Komplementarność źródeł energii

Czasowa i przestrzenna komplementarność odnawialnych źródeł energii to zagadnienie stosunkowo często poruszane w publikacjach naukowych. Przez idealną komplementarność czasową dwóch źródeł energii rozumie się sytuację, w której spadkowi generacji źródła A będzie towarzyszył równoważny co do wartości wzrost uzysku energii ze źródła B. Charakterystykę tą najczęściej określa się w oparciu o wartość współczynnika korelacji gdzie „-1” oznacza komplementarność idealną/pełną natomiast „+1” brak owej. Komplementarność czasową można wyrazić również w oparciu o przykładowy przebieg dwóch funkcji sinusoidalnych o równej amplitudzie przy czym jedna z nich jest przesunięta w fazie o π/2. Najczęściej analizy tego typu wykonywane są dla wybranego kraju bądź też jego części.

Cztery artykuły (Schmidt i in. 2014, Pimenta i in. 2015, De Jong i in. 2013, Beluco i in. 2008) poświęcone zostały Brazylii, odpowiednio: cała Brazylia - PV, TW, hydroenergetyka; część środkowo zachodnia – TW, hydroenergetyka; Brazylia Północno-Wschodnia - PV, TW,

37 hydroenergetyka; Brazylia Południowa – PV, TW. Schmidt i in. (Schmidt i in. 2014) stwierdzili, iż rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną może zostać pokryte poprzez zwiększone inwestycje w odnawialne źródła energii, natomiast wolumen dostępnych zasobów energii wód płynących pozwoli na zniwelowanie zmiennej natury generacji źródeł wiatrowych oraz słonecznych. Natomiast Pimenta i in. (Pimenta i in. 2015) pod rozwagę poddali możliwość wykorzystania źródeł wiatrowych w celu ograniczenia wykorzystania energii wód płynących, które z kolei mogą zostać przeznaczone na nawadnianie w okresie suszy. De Jong i in. (De Jong i in. 2013) przeprowadzili kompleksową analizę komplementarności trzech odnawialnych źródeł energii w kontekście ich relacji do krzywej zapotrzebowania na energię elektryczną. Korzystna korelacja pomiędzy poszczególnymi źródłami występuje zarówno w skali zmienności rocznej jak i typowego dnia. Co więcej w okresach zmniejszonej hydrogeneracji należy oczekiwać większych uzysków energii ze źródeł wiatrowych oraz słonecznych. Belucco i in. (Belucco i in. 2008) zaprezentowali bezwymiarowy wskaźnik oceny komplementarności źródeł energii dla dowolnej skali czasu, a uzyskane wyniki mogą zostać zaprezentowane w postaci map komplementarności wygenerowanych w oparciu o metodę Krigingu. Autorzy uważają również, iż ocena komplementarności na podstawie średnich miesięcznych jest narażona na błędy wynikające z braku możliwości uwzględnienia skrajnych wartości występujących w danym okresie. Należy zwrócić uwagę, iż w kontekście Brazylii, która przeszło 68% swojej energii elektrycznej uzyskuje z hydrogeneracji wykorzystanie zasobów wody oraz odpowiednia gospodarka wodna jest szczególnie istotna. Zwłaszcza w sytuacji gdy konieczne jest dokonywanie wyborów pomiędzy generacją energii, a uprawą roli/nawadnianiem. Tym samym większa dostępność zasobów energii wiatru lub promieniowania słonecznego w okresie zmniejszonych przepływów w ciekach wodnych jest zjawiskiem nad wyraz korzystnym.

Dwie kolejne prace autorstwa Belucco i in. oraz Kougias i in. podjęły się stworzenia uniwersalnego modelu (Belucco i in. 2012) oraz metodyki (Kougias i in. 2015) oceny komplementarności zasobów energii. Pierwsza praca skoncentrowała się na zasobach wód płynących oraz promieniowania słonecznego. Spostrzeżono, iż wykorzystanie magazynu energii w postaci ESP lub banku akumulatorów w znacznym stopniu poprawia czasową komplementarność obu tych źródeł – co więcej znajomość skali komplementarności źródeł energii umożliwia takie zaprojektowanie układu hybrydowego, które znacznie podniesie jego sprawność. Natomiast druga, również podjęła tematykę komplementarności zasobów wód płynących oraz energii słonecznej, jednakże autorzy pod rozwagę poddali możliwość jaką

38 stwarzają systemy nadążne PV, czyli takie, które za pomocą specjalnie skonstruowanego oraz zaprogramowanego mechanizmu są w stanie ustawiać moduł zawsze prostopadle do promieniowania słonecznego. Rezultaty przeprowadzonych badań wskazują, iż niejednokrotnie suboptymalne (pod kątem maksymalizacji rocznego uzysku energii z instalacji) ustawienie modułów prowadzić może do wzrostu komplementarności pomiędzy zasobami wód płynących i energii promieniowania słonecznego.

Wymienione do tej pory prace nie koncentrowały się na ocenie komplementarności dwóch najistotniejszych z punktu widzenia tej dysertacji odnawialnych źródeł energii, mianowicie energii promieniowania słonecznego i wiatru. Wśród istotnych prac poruszających tą tematykę należy wymienić te, które analizowały ten koncept na obszarze: pięciu wysp Morza Śródziemnego (Notton i in. 2011), Niemiec (Kilinger i in. 2015), Włoch (Monforti i in. 2014), Indii (Lolla i in. 2015), Półwyspu Iberyjskiego (Jerez i in. 2013) oraz Chin (Chen i in. 2010). W wymienionych pracach zwrócono uwagę w szczególności na fakt, iż systemy hybrydowe wykorzystujące dwa uzupełniające się źródła energii są rozwiązaniem korzystniejszym pod względem niezawodności. Co w praktyce oznacza, że niedyspozycyjność jednego źródła jest rekompensowana przez dostępność drugiego. Dodatkowo (co już było wspomniane w pracy Belucco i in. 2012) zauważono, iż w wypadku Niemiec, gdzie średni koszt zakupu 1 kWh przez gospodarstwo domowe wyniósł 31€ct, a koszt jej wytworzenia w instalacji PV 12€ct, należy podjąć kroki nastawione na zmianę orientacji modułów PV tak, by krzywa generacji energii lepiej odpowiadała zapotrzebowaniu na energię. Zdaniem Monforti-ego i in. (Monforti i in. 2014) kwestia komplementarności odnawialnych źródeł energii jest kluczowa, jeśli celem jest zwiększenie dyspozycyjności poprzez zmniejszenie zmienności ich generacji. Prowadzi to do sytuacji, w której decyzja o wyborze lokalizacji pod parki wiatrowe i farmy fotowoltaiczne winna być nie tylko dyktowana kryterium maksymalizacji uzysku energii elektrycznej, a również komplementarnością tych źródeł. Taką analizę przedstawili Jerez i in. (Jerez i in. 2013) w oparciu o autorski model optymalizacyjny oparty na algorytmie symulowanego wyżarzania.

Autor poniższej dysertacji poruszył zagadnienia komplementarności odnawialnych źródeł w pracy (Jurasz i Piasecki 2016) na przykładzie zasobów energii: promieniowania słonecznego, wiatru oraz wód płynących dla miasta Piły. Dla kroku czasowego wynoszącego miesiąc zaobserwowano istotną ujemną korelację pomiędzy zasobami energii wiatru i promieniowania słonecznego. W skali wieloletniej, zasoby wód płynących wykazały umiarkowanie ujemną korelację z energią promieniowania słonecznego. Na konferencji

39 Krynica 2015 (Jurasz i in. 2015) zaprezentowano wyniki prac dotyczących komplementarności źródeł energii promieniowania słonecznego oraz wiatru dla pięciu lokalizacji w Polsce, a uzyskane współczynniki korelacji w ujęciu średnich miesięcznych wyniosły odpowiednio: Suwałki 0,835; Łeba 0,837; BielskoBiała 0,884; Wrocław 0,825; Łódź 0,806; Lublin -0,831. Natomiast w ramach konferencji Krynica 2016 ocenę komplementarności źródeł wiatrowych, słonecznych oraz wód płynących wykonano dla Lęborka (woj. Pomorskie) oraz Świętego Krzyża (woj. Świętokrzyskie) wskazując na ich korzystną korelację w ujęciu miesięcznym oraz wieloletnim.

Wykazana w powyższych pracach komplementarność czasowa źródeł generacji wiatrowej oraz słonecznej i przedstawiona we wcześniejszych rozdziałach ich charakterystyka predysponuje oba te źródła do zastosowania w układach hybrydowych wyposażonych w magazyn energii.