Produkcja wodoru stabilizatorem systemu energetycznego

Czy produkcja zielonego wodoru może być stabilizatorem gospodarki energetycznej?

W 2020 r. Komisja Europejska (KE) ogłosiła strategię wodorową spójną z założeniami Europejskiego Zielonego Ładu. Strategia zakłada ograniczenie wykorzystania paliw kopalnych do produkcji energii i zastępowanie ich energią odnawialną (OZE), produkowaną głównie przez farmy wiatrowe oraz solarne (Ciechanowska, 2020). Przywołując dane z rynekelektryczny.pl (kanał informacyjny przeznaczony dla uczestników branży elektrotechnicznej), sumaryczna moc zainstalowana uruchomionych instalacji fotowoltaicznych (PV) w Polsce w 1 kwartale 2023 r. osiągnęła wielkość wynoszącą około 12,5 GW.

Duża moc zielonej energii wpływa na redukcję emisji CO2, jednak zwiększa jednocześnie niestabilność pracy całego systemu energetycznego. Aby dokonać stabilizacji zmienności odbioru energii elektrycznej przez sieć, można rozważyć kontraktowanie maksymalnych wolumenów odbioru energii z farm w założonym okresie czasu, produkując z nadmiarowej energii zielony wodór. Oznacza to, że omawiana instalacja fotowoltaiczna zostanie w naszym modelowym przykładzie rozszerzona o elektrolizer oraz magazyn wodoru.

Z zagadnieniem wywoływanej niestabilności oraz sposobem jej eliminacji z systemu mierzymy się tekście. Zapraszamy do lektury.

Profil produkcji energii farmy fotowoltaicznej

Mając na uwadze fakt, że ilość energii wyprodukowanej przez farmę fotowoltaiczną zależy od jej mocy oraz nasłonecznienia, które znacząco zmienia się w poszczególnych miesiącach roku, warto zbadać profil miesięczny produkcji energii elektrycznej przez przykładową farmę słoneczną.

Przyjmując standardowe dla kraju warunki pogodowe można dowieść, że w drugim i trzecim kwartale farma fotowoltaiczna produkuje trzy czwarte rocznej produkcji energii, aby na kwartały pierwszy i czwarty pozostawić ćwierć produkcji rocznej. Średniomiesięczny poziom produkcji w szczytowych miesiącach czerwcu i lipcu kontrybuuje do produkcji rocznej farmy PV w wysokości po ok 15%.

W modelach prognostycznych farm przyjmuje się szacowane regionalnie poziomy nasłonecznienia. Na użytek niniejszego modelu przyjęliśmy uśredniony dla kraju poziom, nieco ponad 1700 godzin słonecznych w roku, którego rozkład miesięczny kształtuje się zgodnie z profilem pagórka, w którym szczyt przypada na okres letni.

Analizując średnioroczne produkcje energii elektrycznej z farm PV w Polsce, można ostrożnie przyjąć, że przeciętny czas wykorzystania mocy zainstalowanej na farmie, wynosi około 850 godzin (dana na podstawie pvcase.com), czyli w stosunku do uśrednionej rocznej liczby godzin słonecznych w kraju, jest to około 50% efektywności mierzonej w ten najprostszy sposób. Jest to bardzo ważny parametr przy analizowaniu profilu produkcji energii elektrycznej z farmy PV i nosi nazwę „współczynnik wykorzystania mocy zainstalowanej”. Na bazie dostępnych obserwacji przyjmujemy jego wartość w wysokości ok. 10% łącznej liczby godzin w roku (łącznie: 365 * 24= 8760, zatem 8760 h * 10% = 876 h)).

Nakładając na profil miesięcznej produkcji energii elektrycznej przez farmę PV, rozkład pracy dziennej zaobserwujemy, że niestabilność strumienia przesyłanej do sieci energii obejmuje zarówno horyzont śród-dzienny, jak również sezonowy. Naturalne jest, że instalację cechuje najwyższa efektywność w ciągu dnia, gdy nasłonecznienie jest największe. Z wiadomych względów, w nocy produkcja jest pomijalna.

Śród-dzienny rozkład produkcji energii elektrycznej PV 4,4kWp w Polsce.

materiały prasowe

Śród-dzienny rozkład produkcji energii elektrycznej PV 4,4kWp w Polsce.

Analiza wykorzystania wodoru jako magazynu energii i jednocześnie stabilizatora gospodarki elektroenergetycznej

Jak zaznaczyliśmy, celem artykułu jest prezentacja modelu stabilizowania gospodarki energetycznej poprzez wypłaszczenie strumieni przesyłu energii do sieci, a także skuteczne odebranie energii ze szczytów produkcji PV, poprzez dodanie instalacji produkcji wodoru. Autorzy rozważają tu zastosowanie hybrydowego układu wytwarzania energii elektrycznej, złożonego z elektrowni słonecznej i wodorowego zasobnika energii. Aby wyprodukować wodór potrzebujemy zatem elektrolizera, energii elektrycznej i wody.

Jak wiemy, wodór jest gazem, który znakomicie nadaje się do magazynowania energii na dłuższe horyzonty czasu i dodatkowo dość łatwo można go transportować. Dlatego też, optymistycznie patrzymy na transformację wodorową dokonującą się na naszych oczach.

Chcemy połączyć dwa cele: stabilny przesył i jednocześnie optymalizację kosztów produkcji wodoru z energii uzyskiwanej z farmy PV. Zadanie realizujemy modelując instalację w abstrakcji od obecnie obowiązujących regulacji w zakresie warunków ustalania mocy dla farm fotowoltaicznych i magazynów energii.

Naszym celem, jako autorów tekstu i praktyków w dziedzinie magazynowania energii, jest przede wszystkim pokazanie teoretycznego mechanizmu, który pozwala łączyć dwa cele: stabilizację przesyłu energii elektrycznej uzyskanej z PV do sieci oraz włączenie się farmy w transformację wodorową poprzez produkcję zielonego wodoru z „nadmiarowej” energii elektrycznej.

Wiedząc, że roczna energia wyprodukowana z uśrednionej farmy PV równa jest około 10% iloczynu jej mocy zainstalowanej oraz czasu w roku wyrażonego w godzinach, a także że energia ta zmienia się w poszczególnych miesiącach, należy głębiej przyjrzeć się profilowi produkcji energii w czasie. Z odczytów mierników mocy i energii farm PV w Polsce wiadomo, że rozkład dni słonecznych w Polsce przypomina krzywą Gaussa, czyli pagórek, zatem zmienność produkcji energii na farmie nie dotyczy jedynie pór dnia (dzień, noc), ale także pór roku (lato, jesień, zima, wiosna).

Przyjmując wielkość farmy fotowoltaicznej, czyli jej moc zainstalowaną, w wysokości 1 MW, wiadomo z powyżej dokonanych oszacowań, że rocznie można uzyskać z takiej farmy ok 870 tys. kWh energii, czyli 870 MWh. Rozkład produkcji energii w trakcie roku w poszczególnych miesiącach będzie mocno skorelowany z rozkładem miesięcznym dni słonecznych w roku, zatem również będzie kształtem przypominał pagórek ze szczytem w okresie letnim.

Jak podejść do doboru elektrolizera, aby stabilizować profil przesyłu produkowanej przez PV energii elektrycznej do sieci, a jednocześnie optymalizować koszty produkcji wodoru na farmie?

W naszym przekonaniu należałoby zastanowić się, w jaki sposób ustalić stabilny poziom przesyłu energii elektrycznej z farmy PV do sieci, przy którym nasza elektrownia mogła dokonywać dostaw jak największą liczbę miesięcy w roku.

Założyliśmy, że przykładowa farma PV produkuje rocznie 1 000 000 kWh energii, przy mocy instalacji 1150 kW (czas wykorzystania mocy zainstalowanej 869 h).

Na potrzeby artykułu wprowadziliśmy pojęcie PUNKT ODCIECIA jako ustalony stały miesięczny poziom przekazu energii elektrycznej do sieci, czyli zakontraktowany z siecią poziom przesyłu.

Im mniejszy poziom miesięcznego przesyłu ustalimy, czyli niżej zdefiniujemy PUNKT ODCIĘCIA, tym w większej liczbie miesięcy dostarczymy ustalony poziom energii produkowanej z farmy.

Niski PUNKT ODCIECIA wiąże się jednak ze sporą ilością nadmiarową energii, której nie przesyłamy do sieci, a którą w naszym przykładzie kierowalibyśmy do produkcji wodoru.

Ustalając niski PUNKT ODCIĘCIA - czyli poziom stabilnego miesięcznego przesyłu energii elektrycznej do sieci - np. równy 20 000 kWh na miesiąc, liczba miesięcy przesyłu wynosi 10, natomiast miesięczny poziom przesyłu ustalony na poziomie 140 000 kWh na miesiąc, oznacza, że wprowadzimy ustaloną ilość energii do sieci jedynie w czerwcu.

Stosowanie mechanizmu kontraktacji sprzedaży, aby stabilizować gospodarkę energetyczną, wymaga optymalizacji relacji ilości energii przekazanej do sieci oraz kierowanej do produkcji wodoru.

Oba strumienie energii: kierowany do sieci oraz do produkcji wodoru, mogą być przedmiotem sprzedaży, mają więc swoją wycenę rynkową. Jeśli przyjmiemy, że w każdych warunkach mamy do czynienia z tzw. rynkiem efektywnym, który daje nam swobodny dostęp do rynkowych cen transakcyjnych, możemy uzyskać wycenę rynkową odbioru produkowanego w procesie elektrolizy wodoru.

Dzięki efektywnemu rynkowi cen energii i wodoru jesteśmy w stanie wyznaczyć optymalne relacje pomiędzy wielkościami obu strumieni przeznaczenia energii uzyskanej z PV. Zastrzec należy, że nasz cel łączy zadanie w zakresie stabilizacji gospodarki energetycznej, w szczególności wydolności sieci elektroenergetycznych oraz uzyskanie pożądanego efektu finansowego.

W zależności od wybranego PUNKTU ODCIĘCIA, wolumen rocznego przesyłu energii elektrycznej do sieci zawiera się w przedziale 140 000 – 560 000 kWh.

Szukając punktu finansowego optimum, uzyskane dane należy zestawić z wolumenami produkowanego zielonego wodoru, z „nadmiarowej” energii elektrycznej, czyli wielkości wyprodukowanej w miesiącu energii, przekraczającej PUNKT ODCIĘCIA.

Stosując różne warianty PUNKTU ODCIECIA jesteśmy w stanie poruszać się w produkcji wodoru w przedziałach od 9 do niespełna 18 ton wodoru rocznie. Widać wyraźnie, że instalacja PV rozszerzona o aplikację wodorową, w tym elektrolizer, poprzez sterowanie PUNKTEM ODCIECIA pozwala na dość elastyczne sterowanie strumieniem uzyskiwanego wodoru.

Ilość wyprodukowanego wodoru oszacowaliśmy przy założeniu zastosowanie elektrolizera o przykładowej mocy 1 MW.

Wykorzystanie całej mocy elektrolizera do produkcji wodoru, wymaga wybudowania instalacji fotowoltaicznej, która wyprodukuje w ciągu godziny ok 900 kW mocy elektrycznej. W stosunku do farmy z naszego przykładu, elektrolizer 1 MW jest prawie trzykrotnie przeskalowany, gdyby zaś produkować jedynie wodór, odnosząc jego parametry jedynie do nadmiarowej energii przeznaczonej na produkcje wodoru, wystarczający do analizy byłby elektrolizer o cztero- pięciokrotnie niższych parametrach.

Tym niemniej wybór ten jako teoretyczny jest użyteczny dla naszego modelu, albowiem przyjmujemy, że naturalną konsekwencją przechodzenia na gospodarkę wodorową, będzie sukcesywna rozbudowa farm, aby zachowując profil przesyłu do sieci publicznej, zwiększać jednocześnie ilość produkowanego wodoru w kolejnych latach, bez konieczności rozbudowy mocy elektrolizera.

Model stabilizacji gospodarki energetycznej farmy dzięki rozszerzeniu instalacji PV o produkcję, magazynowanie i sprzedaż wodoru, można dalej rozszerzać o bardziej wymagające cele.

Rozciągnięcie koncepcji PUNKTU ODCIĘCIA w umowach sprzedaży energii na cały rok, czyli wprowadzenie stabilnych transferów energii w każdym miesiącu oznaczałoby, że wyznaczenie optimum produkcji wodoru musiałoby uwzględniać produkcję energii z własnych zasobów wodorowych w miesiącach z niższą produkcją energii niż wymagane minimum. Wtedy mielibyśmy w ciągu roku, w każdym miesiącu równe miesięczne przesyły energii elektrycznej z farmy PV, czyli sytuację dość pożądaną z punktu widzenia stabilności odbioru.

Dodatkowo, przedstawiona koncepcja, którą w ICPT oferujemy rynkowi jako „H2 All-in-ONE Solution”, pozwala na dalsze rozwijanie elementów stabilizujących przesył także w ujęciu dziennym czy nawet godzinowym. Elastycznym mechanizmem adresującym tego typu wzywania jest uzupełnienie modelowej instalacji H2-PV nie tylko o produkcję i magazynowanie wodoru, ale także o stacjonarny magazyn litowo-jonowy, który wypełniałby funkcje bilansowania godzinowego oraz dobowego. Magazyn litowo jonowy dobrze sprawdza się jako stabilizator intraday oraz overnight, natomiast magazyn wodorowy pozwala wydłużyć horyzont magazynowania oraz przesuwać nadmiarową produkcję H2 do dystrybucji via huby wodorowe, korzystając z planowanego przez UE Banku Wodoru.

Wraz ze wzrostem stopnia skomplikowania gospodarki rośnie stopień niedopasowania profilu produkcji i odbioru energii elektrycznej, a także cieplnej. Wynika to z dwóch przeciwstawnych co do kierunków zjawisk. Od strony produkcji zwłaszcza zielonej energii, krzywa wytwarzania energii jest daleka od stabilnej i ze względu na swoje źródło w postaci zjawisk natury, w żadnej mierze nie poddaje się stabilizacji, czy zarządzaniu, poza wyłączaniem przy szczytach przekraczających możliwości odbioru.

Natomiast zapotrzebowanie podąża za wymogami przemysłu, transportu, czy gospodarstw domowych, stymulowanymi rozpędzającą się świadomością dekarbonizacyjną społeczeństwa. Patrząc na świat energetyczny z tej perspektywy, widać wyraźnie, że proste podejście do produkcji energii z OZE staje się niewystarczające i konieczne są wdrożenia kompleksowych instalacji typu H2 All-in-ONE Solution, adresujących funkcje, produkcji, magazynowania krótko i długoterminowego oraz wprowadzania nadmiarów zmagazynowanej np. w wodorze energii do dalszej dystrybucji. W ten sposób możemy istotnie przyspieszyć transformację wodorową.

O tym jak łączyć poszczególne składowe procesu produkcji i magazynowania energii w tym w postaci wodoru, magazynów litowo jonowych napiszemy w kolejnym artykule.

Autorzy:

Krzysztof Dresler

Piotr Biczel

Kierownictwo projektów wodorowych ICPT