Index of /rozprawy2/11091

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Zarządzania Katedra Inżynierii Zarządzania. Rozprawa doktorska. OPTYMALIZACJA MOCY ZAINSTALOWANEJ W SŁONECZNO-WIATROWO-POMPOWYM UKŁADZIE ŹRÓDEŁ ENERGII mgr inż. Jakub Jurasz. Opiekun naukowy:. dr hab. inż. Jerzy Mikulik, prof. AGH Opiekun pomocniczy:. dr inż. Bartosz Sawik. Kraków, czerwiec 2016.

(2)

(3) Spis treści 1.. 2.. Wprowadzenie .................................................................................................................. 13 1.1.. Cel pracy .................................................................................................................... 15. 1.2.. Hipoteza i cele główne .............................................................................................. 17. Część literaturowa ............................................................................................................. 18 2.1.. Odnawialne Źródła Energii - OZE ............................................................................ 18. 2.1.1.. Hydroenergetyka ................................................................................................ 19. 2.1.2.. Energia geotermalna, pompy ciepła ................................................................... 20. 2.1.3.. Biomasa i biogaz ................................................................................................ 21. 2.1.4.. Energetyka wiatrowa .......................................................................................... 24. 2.1.5.. Energetyka słoneczna ......................................................................................... 28. 2.2.. Integracja OZE z Krajowym Systemem Elektroenergetycznym ............................... 31. 2.2.1.. Komplementarność źródeł energii ..................................................................... 36. 2.2.2.. Magazynowanie energii ..................................................................................... 39. 2.3.. Układy hybrydowe .................................................................................................... 49. 2.3.1. 3.. Układy hybrydowe – analiza literatury .............................................................. 52. Część modelowa ............................................................................................................... 60 3.1.. Uzysk energii ............................................................................................................. 60. 3.2.. Schemat układu hybrydowego................................................................................... 62. 3.3.. Scenariusze współpracy ............................................................................................. 64. 3.3.1.. Scenariusz A - koncepcja ................................................................................... 65. 3.3.2.. Scenariusz B - koncepcja ................................................................................... 66. 3.3.3.. Scenariusz C – koncepcja ................................................................................... 67. 3.3.4.. Scenariusz D – koncepcja................................................................................... 67. 3.3.5.. Scenariusz E – koncepcja ................................................................................... 68. 3.3.6.. Scenariusz PO – koncepcja ................................................................................ 69. 3.4.. Modele symulacyjne .................................................................................................. 69. 3.4.1.. Scenariusz A - model ......................................................................................... 69. 3.4.2.. Scenariusz B - model.......................................................................................... 72. 3.4.3.. Scenariusz C - model.......................................................................................... 72. 3.4.4.. Scenariusz D - model ......................................................................................... 72. 3.4.5.. Scenariusz E - model .......................................................................................... 73. 3.5.. Obliczanie pokrycia zapotrzebowania ....................................................................... 73. 3.6.. Model optymalizacyjny ............................................................................................. 75 2.

(4) 4.. 5.. 3.7.. Metoda przeglądu zupełnego ..................................................................................... 77. 3.8.. Dane wejściowe ......................................................................................................... 78. 3.8.1.. Zapotrzebowanie na energię ............................................................................... 78. 3.8.2.. Nasłonecznienie ................................................................................................. 81. 3.8.3.. Prędkość wiatru .................................................................................................. 83. Wyniki i dyskusja wyników.............................................................................................. 86 4.1.. Scenariusz A – bilans energii .................................................................................. 100. 4.2.. Scenariusz B – bilans energii................................................................................... 106. 4.3.. Scenariusz C – bilans energii................................................................................... 111. 4.4.. Scenariusz D – bilans energii .................................................................................. 115. 4.5.. Scenariusz E – bilans energii ................................................................................... 119. Zakończenie .................................................................................................................... 128 5.1.. Podsumowanie i wnioski ......................................................................................... 128. 5.2.. Elementy oryginalne pracy ...................................................................................... 130. 5.3.. Dalsze kierunki badań ............................................................................................. 132. 6.. Bibliografia ..................................................................................................................... 133. 7.. Załącznik do wyników .................................................................................................... 144. 3.

(5) WYKAZ OZNACZEŃ I SKRÓTÓW Skrót. Oznaczenie. KSE SE OZE NOZE PV TW ESP UE PV-TW-ESP. Krajowy System Energetyczny System Energetyczny Odnawialne Źródło Energii Niedyspozycyjne Odnawialne Źródło Energii Fotowoltaika, instalacja/system fotowoltaiczny Turbina/park wiatrowy Elektrownia szczytowo-pompowa Unia Europejska Układ hybrydowy składający się z instalacji PV, turbiny wiatrowej TW i elektrowni szczytowo-pompowej ESP Scenariusze opisujące założenia współpracy układu PV-TW-ESP z KSE. Przy czym współpracę tą rozumie się zarówno jako wymianę pewnego wolumenu energii pomiędzy KSE a PV-TW-ESP (przepływ możliwy jest w dwóch kierunkach) jak i określone godziny gdy taki przepływ występuje. Scenariusze A-D oparto na znajomości zmienności nasłonecznienia natomiast w E oraz PO współparca z KSE miała mniej usystematyzowany charakter.. Scenariusz A Scenariusz B Scenariusz C Scenariusz D Scenariusz E Scenariusz PO. 4.

(6) OZNACZENIA DLA MODELI MATEMATYCZNYCH Indeksy 𝑖 = dzień 𝑖 = 1 … m 𝑗 = chwila/godzina 𝑗 = 1 … n k = zmienna binarna k = 1…4. Zmienne decyzyjne 𝑃𝑃𝑉. moc znamionowa instalacji fotowoltaicznej. 𝑛𝑇𝑊. liczba turbin wiatrowych o mocy znamionowej PTW,N. 𝐸𝑖𝑗𝑃𝑉 𝐸𝑖𝑗𝑇𝑊 𝐸𝑖𝑗𝐵1. energia generowana przez źródła PV dnia i w chwili j. Całkowitoliczbowa dodatnia [kW] Rzeczywista dodatnia [-]. Zmienne pomocnicze obliczane w modelu. 𝐸𝑖𝑗𝐵2 𝐸𝑖𝑗𝐵3 𝑉𝑖𝑗𝐺 𝐸𝑖𝑗𝐷𝑍 𝐸𝑖𝑗𝑁 𝐸𝑖𝑗𝐷 𝐸𝑖𝑗𝐺 𝐸𝑖𝑗𝑃 𝑘 𝑥𝑖𝑗. energia pochodząca z generacji wiatrowej dnia i w chwili j bilans energii na poziomie źródło PV, TW – odbiorca energii dnia i w chwili j bilans energii w wypadku wystąpienia nadwyżek dnia i w chwili j bilans energii w wypadku wystąpienia deficytu energii dnia i w chwili j wolumen energii zgromadzonej w zbiorniku górnym dnia i w chwili j energia planowana pobierana z sieci dnia i w chwili j nadwyżki energii przesyłane do systemu energetycznego dnia i w chwili j energia pobrana z systemu energetycznego (deficyt) dnia i w chwili j Praca generatorowa ESP dnia i w chwili j Praca pompowa ESP dnia i w chwili j zmienne binarne1. [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [kWh] [0;1]. Parametry wejściowe modelu – zależne od lokalizacji 𝐻𝑖𝑗𝐶𝑆. nasłonecznienie w warunkach czystego nieba dnia i w chwili j. 𝐻𝑖𝑗. nasłonecznienie dnia i w chwili j. 𝑣𝑖𝑗 2 𝐸𝑖𝑗𝑍. 𝑤,ℎ. prędkość wiatru na wysokości h2 dnia i w chwili j. 𝑉 𝐺𝑇. maksymalna pojemność energetyczna zbiornika górnego sprawność pracy ESP zarówno dla trybu pracy pompowej jak i generatorowej sprawność całkowita instalacji fotowoltaicznej Zapotrzebowanie na energię elektryczną dnia i w chwili j. zapotrzebowanie na energię dnia i w chwili j. [𝑘𝑊ℎ⁄𝑚2] [𝑘𝑊ℎ⁄𝑚2] [𝑚⁄𝑠] [kWh]. Parametry 𝜂𝐸𝑆𝑃 𝜂𝑃𝑉 𝐸𝑖𝑗𝑍 𝐸 𝐷𝑍𝐶 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝐸 𝑃 𝑚𝑎𝑥 𝐿𝑂𝐿𝑃 𝐿𝑂𝐿𝑃𝑚𝑎𝑥. stały wolumen energii pobieranej z sieci Maksymalna moc zainstalowana PV i TW maksymalny dopuszczalny wolumen energii wykorzystanej do pracy pompowej w chwili j prawdopodobieństwo utraty zasilania dopuszczalne prawdopodobieństwo utraty zasilania. [kWh] [%] [%] [kWh] [kWh] [kW] [kWh] [%] [%]. W modelach symulacyjnych wykorzystano cztery zmienne binarne. Ich rola i znaczenie przedstawione zostały w kolejnych rozdziałach. Indeks k dla zmiennej binarnej jest elementem jej nazwy, stąd też cztery zmienne: x1,x2,x3,x4 1. 5.

(7) 𝑃𝑇𝑊 (𝑣𝑤,ℎ2 ) 𝐺 𝑆𝑇𝐶 h1 ℎ2 𝑣𝑐 𝑣𝑛 𝑣𝑜 𝐸𝑃𝑉_𝑃 𝐸 𝑇𝑊_𝑃. aproksymacja wielomianowa mocy uzyskiwanej przez turbinę wiatrową dla prędkości wiatru z przedziału vc ≤ vw,h2 < vn natężenie promieniowania słonecznego w warunkach standardowych wysokość, na której dokonano pomiaru prędkości wiatru wysokość osi łopat turbiny wiatrowej prędkość startowa pracy turbiny wiatrowej prędkość dla której turbina osiąga moc znamionową prędkość przy której przekroczeniu turbina jest wyłączana energia z instalacji PV wykorzystana na pokrycie bieżącego zapotrzebowania energia z generacji wiatrowej wykorzystana na pokrycie bieżącego zapotrzebowania. [-] [kW/𝑚2 ] [m] [m] [m/s] [m/s] [m/s] [kWh] [kWh]. 6.

(8) Streszczenie Rozprawa doktorska podejmuje problematykę szeroko rozumianej integracji odnawialnych źródeł energii (OZE) do krajowego systemu elektroenergetycznego (KSE). Każde źródło energii ma swoją charakterystykę pracy, która determinuje jego rolę i znaczenie w KSE. Wśród źródeł OZE możemy wyróżnić te, których uzysk energii jest w pełni bądź w znacznej części kontrolowany przez działania operatora oraz te, które zależą całkowicie od warunków atmosferycznych, czyli tak zwane źródła niedyspozycyjne (NOZE). Do źródeł niedyspozycyjnych w szczególności można zaliczyć turbiny wiatrowe (TW) oraz fotowoltaikę (PV). Wraz z rosnącym udziałem tychże źródeł w KSE rynek energii doświadcza nie tylko zwiększonej zmienności po stronie popytowej ale i również podażowej. „Przestawienie” gospodarki energetycznej na OZE, pomijając aspekty ekonomiczne i środowiskowe, wymaga rozwiązania szeregu problemów technicznych oraz optymalizacyjnych. Analiza literatury pokazuje, iż za jedno ze skuteczniejszych rozwiązań w zakresie zwiększenia udziału NOZE w pokrywaniu zapotrzebowania na energię, przy jednoczesnym ograniczeniu konsekwencji płynących z ich niedyspozycyjności należy uznać budowę źródeł energii wykorzystujących te źródła OZE, które są dla siebie komplementarne w czasie. Ponadto układ taki należy wyposażyć w magazyn energii, tak by nadwyżki energii powstające w okresie sprzyjących warunków atmosferycznych mogły zostać wykorzystane gdy nadejdzie cisza wiatrowa lub/i w sposób długotrwały będzie utrzymywało się znaczne zachmurzenie. Ze względu na dojrzałość rynkową oraz relatywny brak alternatywy uznaje się, że rolę wielkoskalowych magazynów energii winny pełnić elektrownie szczytowo-pompowe (ESP). W związku z powyższym za jeden z celów pracy przyjęto budowę modeli matematycznych pozwalających na dyskretną symulację zachowania słoneczno-wiatrowopompowego (PV-TW-ESP) układu źródeł energii zasilającego wybraną grupę odbiorców oraz posiadającego przyłącze do KSE. Dla układu PV-TW-ESP zaporoponowano pięć scenariuszy/zasad współpracy z KSE oraz jeden, dla którego układ źródeł energii pozbawiono magazynu energii. Za kluczową charakterystykę pracy takiego układu przyjęto moc zainstalowaną w PV i TW oraz sumę przeływu energii na poziomie PV-TW-ESP-odbiorca energii a KSE. Przepływ energii pomiędzy zaproponowanym układem a KSE może odbywać się dwukierunkowo. Dążąc do ograniczenia wpływu NOZE na pracę KSE przyjęto, iż sumaryczna wartość wymiany energii z KSE powinna dążyć do minimum. W oparciu o to założenie zdefiniowano i zaproponowano model optymalizacyjny, w którym poprzez zmianę mocy zainstalowanej w PV oraz TW przy spełnieniu założonych ograniczeń należy uzyskać 7.

(9) minimalną wartość wymiany energii z KSE w zakładanym pięcioletnim okresie. Dzięki dyskretyzacji zmiennej (moc PV i TW) rozwiązania optymalne uzyskano w oparciu o metodę przeglądu zupełnego. Rozwiązania uzyskano dla danych rzeczywistych obejmujących: zapotrzebowanie na energię elektryczną generowane przez odbiorców na poziomie kraju (Polska) oraz miasta (Warszawa), nasłonecznienie, prędkość wiatru oraz charakterystyki każdego z elementów układu. Uzyskane wyniki pozwalają stwierdzić, iż możliwe jest wyznaczenie takiej konfiguracji mocy znamionowej PV oraz TW w układzie PV-TW-ESP by suma wymiany energii elektrycznej (wpływ na KSE) była ograniczona, przy jednoczesnym spełnieniu zadanych ograniczeń. Zaproponowane scenariusze współpracy układu PV-TW-ESP z KSE pozwalają nie tylko na zwiększenie wykorzystania energii z PV oraz TW in-situ ale również na ograniczenie wymiany energii z KSE. W czterech scenariuszach współpracy założono, iż w określonych godzinach pewien stały wolumen energii będzie pobierany z KSE w celu pokrycia części zapotrzebowania. Udział ten wynosił od 23% do 74% co w rezutacie rzutowało na optymalną moc zainstalowaną w PV oraz TW. Przeprowadzona analiza rozwiązań optymalnych pozwala na wyciągnięcie następujących wniosków: uzyskanie autonomii energetycznej (brak poboru nieplanowanego energii z KSE) jest możliwe w oparciu o NOZE jednak pociąga za sobą znaczące nadwyżki energii; dopuszczenie wystąpnienia poboru nieplanowanego (do 5% zapotrzebowania) skutkuje znaczącą (niejednokrotnie większą niż dwunastokrotna) redukcją nadwyżek energii; zaproponowany układ źródeł energii wraz ze scenariuszami współpracy i uzyskanymi dla nich optymalnymi wartościami mocy zainstalowanej w PV oraz TW jest rozwiązaniem korzystniejszym niż dotychczasowe podejście polegające na bezpośrednim przyłączaniu nowych mocy wytwórczych do KSE (oceniono w oparciu o wartość współczynnika zmienności). Reasumując należy stwierdzić, iż przedstawione w pracy wyniki, z punktu widzenia aktualnego stanu wiedzy (przeglądu literaturowego) stanowią punkt wyjścia dla dalszych badań w zakresie wykorzystania układów typu PV-TW-ESP w celu zwiększenia udziału OZE a w szczególności NOZE w pokrywaniu zapotrzebowania na energię elektryczną w ramach krajowych. systemów. elektroenergetycznych.. Ze. względu. na. wielowątkowość. i wieloaspektowość zagadnienia integracji OZE z KSE do problemu tego należy podejść z jednokryterialnego ale i również z systemowego punktu widzenia. W pracy na zagadnienie to spojrzano głównie z perspektywy fluktuacji przepływu energii elektrycznej pomiędzy KSE a jej odbiorcą, który w dobie polityki prosumenckiej staje się jej jednoczesnym producentem. 8.

(10) Abstract This doctoral thesis entitled „Optimization of the installed capacity in the solar-windpumped storage hydroelectricity power source” is dedicated to the problem of integrating renewable energy sources (RES) to the national power system. Despite a necessary in such circumstances short review on current status of main RES the primary focus in the literature review was paid to the: so called variable renewable energy sources (VRES) or in other words nondispatchable energy sources; energy storage technologies – concentrating mainly on pumped-storage hydroelectricity (PSH) and its history and the prospects for future expansion; modelling and optimization of hybrid power sources comprising of photovoltaic (PV), wind turbines (WT) and PSH. Introduction of the RES (and VRES) to the power grid is usually perceived as beneficial hence it leads to a decrease in exhaustible natural resources exploitation, has positive or at least neutral impact on the natural environment and creates new work places. However VRES are a serious challenge for the power grid operator due to their intermittent and to an only limited extend predictable nature. It is important to note that energy market is very similar to other markets where demand meets with supply. However its idiosyncratic nature revels itself in the form of specific properties of electric energy – its storage and transmission entail excessive costs and leads to significant losses. Given these facts the aim of this doctoral thesis was to: create discrete mathematical models which will enable simulation and analysis of PV-WT-PSH operation under various circumstances; propose PV-WT-PSH-load cooperation scenarios with the national power grid; formulate optimization models with objective function to minimize the total energy exchange between PV-WT-PSH-load and national power grid; solve optimization models by means of the exhaustive search and analyses obtained results. Thus, the first chapter of this thesis, briefly introduces the concept of energy systems, presents thesis structure and the thesis and accompanying main goals. In the second chapter the current status of renewable energy sources, energy storage technologies and the ways to facilitate the process of RES integration the power grid has been presented. In the tabular form the most influential papers and their impact on this thesis has been summarized.. 9.

(11) In the third chapter the simulation models, input data and parameters along with optimization model has been introduced. The results are presented in chapter four, but some of them with a meaningful comments have been moved to the appendix which is at the end of this thesis. Conclusions, future research directions and limitation of this doctoral thesis are given in chapter five. Appendix is proceeded by a set of references that aim precisely on the subject matter. According to the chapter five the main findings can be summarized as follows: it is possible to determine such nominal power in PV and WT which will enable reduction of the total energy exchange with power grid and simultaneously satisfies imposed constraints; introduced scenarios not only lead to an increase in energy usage from PV and WT but also downsize energy exchange with the national grid. Additionally, results indicate that it is possible to achieve energy autonomy however it comes with a cost of staggering energy surpluses which have to be managed by the power grid. However if one accepts the risk that some part of the energy demand will not be met it is possible to significantly reduce the total energy exchange with the power grid (in some cases even twelvefold) by limiting the capacity installed in PV and WT. Proposed PV-WT-PSH energy source along with the cooperation scenarios is found to be a better approach than until now carried policy of direct connecting RES to the power grid (this has been assessed based on the value of variability coefficient for energy exchange between power grid and PV-WT-PSH-load).. 10.

(12) Zusammenfassung Diese Doktorarbeit mit dem Titel “Optimierung der installierten Leistung in der SolarWind-Pumpspeicherwasserkraft-Energiequelle“ ist dem Problem gewidmet, erneuerbare Energiequellen (EE) ins nationale Stromnetz zu integrieren. Trotz der unter solchen Umständen notwendigen kurzen Überblick über den aktuellen Stand der wichtigsten EE wurde der primäre Fokus in der Literaturrecherche auf folgende Aspekte gelegen: sogenannte variable erneuerbare Energiequellen. (VEE). oder. in. anderen. Worten. nichtplanbare. Energiequellen;. Energiespeichertechnologien, die hauptsächlich auf Pumpspeicherwasserkraft (PSW), ihre Geschichte und Aussichten für die künftige Expansion konzentrieren; Modellierung und Optimierung. der. Hybrid-Energiequellen. bestehend. aus. Photovoltaik. (PV),. Windenergieanlagen (WEA) und PSW. Die Einführung der EE (und VEE) ans Stromnetz wird in der Regel als vorteilhaft betrachtet, da es zu Reduzierung der Ausbeutung der erschöpfbaren natürlichen Ressourcen führt, positive oder zumindest neutrale Auswirkungen auf die Umwelt hat und neue Arbeitsplätze schafft. VEE stellt allerdings eine ernste Herausforderung für die Stromnetzbetreiber aufgrund ihrer intermittierenden und nur begrenzt vorhersehbaren Art. Es ist wichtig anzumerken, dass der Energiemarkt sehr ähnlich zu den anderen Märkten ist, wo die Nachfrage dem Angebot entspricht. Doch seine idiosynkratische Natur ist in Form spezifischer Eigenschaften der elektrischen Energie bekannt – seine Speicherung und Übertragung sind mit übermäßig hohen Kosten verbunden und führen zu erheblichen Verlusten. In Anbetracht dieser Fakten waren die Ziele dieser Doktorarbeit: diskrete mathematische Modelle zu erstellen, Simulation und Analyse von PV-WEA-PSW-Betrieb unter verschiedenen Umständen zu ermöglichen; PV-WEA-PSH-Last Kooperationsszenarien mit dem nationalen Stromnetz anzubieten; Optimierungsmodelle mit einer Zielfunktion zu formulieren, um den gesamten Energieaustausch zwischen der PV-WEA-PSW-Last und dem nationalen Stromnetz zu minimieren; Optimierungsmodelle mit Hilfe der erschöpfenden Suche und Analysen der erzielten Ergebnisse zu finden. Somit stellt das erste Kapitel dieser Arbeit das Konzept der Energiesysteme kurz vor, präsentiert Struktur der Arbeit und Hauptziele. Im zweiten Kapitel werden der aktuelle Status der erneuerbaren Energiequellen, Energiespeichertechnologien und die Möglichkeiten vorgestellt, die der Integrationsprozess der 11.

(13) EE mit dem nationalen Stromnetz erleichtern. Die Papiere mit dem größten Einfluss und ihre Auswirkungen auf dieser Arbeit wurden in der tabellarischen Form zusammengefasst. Im dritten Kapitel werden Simulationsmodelle, Eingabedaten und -parameter mit dem Optimierungsmodell eingeführt. Die Ergebnisse werden im vierten Kapitel präsentiert, einige davon wurden aber mit aussagekräftigen Kommentaren in den Anhang verschoben, der sich am Ende dieser Arbeit befindet. Schlussfolgerungen, künftige Forschungsrichtungen und Einschränkungen dieser Doktorarbeit sind in Kapitel fünf gegeben. Dem Anhang geht eine Liste Referenzen voraus, die zum Thema dieser Arbeit gehören. Laut dem fünften Kapitel können die wichtigsten Ergebnisse wie folgt zusammengefasst werden: es ist möglich, solche Nennleistung in PV und WEA zu bestimmen, die zur Verringerung des gesamten Energieaustauschs mit dem Stromnetz führt und gleichzeitig gestellte Einschränkungen erfüllt; die eingeführten Szenarien haben nicht nur Erhöhung des Energieverbrauchs von PV und WEA zur Folge, sondern senken auch den Energieaustausch mit dem nationalen Netz. Außerdem zeigen die Ergebnisse, dass es möglich ist, Energieautonomie zu erreichen, was aber mit Kosten von Staffelung der Energieüberschüsse verbunden ist, die durch das Stromnetz verwaltet werden. Allerdings, wenn man das Risiko akzeptiert, dass ein Teil des Energiebedarfs nicht erreicht wird, ist es möglich, den gesamten Energieaustausch mit dem Stromnetz (in manchen Fällen sogar bis zu zwölfmal) durch die Einschränkung der in PV und WEA installierten Kapazitäten zu reduzieren. Die vorgeschlagene PV-WT-PSW-Energiequelle zusammen mit den entdeckten Kooperationsszenarien ist als ein besserer Ansatz als die jetzige Politik der direkten Verbindung der EE mit dem Stromnetz zu betrachten (dies wurde auf Basis vom Wert des Variabilitätskoeffizienten für Energieaustausch zwischen dem nationalen Stromnetz und der PV-WEA-PSW-Last eingeschätzt).. 12.

(14) 1. Wprowadzenie Jest powszechnie wiadomym, że dostęp do zasobów energii jest kluczowym czynnikiem determinującym rozwój cywilizacyjny. Stan techniki powoduje, iż dyskusyjnym wydaje się być stwierdzenie czy ważniejszy jest dostęp do wody – będącej podstawą życia oraz działalności gospodarczej czy też do energii, a w szczególności do jej najbardziej użytecznej formy w postaci energii elektrycznej. Na tym etapie należy stwierdzić, iż woda i wytwarzanie energii od lat były ze sobą ściśle powiązane. To właśnie pierwsza elektrownia wykorzystywała potencjał energii wody do produkcji energii elektrycznej. Obserwowane obecnie coraz częstsze ekstremalne zjawiska pogodowe oraz zmiana i zmienność warunków klimatycznych coraz silniej oddziałują na działalność gospodarczą człowieka oraz pracę elementów systemu energetycznego. Warto tutaj wspomnieć o upalnym lecie 2015, kiedy to długotrwałe wysokie temperatury w Polsce, spowodowały ograniczenie sprawności pracy konwencjonalnych elektrowni, a w efekcie doprowadziły do konieczności ograniczenia dostaw energii elektrycznej dla wybranych grup odbiorców. Krajowy system energetyczny (KSE) można postrzegać, jako pewien rodzaj rynku, na którym dochodzi do pokrycia zapotrzebowania na dobro, jakim jest energia elektryczna w oparciu o dostępne moce wytwórcze oraz niezbędne elementy infrastruktury. Energia elektryczna jest dobrem szczególnym ze względu na utrudnione, (chociaż możliwe i powszechnie stosowane), jej magazynowanie oraz przesyłanie na znaczne odległości. Jest to typowy problem rynkowy, kiedy to podaż nie jest dostępna w tym samym miejscu oraz czasie, kiedy pojawia się na nią popyt. Idąc tym tropem można stwierdzić, iż przesyłanie energii to jej przemieszczanie w przestrzeni i czasie2 natomiast magazynowanie jest jej transferem w czasie. Pierwsze systemy elektroenergetyczne (SE) były dalece różne od tych znanych nam dzisiaj. Można by rzec, że obecny trend w kierunku tak zwanej generacji rozproszonej, wykorzystującej tysiące małoskalowych lokalnych źródeł energii, jest co do zasady powrotem do przeszłości, kiedy to SE był zdominowany przez elektrownie zakładowe bądź miejskie. Jednak dążenie do zwiększenia niezawodności3 oraz rachunek ekonomiczny i efekt skali, spowodowały, iż przez ostatnie lata bardzo silnie rozwijały się scentralizowane systemy Powstające niewielkie opóźnienia można uznać w warunkach rzeczywistych za pomijalne, ponieważ prędkość przeływu energii elektrycznej jest bliska prędkości światła – w zależności od przewodnika i warunków może wynosić od 50% do 99% prędkości światła. 3 Jest to stwierdzenie kontrowersyjne, aczkolwiek wielokrotnie powtarzane w literaturze. W rzeczywistości, awaria jednej centralnej elektrowni o mocy setek bądź tysięcy MW pociąga za sobą znacznie większe ryzyko blackout-u czy brownout-u niż pozyskiwanie energii z wielu niezależnych źródeł. 2. 13.

(15) energetyczne z rozbudowaną infrastrukturą przesyłową. Najlepszym potwierdzeniem tego stanu rzeczy jest pracująca od 1975 elektrownia Bełchatów generująca ponad 20% zużywanej w kraju energii elektrycznej. Bloki energetyczne o mocach znamionowych rzędu setek megawatów to efekt postępu cywilizacyjnego oraz konieczności pokrycia potrzeb energetycznych dużej grupy ludzi zamieszkującej niewielki obszar. Jednak rozwojowi konwencjonalnych źródeł energii towarzyszyły niekonwencjonalne źródła energii wykorzystujące ruch mas powietrza, energię potencjalną wód czy promieniowanie słoneczne. Rosnąca świadomość ekologiczna, zasadność koncepcji zrównoważonego rozwoju oraz wizja wyczerpania nieodnawialnych zasobów energii stała się kołem zamachowym napędzającym rozwój prac i badań w zakresie energetyki odnawialnej. W zależności od dostępności zasobów energii pierwotnej (np. nasłonecznienie czy też energia kinetyczna wiatru) źródła te niejednokrotnie są rozwiązaniem nie tylko preferowanym ze względów środowiskowych, ale również ekonomicznych. Szczególnym przypadkiem systemów energetycznych, które stanowią poligon doświadczalny dla badań nad OZE (a w szczególności niedyspozycyjnymi odnawialnymi źródłami energii takimi jak generacja wiatrowa czy słoneczna) są wyspy oraz obszary odludne tj. odległe od terenów zurbanizowanych. Wynika to z faktu, iż systemy te nie mają możliwości czerpania korzyści z międzynarodowych połączeń – mostów energetycznych, które do pewnego stopnia zwiększają niezawodność układu. Oznacza to, iż SE wykorzystujący niedyspozycyjne źródła odnawialne musi zostać zaprojektowany w taki sposób by naturalna zmienność prędkości wiatru, nasłonecznienia czy przepływu w rzece została skompensowana i przezwyciężona. Zgodnie z wynikami przeprowadzanej analizy literatury w takich układach predysponowanym rozwiązaniem jest połączenie źródeł niedyspozycyjnych z magazynem energii. Niedyspozycyjne źródła odnawialne (NZO), czy też zmienne źródła odnawialne (ang. Variable Renewable Energy) zaczynają odgrywać coraz istotniejszą rolę w KSE zarówno pod kątem mocy zainstalowanej, jak i udziału w pokryciu zapotrzebowania na energię elektryczną. Zjawisko to powszechnie postrzegane jest jako pozytywne i w wielu krajach, niejednokrotnie przekraczające 100 metrów wieże turbin wiatrowych, czy połacie terenów o niskiej wartości ekonomicznej i rolnej pokryte modułami fotowoltaicznymi zdaje się, że należy uznać za znak rozpoznawczy XXI wieku. Rosnącą rolę NZO można również zaobserwować w Polsce. Trzeba jednak mieć na względzie, iż w wypadku Polski za główny czynnik napędzający ich rozwój stał. 14.

(16) się znany pakiet występujący często pod skróconą nazwą „3x20”4.. Jednak źródła te,. a szczególnie ich niedyspozycyjność/chimeryczność uzysku energii elektrycznej stanowi szczególne wyzwanie dla projektantów oraz osób odpowiedzialnych za zarządzanie systemami energetycznymi. Poniższa praca jest w pełni poświęcona tematyce integracji niedyspozycyjnych odnawialnych źródeł energii z KSE w oparciu o układy hybrydowe współpracujące z magazynem energii oraz wykorzystanie koncepcji czasowej komplementarności źródeł generacji wiatrowej i słonecznej Struktura pracy przedstawia się następująco. Rozdział pierwszy poświęcono zdefiniowaniu hipotezy oraz celów głównych pracy. W części literaturowej skupiono się w głównej mierze na odnawialnych źródłach energii, a w szczególności na możliwości ich integracji z KSE. Zaprezentowano również ważniejsze prace i badania w kontekście zbudowanego w pracy modelu symulacyjno-optymalizacyjnego układu hybrydowego składającego się z instalacji fotowoltaicznej, parku/turbiny wiatrowej oraz magazynu energii w postaci. elektrowni. szczytowo-pompowej. (PV-TW-ESP).. W. części. modelowej. przedstawiono koncepcję układu hybrydowego oraz scenariusze jego współpracy z KSE. Z punktu widzenia, zasady pracy takiego układu, przedstawiono matematyczne podstawy obliczania uzysku energii z PV oraz TW, a także wprowadzono autorski model symulacyjny – który następnie przekształcono na model optymalizacyjny. W tej części pracy przedstawiono również metodę rozwiązywania problemu optymalizacyjnego w oparciu o przegląd zupełny oraz opisano dane wejściowe do modeli. Część czwarta pracy poświęcona jest analizie wyników. W zakończeniu przedstawiono podstawowe wnioski, elementy oryginalne pracy oraz proponowane dalsze kierunki badań.. 1.1.Cel pracy Odnawialne źródła energii pod postacią generacji wiatrowej oraz słonecznej wprowadzają do systemu energetycznego niepewność związaną z ich udziałem w pokrywaniu zapotrzebowania na energię w nadchodzącym horyzoncie czasowym (od minut do dni).. Pakiet ten jest wynikiem obowiązującej w Unii Europejskiej polityki energetycznej, która opiera się na założeniu o silnie antropogenicznym charakterze obserwowanych zmian klimatycznych. Nie wnikając w kwestie debaty na temat przyczyny obserwowanej zmiany klimatu należy uznać, że obowiązująca polityka energetyczna UE jest bardzo istotnym stymulantem rozwoju OZE. Polska jest członkiem UE i zobowiązała się wypełnić założenia pakietu 3x20 tj. ograniczenie emisji gazów cieplarnianych o 20%, 20% wzrost efektywności energetycznej oraz osiągnięcie 20% udziału OZE w energii produkowanej. 4. 15.

(17) Doprowadza to do sytuacji, w której nie tylko konieczne jest harmonogramowanie pracy elektrowni konwencjonalnych pod kątem zmieniającego się zapotrzebowania, ale również niezbędne jest uwzględnienie niedyspozycyjności strony podażowej. Problem bilansowania podaży i popytu na energię jest szczególnie wyraźnie widoczny w wypadku systemów autonomicznych, zarówno tych na mniejszą (przekaźnik radiowy), średnią (gospodarstwo domowe) czy większą (wyspa) skalę. Jak już wspomniano system energetyczny składa się w uproszczeniu z punktów zasilania (np. GPZ – czyli główny punkt zasilający) oraz źródeł energii (elektrowni) połączonych siecią przesyłową, można zatem wysnuć założenie o zasadności optymalizacji mocy zainstalowanej małych układów wytwórczych na poziomie pojedynczych GPZ. Stwierdzenie to opiera się na przekonaniu, iż wprowadzanie do systemu elektroenergetycznego niedyspozycyjnych źródeł energii winno w minimalnym stopniu wpływać na pracę takiego systemu. Poprzez wpływ na system energetyczny rozumie się wymianę energii pomiędzy wybranym układem składającym się ze: źródło zasilania oraz odbiornika, a KSE. Do tej pory w systemie energetycznym odbiorcy energii, bardzo rzadko byli jej jednoczesnymi producentami. Obecnie wraz z rozwojem energetyki rozproszonej coraz popularniejszy staje się model rynkowy w postaci tak zwanego prosumenta, czyli jednoczesnego konsumenta i producenta wybranego dobra – w tym wypadku energii elektrycznej. W pracy tej odchodzi się częściowo od koncepcji prosumenta w skali gospodarstwa domowego na rzecz podziału systemu elektroenergetycznego na wirtualne wyspy energetyczne, które wprawdzie są połączone ale powinny w maksymalnym stopniu wykorzystywać i opierać się wyłącznie na własnych źródłach energii, jednocześnie ograniczając przekazywanie nadwyżek energii do sieci. Biorąc pod uwagę obecny stan wiedzy, za cel pracy można uznać symulację, a następnie optymalizację mocy zainstalowanej pojedynczego układu hybrydowego typu instalacja fotowoltaiczna - turbina wiatrowa – elektrownia szczytowo-pompowa PV-TW-ESP zasilającego wybraną grupę odbiorców dla założonych scenariuszy współpracy takiego układu z siecią elektroenergetyczną.. 16.

(18) 1.2.Hipoteza i cele główne Na podstawie analizy literatury oraz przeprowadzonych do tej pory badań zaproponowano następującą hipotezę: „Metoda przeglądu zupełnego wariantów umożliwi optymalizację mocy zainstalowanej słoneczno-wiatrowo-pompowego układu źródeł energii.” W celu udowodnienia tak przedstawionej hipotezy, zdefiniowano następujące cele główne: . sformułowanie modeli matematycznych opisujących zasadę pracy układów słonecznowiatrowo-pompowych (PV-TW-ESP);. . zaproponowanie scenariuszy współpracy układów PV-TW-ESP z KSE;. . określenie udziału generacji źródeł słonecznych, wiatrowych oraz pompowych w pokryciu zapotrzebowania bieżącego;. . analiza rozwiązań optymalnych dla założonych scenariuszy współpracy.. 17.

(19) 2. Część literaturowa W poniższym rozdziale przedstawione zostały główne zagadnienia istotne z punktu widzenia analizowanej w rozprawie tematyki układów hybrydowych wykorzystujących niedyspozycyjne odnawialne źródła energii. Rozwiązania tego typu zaprezentowane zostały w kontekście polityki energetycznej oraz ochrony środowiska w Polsce oraz UE. Rozdział porusza również kwestie dynamiki rozwoju OZE oraz problematyki ich integracji do krajowych systemów elektroenergetycznych. Analizie poddano również technologie magazynowania energii ze szczególnym naciskiem na ESP w kontekście polskim.. 2.1. Odnawialne Źródła Energii - OZE Można wyróżnić pięć (Twidell i Weir 2015) pierwotnych źródeł energii: a) Słońce; b) ruch oraz potencjał grawitacyjny: Słońca, Księżyca oraz Ziemi; c) energia geotermalna pochodząca z procesów: chłodzenia, chemicznych i rozpadów radioaktywnych w jądrze ziemskim, oraz energia rezydualna; d) reakcje jądrowe wywołane działalnością ludzką; e) reakcje chemiczne zachodzące w surowcach mineralnych. Odnawialne źródła energii opierają się na trzech z pięciu wymienionych pierwotnych źródeł energii (a-c), przy czym w wypadku „c” należy mieć na uwadze, że dotyczy to tylko podziemnych zbiorników wodnych – tak zwane gorące suche skały (ang. hot dry rocks) są zaliczane do zasobów zczerpywalnych. Zasoby nieodnawialne również mogą powstawać w oparciu o energię promieniowania słonecznego (np. paliwa kopalne – węgiel), czy geotermalną jak wspomniane suche gorące skały. W zaspokajaniu potrzeb energetycznych populacji ziemskiej najważniejszą rolę odgrywają zasoby pochodzące z pierwotnych źródeł „a” oraz „d”. Reakcje chemiczne zachodzące w surowcach mineralnych na razie nie odgrywają istotnej roli ale ich znaczenie zaczyna rosnąć wraz z rosnącym popytem na przydomowe magazyny energii (Hempel i in. 2011) oraz coraz popularniejsze pojazdy elektryczne (Tuttle i Baldick 2015). W kontekście obecnego stanu techniki można wskazać na pięć podstawowych technologii pozyskiwania energii w oparciu o źródła odnawialne: hydroenergetyka; energetyka geotermalna i pompy ciepła; energetyka biomasowa; energetyka wiatrowa; energetyka 18.

(20) słoneczna. Na Rys. 1 zaprezentowano pochodzenie poszczególnych OZE z punktu widzenia pierwotnych źródeł energii. Na uwagę zasługuje dominująca rola energii promieniowania słonecznego. W kolejnych podpunktach tego rozdziału przedstawiona zostanie skrócona charakterystyka tych źródeł energii, przy czym dwóm ostatnim (ze względu na ich kluczową rolę z punktu widzenia dysertacji – poświęcone zostanie znacznie więcej uwagi).. Rys. 1. Naturalny przepływ energii na Ziemi wraz z technologiami odnawialnych źródeł energii. Wartości strumienia energii podane są w terawatach (1012 W), źródło: opracowanie własne na podstawie (Twidell i Weir 2015). 2.1.1. Hydroenergetyka Hydroenergetyka według słownika języka polskiego jest działem energetyki zajmującym się przetwarzaniem energii wód. Energetyka wodna w głównej mierze opiera się na wykorzystaniu energii potencjalnej wody (będącej proporcjonalną do wysokości jaką traci woda w obrębie elektrowni) podawanej na łopatki turbiny wodnej. Znacznie rzadziej eksploatowany jest potencjał wody płynącej (energia hydrokinetyczna) w elektrowniach przepływowych charakteryzujących się bardzo niskim lub zerowym spadem. Jednak wykorzystanie energii kinetycznej wód płynących staje się coraz powszechniejsze i w niektórych krajach postrzegane jest jako istotne potencjalne odnawialne źródło energii. Obecnie oprócz czterech projektów na większą skalę (USA, Francja, Szkocja oraz Kanada) rozwiązania te znajdują zastosowanie przede wszystkim lokalne (Nicholas 2016). 19.

(21) Wykorzystanie energii wody towarzyszyło człowiekowi od najdawniejszych czasów napędzając urządzenia znajdujące się w młynach, tartakach czy też służące do nawadniania pól. Już w roku 1878 zasilono pierwszą lampę łukową w Anglii w oparciu o energię elektryczną pochodząca z elektrowni wodnej (Association 1987). Niecałe cztery lata później uruchomiono pierwszą komercyjną elektrownię wodną zlokalizowaną na rzece Fox River w stanie Wisconsin (Americans Library). Od tego momentu elektrownie wodne zawsze odgrywały istotną rolę w systemie elektroenergetycznym. Według (TSP - DATA) hydroenergetyka w roku 2014 pozwoliła na pokrycie 17% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną, co stawiało ją na trzecim miejscu po węglu i gazie ziemnym. Na Rys. 2 przedstawiono dynamikę zmian mocy zainstalowanej w elektrowniach wodnych na świecie. Początkowa dominacja Europy oraz Ameryki Północnej pod kątem mocy zainstalowanej ustąpiła obecnie miejsca Azji i Oceanii gdzie znajduje się ponad 35% z 1 TW mocy zainstalowanej na świecie. Z bardziej szczegółowym opisem uwarunkowań, oraz kierunków rozwoju tej gałęzi energetyki można się zapoznać w pracy Zimny i in. (Zimny i in. 2013).. Moc zainstalowana [TW]. 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 1980. 1985. 1990. 1995. 2000. 2005. 2010. 2015. Rys. 2. Rozwój hydroenergetyki na świecie – bez elektrowni szczytowo-pompowych, źródło: opracowanie własne na podstawie danych statystycznych (TSP – DATA; IHA). 2.1.2. Energia geotermalna, pompy ciepła Jak podaje (Zimny 2010) energia geotermalna jest stosowana głównie w celu zasilenia większych skupisk ludzkich w energię cieplną, rzadziej elektryczną. W skali gospodarstwa domowego dominującą rolę w niekonwencjonalnych metodach pozyskiwania energii cieplnej odgrywają obecnie kolektory słoneczne oraz pompy ciepła. Zasada pracy i rozwój pomp ciepła w kontekście rynku polskiego oraz europejskiego można znaleźć w pracy Zimny i in. (Zimny i in. 2015). Według Energy Information Administration na koniec roku 2012 na świecie funkcjonowało około 10,5 GW elektrowni geotermalnych (Rys. 3). Rynek ten zdominowany 20.

(22) był przez Azję i Oceanię oraz Amerykę Północną. W Europie ze względu na korzystne uwarunkowania geologiczne przeszło 85% mocy zainstalowanej było we Włoszech oraz na Islandii. W Polsce instalacje geotermalne wykorzystywane są wyłącznie na potrzeby ogrzewnictwa między innymi w: Mszczonowie, Uniejowie, Pyrzycach czy Zakopanem. Moc zainstalowana [GW]. i Bańskiej (Zimny 2010). 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0. 2008 2009 2010 2011 2012 Ameryka Północna. Europa. Ameryka Łacińska i Północna. Euroazja. Bliski Wschód. Afryka. Azja i Oceania. Rys. 3. Dynamika zmian mocy zainstalowanej w elektrowniach geotermalnych na przestrzeni lat 2008-2012, źródło: opracowanie własne na podstawie danych statystycznych (EIA). 2.1.3. Biomasa i biogaz Biomasa jest pojęciem często zamiennie podawanym zamiast biopaliwa. W celu rozróżnienia tych dwóch terminów, najlepiej powołać się na definicję zawartą w dyrektywach Parlamentu Europejskiego (Dyrektywa 2001; Dyrektywa 2003). Według nich biopaliwo to paliwo w postaci płynnej lub gazowej produkowane z biomasy na potrzeby transportu. Natomiast biomasa jest biodegradowalną częścią produktów lub odpadów związanych z działalnością rolniczą, leśnictwem, jak i pochodnymi od nich gałęziami przemysłu. Za biomasę uznaje się również odpady przemysłowe oraz miejskie. Podstawową klasyfikację biopaliw (Zimny 2010) można stworzyć w oparciu o stan skupienia w jakim występuje dane biopaliwo. Do najistotniejszej, z punktu widzenia energetyki w Polsce, należą biopaliwa stałe (współspalanie w elektrowniach zawodowych jak i w kotłowniach prywatnych) oraz gazowe. Obecnie biogaz (najczęściej w domyśle rolniczy) można uzyskiwać z szeregu różnych substratów (np. słonecznik, buraki) w instalacjach technologicznych zwanych biogazowniami rolniczymi. Dokładny opis procesu pozyskiwania biogazu jak i uwarunkowań prawnych i zasobowych rozwoju tego źródła energii w Polsce można znaleźć w pracy zbiorowej pod redakcją Witolda Podkówki (Podkówka 2012).. 21.

(23) Elektrownie biogazowe w porównaniu do źródeł generacji wiatrowej oraz słonecznej cechują się dyspozycyjnością i produkcją energii na z góry zadanym poziomie. To stwierdzenie można poprzeć analizą zmienności generacji energii elektrycznej w niemieckim systemie elektroenergetycznym, gdzie biogazownie odgrywają istotną rolę, pokrywając znaczną część zapotrzebowania podstawowego na moc elektryczną. Na Rys. 4 zaprezentowano przebieg zmienności generacji wspomnianych trzech źródeł w przeciągu dwóch kolejnych dni. Na uwagę zasługuje fakt, że sumaryczny uzysk źródeł wiatrowych oraz słonecznych potrafi w przeciągu ośmiu godzin (12:00 – 20:00) pierwszego dnia może zmaleć ponad 15 razy z 26,93 GW do poziomu 1,77 GW, by po kolejnych 16 godzinach ponownie osiągnąć wartość przeszło 30 GW5. Jak podaje Persson i in. (Persson i in. 2015) charakterystyka elektrowni biogazowych predysponuje je zarówno do pracy w wytwarzaniu energii dla pokrycia obciążenia podstawowego, jak i w trybie pracy interwencyjnej. Co więcej, elektrownie biogazowe mogą przyczynić się do usprawnienia procesu integracji niedyspozycyjnych odnawialnych źródeł energii z KSE w oparciu o proces elektrolizy, w którym produkowany jest wodór, a następnie jest on współspalany w biogazowniach. 40. Moc generowana [GW]. 35 30 25 20 15 10 5 0 Biogazownie TW PV Rys. 4. Moc generowana przez instalacje fotowoltaiczne (PV), parki wiatrowe (TW) i elektrownie biogazowe w dniach 4-5 maja 2015 w niemieckim systemie elektroenergetycznym, źródło: opracowanie własne na podstawie danych (Fraunhofer ISE). Według kalkulacji przeprowadzonych przez European Environment Agency (EEA) kraje europejskie są w stanie pozyskać około 235 Mtoe biomasy na rok bez uszczerbku na. Według danych Polskich Sieci Elektroenergetycznych (http://www.pse.pl/) w polskim systemie elektroenergetycznym zapotrzebowanie na moc o zbliżonej wartości wystąpiło 7 lutego 2012 o godzinie 17:30 i wyniosło 25.844 GW. 5. 22.

(24) środowisku naturalnym. Należy przy tym zaznaczyć, że w roku 2013 całkowite zapotrzebowanie na energię pierwotną w Europie wyniosło 1,67 Gtoe (EUROSTAT). Według wyliczeń Janowicza (Janowicz 2006) w Polsce potencjał techniczny biomasy wynosi 18,03 Mtoe w skali roku. Przy czym zgodnie z danymi statystycznymi prezentowanymi przez Urząd Regulacji Energetyki na koniec roku 2015, w Polsce istniało 278 instalacji wykorzystujących biogaz rolniczy, składowiskowy, pochodzący z oczyszczalni ścieków oraz mieszany. Łączna moc elektryczna tych elektrowni wynosiła 212,5 MW. Należy jednak zaznaczyć, iż część z nich realizowała pracę w trybie kogeneracji produkując również energię cieplną. Jak podaje Igliński i in. (Igliński i in. 2015) wykorzystanie biomasy (pod każdą postacią) jest szczególnie istotne w Polsce północnej, gdzie nie zidentyfikowano zasobów węgla kamiennego oraz brunatnego. Bardziej szczegółowe informacje na temat stanu obecnego oraz perspektywy rozwoju wykorzystania biogazu w Polsce, można znaleźć w pracach Iglińskiego z UMK w Toruniu (Igliński i in. 2010; Igliński i in. 2012). Zarówno w Polsce jak i na świecie obserwuje się rosnące zainteresowanie tym odnawialnym źródłem energii – co przedstawiono na Rys. 5. Zaskakująca jest niewielka (w porównaniu do Europy) moc zainstalowana elektrowni biomasowych w Ameryce Łacińskiej i Południowej. Jednak należy mieć na względzie, iż w Brazylii biomasa roślinna jest w szczególności wykorzystywana na potrzeby produkcji etanolu. Brazylia będąc drugim na świecie jego producentem ma udziały w rynku światowym przekraczające 25% (RFA) – dane na rok 2014.. Moc zainstalowana [GW]. 40 35 30 25. 2008. 20. 2009. 15. 2010. 10. 2011 2012. 5 0 Ameryka Północna. Europa. Ameryka Euroazja Łacińska i Południowa. Afryka. Bliski Wschód. Azja i Oceania. Rys. 5. Przyrost mocy zainstalowanej w elektrowniach wykorzystujących biomasę stałą, płynną oraz gazową w latach 2008-2012, źródło: opracowanie własne na podstawie (EIA).. 23.

(25) 2.1.4. Energetyka wiatrowa Energia wiatru na potrzeby produkcji energii elektrycznej wykorzystywana jest już od blisko 130 lat. Pierwszą elektrownię wiatrową uruchomiono w Szkocji i była ona autorstwa James-a Blytha (Price 2005). Jednak zastosowanie energii wiatru na potrzeby pracy użytecznej (mechanicznej) wykonywanej przez różne maszyny (np. irygacja) sięga czasów starożytnych. W literaturze nie ma zgodności, co do historycznie pierwszej udokumentowanej i uwieńczonej sukcesem próby wykorzystania energii ruchu mas powietrza. Projekty koncepcyjne (bez twardych dowodów) dotyczą imperium babilońskiego za panowania Hammurabiego - XVII wiek p.n.e. (Golding 1956), Indie w IV wieku p.n.e. (Sorensen 1995). Pierwszy zapisany projekt powstał w królestwie Persów w II wieku p.n.e. (Mathew 2006). Szczegółowy opis rozwoju energetyki wiatrowej można prześledzić między innymi w pracy (Dodge 2001). Rosnącą rolę oraz znaczenie energetyki wiatrowej w pokrywaniu zapotrzebowania na energię elektryczną doskonale odzwierciedla wzrastająca liczba publikacji zajmujący się tą tematyką. Ogólnie literaturę tą można podzielić na kilka grup: . rozwój i stan obecny energetyki wiatrowej (Sahin 2004; Michalak i Zimny 2011);. . aspekty techniczne elektrowni wiatrowych (Eggleston i Stoddard 1987; Wilson i in. 1976; Flaga 2011),. . energetyka wiatrowa w Polsce (Soliński i Soliński 2004; Kacejko i Wydra 2010; Wiśniewski i in. 2012);. . prognozowanie uzysku energii elektrycznej z turbin wiatrowych (Kavasseri i Seetharaman 2009; Lei i in. 2009),. . wpływ energetyki wiatrowej na środowisko naturalne (Noori i in. 2015; Al-Behadili i El-Osta 2015; Tomporowski 2015),. . ekonomiczne aspekty energetyki wiatrowej (EWEA; Blanco 2009; Lantz i in. 2012),. . energetyka wiatrowa w systemie energetycznym (Heier 1998; Ackermann 2005; Yazhou 2003). Elektrownia wiatrowa to termin często mylnie utożsamiany z następującymi pojęciami:. turbina wiatrowa, silnik wiatrowy, wieża wiatrowa, siłownia wiatrowa, czy też generator wiatrowy. W praktyce elektrownia wiatrowa składa się najczęściej z zespołu turbin wiatrowych wraz z towarzyszącymi elementami niezbędnej infrastruktury pomocniczej. Turbina wiatrowa zbudowana jest z następujących elementów: fundament, wyjście do sieci elektroenergetycznej, wieża, serwomechanizm kierunkowania elektrowni, gondoli, generatora, wiatromierza, 24.

(26) hamulca postojowego, skrzyni przekładowej, łopat wirnika, piasty, siłownika mechanizmu przestawiani łopat oraz piasty. Na Rys. 6 przedstawiono teren budowy parku wiatrowego w USA wyposażonego w turbiny wiatrowe Vestas V112 o mocy znamionowej 3,075 MW.. Rys. 6. Farma wiatrowa w hrabstwie Penobscot (stan Maine – północna część wschodniego wybrzeża USA), źródło: http://www.evwind.es. Jak podaje Mathew (Mathew 2006) energia kinetyczna E strumienia powietrza o masie m i poruszającego się z prędkością V dana jest równaniem: 1. 𝐸 = 2 𝑚𝑉 2. (1). Ponieważ długość łopaty turbiny wiatrowej określa z jakiej powierzchni możliwe jest pozyskanie energii kinetycznej wiatru, równanie (1) zostaje zmodyfikowane i przyjmuje postać następującą postać: 1. 𝐸 = 2 𝜌𝑎 𝑣𝑉 2. (2). gdzie: 𝜌𝑎 - to gęstość powietrza, v – objętość powietrza przypadająca na wirnik.. 25.

(27) Objętość powietrza oddziaływującego na wirnik w jednostce czasu ma powierzchnię przekroju równą powierzchni wirnika 𝐴𝑇 a długość tej struktury jest równa prędkości wiatru V. Po ponownym podstawieniu równanie przyjmuje postać: 1. 𝐸 = 2 𝜌𝑎 𝐴𝑇 𝑉 3. (3). Na Rys. 7 przedstawiono schematycznie zależnoś przedstawioną w powyższych równaniach.. Rys. 7. Przepływ mas powietrzna na wirnik turbiny wiatrowej, źródło: opracowanie własne na podstawie (Mathew 2006). Na rynku dostępne są turbiny wiatrowe o poziomej (ang. horizontal axis wind turbine HAWT) oraz o pionowej (ang. vertical axis wind turbine VAWT) osi obrotu. Te pierwsze znajdują głownie zastosowanie w wielkoskalowej energetyce wiatrowej, podczas gdy VAWT stosowane są w małych układach hybrydowych lub na potrzeby pojedynczych gospodarstw domowych. Na Rys. 8 przedstawiono turbinę o pionowej osi obrotu – jej główną zaletą jest stosunkowo niska prędkość startowa rzędu 2 m/s. Dalsze rozważania na temat uzysku energii z turbin wiatrowych przedstawiono w rozdziale Część modelowa.. 26.

(28) Rys. 8. Turbina wiatrowa typu VATW o mocach znamionowych z przedziału 0,2 – 10 kW (konstrukcja jest zachowana, zmianie ulegają wymiary), źródło: http://www.rms.com.pl/. Należy zaznaczyć, że obok energetyki słonecznej, energetyka wiatrowa jest najszybciej rozwijającą się gałęzią energetyki na świecie. Na Rys. 9 przedstawiono dynamikę wzrostu mocy zainstalowanej na świecie, natomiast Rys. 10 prezentuje dystrybucję przestrzenną turbin wiatrowych w Polsce z podziałem na powiaty. Rozkład mocy turbin wiatrowych w Polsce w znacznym stopniu pokrywa się z mapami: wietrzności oraz perspektyw rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce przygotowanymi przez Halinę Lorenc oraz jej zespół z IMGW PIB (Lorenc. 600. 6000. 500. 5000. 400. 4000. 300. 3000. 200. 2000. 100. 1000. 0. Polska - moc zainstalowana [MW]. Świat - moc zainstalowana [GW]. 1992).. 0 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 Chiny. USA. Niemcy. Reszta Świata. Polska. Rys. 9. Rozwój energetyki wiatrowej w Polsce i na świecie pod kątem mocy zainstalowanej, źródło: opracowanie własne na podstawie: URE 2016, PSE, GWEC. 27.

(29) Moc zainstalowana [MW]. Rys. 10. Moc zainstalowana w generacji wiatrowej w poszczególnych powiatach. Stan na 31.12.2015, źródło: opracownie własne na podstawie danych (URE 2016). 2.1.5. Energetyka słoneczna Energia promieniowania słonecznego jest źródłem życia oraz zdecydowanej większości zasobów energii na Ziemi. Była ona od najdawniejszych czasów wykorzystywana przez człowieka np. w celu suszenia płodów rolnych. Kluczowym momentem w wykorzystaniu energii słonecznej na potrzeby produkcji energii elektrycznej było odkrycie przez francuskiego fizyka Becquerel-a w roku 1839 efektu fotowoltaicznego, który jest blisko związany z efektem fotoelektrycznym. Co do zasady, zjawisko to opisuje powstanie napięcia elektrycznego w danym materiale (najczęściej półprzewodnikowym) na skutek wystawienia go na działanie promieniowania słonecznego. Zasadę tę wykorzystują między innymi coraz bardziej rozpowszechnione ogniwa fotowoltaiczne na bazie krzemu. Ze względu na koszty oraz energochłonność procesu pozyskiwania i obróbki krzemu coraz większą popularność zyskują mniej sprawne ale tańsze ogniwa wykonane w technologii cienkowarstwowej z tellurku kadmu 28.

(30) CdTe, lub dwuselenku indowo-miedziowego CIS. Badaniom oraz zagadnieniom związanym z materiałami wykorzystywanymi w ogniwach PV poświęcone jest przykładowo czasopismo Solar Energy Materials & Solar Cells, natomiast informacje na temat statystyk z zakresu sprawności poszczególnych rozwiązań należy szukać np. w regularnie publikowanych tekstach na łamach Progress in Photovoltaics. Doskonałym kompendium wiedzy na temat teorii i zastosowania ogniw fotowoltaicznych jest pozycja (McEvoy i in. 2003). Należy zaznaczyć, że efekt fotowoltaiczny nie jest jedynym sposobem pozyskiwania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Szczególnym przypadkiem, zbliżonym do charakterystyki pracy elektrowni konwencjonalnej jest skupianie promieni słonecznych za pomocą zwierciadeł parabolicznych lub heliostatów na odbiorniku w celu podgrzania medium, którego pary następnie są przekazywane na turbinę generująca energię elektryczną. Jedną z niewątpliwych zalet takiego rozwiązania jest możliwość magazynowania zgromadzonego ciepła np. w postaci stopionej soli (Yang i Garimella 2010). Z punktu widzenia tej dysertacji metody różne od tych wykorzystujących efekt fotowoltaiczny nie są analizowane, a ich dokładny opis i charakterystykę można znaleźć między innymi w pracach (Yogev 1998; Guerrero-Lemus i Martínez-Duart 2013). Podobnie jak dla energetyki wiatrowej również w wypadku energetyki słonecznej należy wyróżnić kilka obszarów, na których w szczególnie koncentrują się prace badawcze. Do głównych kierunków należą wspomniane już prace nad nowymi rozwiązaniami z zakresu materiałów wykorzystywanych do produkcji ogniw PV, a w szczególności przewidywanego przełomu mającego nastąpić w oparciu o minerały z grupy perowskitów (Malinkiewicz 2014), integracji energii elektrycznej pochodzącej z promieniowania słonecznego do KSE (Hammons 2008); prognozowania uzysku energii elektrycznej ze źródeł fotowoltaicznych (Kleissl 2013; Lima i in. 2016; Vaz i in. 2016); wymiarowania i projektowania układów autonomicznych PV (ang. off-grid) (Benmoiza 2016); analiz statystycznych trendów i perspektyw rozwoju wykorzystania PV (Philipps 2015), jak obecnego stanu sektora energetyki słonecznej w Polsce (Igliński 2016; Rodziewicz 2016). Sektor energetyki słonecznej w Polsce ciągle znajduje się w pierwszej fazie rozwoju. Wprawdzie na przestrzeni ostatnich lat obserwowany jest przyrost sumarycznej mocy zainstalowanej w systemach PV, jednak na chwilę obecną nie przekroczyła ona 100 MW (URE). Na Rys. 12 zwizualizowano rozmieszczenia instalacji PV pod kątem ich mocy zainstalowanej na obszarze Polski. Na szczególną uwagę zasługuje dość duża koncentracja mocy zainstalowanej we wschodniej części kraju. Podobnie jak w wypadku energetyki 29.

(31) wiatrowej wynika to z uwarunkowań zasobowych. Według danych Joint Research Center (JRC) średnie roczne sumy nasłonecznienia w tamtych obszarach są o około 5-10% większe niż w pozostałych rejonach Polski. Znaczne tempo rozwoju elektrowni fotowoltaicznych na świcie jest obserwowalne od dłuższego czasu i według najnowszych raportów moc zainstalowana na koniec roku 2015 przekroczyła 222 GW (zob. Rys. 11). 9 8 200. 7 6. 150. 5 4. 100. 3 2. 50. 1 0 2006. 0 2007 Azja. 2008 Europa. 2009. 2010. 2011. Ameryka Północna. 2012. 2013. 2014. Reszta Świata. 2015 Koszt. Rys. 11. Dynamika wzrostu mocy zainstalowanej w instalacjach PV na świecie na tle zmieniającego się kosztu komercyjnych instalacji o mocy większej niż 500 kW, źródło: opracowanie własne w oparciu o (IRENA, Feldman i in. 2015). 30. Cena [$/WDC]. Moc zainstalowana [GW]. 250.

(32) Rys. 12. Moc zainstalowana w instalacjach PV w poszczególnych powiatach. Stan na 31.12.2015, źródło: opracowanie własne na podstawie danych (URE 2016). 2.2. Integracja OZE z Krajowym Systemem Elektroenergetycznym Systemy fotowoltaiczne oraz turbiny wiatrowe nie należą do źródeł energii elektrycznej, których generacja może zostać zaplanowana i zrealizowana zgodnie z założonym harmonogramem. Sytuacja ta wynika z faktu, iż wykorzystują one energię pierwotną w postaci energii promieniowania słonecznego oraz ruchu mas powietrza – wiatru. Należy mieć dodatkowo na względzie, że energia wiatru jest wynikiem ogrzewania w różnym stopniu przez promieniowanie słoneczne ziemi, oceanów i innych zbiorników wodnych. Rezultatem tego procesu jest zmiana warunków atmosferycznych – ciepłe powietrze unosi się, co prowadzi do spadku ciśnienia atmosferycznego przy powierzchni Ziemi. Z kolei miejsce po masach ciepłego powietrza zastępowane jest powietrzem zimnym (Burton i in. 2001) . Ponieważ zasoby energii wiatru są wynikiem czasowej i przestrzennej zmienności energii promieniowania słonecznego. 31.

(33) ich wolumen szacowany jest na niecałe 2-3% energii promieniowania słonecznego pochłanianego przez atmosferę (Hermann 2006). Na Rys. 13 i 14 przedstawiono zmienność generacji źródeł wiatrowych w Polsce na przestrzeni 06.2014-12.2015. Moc zainstalowana w tym okresie wzrosła z 2,497 GW (stan na 30.06.2014) do 4,582 GW (stan na 31.12.2015) (URE, 2016). W tym czasie średni godzinowy wolumen energii oddawanej do sieci wynosił 1052 MWh z odchyleniem standardowym wynoszącym 917 MWh. Należy zwrócić uwagę na fakt, iż elektrownie wiatrowe w Polsce rozproszone są na terenie całego kraju, jednakże ich główna koncentracja obserwowana jest w województwach: Zachodniopomorskim, Wielkopolskim, Kujawsko-Pomorskim oraz Pomorskim, odpowiednio 28%, 12%, 11% i 10% całkowitej mocy zainstalowanej na koniec roku 2015 (URE, 2016). Wykres na Rys. 14 wskazuje, iż przez ponad 40% czasu w okresie. Energia elektryczna [GWh]. 06.2014-12.2015 elektrownie wiatrowe oddawały do KSE moc większą bądź równą 1 GW. 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0. Energia elektryczna [GWh]. Rys. 13. Godzinowe wartości generacji źródeł wiatrowych w Polsce w latach 2014-2015, źródło: opracowanie własne na podstawie danych (PSE 2016) 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Udział procentowy Rys. 14. Wykres uporządkowany generacji źródeł wiatrowych, źródło: opracowanie własne na podstawie danych (PSE 2016). 32.

(34) Jak wspomniano wcześniej, generacja źródeł wiatrowych i słonecznych (fotowoltaika) jest uzależniona od zmieniających się warunków atmosferycznych. Tym samym sterownie pracą tych źródeł ogranicza się do ich wyłączenia: a) poprzez ustawienie łopat turbiny równolegle do kierunku wiatru b) przykrycia powierzchni modułów PV. W wypadku instalacji PV możliwe jest również podążanie za pozorną wędrówką Słońca za pomocą układów nadążnych – jedno lub dwu - osiowych. Zmienność uzysku energii elektrycznej z tych dwóch źródeł energii stanowi poważne wyzwanie dla krajowego, a zasadniczo każdego systemu elektroenergetycznego. Na przestrzeni lat na rynku energii elektrycznej czynnikiem charakteryzującym się silną zmiennością był popyt. Tym samym podaż energii, zapewniana przez elektrownie konwencjonalne oraz wodne była dostosowywana do aktualnego zapotrzebowania. Ponieważ wygaszenie oraz ponowne uruchamianie bloków elektrowni opalanych węglem kamiennym oraz brunatnym jest procesem czaso- oraz energochłonnym (Fay i in. 1986, Spath i in. 1999) w systemie elektroenergetycznym bardzo istotną rolę pełnią magazyny energii. Najczęściej przybierają one formę elektrowni szczytowo-pompowych (zagadnieniu magazynowania energii poświęcono podrozdział „Magazynowanie energii”). Magazyny energii pozwalają na bilansowanie popytu i podaży na energię elektryczną w różnym przedziale czasowym – najczęściej dobowym (zobacz Rys. 17 ukazujący dobową zmienność zapotrzebowania na energię na przestrzeni tygodnia). Na Rys. 15 i 16 przedstawiono zapotrzebowanie na moc elektryczną w Polsce za okres 06.2014 – 12.2015. Średnie zapotrzebowanie wyniosło 18,3 GW z odchyleniem standardowym 2,9 GW, co skutkuje współczynnikiem zmienności na poziomie 16%. Dla porównania, dla generacji wiatrowej, współczynnik ten wyniósł 87%. W wypadku zapotrzebowania na energię elektryczną możliwe jest jednak wyodrębnienie jego charakterystycznych przebiegów w ujęciu dobowym, tygodniowym (Rys. 17) oraz rocznym. W wypadku energii wiatru oraz promieniowania słonecznego również występują charakterystyczne przebiegi dobowe oraz roczne.. 33.

(35) Moc elektryczna [GW]. 30 25 20 15 10 5 0. Rys. 15. Godzinowe zapotrzebowanie na moc elektryczną w Polsce, źródło: opracowanie własne na podstawie danych (PSE 2016). 25 20 15 10 5 0. Udział procentowy Rys. 16. Wykres uporządkowany zapotrzebowania na moc elektryczną, źródło: opracowanie własne na podstawie danych (PSE 2016) 25. Moc elektryczna [GW]. Moc elektryczna [GW]. 30. 20 15 10 5. 0 Poniedziałek. Wtorek. Środa. Czwartek. Piątek. Sobota. Niedziela. Rys. 17. Tygodniowy przebieg zapotrzebowania na moc elektryczną w Polsce, 02.06.2014-08.06.2014, źródło: opracowanie własne na podstawie danych (PSE 2016). 34.

(36) Wykorzystanie w systemie elektroenergetycznym elektrowni niedyspozycyjnych w postaci generacji wiatrowej oraz słonecznej wprowadza kolejne źródła niepewności na rynku energii. W rezultacie zmienna jest nie tylko jego strona popytowa, ale również podażowa. Niewielki6 udział źródeł niedyspozycyjnych nie stanowi poważnego wyzwania dla systemu elektroenergetycznego, jednakże, jak wykazano w podrozdziale „Dynamika rozwoju OZE” w niektórych systemach elektroenergetycznych moc zainstalowana w NOZE jest znaczna i niejednokrotnie wynosi już więcej niż moc całkowita np. polskich elektrowni. Stąd też po latach badań nad odnawialnymi źródłami energii w literaturze coraz częściej można znaleźć odwołania do problematyki integracji OZE lub wyłącznie NOZE do KSE. Za sztandarową pracę w tym zakresie można uznać dwuczęściowy artykuł autorstwa Marka Jacobson-a (Uniwersytet Stanforda) oraz Marka Delucchi-ego (Uniwersytet Kalifornijski) opublikowany na łamach prestiżowego czasopisma Energy Policy. Część pierwsza (Jacobson i Delucchi 2011) poświęcona została ocenie oraz projekcji możliwości pokrycia całkowitego zapotrzebowania na energię w roku 2030 wyłącznie w oparciu o źródła słoneczne, wiatrowe oraz wodne. Głównym wnioskiem płynącym z tej pracy, jest stwierdzenie, iż pomimo wzrostu zapotrzebowania na energię, dostępność wspomnianych zasobów jest większa o rząd wielkości. Część druga (Delucchi i Jacobson 2011) poświęcona została w całości zagadnieniom związanym z niezawodnością, kosztami przesyłu oraz rozbudowy systemu jak i polityki. Kluczowym fragmentem tekstu jest przedstawienie przez autorów siedmiu rozwiązań, które umożliwią i usprawnią proces integracji OZE z KSE. Wymienione zostały one poniżej. Ze względu na duży zakres tematyczny, przybliżone zostaną wyłącznie dwa, niezwykle istotne z punktu widzenia tematyki niniejszej dysertacji. Rozwiązania te można w sposób bardziej precyzyjny określić jako sposoby projektowania i. zarządzania. pracą. systemów. elektroenergetycznych. ze. znaczącym. udziałem. niedyspozycyjnych odnawialnych źródeł energii. . interregionalne połączenie sieciami przesyłowymi rozproszonych i niedyspozycyjnych źródeł energii elektrycznej wykorzystujących energię: Słońca, wiatru, pływów oraz falowania mórz. Pozwala to na wykorzystanie efektu wpływu dystrybucji przestrzennej na wygładzenie krzywej uzysku energii elektrycznej (Wiemken i in. 2001);. Maksymalny udział NOZE - niedyspozycyjnych źródeł energii w systemie elektroenergetycznym jest funkcją wielu zmiennych. Zależy głównie od: pojemności magazynów energii, zdolności przesyłowych sieci elektroenergetycznych, dystrybucji przestrzennej źródeł niedyspozycyjnych, mocy zainstalowanej w elektrowniach bilansujących zmiany generacji niedyspozycyjnej (najczęściej elektrownie gazowe), zapotrzebowania na energię elektryczną oraz jego zależności od czynników atmosferycznych. 6. 35.

(37) . wykorzystanie technologii inteligentnego zarządzania popytem na energię elektryczną, w celu przesunięcia elastycznego czasowo zapotrzebowania na okres, gdy dostępne jest więcej energii ze źródeł odnawialnych;. . budowa układów bazujących na czasowej komplementarności źródeł energii (np. promieniowanie słoneczne i energia wiatru) oraz sterowalnych źródeł energii w celu uzupełniania deficytów na linii: zapotrzebowanie – generacja słoneczna lub wiatrowa;. . magazynowanie energii elektrycznej w miejscu jej generowania za pomocą: akumulatorów różnej technologii, wodoru, stopionej soli, sprężonego powietrza, elektrowni szczytowo-pompowych oraz kół zamachowych;. . przewymiarowanie/nadmiarowość mocy zainstalowanej w szczytowych jednostkach wytwórczych źródeł odnawialnych, tak by zminimalizować częstotliwość wystąpień okresów, gdy popyt przewyższa podaż oraz zapewnić dodatkową moc elektryczną do produkcji wodoru;. . magazynowanie energii wykorzystując potencjał magazynowy akumulatorów pojazdów elektrycznych. Tak zwane pojazd – sieć (ang. vehicle to grid, V2G).. . prognozowanie uzysku energii elektrycznej z niestabilnych źródeł energii w oparciu o prognozy prędkości wiatru, promieniowania słonecznego, falowania oraz opadów, tak by lepiej zaplanować pracę systemu energetycznego.. 2.2.1. 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, 36.

(38) 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 37.