Krytyka transformacji wg Instratu. „Niebezpieczna, nieweryfikowalna, nieprawidłowa” [ANALIZA]

Analizie poddaje się opracowanie „Droga do celu. Odejście od węgla w polskiej elektroenergetyce” autorstwa Instratu.

Jako dane porównawcze wykorzystuje się publikację „Rynek i system elektroenergetyczny 2030” pod firmą PSE, przy czym przedmiotowa publikacja PSE de facto jest oparta na programie rządowym dla polskiej energetyki jądrowej, przyjętym przez Radę Ministrów w dniu 9 października 2020 r.

Na rysunku 1 przedstawia się fragment bilansu mocy zainstalowanej wg. Instratu,
na rysunku 2 taki sam bilans wg. opracowania „rządowego”.

Rys.1. Wybrany fragment bilansu mocy zainstalowanej wg. Instratu.

Rys.2. Wybrany fragment bilansu mocy zainstalowanej wg. programu rządowego.

Na rysunku 3 poniżej przedstawia się już autorskie zestawienie obu wersji.

Rys.3. Porównanie bilansu mocy zainstalowanych w wersji Instratu i „Rządowej”.

Kreska symbolizująca zapotrzebowanie „max” została poprowadzona na poziomie
27,617 GW, tj. naszego ostatniego rekordu zapotrzebowania.

Porównywane opracowania posługują się różnym nazewnictwem, ale do elektrowni sterowalnych autor zaliczył (zbiorczo, z obu opracowań): wodne, jądrowe, gaz ziemny, biomasę, biogaz, wodór, węgle kamienny i brunatny, elektrociepłownie na paliwa kopalne.

W wersji „rządowej” możemy zauważyć, że plan posiadania 33,6 GW elektrowni sterowalnych zapewnia lekki, uzasadniony zapas na awaryjność i rozwój – całkowicie racjonalnie.

W wersji Instratu możemy zauważyć, że plan posiadania około 20,8 GW elektrowni sterowalnych nie zapewnia pokrycia zapotrzebowania Polski. Podstawowy warunek bezpieczeństwa energetycznego jest nie spełniony.

W zasadzie na tej ostatniej konkluzji należałoby zakończyć analizę, niemniej, działając w dobrej wierze spróbujemy poczynić ustalenia dodatkowe. Jak łatwo się domyśleć, autorzy działając z ogólnym trendem żądań formułowanych przez środowiska pro klimatyczne domagają się, aby domknąć bilans za pomocą importu i magazynów energii.

W przypadku oparcia się na imporcie, kraj nie jest w stanie wywiązać się z obowiązku samodzielnej obrony KSE w przypadku utraty połączeń transgranicznych. Ten warunek bezpieczeństwa energetycznego również przestaje być spełniony.

Co do możliwości skorzystania z importu – PSE wykazało dużą korelację między jednoczesnymi osiągami OZE w Polsce oraz Danii i Niemczech. Jest więc całkowicie prawdopodobne, że wiatr zerwie się jednocześnie w Polsce i w Niemczech, więc skorzystanie z możliwości importu lub eksportu nie będzie możliwe. Należy pamiętać, że na zachodzie również działają „zieloni” i oni na pewno wpadną na taki sam pomysł, a ściślej mówiąc niektórzy już dawno wpadli. Przykładowo wahania między importem i eksportem w Danii wynoszą od +80% do -85% zapotrzebowania. Z tym, że Dania jest energetycznie 14,5 razy mniejsza od Niemiec. W przypadku Niemiec czy Polski, duński patent jest nie do powtórzenia.

Błędne jest też założenie, że import będzie zawsze tani. Jeśli wszędzie nastąpi zwycięstwo zielonej rewolucji, to w przypadku niedoboru OZE ceny skoczą do góry, w przypadku nadmiaru – eksport będzie nieopłacalny.

Instrat przyjął zwiększenie przepustowości interkonektorów z 4,6 do 7,3 GW, co rzeczywiście mogłoby domknąć wadliwy bilans mocy.

Ale pierwsze pytanie, jakie należało zadać na początku analizy brzmi: dlaczego w kraju ze średnim zapotrzebowaniem 18,8 GW Instrat chce zbudować/utrzymywać 112 GW elektrowni plus moce nieproduktywnych urządzeń magazynowych (które też są elektrowniami) i moce importowe.

Dopiero potem zadajemy drugie pytanie, czy chcemy, aby po zbudowaniu 112 GW elektrowni (i elektrowni magazynowych ponadto) kraj miałby pozostawać uzależniony energetycznie?

W Polsce nie było referendum w sprawie OZE, ale czy społeczeństwo zaakceptowałoby pozytywnie wariant: 18,8 GW zapotrzebowania, inwestycje grubo ponad 112 GW, docelowy brak niezależności?

Dlatego import, zarówno z powodów technicznych j.w., oraz z powodów politycznych odrzucamy.

Co do możliwości skorzystania z magazynów.

Magazyny, jak wiadomo, są świętym Graalem OZE. Autorzy Instratu dość swobodnie założyli 100% pewne wykorzystanie magazynów tak, jakby problem w ogóle nie istniał. Skoro magazyny miałyby być podstawą sukcesu planu Instratu to należałoby to dość szeroko opisać, ponieważ byłaby to rewelacja na skalę światową.

W zasadzie pewność wykorzystania magazynów uzyskalibyśmy, gdyby obwieszczono, że „jesteśmy w posiadaniu patentów na zastosowanie odpowiednio sprawnego i pojemnego magazynu, zakończono z wynikiem pozytywnym testy na instalacji pilotażowej, zatem jest zasadne, aby dokonać wdrożenia na większą skalę”, ale takiej informacji nie znajdziemy.

Instrat poświęcił magazynom jeden akapit, podający 3 informacje:

-        propozycję zbudowania elektrowni szczytowo-pompowej Turów,

-        notki prasowe o zamiarze zbudowania 800 MW magazynów przez PGE,

-        notkę prasową o możliwości zbudowania 5 GW magazynów do 2040.

Nie podano przyjętych do analizy pojemności magazynów: praca Instratu jest nieweryfikowalna. Autor chciał powtórzyć obliczenia Instratu i stanął na pierwszym kroku kluczowych założeń – nie podano pojemności magazynów.

Zgodnie z zasadami przyjętymi w świecie nauki doniesienia uznaje się za prawdziwe, gdy niezależne ośrodki mogą je zweryfikować. Tu jest to niemożliwe i w tym miejscu również należałoby przerwać analizę Instratu.

Nie wiadomo, czy Instrat ujmuje istniejące elektrownie szczytowo-pompowe, czy tylko pisze o żądaniach zbudowania nowych magazynów.

Na podstawie innych publikacji możemy określić dzisiejszy poziom rozwoju magazynów bateryjnych na:
-        0,3 GW, 4 h (najnowszy projekt w Kalifornii),
-        0,2 GW, 1 h (poprzedni projekt w Kalifornii),
-        0,1 GW, 1,29 h Australia (znany z opisów na CIRE).

Określenie kosztów jest trudne, bo Instrat nie podał szczegółów magazynów. Wiadomo, że będą zależne od pojemności oraz mocy ładowania/rozładowania, bo z tego wynika ilość falowników i rozmiary trafo i przyłączy. Wg. niektórych publikacji magazyn 60 MW / 4 h ma kosztować 1500 zł/kWh, magazyn 60 MW / 0,5 h ma kosztować 3500 zł/kWh.

Wiarygodne przyjęcie założeń o możliwości zastosowania magazynów bateryjnych 5 GWw Polsce wymagałoby szerszej analizy np. rynku litu – cały świat będzie dążył do tego samego, więc zapowiedzi szybkiego potanienia muszą się zderzyć z narastającym popytem.

Zdaniem autora 4h magazyn nie daje szans na przetrwanie nocy trwającej czasem 16 h. Z wcześniejszych prac autora wynika, że bezpieczeństwo energetyczne zapewnia magazyn najmniej 30-dniowy, a w praktyce 45-dniowy, tj. o pojemności dokładnie takiej, jak nasze zapasy na zwałach węgla lub w kawernach gazowych. Notabene, gdy zapas węgla wzrasta do 60 dni pisze się o upadku węgla, podczas, gdy jest to zwykła fluktuacja magazynowa. Bilansowanie zapasów musi uwzględniać oczywiście zapotrzebowanie chwilowe, ale także i długookresowe, w tym także i wieloletnie (rok może być wietrzny lub nie, zima może być mniej lub bardziej surowa).

Pewnej uwagi wymaga propozycja zbudowania elektrowni szczytowo-pompowej Turów. Tu proponuje się znacznie lepsze parametry magazynu, albowiem 2,3 GW / 66 h. Jednak musimy mieć świadomość, że byłaby to budowa zapory na skalę godną wielkich budów komunizmu.

Proponuje się wybetonowanie dna zbiornika o rozmiarach około 5x6 km w celu zapobieżenia wsiąkania wody do gruntu (wbrew marzeniom o potrzebie wsiąkania w celu poprawy stosunków wodnych) oraz zbudowanie zapory 2,5 km długości, ponad 150 m wysokości, z grubością od 40 do 110 m.

Można tu porównać rozmiary planowanego zbiornika z rozmiarami elektrowni wodnych w Nowosybirsku 0,48 GW / 17 m wysokości i elektrowni Sajano Szuszeńskiej 6,4 GW / 242 m wysokości. Zapora w Sajano-Szuszeńsku (1066 m ) jest krótsza od nowosybirskiej, za to wyraźnie wyższa, a także krótsza o połowę od planowanej zapory w Turowie.

Niemniej to jest ta skala budów. Koszt 26,7 mld zł jest porównywalny z kosztem reaktora atomowego 1,2 GW, jednak ten ostatni jest stabilnym źródłem energii, natomiast elektrownia szczytowo-pompowa jest de facto pożeraczem energii z mocą 2,3 GW x (1 – 0,85) = 0,345 GW (przyjęto 15 % strat w procesie ładowania/rozładowania magazynu ). Źródłem energii mają być w tym projekcie wiatraki i panele fotowoltaiczne za kolejne 20,7 mld zł, więc nie ma obaw – łącznie na pewno jest to koszt porównywalny z blokiem atomowym.

Notabene, autorzy projektu elektrowni szczytowo-pompowej Turów (nie Instrat) przyjęli ciekawy poziom odniesienia dla ustalenia granicy między ładowaniem, a rozładowaniem magazynu: ma to być średni poziom produkcji typowego bloku obecnego. Takiego odniesienia w przyszłości nie będzie. PDM PSE mając do dyspozycji 2,3 GW elektrowni szczytowo-pompowej użyje jej wg. potrzeb krajowych. Gdy będzie niedobór – energia OZE sprzeda się  na pniu bez potrzeby strat magazynowych. W przypadku nadmiaru - należałoby bilansować cały kraj. Jednak przy proponowanych przez Instrat nadmiarach OZE możliwości elektrowni szczytowo pompowej Turów będą kroplą w morzu potrzeb.

Instrat nie ujawnił (a na pewno przydałoby to wiarygodności) informacji o założonych stratach na sprawności procesów magazynowych, wszak magazyn nie produkuje, jest źródłem strat, należałoby to ujawnić. Jeśli przyjmiemy sprawność magazynów bateryjnych i elektrowni szczytowo-pompowych na około 15%, to należy taką stratę wykazać w odniesieniu do całej energii skierowanej do magazynowania.

W podobnej analizie wykonanej przez autora roczne straty magazynowe na magazynach bateryjnych wyniosły 4%, na magazynach wodorowych 20% zapotrzebowania. Straty przesyłu WN w Polsce wynoszą około 1,62%, straty sieciowe razem około 6%. Zatem ktoś musiałby wziąć na barki pogorszenie sprawności gospodarowania z 6 do 10%. Zieloni nie zamierzają za to płacić, tym „ktosiem” miałoby być np. PSE ?

90 GW źródeł odnawialnych ze średnim wsk. wykorzystania 0,27 może wyprodukować około 213 TWh (24,3 GW średnio). Do bezpośredniego zużycia możemy skierować 133 TWh (15,2 GW średnio), do elektrolizerni 80 TWh, straty gospodarki wodorowej wyniosą 50 TWh, więc do pokrycia „krótkich okresów niedoborów” zostaje nam 30 TWh energii elektrycznej użytecznej, czyli 3425 MW średniej mocy elektrowni wodorowych. Razem, mając produkcję 213 TWh pokryjemy zapotrzebowanie 163 TWh (18,6 GW średnio). Jeśli uwzględnimy „niewyłączalność elektrociepłowni” ( 6 GW nJWCD ) to w/w 90 GW już na pewno nie jest potrzebne, jeśli zaproponujemy likwidację EC, to 90 GW będzie liczbą znacznie zaniżoną. Jak widać nie są to informacje poboczne, ich brak może wskazywać na istotne nieprawidłowości, bo każdy kto to przeliczył natychmiast zauważy potrzebę takiej refleksji (chodzi o sam rząd liczb, 90 GW na początku, 3,42 GW na końcu, plus nierozwiązane problemy z elektrociepłowniami).

Autorzy, jako dowód wiarygodności obliczeń podają nazwę użytego języka programowania – jest to bez znaczenia, może być nawet Fortran dla dinozaurów lub Visual Basic. Instrat nie ujawnił przyjętych algorytmów, ani założeń wejściowych takich, jak szczegółowe moce ładowania/rozładowania magazynów, pojemności magazynów, sposoby pokrywania nadmiaru produkcji OZE, przyjęte wartości początkowe zapasów magazynowych.

Instrat nie ujawnił wykresów bilansowych za reprezentatywne okresy czasu, za wyjątkiem dwóch przykładowych tygodni. W podanych przykładach nie uwzględniono mocy urządzeń przymagazynowych.

Instrat nie ujawnił zasadniczych w przedmiocie sprawy wykresów stanów zapasów magazynowych. Bez tego nie wiemy, czy pojemności są wystarczające, czy też magazyny przepełniają się lub wyczerpują.

Autor ze swej strony pozwoli sobie zaproponować przemyślenie nazewnictwa w energetyce na bardziej odpowiadające zasadom energetyki. Patrz tabela niżej. Pozwoliłoby to uniknąć nieporozumień w rodzaju „zlikwidowane elektrownie zastąpią magazyny”, a także zrozumieć strukturę kosztów elektrowni sterowalnych.

Tabela 1. Wykaz znanych konwerterów energii z postaci magazynowej do elektrycznej.                 

Autorzy przyznają, że w warunkach silnej zimy bilans się nie zamyka i zamierzają oprzeć się na imporcie, natomiast w opracowaniu brak odniesienia do bilansu w warunkach „OZE max – zapotrzebowanie min”.

Przyjmijmy, że zimą nie można wyłączyć elektrociepłowni miejskich i przemysłowych, jedne muszą grzać, drugie zasilać technologię. Przyjmijmy, że większość z nich będzie biomasowa lub biogazowa – tym bardziej nie ma sensu wyłączać. Zatem ten segment minimum wyniesie 6 GW. Moc elektrowni węglowych można zredukować z 6 do 2,9 GW, moc gazowych z 6,6 do 1,65 GW. Razem minimum techniczne, zimą nienaruszalne musi wynieść 10 GW i tyle autor przyjął do prostej symulacji w celu sprawdzenia założeń Instratu.

Realne osiągi wiatru i słońca PL 2021 przeskalowano do poziomu żądań Instratu. Przyjęto, że 7 % energii jest tracone w trakcie ładowania magazynów, kolejne 7 % w trakcie rozładowania. Przyjęto moc ładowania 5 GW, pojemność 4 godziny.

W tabeli 2 pokazuje się przykład przepełnienia magazynów otrzymany w wyniku przeprowadzonej symulacji.

Tabela 2. Przykład przepełnienia magazynów.

Jak widać, zapełnienie magazynów o pojemności 20 GWh następuje bardzo szybko i bardzo szybko następuje też przekroczenie przyjętej przez Instrat przepustowości interkonektorów - krach założeń.

Ubiegając pytania, czy autor mógłby się przychylić ku zielonym ideom i założyć większy magazyn o zdolności np. 200 GWh ( razem większy, niż w propozycji dla Turowa ), lub czy mógłby wyłączyć w większym stopniu węgiel i gaz zakładając, że później dyspozytorzy „szybko” uruchomią z rezerwy – autor odpowiada, że sprawdził te możliwości. Żadne z tych rozwiązań nie pomoże, albowiem nie zaproponowano tu magazynów o pojemności dostatecznej. Notabene ilość dozwolonych zimnych startów elektrowni parowych (bez pary pomocniczej) jest ograniczona do kilku na rok.

Rys. 6. Zapasy magazynowe w kolejnych symulacjach.

Na rys. 6 możemy zobaczyć, że zapas magazynu 20 GWh na przemian opiera się o dolną lub górną granicę. W następnej symulacji zezwolono na wyłączanie elektrowni regulacyjnych (zostały tylko EC) i wykorzystano magazyn 200 GWh – ten również opiera się o dolną i górną granicę na długie okresy.

Dopiero magazyn 650 GWh wraz z niemożliwym technicznie długotrwałym „wyłączaniem węgla” zapewnia, że magazyn „żyje”, jednak w razie zimy również nie zapewnia bezpieczeństwa dostaw energii.

Rys.7. Zapasy magazynowe spełniające wizje zeroemisyjne po wyłączeniu wszelkich ograniczeń logicznych.

Po wyłączeniu ograniczeń logicznych, przy utrzymaniu 5 GW elektrociepłowni na wymuszeniu i przyjęciu zapasu początkowego 1,8 mln MWh „przetrwano zimę, ale magazyny musiałyby potem przyjąć 4,5 mln MWh energii. Po dokonaniu niemożliwego (likwidacji EC) i po przyjęciu warunku początkowego 9 mln MWh napełnienia magazynów (w prezencie od „likwidowanego węgla”) osiągnięto zeroemisyjne przetrwanie zimy na wiatrakach, kosztem zresztą opróżnienia magazynów. Po prostu kwartalne zapotrzebowanie wyniosło 45,4 TWh, a produkcja OZE 38,7 TWh, stąd manko 6 711 693 MWh. Planując gospodarkę magazynową należy oswajać się z liczbami takiego samego rzędu, jak przy omawianiu „milionów ton węgla zalegającego na zwałach”.

Zabrakło zdystansowania się do problemu przed rozpoczęciem pracy. Nocnych zapotrzebowań rzędu 300 GWh nie można pokryć magazynami 20 GWh. Takoż i bez żadnych symulacji już przed rozpoczęciem analizy widać, że nie jest możliwe przyjęcie proponowanych nadmiarów mocy OZE.

Instrat zaproponował 91 GW mocy zainstalowanej wiatru i słońca. Instrat nie ujawnił przyjętego wskaźnika jednoczesności występowania obu, ale na podstawie wcześniejszych prac autor może określić, że jednocześnie może wystąpić tutaj 82 GW wiatru i słońca.

Najmniejszy odbiór krajowy przyjmijmy 14 GW, odbiór importowy 7,3 GW, odbiór magazynowy 5 GW, razem 26,3 GW. Musimy go pomniejszyć o minimum techniczne elektrowni cieplnych i nJWCD 10 GW.

Możemy zatem zagospodarować 16,3 GW, a po wyczerpaniu magazynów 11,3 GW.

Nie jest możliwe, aby w prosty sposób przejąć 71 GW nadmiaru mocy, więc jest nieistotne, jakie przyjąć tutaj minimum techniczne elektrowni węglowych, czy też gazowych.

Instrat nie wykazał w założeniach konieczności zbudowania 71 GW elektrolizerni wraz z gospodarką wodorową, tym bardziej nie wykazał założonego kosztu takich budów. De facto realizacja zielonych wizji wymagałaby budowy 105 GW źródeł i 71 GW elektrolizerni, czyli budowy 176 GW nowych instalacji.

Instrat nie wykazał, jak to wcześniej powiedziano, założonych strat gospodarki wodorowej.

Instrat nie wykazał źródła pozyskania wodoru, choć wykazuje moce zainstalowane elektrowni wodorowych. Notabene w zestawieniu produkcji na rok 2040 wodoru nie ma, albo jest go tak mało, że ginie na wykresie.

Jeśli założono regulacyjne wyłączenia OZE zamiast budowy elektrolizerni należało wykazać gospodarcze skutki wyłączania nadmiaru mocy zainstalowanych. Instrat nie wykazał planowanego wskaźnika wykorzystania mocy zainstalowanej OZE w takich warunkach.

Przykładowo w pierwszym kwartale 2021 produkcja OZE wyniosłaby średnio 17,9 GW spośród 91 GW możliwych, więc wskaźnik wykorzystania mocy zainstalowanej łącznie dla obu typów OZE wyniósłby 19,7 %. Ale po odjęciu niedającej się zużyć, zmagazynować i wyeksportować energii 10 252 153 MWh moc wykorzystanego de facto OZE spadłaby do 13,2 GW średnio, czyli 14,5 % wykorzystania mocy zainstalowanej (jaki byłby sens budowania wiatraka morskiego o wsk. wykorzystania 45 %, gdy trzeba by go notorycznie wyłączać?).

Instrat nie wykazał planowanej ilości cykli ładowania/rozładowania dla urządzeń bateryjnych, co ma istotne znaczenie przy ocenie trwałości tychże urządzeń.

Musielibyśmy tu porównać trwałość baterii 6 lat, wiatraków 15 lat, z trwałością elektrowni atomowej 60 lat.

Instrat dość swobodnie formułuje żądania gospodarcze w stosunku do podmiotów obarczonych obowiązkiem gospodarowania majątkiem. Patrz żądania zezłomowania nowych turbin gazowych spalających gaz ziemny i zakupu turbin do spalania wodoru.

Żądania w rodzaju „gaz tylko paliwem pomostowym” sprowadzają się do zorganizowania gospodarki rozrzutnej materiałowo, a więc nieekologicznej, obarczonej wysokim śladem węglowym. Budowanie kosztownych urządzeń na krótki czas jest po prostu nieroztropne.

Zauważmy, że odliczywszy węgiel kamienny Instrat proponuje budowę około 105 GW nowych elektrowni, do 5 GW urządzeń magazynowych, rozbudowę łączy o 3 GW. Razem jest to 113 GW nowych urządzeń do pokrycia średniego zapotrzebowania 19 GW.

Zupełnie inaczej brzmi propozycja zbudowania 6 GW atomu, oraz elektrowni gazowych regulacyjnych i biomasowych zbilansowanych pokrycia podstawy średniego obciążenia 19 GW. Czyż nie rozsądniej ?

Powtórzona celowo dwukrotnie wielkość 19 GW reprezentuje też możliwy dopływ środków do sfinansowania, czy też późniejszego utrzymania inwestycji.

A zatem, mając przychody ze sprzedaży na poziomie 19 GW mamy utrzymywać 33 GW (zapas na max obciążenie i awarie), czy też mając przychody ze sprzedaży na poziomie 19 GW mamy utrzymywać 113 GW nowych urządzeń, nie mając gwarancji bezpieczeństwa dostaw energii ?

Podsumowanie

Analiza Instratu posiada istotne nieprawidłowości w obszarze bilansów mocy chwilowej, szczególnie w obszarze „generacja oze max – zapotrzebowanie min”, choć mankamentem jest także zakładanie dużego importu w warunkach zimowych.

W analizie Instratu nie ujawniono dostatecznie dużo szczegółów zapewniających jej weryfikowalność, w szczególności zakładanych pojemności magazynowych, a także istotnych szczegółów mogących dowodzić prawdziwości założenia o możliwości bezpiecznego oparcia się o magazynowanie energii elektrycznej.

Analiza Instratu została przez środowiska proklimatyczne odczytana jako niemalże gotowy plan do realizacji, plan, który nie jest realizowany tylko z powodu oporu środowisk konserwatywnych. Tymczasem jest to lista populistycznych żądań, z typowymi zresztą w takich „projektach” nieprawidłowościami.

Praca skupia się na wykazywaniu problemów po stronie węgla, nic nie mówiąc
np. o problemach, a szczególnie kosztach generowanych po stronie OZE.

Panie i Panowie – nie wystarczy zbudować więcej wiatraków, aby osiągnąć sukces OZE, a gdyby rozwiązano problemy magazynowe, to zawsze pozostaje zasadne pytanie o sens utrzymywania gospodarki tak rozrzutnej i niskosprawnej.

Grzegorz Kwiecień, mgr inż. elektroenergetyki o specjalizacji Wytwarzanie energii