W dzisiejszych czasach, inwestycje w odnawialne źródła energii (OZE) nabierają coraz większego znaczenia. Zarówno na świecie, jak i w Polsce, rośnie zainteresowanie inwestycjami w OZE, co jest związane z koniecznością ochrony środowiska oraz dążeniem do zrównoważonego rozwoju. W niniejszym artykule przyjrzymy się, dlaczego inwestycje w OZE są kluczowe dla przyszłości energetycznej oraz jak mogą przyczynić się do rozwoju rozproszonej sieci energetycznej co jest jednym z kluczowych trendów OZE.

Od centralizacji do rozproszenia czyli ewolucja sieci energetycznej

Tradycyjna, scentralizowana sieć energetyczna była fundamentem rozwoju energetyki przez wiele dekad. Jednakże, wraz z rosnącym zapotrzebowaniem na energię oraz potrzebą redukcji emisji CO2, inwestycje w OZE stają się coraz bardziej atrakcyjne a to powoduje zmianę paradygmatu podczas projektowania sieci energetycznej.

Tradycyjna czyli scentralizowana

Pierwsza sieć energetyczna powstała w 1882 roku, kiedy Thomas Edison uruchomił elektrownię Pearl Street w Nowym Jorku, dostarczając prąd do 59 klientów. Elektrownia została zlokalizowana między budynkami miejskiej dzielnicy. Od stworzenia pierwszej elektrowni węglowej jej schemat jest taki sam: ciepło z węgla ogrzewa wodę a powstała para zasila silnik parowy, który generuje moc zamieniają na energię eklektyczną. Edison używał prądu stałego, którego nie da przesyłać się na dalekie odległości. Sieć w Nowym Jorku z jednej strony była scentralizowana bo tylko w jednym miejscu był tworzony prąd ale przez konieczność budowy gęstej sieci elektrowni wymagała bardzo dużej liczby realizowanych inwestycji.

Starcie o prąd wygrał jednak Nikola Tesla, który promował prąd zmienny. Jego główną zaletą jest możliwość transportu na bardzo duże odległości bez poważnych strat. W świecie, w którym energia powstała ze spalania paliw kopalnych technologia ta wydawała się idealna. Taki system pozwala na korzyść ekonomiczną: do dzisiaj największe elektrownie węglowe świata zlokalizowane są obok kopalni węgla co radyklanie zmniejsza koszty transportu. W świecie paliw kopalnych takie zlokalizowanie wytwórcy prądu to bezpieczna inwestycja.

Takie myślenie przetrwało do dzisiejszych dni, system energetyczny np. Polski to centralizowana sieć energetyczna, w którym energia elektryczna jest produkowana w dużych, centralnych elektrowniach, takich jak elektrownie węglowe, gazowe czy jądrowe. Energia ta jest następnie przesyłana do odbiorców końcowych poprzez rozbudowaną infrastrukturę przesyłową i dystrybucyjną, obejmującą linie wysokiego i niskiego napięcia oraz stacje transformatorowe. Charakterystyczną cechą tej sieci jest prosty podział ról: istnieją tylko producenci energii, czyli duże elektrownie, i konsumenci, czyli gospodarstwa domowe, firmy i instytucje.

Decentralizacja: proces przystosowania do inwestycji OZE

Rozproszona sieć energetyczna to system, w którym energia jest produkowana z wielu małych, lokalnych źródeł, takich jak inwestycje w wiatraki i inwestycje w elektrownie słoneczne. Taki model jest bardziej odporny na awarie i pozwala na efektywniejsze zarządzanie zasobami energetycznymi. W przeciwieństwie do scentralizowanej sieci, gdzie energia musi być przesyłana na duże odległości, rozproszona sieć energetyczna minimalizuje straty przesyłowe i umożliwia lepsze wykorzystanie lokalnych zasobów.

W erze dekarbonizacji zmienia się cały paradygmat projektowania sieci. Wiatraki odwrotnie od kopalni powinny być lokalizowane w pewnej odległości od siebie a względy prawne i praktyczne uniemożliwiają zbudowanie kilku ogromnych farm wiatraków, które obsłużą cały kraj. Rozproszona sieć to odpowiedź na sytuację, gdzie jeden podmiot może pełnić różne role w systemie energetycznym. Jednego dnia jesteśmy konsumentami a drugiego producentami energii co nazywa się prosumentem.

Nowe elementy wyzwaniem dla projektantów

Wzrasta rola kabli typu HVDC czyli „elektrycznych autostrad”, które umożliwiają by inwestycje w wiatraki na północy kraju przesyłały prąd na górzyste południe przy możliwie małych stratach. W tradycyjnej sieci w ogóle nie było takich potrzeb, taniej było postawić dwie elektrownie: jedną na północy, drugą na południu i rozprowadzić energię z niej za pomocą tańszego okablowania. System tradycyjny jest bardzo przewidywalny i stabilny. OZE wbrew mitom, też są przewidywalne ale ich produkcja podlega większym wahaniom a to wymaga zmian w projektowaniu sieci by planowo być gotowym na mniejszą stabilność dostaw.

Ostatnim elementem, który był wręcz niemożliwy do wyobrażenia podczas projektowania krajowych sieci energetycznych to rosnące możliwość magazynowania energii za pomocą technologii bateryjnej. Zarówno magazyny energii przemysłowe jak i prywatne mają coraz większą rolę w stabilizowaniu krajowych sieci. Ogromne zasoby pojemności zlokalizowane są w autach elektrycznych, które mogą mieć swoją istotną rolę już tylko dzięki zastosowaniu taryf dynamicznych. Niska cena prądu w godzinach gdy na sieć podawane jest dużo mocy zachęci właścicieli aut do ładowania o tej porze a dzięki temu więcej mocy zostanie odebrane z sieci. Jest też możliwa usługa V2G czyli podłączenie auta do domowej sieci by pełniło rolę wirtualnego magazynu energii ale obecnie technologia nie jest dostępna we wszystkich autach.

Zalety sieci rozproszonej

Do głównych zalet rozproszonej sieci należą: większa elastyczność, redukcja emisji CO2 oraz możliwość lokalnego zarządzania energią. Jednakże, wdrożenie takiej sieci wiąże się także z wyzwaniami, takimi jak konieczność modernizacji infrastruktury oraz integracji różnych źródeł energii. Inwestycje w wiatraki i inwestycje w elektrownie słoneczne wymagają odpowiednich regulacji i wsparcia ze strony rządów, aby mogły być efektywnie zintegrowane z istniejącą siecią. Kolejnym wyzwaniem jest zarządzanie zmiennością produkcji energii z OZE, co wymaga zastosowania zaawansowanych technologii magazynowania energii i inteligentnych systemów zarządzania siecią.

Warto wspomnieć, że zdecentralizowana sieć energetyczna to inwestycja w opłacalność całego Państwa: tego typu sieć ma znacznie mniejsze straty na przesyle energii więc działa pozytywnie na wydajność przemysłu. Nie do pominięcia jest też aspekt bezpiecznych inwestycji bo dzięki rozproszonej sieci Państwo jest bardziej odporne na konflikty zbrojne i uderzenia w infrastrukturę krytyczną.

Sieć rozproszona zwiększa podmiotowość terenów wiejskich lub takich gdzie mieszka mało ludzi. Decentralizacja sieci to więcej niż tylko aspekty techniczne, to ogólne demokratyzowanie inwestycji w odnawialne źródła energii. Mechanizmem takim są na przykład wspólnoty energetyczne na terenach wiejskich. Możliwość organizowania takich wspólnot jest obowiązkiem prawnym krajów UE. Mieszkańcy terenów wiejskich mogą zorganizować się w grupę, która za pomocą inwestycji w wiatraki i farmy fotowoltaiczne stworzy swoją własną minisieć energetyczną.

Inwestycje w elektrownie OZE i rola prosumenta w transformacji sieci

Zdecentralizowany, demokratyczny, nowoczesny i bezpieczny system energetyczny nie powstanie bez trzech kluczowych elementów: wiatraków, farm fotowoltaicznych i prosumentów.

Rola inwestycji w wiatraki w rozproszonej sieci energetycznej

Inwestycje w wiatraki odgrywają kluczową rolę w rozwoju rozproszonej sieci energetycznej. Wiatraki umożliwiają produkcję energii w różnych lokalizacjach, co zwiększa elastyczność i niezawodność sieci. Wiatr jako źródło energii jest dostępny niemal na całym świecie, co czyni inwestycje w wiatraki uniwersalnym rozwiązaniem dla wielu krajów. Dodatkowo, technologie wiatrowe stale się rozwijają, co pozwala na zwiększenie efektywności i obniżenie kosztów produkcji energii z wiatru. Wiatraki wymagają małej powierzchni gruntu więc idealnie nadają się by stawiać je np. na polach.

Inwestowanie w wiatraki bez innych OZE nie jest jednak sensownym rozwiązaniem. W porach letnich często brakuje wiatru więc źródło energii jakim są turbiny wiatrowe trzeba uzupełnić innym źródłem.

Rola inwestycji w elektrownie słoneczne w rozproszonej sieci energetycznej

Odpowiedzialne inwestycje w odnawialne źródła energii to tworzenie w jednym obszarze elektrowni słonecznych wraz z wiatrowymi. Elektrownie słoneczne umożliwiają produkcję energii na miejscu, co zmniejsza straty przesyłowe i przyczynia się do zrównoważonego rozwoju. Energia słoneczna jest jednym z najbardziej obfitych i powszechnie dostępnych źródeł energii, co sprawia, że inwestycje w elektrownie słoneczne są atrakcyjne zarówno dla dużych przedsiębiorstw, jak i indywidualnych prosumentów. Instalacja paneli zajmuje większą powierzchnię niż instalacja wiatraka ale możliwe jest lokalizowanie tych instalacji na terenach pochyłych lub elementach budynków co nie jest możliwe przy wiatrakach.

Słońce i wiatr: idealne połączenie

Elektrownie słoneczne i wiatrowe są idealnie komplementarne wobec siebie. Nazywa się to wzajemnym uzupełnianiem i oznaczam, że ich szczyty mocy prawie zawsze występuję w innym czasie. W większości regionów świata wiatry są silniejsze zimą, kiedy nasłonecznienie jest mniejsze, a latem, gdy wiatry są słabsze, produkcja energii słonecznej jest wyższa. To nie wszystko, badania naukowe pokazują, że statystycznie na świecie występuje uzupełnianie się tych źródeł energii także w obrębie doby. Turbiny wiatrowe największą produkcję osiągają zazwyczaj w nocy oraz wczesnym rankiem, kiedy wiatry są silniejsza. Tymczasem panele fotowoltaiczne mają najwyższą produkcje w ciągu dnia, szczególnie w godzinach południowych, kiedy nasłonecznienie jest największe.

Badania naukowe realizowane w Teksasie wykazały wieloletnią powtarzalność w różnicy szczytów mocy w obrębie doby a wnioskiem autorów była potrzeba wyliczania odpowiedniego stosunku instalowanej mocy tak by osiągnąć optimum dla każdego regionu. W Niemczech już w 2011 w dużym badaniu naukowym określono, że bardzo rzadko dochodzi do sytuacji gdzie szczyt mocy elektrowni wiatrowej występuję w tym samym czasie co szczyt mocy dla elektrowni słonecznej a zależność ta zachodzi w różnych regionach świata.

Prosument: nowy gracz w systemach energetycznych

Słowo prosument pochodzi od zbitki słów producent i konsument. W systemach energetycznych najczęściej oznacza ono podmiot (osobę lub firmę), która kupuje prąd od sieci energetycznej ale okresowo także go sprzedaje. W Polsce zdecydowania większość prosumentów to osoby, które skorzystały z programu mój prąd i skorzystali z preferencyjnych warunków ma inwestycję w mikro instalacje OZE. Dużo osób zadaje sobie pytanie jak zarobić na transformacji energetycznej? Na pewno „zarobiły” osoby, które dołączyły do programu „mój prąd” w okresie korzystnych warunków korzystały z systemu net-metering a instalacja potrafiła się zwrócić w kilka lat.

Prosument to w skali historii światowej energetyki bardzo młody sposób inwestowania w OZE. W Polsce prace nad odpowiednimi ustawami rozpoczęły się dopiero w 2011 a przepisy, które były korzystne dla prosumentów to dopiero rok 2015 czyli 133 lata po otwarciu pierwszej elektrowni węglowej Edisona. Podkreślić należy, że sytuacja prosumenta i jego siła oddziaływania na sieć zmienia się bardzo szybko. Jeszcze kilka lat temu magazyny energii były skrajnie nieopłacalne a obecnie są ekonomiczne korzystne. Zwiększa się także ilość działań, które prosument może robić offgrid czyli bez podłączenia do sieci. Dzięki pompie ciepła, gospodarstwo domowe wyposażone w fotowoltaike i przydomową elektrownię wiatrową, może wiele dni nie pobierać żadnej energii z sieci i bazować na własnym magazynie.

Wszystkie te działania to utrudnienie dla sieci energetycznej i kolejny bodziec do jej decentralizacji. Inwestowanie w transformację energetyczną to nie wszystko, eksperci podkreślają potrzebę nakładania na prosumentów obowiązków a nie tylko dodawania przywilejów. Takim wymogiem mogłoby być ułatwienie odłączania przydomowej fotowoltaiki w przypadku przeciążeń lub obowiązek instalacji magazynu energii.

Zmiany w paradygmacie sieci energetycznej efektem zmian w paradygmacie świata

Każdy kto myśli o zainwestowaniu w inwestycje w elektrownie słoneczne lub wiatraki powinien zdobyć wiedzę o różnicach między rozproszoną siecią energetyczną a tradycyjną, scentralizowaną. To nie tylko wiedza pozwalająca na prowadzenie bezpiecznych inwestycji. To nie tylko element niezbędny by prąd z inwestycji w elektrownię słoneczną był sprzedawany a nie marnowany. Zmiany w projektowaniu sieci przesyłowych to świadectwo zmian jakie zaszły w świecie. Od kamienicy Edisona, w której spalano węgiel, ludzkość przeszła drogę do nowoczesnych społeczeństw dążących do dekarbonizacji i rozproszenia źródeł energii.