne, Polska była i jest znaczącym producentem takich urządzeń, które pracują na całym świecie.

Gdy wypadnie z pracy duża elektrownia, np. na skutek awarii ważnego jej modułu, energia kinetyczna wirników bloków energetycznych innych elektrowni nie zmienia się skokowo. Nadal wirujące masy pracują jak bufor, oddając energię do systemu. W tym czasie uruchamiane są procedury i dochodzi do podniesienia mocy innych jednostek wytwórczych. Dochodzi do bardzo szybkiego zrównoważenia pracy sieci. Tu warunkiem jest wspólna praca inżynierów wielu elektrowni krajowych oraz kooperacja międzynarodowa. W maju 2021 roku, na skutek awarii w Rogowcu, „wypadła z sieci” Elektrownia Bełchatów z mocą chwilową prawie 4 GW. Błyskawicznie zbilansowano nasz system, poprzez dopływ energii spoza Polski.

Odnawialne źródła energii poprzez swoją naturę wpływają negatywnie na stabilność sieci przesyłu energii.

Wiodące znaczenie ma energia ze słońca i wiatru, która jest wtłaczana do sieci poprzez tzw. falowniki, czyli urządzenia zmieniające prąd stały na prąd zmienny. Nie ma tutaj elementów które są buforem, jak rozpędzone wirniki generatorów. Bez wątpienia trudniej jest utrzymać częstotliwość w bezpiecznym zakresie. Nawet małe zakłócenia pracy sieci mogą się rozwijać kaskadowo i powodować odcięcia od zasilania większych obszarów odbiorców. To ryzyko rośnie proporcjonalnie do udziału OZE w chwilowej produkcji energii elektrycznej.

Na koniec 2024 roku udział odnawialnych źródeł energii w polskim miksie energetycznym osiągnął rekordowy poziom. To 27% całkowitej produkcji energii elektrycznej według danych podawanych przez Polskie Sieci Elektroenergetyczne (PSE).

Struktura polskiego OZE

Elektrownie wiatrowe były wiodące i wyprodukowały 24,9 TWh, co stanowiło 14,7% całkowitej produkcji energii elektrycznej. Elektrownie wodne dostarczyły 3,1 Twh, a inne odnawialne źródła (w tym fotowoltaika i biomasa) 17,3 Twh.

W końcówce 2024 roku w Polsce działało prawie 1,5 miliona mikro instalacji OZE, głównie fotowoltaicznych, o łącznej mocy przekraczającej 12,7 GW. To segment produkcji energii, który wprowadził do sieci ponad 8,5 TWh energii elektrycznej. Dla operatorów energetycznych jak Tauron, czy Enea jest to „kłopotliwa” produkcja. Wymaga nakładów inwestycyjnych i intensywnego dozorowania w terenie.

Co wydarzyło się w Hiszpanii i Portugalii?

28 kwietnia br. doszło do nagłego załamania się systemu elektroenergetycznego. W chwili awarii moc źródeł ogółem wynosiła ok. 31 GW, z czego ok. 17 GW stanowiła fotowoltaika, a kolejne 3,7 GW dostarczały wiatraki, przy krajowym zapotrzebowaniu na poziomie 26 GW. Niektóre źródła podają, że biegł też eksport energii na poziomie 4 GW.

Kaskadowo odłączane były duże elektrownie jądrowe i konwencjonalne. Doszło do dużej różnicy pomiędzy parametrami sieci na Półwyspie Iberyjskim, a Francją. Zadziałały moduły automatyki zabezpieczeniowej i fizycznie odcięto połączenia pomiędzy tymi krajami. Przez wiele godzin energetycy mozolnie odbudowywali pracę poszczególnych elementów systemu.

Jakie wyzwania stoją dla utrzymania bezpieczeństwa systemu elektroenergetycznego?

Zapotrzebowanie na moc w polskim systemie energetycznym waha się między 10 GW, a 28 GW. Powyżej przedstawione zostały techniczne aspekty, warunkujące utrzymanie stabilności systemu energetycznego.

Przykład hiszpański wywołał słuszną dyskusję o parytetach energii produkowanej w źródłach konwencjonalnych (walor energii zmagazynowanej w wirnikach ogromnych generatorów) oraz odnawialnych źródłach energii.

Trend rosnący podaży energii z OZE w Polsce wymusi bezwzględnie inwestycje w infrastrukturę dystrybucji energii, co ma pochłonąć w najbliższych latach przynajmniej 140 mld zł.

Magazyny energii są mocno forsowane w prasie fachowej i wypowiedziach polityków. Ich wysoka cena, mała ilość funkcjonujących instalacji i działanie w punktach sieci może być traktowane teraz jako ciekawy kierunek do dalszych analiz. Tu brak jest doświadczenia praktycznego, z pracą z takimi modułami gromadzącymi energię.

Program Polskiej Energetyki Jądrowej (PPEJ) to strategiczny dokument rządowy, który określa cele i harmonogram rozwoju energetyki jądrowej w Polsce. Ostatnia aktualizacja programu miała miejsce w październiku 2024 roku. Dotychczas wydaliśmy prawie 3 mld zł na przygotowania, a szacowany koszt pierwszej elektrowni jądrowej w kraju to około 160 mld zł.

Podsumowując, musimy sobie odpowiedzieć na pytania: czy w niedalekiej perspektywie wysocy urzędnicy zlecą ośrodkom naukowym wykonanie pakietu badań i analiz dla określenia sztywnych parametrów i wymogów, koniecznych dla zapewnienia bezpiecznej pracy systemu elektro-energetycznego. Czy powinniśmy postawić na duże elektrownie jądrowe czy też stawiać na małe siłownie tzw. SMR? Gdzie leży punkt opłacalności wdrażania OZE, które nie jest takie tanie, jak informują politycy, na tle wysiłku finansowego na konieczną modernizację istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej? To jest kardynalne zagadnienie z punktu widzenia rozwoju i bezpieczeństwa naszej gospodarki.

Zmieniono już zasilanie wielu siłowni na paliwo gazowe. W Elektrowni Czechnica w Siechnicach taka zmiana pochłonęła prawie 550 mln zł.

W ostatnich dwóch dekadach wykonaliśmy tytaniczną pracę w oczyszczaniu spalin w elektrowniach i elektrociepłowniach węglowych, które łącznie pochłonęły miliardowe budżety.

Zredukowano emisje SO₂ oraz NOₓ poprzez techniki mokrego odsiarczania oraz systemy katalitycznego odazotowania. Każdy transport miału węglowego w elektrowni przechodzi badania laboratoryjne pod kątem m.in. kaloryczności, zawartości siarki oraz popiołów.

Konieczne jest pilne zrewidowanie i być może wyhamowanie działań promujących w naszym kraju energię z odnawialnych źródeł energii, która też pozostawia trwały ślad w środowisku (fundamenty wiatraków, problemy z utylizacją łopat, recykling paneli fotowoltaicznych itd.).

Trzeba wyciągnąć wnioski z ostatniej i poprzednich kilkudziesięciu dużych awarii energetycznych, jakie miały miejsce w różnych krajach. Konieczne jest rzetelne, wnikliwe i wielopłaszczyznowe spojrzenie na pakiet problemów technicznych, ekonomicznych, ekologicznych, surowcowych oraz społecznych (np. akceptacja mieszkańców lokalizacji dużych i małych siłowni jądrowych).

Jadąc bezpiecznie windą, koleją lub metrem pamiętajmy, że energia w lwiej części pochodzi z poczciwej elektrowni konwencjonalnej…