Prof. Malecha: Blackout w Hiszpanii został wywołany przez niestabilne farmy wiatrowe i fotowoltaiczne

– Winą za blackout w Hiszpanii należy w pełni obciążyć przesycenie systemu elektroenergetycznego niestabilnymi OZE oraz nieracjonalne zduszenie generacji ze stabilnych elektrowni wodnych i gazowych. Pozbawiono tym samym sieć silnych źródeł synchronicznych, które utrzymują pożądaną częstotliwość pola elektromagnetycznego – wyjaśnia w rozmowie z Tomaszem Cukiernikiem prof. dr hab. inż. Ziemowit Malecha z Wydziału Mechaniczno-Energetycznego Politechniki Wrocławskiej.

Według wstępnych analiz, głównym czynnikiem blackoutu w Hiszpanii, do którego doszło 28 kwietnia, była masowa awaria w instalacjach fotowoltaicznych. Jak do tego doszło?

Aby zrozumieć, co się stało z siecią elektroenergetyczną w Hiszpanii i dlaczego niestabilne OZE, czyli farmy wiatrowe i fotowoltaiczne, są za to odpowiedzialne, należy najpierw uzmysłowić sobie, co to jest sieć elektroenergetyczna oraz jak jest przesyłana energia elektryczna. Sieć elektroenergetyczna łączy ze sobą jednostki wytwórcze oraz odbiorców przewodami elektrycznymi zbudowanymi z materiałów zwanymi przewodnikami, czyli takimi, w których możliwy jest swobodny ruch elektronów. Choć elektrony poruszają się w przewodnikach, to energia elektryczna jest przenoszona głównie poprzez pole elektromagnetyczne powstające wokół przewodów. To pole, generowane przez przemienny prąd elektryczny, rozchodzi się w przestrzeni i przenosi energię od źródła do odbiornika. Zmienne pole elektromagnetyczne wytwarzane jest przez generatory synchroniczne w dużych, zawodowych elektrowniach (węglowych, gazowych, wodnych czy jądrowych), które są maszynami rotującymi i w sposób ściśle kontrolowany wytwarzają pulsujące (wirujące) pole elektromagnetyczne. Ustalono, że to pole elektromagnetyczne pulsuje z częstotliwością 50 cykli na sekundę, czyli 50 Hz. W stabilnym systemie elektroenergetycznym muszą istnieć duże podstawowe jednostki wytwórcze, które w sposób ściśle skoordynowany ustalają i kontrolują pulsację (częstotliwość) sieci. Dodatkowo duże generatory synchroniczne, które wytwarzają i kontrolują pulsację, są maszynami rotującymi o dużej inercji. Oznacza to, że w przypadku zaburzenia częstotliwości mogą aktywnie ją korygować, np. oddając swoją energię kinetyczną zgodnie z potrzebami sieci.

Niestabilne OZE oparte na przekształtnikach (jak farmy fotowoltaiczne i wiatrowe) nie posiadają naturalnej inercji. Nie są też zdolne do samodzielnego ustalania częstotliwości w sieci. Działają one w trybie podążania za siecią (grid-following), gdyż nie wytwarzają energii elektrycznej w oparciu o generatory synchroniczne. Tak naprawdę są one dostrojone do sieci elektroenergetycznej poprzez istniejącą już w sieci częstotliwość wytworzoną przez jednostki stabilne. Niestabilne jednostki OZE nie mogą funkcjonować poprawnie w systemie elektroenergetycznym, jeżeli nie są podłączone do stabilnego systemu elektroenergetycznego. Dodanie jakiegokolwiek nowego systemu generującego energię elektryczną – czy jest to fotowoltaiczna instalacja prosumencka, czy duża elektrownia atomowa – wymaga ścisłej synchronizacji z siecią elektroenergetyczną. Chodzi o to, by nie zaburzać istniejącej w niej pulsacji. Jednak w przypadku tych źródeł różnica jest zasadnicza. Elektrownia atomowa staje się nowym źródłem pulsacji i wpływa na stabilność sieci, natomiast farma wiatrowa czy fotowoltaiczna wręcz przeciwnie.

28 kwietnia system elektroenergetyczny Hiszpanii był zdominowany przez produkcję energii elektrycznej z niestabilnych OZE. Oznacza to, że stabilizacja sieci była pozbawiona silnych jednostek synchronicznych stając się bardzo mocno podatną na zaburzenia. Farmy fotowoltaiczne i wiatrowe w krytycznym momencie tego dnia wytwarzały ponad 70 procent całkowitej energii elektrycznej. Oznacza to, że znaczna większość generacji energii nie wiązała się z fizycznym ruchem obrotowym o dużej inercji, jaki zapewniają generatory synchroniczne. W konsekwencji inercja systemu była bardzo mała. Nie była w stanie zrekompensować nagłego zaburzenia czy utraty mocy. Taka sytuacja to jak przysłowiowa iskra w beczce z prochem. Wystarczy, że pojawi się odpowiednio silne zaburzenie sieci, choćby nagły wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną (np. na skutek włączenia przez mieszkańców Hiszpanii klimatyzacji), aby wytrącić sieć z synchronicznej pulsacji. Konsekwencją jest kaskadowe odłączanie niestabilnych jednostek OZE na skutek braku możliwości poprawnej synchronizacji z siecią oraz odcinanie innych jednostek synchronicznych ze względów bezpieczeństwa. W przypadku zdarzeń z 28 kwietnia w Hiszpanii w bardzo krótkim czasie generacja mocy spadła o 15 GW i dlatego nastąpił blackout. Aby lepiej sobie uzmysłowić skalę utraty mocy, można przywołać chwilowe zapotrzebowanie dla całej Polski, które zazwyczaj waha się w przedziale 15–25 GW.

Winą za blackout należy w pełni obciążyć przesycenie systemu elektroenergetycznego niestabilnymi OZE oraz nieracjonalne zduszenie generacji ze stabilnych elektrowni wodnych i gazowych, tym samym pozbawiając sieć silnych źródeł synchronicznych, które utrzymują pożądaną częstotliwość pola elektromagnetycznego.

Czyli niebezpieczny dla systemu jest nadmierny udział generacji energii z OZE…

Tej energii produkowanej z fotowoltaiki było bardzo dużo, i to właśnie był problem. Od około 8:00 rano, kiedy zaczęło świecić słońce, nastąpił bardzo szybki wzrost produkcji energii z farm fotowoltaicznych. Zaczęła natomiast spadać produkcja ze źródeł stabilnych, czyli elektrowni gazowych i wodnych. W momencie nastąpienia załamania sieci elektrycznej udział niestabilnych OZE wynosił 71 procent, a źródeł stabilnych, które tak naprawdę synchronizują sieć, nadają częstotliwość i utrzymują tę sieć w pracy synchronicznej, wynosił tylko 29 procent. To był punkt zapalny, taka iskra na beczce prochu, bo wystarczyło, że pojawi się jakieś zaburzenie. Ono się pojawiło i system nie był w stanie wrócić do pracy synchronicznej, czyli do tej równomiernej pulsacji pola elektromagnetycznego.

Co to było za zaburzenie?

Nie do końca jest to jasne, aczkolwiek pojawiają się informacje, że zaburzenie to w pierwszej kolejności nastąpiło w lokalizacji Hiszpanii, gdzie znajdują się duże ilości farm fotowoltaicznych. Zaburzenie najprawdopodobniej wynikało z bardzo szybkiego wzrostu generacji energii z niestabilnych źródeł, które nie są w stanie stabilizować sieci.

Profesor Władysław Mielczarski w mediach społecznościowych wskazuje tę samą przyczynę blackoutu w Hiszpanii, co Pan, czyli brak inercji OZE. Stwierdził ponadto, że „próbowano konstruować sztuczną inercję, ale nic z tego nie wyszło. Prawa fizyki nie chciały współpracować”. Czy mógłby Pan to doprecyzować?

Tylko duże wirujące generatory synchroniczne są w stanie stabilizować sieć, dlatego że te urządzenia nadają tę częstotliwość. Cała sieć musi być zsynchronizowana, czyli mieć 50 Hz, musi pulsować w taki sposób. Wszystkie źródła niestabilne, fotowoltaika i większość farm wiatrowych nie ma takiej możliwości. Można tylko próbować ją zsynchronizować w tzw. sposób syntetyczny, wykorzystując falowniki, które w pewnym zakresie mogą „udawać” masy wirujące. Jest to jednak bardzo ograniczone i tak naprawdę one wszystkie działają na takiej zasadzie, że odczytują aktualną częstotliwość w sieci i do niej się dostrajają. Jeśli ta częstotliwość jest zaburzona, to one pogłębiają tę patologię i w żadnym wypadku nie są w stanie reagować, jeżeli ta niestabilność przekroczy jakiś poziom. Następuje kaskadowe odłączenie innych źródeł wytwórczych ze względu na bezpieczeństwo. To, co się stało w Hiszpanii, mogło też mieć związek z nieprawidłowym prowadzeniem tej sieci, bo ktoś założył, że tak duża produkcja z niestabilnych OZE jest bezpieczna. Jeżeli prześledzimy zmianę generacji energii przez wszystkie źródła w czasie, to wraz ze wzrostem produkcji z OZE następowało bardzo znaczące i szybkie odłączenie źródeł stabilnych od systemu energetycznego, zwłaszcza dużej energetyki wodnej. Ona, mając wcześniej duży udział stabilizujący sieć, spada do roli marginalnej. Tak samo było z elektrowniami gazowymi, które przed zdarzeniem miały udział na poziomie około 7–8 procent, a po – około 2 procent. Czyli sieć była prowadzona w taki sposób, że jak wzrastała produkcja z niestabilnych OZE, to wyłączano stabilne źródła. Należy pokreślić, że wyłączano też tak zwane źródła zielone, czyli elektrownie wodne.

Czy w takim razie budowa systemu elektroenergetycznego w oparciu o wiatraki i fotowoltaikę to próba oszukania praw fizyki?

To jest nie tyle próba oszukania praw fizyki, co nieprzemyślane wprowadzenie bardzo dużych zagrożeń do sieci, bo utrzymanie częstotliwości w sieci, czyli tej pulsacji pola elektromagnetycznego nie jest możliwe w oparciu o niestabilne źródła energii. Odłączanie stabilnych źródeł powoduje, że nie jesteśmy w stanie utrzymać parametrów sieci, to jest bardzo trudne lub nawet niemożliwe. Myślę, że jeżeli inżynierowie, a nie ideolodzy by zarządzali tą siecią, to nie doszłoby do czegoś takiego, bo nie pozwolono by na tak mały udział stabilnych źródeł. Jeśli chodzi o energię atomową, to przez cały ten okres pracowała tylko połowa tych elektrowni. Druga połowa z jakichś przyczyn jest obecnie odłączona od sieci energetycznej i co gorsza, planuje się w Hiszpanii zamknięcie wszystkich sprawnych elektrowni jądrowych do roku 2035, co pozbawi sieć praktycznie zupełnie możliwości stabilizacji poza elektrowniami gazowymi i wodnymi.

Blackout z Hiszpanii dotarł do Portugalii i Francji i mógł się przenieść na całą Europę, ponieważ sieci elektroenergetyczne na kontynencie są ze sobą zintegrowane. Nie doszło do tego, ponieważ zadziałały systemy bezpieczeństwa. Czy w przyszłości może dojść do takiej sytuacji?

Oczywiście, że może dojść do takiej sytuacji. Jesteśmy na początku obserwacji tego typu zdarzeń, ale też będzie to zależało od tego, jak będzie się rozwijał dalszy scenariusz modernizacji czy transformacji energetycznej. Jeżeli w Hiszpanii odłączą najbardziej stabilne źródła energii, czyli energetykę jądrową, to na pewno to zagrożenie drastycznie wzrośnie. Jeżeli chodzi o mosty energetyczne, to między Hiszpanią a Francją jest połączenie o mocy około 2,8 GW, tylko że gdy pojawia się zagrożenie, system wykrywa znaczące zaburzenie częstotliwości i automatycznie odcina Hiszpanię, żeby nie rozprzestrzeniać zagrożenia. Musimy sobie zdać sprawę, że to jest kaskadowe zdarzenie i jeżeli mogłoby się dostać na resztę Europy, to byłoby to odczuwalne. Jeżeli chodzi o Portugalię, to tam też bardzo duża generacja była z farm fotowoltaicznych i jako że te systemy są także połączone, to musiało dojść do tego, bo jeżeli jest coś połączone, to zaburzenie się natychmiast propaguje. Jeżeli nie ma możliwości szybkiej reakcji, to tego nie da się zatrzymać.

A czy w Polsce możemy bezkarnie dodawać kolejne niestabilne OZE do systemu?

Łączna produkcja roczna z niestabilnych OZE w Polsce to około 26 procent, a w Hiszpanii – około 55–60 procent. Ale nie w tym jest problemem. Jest to system zupełnie przewymiarowany, bo tych mocy zainstalowanych w Hiszpanii w farmach wiatrowych czy fotowoltaice jest trzy razy więcej niż w ogóle jest potrzebne w systemie, żeby zaspokoić całą produkcję Hiszpanii. Zazwyczaj one oczywiście nie produkują tak dużo, ale bardziej chodzi o to, że zdarzają się takie momenty, kiedy ta generacja z OZE chwilowo może przekroczyć pewną barierę bezpieczeństwa i wtedy jest to duży problem. Podawanie takiej uśrednionej produkcji rocznej tak naprawdę nie pokazuje nam zagrożenia. W Polsce mamy obecnie zainstalowane ponad 30 GW w niestabilnych OZE, a zapotrzebowanie chwilowe waha się w okolicach 15–25 GW. Widzimy więc, że już obecnie, jeżeli zdarzyłyby się takie warunki, że niestabilne OZE mogłoby zdominować produkcję, a ktoś by wpadł na pomysł, żeby odłączać elektrownie węglowe, to byśmy mieli dokładnie ten sam scenariusz. Podsumowując, teoretycznie jest to możliwe, aczkolwiek nasycenie niestabilnych OZE jest u nas jeszcze akceptowalne. Analizując jednak plany rozbudowy OZE, można stwierdzić, że to zagrożenie będzie coraz bardziej realne, bo zamierzamy dołączyć bardzo dużo nowych niestabilnych OZE. Widać więc, że ta dominacja chwilowej produkcji będzie się zdarzała coraz częściej.

Kiedy Pana zdaniem w sytuacji dalszej realizacji przez polski rząd unijnej polityki destrukcji stabilnej energetyki na rzecz niestabilnej możemy się spodziewać blackoutu w Polsce?

Jeżeli zobaczymy sobie na zapowiedzi, jakie są, to do 2030 roku w Polsce ma powstać 16 GW w morskiej energetyce wiatrowej i moce w energetyce wiatrowej na lądzie mają wzrosnąć do 16 GW, natomiast fotowoltaika ma wzrosnąć do 30 GW. Widać, więc, że już w 2030 roku udział OZE będzie bardzo duży, a równolegle planowane jest zamykanie elektrowni węglowych, i może wybudowanie kilku bloków gazowych. Czyli niedługo będziemy w takiej sytuacji w Polsce, że ryzyko będzie naprawdę duże. Chodzi jeszcze o sieci elektroenergetyczne, które muszą być w znaczącym stopniu zmodernizowane do takiej niestabilnej pracy. Ale modernizacja samych sieci i tego inteligentnego zarządzania siecią nie rozwiązuje tak naprawdę problemu. Może go tylko w jakiś sposób łagodzić. Nie ma innej możliwości stabilizacji sieci jak tylko przez duże elektrownie konwencjonalne, które zapewniając odpowiednią częstotliwość pola elektromagnetycznego. Zmniejszanie bądź zwiększanie częstotliwości sieci jest bardzo niebezpieczne. Jak pokazał przykład Hiszpanii, zmiana częstotliwości może być zbyt duża, gdy mamy znaczący udział produkcji energii z niestabilnych OZE. Najlepiej jest więc unikać takich sytuacji.

Rozmawiał Tomasz Cukiernik

Artykuł Prof. Malecha: Blackout w Hiszpanii został wywołany przez niestabilne farmy wiatrowe i fotowoltaiczne pochodzi z serwisu PCH24.pl.