Kilka faktów dotyczących fotowoltaiki

W ostatnim czasie ukazała się drukiem obszerna monografia autorstwa mgr inż. Marka Zadrożniaka pt. „Kompendium wiedzy o elektrowniach wiatrowych, słonecznych, węglowych i atomowych”, która demaskuje istne szaleństwa związane z wprowadzaniem w naszym kraju tzw. „zielonego ładu”, co w efekcie musi doprowadzić do totalnego unicestwienia polskiej elektroenergetyki, budowanej przecież z tak wielkim mozołem przez okres kilkudziesięciu lat po drugiej wojnie światowej.

Licząca prawie 600 stron monografia to dzieło wręcz monumentalne. Pojawia się jednak poważna wątpliwość: ile osób to w sumie przeczyta? I kto jest w stanie przeczytać to wszystko ze zrozumieniem? Pytania te są o tyle istotne, że prawdopodobnie co najmniej 95 proc. populacji naszego kraju nie odróżnia prądu od napięcia, a mocy od energii. Natomiast dla co najmniej 99 proc. procent populacji, pojęcia takie jak chociażby pojemność, indukcyjność czy impedancja są całkowicie obce, nie mówiąc już o wartości skutecznej napięcia, reaktancji bądź mocy biernej. Niestety, stosunkowo nieliczny odsetek naszego społeczeństwa posiada jakiekolwiek wykształcenie techniczne i raczej nie ulegnie to istotnej zmianie w najbliższej przyszłości.

Z tego powodu uważam, że warto pokusić się o napisanie swego rodzaju krótkiego podsumowania monografii autorstwa mgr inż. Marka Zadrożniaka, aby dosłownie na kilku stronach w jak najbardziej przystępny sposób unaocznić największe absurdy związane z dziejącym się na naszych oczach szaleństwem i jednocześnie dotrzeć z powyższymi informacjami do nieco szerszego kręgu odbiorców. W dalszych rozważaniach będę koncentrował się tylko i wyłącznie na fotowoltaice, a to głównie z tego powodu, że to właśnie ona w ostatnich latach dość nieoczekiwanie wysunęła się w sposób zdecydowany na pierwsze miejsce, a także dlatego, że w rozważanym przypadku skala wszelkiego rodzaju paradoksów jest zdecydowanie największa.

Zacznijmy od tego, że spośród różnego typu źródeł energii elektrycznej to właśnie fotowoltaika charakteryzuje się najniższą wartością tzw. średniorocznego współczynnika wykorzystania mocy zainstalowanej, który w przypadku szerokości geograficznej typowej dla Polski, nie przekracza zaledwie 10 proc. Oznacza to, że instalując na dachu domu panele fotowoltaiczne o mocy 1000 W, uzyskujemy taki efekt, jakbyśmy zainstalowali źródło energii elektrycznej o mocy zaledwie 100 W, ale za to pracujące w sposób ciągły przez cały rok. Dla porównania wartość rozważanego średniorocznego współczynnika wykorzystania mocy zainstalowanej w przypadku energetyki zawodowej bazującej na spalaniu węgla kamiennego bądź brunatnego wynosi przynajmniej 70 proc. Gdyby elektrownie zawodowe, takie jak Bełchatów, Kozienice czy Turów miały pracować jedynie z wartością 10 proc. ich mocy osiągalnej, to nie zarobiłby nawet na „suche bułki”.

Warto jeszcze nadmienić, że w przypadku fotowoltaiki wartość rozpatrywanego średniorocznego współczynnika wykorzystania mocy zainstalowanej zależy przede wszystkim od szerokości geograficznej, na której umiejscowione zostały panele. Generalnie, im dalej od równika, tym warunki pracy dla fotowoltaiki są gorsze, a pamiętać trzeba o tym, że większość obszaru Polski leży powyżej pięćdziesiątego równoleżnika – zatem warunki pracy dla fotowoltaiki są u nas dość dalekie od optymalnych.

Obecnie wartość mocy zainstalowanej w polskiej fotowoltaice osiągnęła już 14 GW. Aby uzmysłowić sobie, jak duża jest to wartość, wystarczy nadmienić, że typowe zapotrzebowanie na moc elektryczną w polskim systemie elektroenergetycznym zwykle oscyluje wokół wartości wynoszącej około 20 GW, a dotychczasowy rekord zapotrzebowania odnotowany w zimie przy dwudziestostopniowych mrozach podczas tzw. szczytu wieczornego wyniósł nieco ponad 27 GW.

Tymczasem apetyt „zielonoładowców” idzie znacznie dalej. Na rys. 1 można zobaczyć wykres ukazujący przewidywany w najbliższej przyszłości przyrost wartości mocy zainstalowanej w polskiej fotowoltaice.

Według najbardziej optymistycznego wariantu rozważanej prognozy już za trzy lata w polskim systemie elektroenergetycznym powinniśmy mieć zainstalowane prawie 35 GW mocy w panelach fotowoltaicznych. A w latach kolejnych przewidywany jest zapewne dalszy wzrost, bo przedstawiony na rys. 1 wykres nie wykazuje bynajmniej jakichkolwiek oznak nasycenia, lecz zdaje się dzielnie piąć w górę.

Tymczasem wprowadzenie do polskiego systemu elektroenergetycznego około 30 GW mocy pochodzącej z fotowoltaiki nie jest po prostu wykonalne technicznie w sytuacji, gdy typowe zapotrzebowanie na moc w miesiącach letnich jest rzędu 20 GW. To spowodowałoby powstanie nadwyżki mocy w wysokości co najmniej 10 GW, która dosłownie „rozsadziłaby” system elektroenergetyczny od wewnątrz. Wówczas zadziałałaby w trybie natychmiastowym automatyka zabezpieczeń, która odłączyłaby od elektrowni wszystkie linie przesyłowe i na obszarze całego kraju zapanowałby tzw. blackout, czyli mówiąc po polsku „ciemności egipskie” – wszyscy odbiorcy zostaliby pozbawieni dopływu energii elektrycznej. Dzieje się tak dlatego, że w systemie elektroenergetycznym nie ma w zasadzie żadnych możliwości magazynowania większych ilości wyprodukowanej energii, a zatem sumaryczna moc generowana w różnego typu elektrowniach musi przez cały czas nadążać za nieustannie zmieniającym się zapotrzebowaniem zgłaszanym ze strony odbiorców.

Pomimo zainstalowania w polskiej fotowoltaice już ponad 14 GW mocy jej udział w rocznej produkcji energii elektrycznej w Polsce jest wręcz na poziomie szczątkowym, o czym można się przekonać, spoglądając na wykres kołowy zamieszczony na rys. 2.

Jak widać, fotowoltaika pokrywa jedynie zaledwie 4,5 proc. rocznego zapotrzebowania na energię elektryczną w Polsce. Zestawienie tej wartości z całkowitą wartością mocy zainstalowanej w panelach fotowoltaicznych (jest to już co najmniej 14 GW) wygląda doprawdy wręcz kuriozalnie. Nie może być jednak inaczej, gdyż – jak już uprzednio wspomniano – wartość średniorocznego współczynnika wykorzystania mocy zainstalowanej w polskiej fotowoltaice to raptem niecałe 10 proc.

Z kolei na rys. 3 zamieszczono dane dotyczące generacji mocy w krajowym systemie elektroenergetycznym, udostępnione na stronie internetowej PSE (Polskie Sieci Elektroenergetyczne S. A.).

Przedstawione na rys. 3 dane dotyczą dnia 21 lipca 2023 roku godz. 13.00, wówczas wartość mocy generowanej w fotowoltaice osiąga swe maksimum, ponieważ słońce znajduje się wtedy najwyżej nad horyzontem. Jak wynika z rys. 3, w rozważanym czasie źródła fotowoltaiczne generowały łącznie 6,774 GW mocy, co jest wartością raczej przeciętną. Powodem takiego stanu rzeczy było utrzymujące się w rozważanym dniu stosunkowo duże zachmurzenie, ograniczające dopływ promieniowania słonecznego.

Jak wynika z rys. 3, całkowita wartość generowanej w krajowym systemie elektroenergetycznym mocy wynosiła 20,793 GW, co pokrywało w całości zapotrzebowanie odbiorców, a na dodatek jeszcze pojawił się niewielki eksport energii w wysokości 118 MW.

Rozumując w sposób naiwny, ktoś mógłby zapewne powiedzieć, że przecież, gdyby było zainstalowanych w Polsce więcej paneli fotowoltaicznych, wówczas całe zapotrzebowanie na moc w krajowym systemie elektroenergetycznym o rozważanej porze dnia (w wysokości 20,73 GW) mogłoby zostać pokryte tylko i wyłącznie z fotowoltaiki. W tym celu wystarczyłoby przecież, żeby generowana przez fotowoltaikę moc była około trzy razy większa, a to można byłoby teoretycznie osiągnąć, instalując po prostu w panelach trzy razy większą moc, niż ma to miejsce obecnie, czyli około 42 GW.

Trzeba pamiętać tylko o tym, że podana na rys. 3 wartość generacji mocy z fotowoltaiki dotyczy godz. 13.00, gdy jest ona relatywnie największa. Tymczasem po zapadnięciu zmroku fotowoltaika generuje dokładnie zero watów, z czego wynika, że źródła fotowoltaiczne nie mogą pracować samodzielnie w systemie elektroenergetycznym, tylko muszą podlegać tzw. rezerwowaniu i to w stu procentach, bo po zapadnięciu zmroku czymś trzeba je zastąpić.

W przypadku krajowego systemu elektroenergetycznego fotowoltaika jest rezerwowana praktycznie w całości przez elektrownie cieplne opalane węglem. Problem polega na tym, że rozważanych elektrowni cieplnych nie można tak po prostu wyłączyć na okres zaledwie kilku godzin, podczas których fotowoltaika osiąga maksimum swojej produkcji, ponieważ podczas wieczornego szczytu obciążenia rozważane elektrownie węglowe muszą przejąć wzmożone zapotrzebowanie na moc. Dlatego w okolicach godzin okołopołudniowych moc bloków cieplnych jest drastycznie obniżana – często do ich technicznego minimum – tak, aby fotowoltaika mogła w owym czasie wprowadzić generowaną przez siebie moc do sieci elektroenergetycznych. Rozważane bloki elektrowni cieplnych są często wręcz „duszone” tylko po to, aby można było później nieco podrasować udział fotowoltaiki w tzw. miksie energetycznym. Przykładowo, nowoczesny blok energetyczny elektrowni w Kozienicach, zbudowany na tzw. parametry nadkrytyczne, o mocy 1075 MW, jest „duszony” aż do zaledwie 42 proc. swej mocy nominalnej, z którą powinien pracować w sposób ciągły, bo to właśnie wtedy jego praca jest najbardziej ekonomiczna – osiąga sprawność netto ponad 45 proc. Takie cykliczne obniżanie mocy bloków energetycznych w okolicy godzin okołopołudniowych powoduje nie tylko znaczne obniżenie ich sprawności (spalamy zatem więcej węgla, niż byłoby to teoretycznie konieczne), ale jest to także powodem występowania zwiększonej awaryjności tych bloków i skrócenia ich żywotności.

Znacznie lepiej do współpracy z fotowoltaiką nadają się z kolei turbiny gazowe, które można z pełną mocą uruchomić w czasie kilkudziesięciu minut, a następnie równie szybko odstawić ponownie z ruchu. Jednak jest z tym jeden zasadniczy problem. W tym miejscu aż prosi się, aby przywołać słowa towarzysza Władysław Gomułki, który dywagował niegdyś, że „gdybyśmy mieli więcej blachy, to wyprodukowalibyśmy w Polsce więcej konserw, ino mięsa nie mamy…”. Obecnie zaś można byłoby, parafrazując klasyka, stwierdzić, że „gdybyśmy mieli więcej turbin gazowych, to moglibyśmy zwiększyć w Polsce produkcję energii elektrycznej z fotowoltaiki, ino gazu nie mamy…”

Jak widać, możliwości dalszego zwiększania mocy zainstalowanej w polskiej fotowoltaice są bardzo ograniczone, ponieważ pracujące w naszym kraju elektrownie cieplne muszą łącznie generować około 8 GW mocy – jest to absolutnie ich minimum techniczne, zejście poniżej którego grozi już utratą stabilności pracy całego systemu elektroenergetycznego. Patrząc na rys. 3, widzimy, że moc generują także elektrownie wodne przepływowe, które muszą pracować w sposób ciągły (111 MW), oraz elektrownie wiatrowe, które efektywnie pracują tylko wtedy, gdy wieje odpowiednio silny wiatr (895 MW). Powoduje to w systemie elektroenergetycznym swego rodzaju „wypełnienie” kolejnego 1 GW mocy, która mogłaby być potencjalnie generowana przez fotowoltaikę.

Ponadto należy zwrócić uwagę, że w rozważnym dniu 21 lipca 2023 roku niebo było nieco zachmurzone, a dodatkowo wiatr nie wiał ze zbyt wielką prędkością. Gdyby w owym dniu niebo było bezchmurne, a wiatr był znacznie silniejszy, wówczas wartość mocy generowanej zarówno przez fotowoltaikę, jak i przez elektrownie wiatrowe byłaby znacznie większa. Do takiej sytuacji w bieżącym roku doszło już kilkakrotnie (ostatnio w dniu 2 lipca 2023), wówczas PSE były zmuszone wydać komunikat nakazujący odłączenie od sieci wybranych farm fotowoltaicznych celem zbilansowania mocy w krajowym systemie elektroenergetycznym.

Gdyby ktoś twierdził, że nadmiar mocy można byłoby przecież wyeksportować do krajów ościennych, to może warto przyjrzeć się nieco bliżej mapce przedstawionej na rys. 4.

Zaprezentowane na rys. 4 dane dotyczą godz. 13.00 dnia 21 lipca 2023 roku. Jak widać, eksportujemy energię elektryczną do Czech (1040 MW), na Słowację (801 MW) i na Ukrainę (223 MW), gdy jednocześnie jesteśmy wręcz „zalewani” energią pochodzącą z niemieckiej fotowoltaiki (1108 MW) i skandynawskich wiatraków (594 MW). A zatem o żadnym poważnym eksporcie w trakcie trwania szczytu generacji mocy przez polską fotowoltaikę mowy być nie może.

Ktoś powie, że nadmiar wytworzonej w fotowoltaice energii można byłoby przecież zmagazynować. To są jednak czyste mrzonki. Druga co do wielkości polska elektrownia szczytowo-pompowa Porąbka-Żar podczas czterech godzin swej pracy z maksymalną mocą pompową może zmagazynować energię o wartości około 2 GWh. Tymczasem, zakładając nadwyżkę mocy generowanej w fotowoltaice rzędu 10 GW, występującą przez okres pięciu godzin okołopołudniowych, do zmagazynowania byłoby aż około 50 GWh energii elektrycznej, a zatem w tym celu musielibyśmy dysponować co najmniej 25 elektrowniami szczytowo-pompowymi takimi jak Porąbka-Żar. Jest rzeczą wysoce wątpliwą, czy w polskich górach w ogóle dałoby się wskazać aż tyle potencjalnych lokalizacji pod budowę tego rodzaju obiektów.

Jeżeli dodatkowo weźmiemy pod uwagę, że koszt zainstalowania 1 MW mocy w fotowoltaice jest porównywalny, a być może nawet i nieco większy niż koszt zainstalowania 1 MW mocy w nowoczesnym bloku cieplnym zaprojektowanym na parametry nadkrytyczne, to wnioski stąd wypływające są wręcz szokujące. Bowiem, jeżeli w fotowoltaice zainstalowaliśmy do tej pory około 14 GW mocy, to dokładnie za te same pieniądze można było przecież wybudować co najmniej 13 nowoczesnych bloków cieplnych zaprojektowanych na parametry nadkrytyczne, czyli dokładnie takich jak ten w elektrowni Kozienice o mocy 1075 MW i sprawności netto przewyższającej 45 proc., a to sprawiłoby automatycznie, że w ten sposób odnowilibyśmy w zasadzie całą krajową elektroenergetykę na kilka kolejnych dekad!

Tymczasem realia są takie, że w krajowym systemie elektroenergetycznym mamy zainstalowane obecnie jeszcze ponad 10 GW mocy w starych blokach energetycznych o mocy 200 MW (tzw. dwusetki), przy czym niektóre z nich przekroczyły już okres pięćdziesięcioletniej eksplantacji, a zdecydowana większość powstała w epoce towarzysza Edwarda Gierka. Sprawność energetyczna tego rodzaju bloków wynosi zaledwie około 30 proc., ponieważ dostępne w okresie ich budowy technologie materiałowe nie pozwalały na wytworzenie kotłów, rurociągów i turbin, które wytrzymałyby większą temperaturę i ciśnienie pary. Obecnie tego typu bloki cieplne budowane są na tzw. parametry nadkrytyczne, tzn. temperatura pary świeżej wynosi w ich przypadku około 600 stopni Celsjusza, a cieśninie co najmniej 280 atmosfer. Takie zwiększenie wartości parametrów pary doprowadziło do istotnego zwiększenia sprawności procesu przetwarzania energii chemicznej paliwa w energię elektryczną, która przekracza już wartość 45 proc. netto.

Z powyższych rozważań wynika oczywisty wniosek. Mianowicie w przypadku nowoczesnego bloku na parametry nadkrytyczne o sprawności netto wynoszącej ponad 45 proc., w porównaniu ze starym blokiem gierkowskim o sprawności netto około 30 proc., spalając tę samą masę węgla, otrzymujemy około 1,5 razy więcej energii elektrycznej. Albo inaczej, do wyprodukowania tej samej ilości energii elektrycznej zużywany o 1/3 mniej węgla, co prowadzi automatycznie do zmniejszenia emisji dwutlenku węgla o ponad 30 proc. A zatem jak ma się to do redukcji emisji tego gazu o zaledwie niecałe 5 proc., którą uzyskano, instalując w Polsce około 14 GW mocy w panelach fotowoltaicznych? O takiej ekonomii inżynier Zadrożniak pisał w swej monografii: „głowa radziecka”.

Instalacje fotowoltaiczne generują najwięcej energii w godzinach okołopołudniowych, wówczas w systemie elektroenergetycznym pojawia się nadmiar mocy, a cena energii elektrycznej w związku z tym leci mocno w dół, co można zobaczyć na rys. 5.

Jak wynika z rys. 5, w godzinach okołopołudniowych w dniu 23 kwietnia 2023 roku odnotowano drastyczny spadek cen energii, nawet poniżej 50 złotych za 1 MWh. Z kolei w innym dniu o godzinie trzynastej pojawiła się wręcz cena ujemna – czyli de facto kara za wprowadzanie mocy do sieci elektroenergetycznej.

Wynika stąd, że prosument wprowadza do krajowego systemu energię pozaszczytową, która jest w sumie warta niewiele (a w przypadku cen ujemnych warta wręcz „mniej niż zero”) i za tę tanią, wyprodukowaną przez siebie energię może później w zasadzie w dowolnie wybranym przez siebie czasie (np. podczas zimowego szczytu wieczornego) odebrać sobie aż 80 proc. rozważanej energii, z tą tylko różnicą, że energia szczytowa może być nawet kilkanaście razy droższa (niejednokrotnie jest to znacznie powyżej tysiąca złotych za 1 MWh). Ponieważ, jak mawiał słynny noblista Milton Friedman: „w ekonomii nie ma darmowego obiadu”, to także i tutaj ktoś musi przecież za to zapłacić. A płacą wszyscy pozostali odbiorcy energii elektrycznej, którzy nie zaliczają się do uprzywilejowanej kasty prosumentów, choćby tylko z tego prozaicznego powodu, że mają jedynie mieszkanie w bloku, a nie domek jednorodzinny, na dachu którego mogliby sobie zainstalować panele.

dr inż. Mirosław Gajer
Akademia Górniczo-Hutnicza w Krakowie
Wydział Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Inżynierii Biomedycznej