Czynniki profilujące transformację energetyczną: Co Polska może zyskać na OZE i prądzie stałym?

Energetyka oparta na OZE jest celem ekonomicznie atrakcyjnym i technologicznie osiągalnym. Polskie gospodarstwa domowe i firmy mogą zaoszczędzić 10-15 proc. na rachunkach za energię w horyzoncie 2060 r., a polska gospodarka zmniejszyć import paliw o 50-80 mld zł rocznie. Droga do tych korzyści wymaga jednak pokonania przeszkód politycznych, biznesowych i makroekonomicznych, które dziś faworyzują schodzące technologie i ich modele biznesowe.

Po 26 latach transformacji Polska weszła w stan kryzysu energetycznego. Przejawia się on w wysokich kosztach schodzących technologii oraz wynikających z nich modeli biznesowych. Przyjmując, że wyjście z kryzysu powinno polegać na likwidacji jego przyczyn i skutków, konieczne jest jednoczesne pobudzanie innowacyjności i otwieranie regulacji na modele biznesowe – odpowiednie dla nowych technologii. Pierwsze ćwierćwiecze pokazało, że transformacja energetyczna to kluczowy element transformacji cyfrowej całej gospodarki. Przełomem jest powstanie i wdrożenie do użytku maszyn ze sztucznym rdzeniem nieproceduralnym, uczących się i działających przez wzorzec, a nie poprzez algorytm. To początek rozwoju technologii myślenia, która będzie miała większy wpływ na kształt powstającego ustroju, niż jesteśmy w stanie sobie to wyobrazić. Skutkiem będzie znacznie głębsza zmiana ustrojowa, niż przejście z feudalizmu do kapitalizmu. W energetyce jej efektem będzie spadek kosztów jednostkowych energii i jej dystrybucji, wzrost skali produkcji, uniezależnienie od paliw kopalnych i wzrost efektywności energetycznej m.in. poprzez dokończenie procesu powszechnej elektryfikacji.

Polityka klimatyczna zapoczątkowana w latach 90-ch przyczyniła się do rozwoju i komercjalizacji nowego pakietu atrakcyjnych ekonomicznie technologii pozwalających na rezygnację z paliw kopalnych. Ich upowszechnienie pozwoli na trwałą redukcję kosztów jednostkowych wytwarzania i dystrybucji energii. Nie ma już sprzeczności pomiędzy celami klimatycznymi i ekonomicznymi. Nowym wyzwaniem jest stworzenie otoczenia regulacyjnego umożliwiającego przyspieszenie procesów transformacji technologicznej i podniesienie konkurencyjności gospodarki (redukcji kosztów energetycznych w całym łańcuchu wartości).

Koncepcja elektroenergetycznego systemu zmienno-prądowego (AC) oparta na wynalazkach korzystających z mechanizmu wirującego pola magnetycznego (prądnicy trójfazowej napędzanej turbiną, transformatora i silnika 3-fazowymi) była optymalnym rozwiązaniem na przełomie XIX i XX wieku. Wtedy sprzężenie zwrotne generator – obciążenie (silnik 3-fazowy) wspierało synchronizację, więc wystarczyły regulatory Watta i „ręczne” zarządzanie systemem. Dzisiaj system AC jest niekompatybilny z dominującym stałoprądowym (DC) obciążeniem oraz z generacją z OZE (również DC). Ekonomia skali zmniejszyła już na tyle koszty sprzętu DC, że na wielu poziomach staje się rozwiązaniem konkurencyjnym wobec AC.

Od 2020 roku przyspieszyły inwestycje w generację DC opartą głównie na OZE, w dominującej części rozproszoną. Przybliżanie źródeł i odbiorców, w połączeniu z cyfryzacją pozwalającą na wdrożenie technologii bilansowania obciążeniem, spowoduje spadek kosztów budowy i eksploatacji sieci przesyłowych. Proces przechodzenia na cyfrowe systemy umożliwiające tworzenie lokalnych obszarów bilansowania (LOB) pozwoli na zwiększenie poziomu bezpieczeństwa energetycznego Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE). Skala korzyści zależy od jakości planu działań, normalizacji i otoczenia praw-no-instytucjonalnego, które powinno ułatwiać współpracę wszystkich uczestników rynku energii, a w szczególności radykalnie obniżyć bariery aktywnego uczestnictwa drobnych podmiotów prywatnych. W Polsce nie potrafimy ich dyskontować.

Systemowe wsparcie dla innowacji

Z wielu powodów budowa gospodarki proinnowacyjnej to najtrudniejsze zadanie polityczne. Dominująca część ludzi nie ma zaufania do „nieznanego” i „niezrozumiałego” – i to się nie zmieni. Mimo iż wiele innowacji nie wytrzymuje próby czasu, systemy gospodarcze promujące innowacje rozwijają się szybciej od pozostałych. Energetyka to część gospodarki o szybko rosnącym znaczeniu, więc utrwalana w Polsce systemowo anty-innowacyjna kultura zarządzania musiała w końcu doprowadzić do kryzysu.

Mamy świadomość, że reforma energetyki jest zadaniem politycznie i społecznie wyjątkowo trudnym, bo naruszy struktury własności, ustabilizowane interesy branżowe i regionalne. Będzie też zmuszać do zmiany sposobu zarządzania energią w gospodarstwach domowych i przedsiębiorstwach. Trzeba jednak pogodzić się z faktem, że ta reforma nie jest wyborem politycznym jednej formacji ani modą jednego pokolenia, lecz koniecznością, od której zależy konkurencyjność polskiej gospodarki w drugiej połowie wieku. Polityka powstrzymywania modernizacji rynku energii może okazać się dla Polski równie brzemienna w skutki jak niegdysiejsza obrona pańszczyzny. Po raz kolejny bronimy systemu, który wyczerpał już swój potencjał wytwórczy i robimy to ze szkodą dla następnych pokoleń, dla których powinien to być fundament rozwoju. Cywilizacja w ogólności, jaki i gospodarka każdego państwa, opierają się na trzech filarach (energii, surowcach i wiedzy). Nie ulega wątpliwości, że weszliśmy w etap rozwoju gospodarczego, w którym bez energii dwa pozostałe filary będą słabnąć. Dlatego potrzebujemy ekosystemu zdolnego do realizacji długoterminowych planów inwestycyjnych. Korzyści makroekonomiczne wynikające ze zdolności do wdrażania kolejnych innowacji powinny być motorem napędzającym transformację technologii energetycznych.

W obecnym ustroju KSE dominuje interes oligopolu naturalnego. PSE (monopolista krajowy operujący na sieciach AC o napięciu 220 kV lub wyższym) oraz czterej główni OSD (monopoliści regionalni operujący na napięciu 110 kV i niższym). To jest podręcznikowa struktura anty-innowacyjna. Monopolista bez konkurencji, którego kodeksową funkcją celu jest rozwój przedsiębiorstwa i zysk, nie będzie z własnej woli realizował innowacji, które osłabiają jego pozycję. Monopolista wdraża innowacje tylko wtedy, gdy służą jego interesowi, a nie interesom innych podmiotów gospodarczych. Można temu zaradzić np. poprzez zmianę ram regulacyjnych dla podmiotów tworzących łącznie monopol naturalny. Jego funkcją celu nie może być zysk. Wynagrodzenia kierownictwa i pracowników powinny zależeć od jasno zdefiniowanych korzyści dla całej gospodarki. I to jest zapewne trudna część proponowanej reformy. Drugim narzędziem profilującym cele zarządzania powinien być zdefiniowany mandat publiczny. Musi być przygotowany ze świadomością, że jest narzędziem bodźcującym, a nie zachętą uruchamiającą trwałe spontaniczne działania na rzecz interesu wspólnego. Mandat powinien skutecznie obligować do zatrzymania procesu wzrostu kosztów energii w gospodarce poprzez realizację długoterminowego planu transformacji energetycznej. Trzecim narzędziem zarządzania powinna być ścisła kontrola realnie niezależnego regulatora.

Reforma powinna uwzględniać fakt, że transformacja energetyczna to ewolucja polegająca na przejściu od oligopolu do ekosystemu wysoce konkurencyjnego, co musi rodzić konflikty. W tym scenariuszu KSE może składać się nawet z ok. 1000 sieci lokalnych, działających w ramach LOB i współpracujących ze sobą za pośrednictwem sieci wysokich i średnich napięć. Jest prawdopodobne, że wdrożenie technologii DC opartej na znormalizowanych zasadach łączenia sieci, zmniejszy koszty energii dla odbiorców, ale także stworzy naturalne otoczenie dla rozwoju konkurencji na wielu poziomach. To otwarcie na wszechstronne wykorzystanie narzędzi cyfrowych instalowanych w lokalnych centrach brzegowych. Wprowadzenie lokalnych taryf czasu rzeczywistego pozwoli na elastyczne dopasowanie technologii magazynowania, generacji i bilansowania do potrzeb konsumentów. W ramach tej technologii łatwiej będzie uruchomić funkcjonalność pracy wyspowej, co pozwoli na podniesienie bezpieczeństwa energetycznego. W ten sposób KSE w sposób ewolucyjny zostanie ściśle połączony z całą gospodarką przez IIoT, a odbiorniki energii będą jednocześnie narzędziami nadzorującymi bezpieczeństwo i stabilność sieci.

Mądrze pomyślana i przeprowadzona reforma pozwoli polskiej gospodarce być jednym z beneficjentów transformacji energetycznej, a nie jej ofiarą. Głównym i ostatecznym beneficjentem postulowanej reformy będzie ogół obywateli. Jednak będzie ona wymagała od tych obywateli aktywności, aby po te korzyści sięgnąć.

Zmiana paradygmatu finansowania infrastruktury elektroenergetycznej

Operatorzy powinni być zmotywowani do realizacji programu modernizacji zgodnie z rekomendacjami systemu i mieć środki na realizację postawionych zadań. Obecny system finasowania jest niesprawny, gdyż w rachunku ekonomicznym w bardzo niewielkim stopniu uwzględniane są korzyści zewnętrzne. Wola uzyskania tych korzyści, spowodowała, że już od 1930 (aż do roku 1990) w USA i w większości krajów Europy systemy elektroenergetyczne były budowane jak narzędzia rozwoju społeczno-gospodarczego.

Jednak w latach 1990-2020 w ramach polityki urynkowienia energetyki realizowano tezę normatywną wg której infrastruktura sieciowa ma być neutralna kosztowo dla podatnika. Korzyści zewnętrzne miały być uchwytywane przez (a) konkurencję na wytwarzaniu (efektywność alokacyjna), (b) regulator miał dbać o niskie taryfy, natomiast ewentualne mechanizmy wsparcia np. na OZE to wyjątki, nie reguła. Połączonym efektem polityki przemysłowej i energetycznej tego okresu jest znaczne spowolnienie inwestycji i zahamowanie innowacyjności.

W tym samym okresie rząd Chin większość środków kierowanych na modernizację przemysłu wydał na rozwój systemu elektroenergetycznego i nowych technologii energetycznych. Efekty to 12-krotny wzrost produkcji ee per capita, osiągając ok. 6,7 MWh (Niemcy 5.8 MWh) i pozycja globalnego lidera w zakresie nowych technologii dla elektroenergetyki. Konsekwencje filozofii „ochrony podatnika” są dewastujące. Przebudzenie USA nastąpiło w 2021 roku, Wlk. Brytanii w 2024, a Niemiec w 2026. Kraje te realizują reformy przywracające system finansowania taryfowo-budżetowego. Polskę natomiast trawi anomia, a jednym ze skutków jest brak polityki przemysłowej i wynikającej z niej strategii gospodarczej. Raport NIK informuje, że w latach 2013-25 system ETS dał budżetowi państwa ponad 138 mld zł. Środki te powinny być wykorzystane na modernizacje energetyki i technologii energetycznych, ale stało się inaczej.

Kierunki modernizacji i cyfryzacji sieci KSE

Czynnikiem napędzającym innowacyjność jest prawdopodobieństwo, że nowe będzie lepsze. Reforma musi uwzględnić, że modernizacja to ewolucja, ciągły proces przystosowywania się do zmian w technologiach generacji, w skali, strukturze i profilu popytu oraz do zmieniających się cech technicznych obciążeń. Szczególnie istotne są rozwijane obecnie:

• urządzenia i technologie niezbędne do przejść z AC/DC i DC/DC;
• sprawniejsze źródła energii odnawialnej i technologie magazynowania energii;
• mikroreaktory (MMR) i małe reaktory jądrowe (SMR);
• urządzenia i technologie korzystające z energii elektrycznej.

Żaden realizowany scenariusz modernizacji nie jest przesądzony, więc strategia innowacji powinna stymulować udział we wszystkich, w których potencjalny efekt sukcesu może być największy. Rachunek ekonomiczny będzie kierować największe środki na skalowanie tych innowacji, które pozwolą najszybciej zwiększyć tempo przyłączania nowych mocy OZE. Umiejętność podejmowania decyzji krótkoterminowych, sprzyjających realizacji celów długoterminowych, to podstawowe narzędzie uprawiania sztuki przyspieszania rozwoju poprzez innowacje.

Nowo budowane linie najwyższych napięć w technologii prądu stałego (HVDC) coraz częściej są rozwiązaniem tańszym niż tradycyjne linie prądu zmiennego. Próg opłacalności nowej linii HVDC zależy łącznie od metody liczenia, długości trasy i jej przepustowości, konkurencyjności rynku i uwarunkowań lokalnych. Oszczędność na stratach rośnie z przepustowością (mocą) i długością, a koszt stacji konwertorowych spada zgodnie z prawami ekonomii skali. Dla typowych linii napowietrznych próg długości szacowany jest w granicach 300-800 km. Publikowane dane liczbowe dokumentują rosnącą w czasie atrakcyjność ekonomiczną linii HVDC. Dla kabli doziemnych próg opłacalności coraz części znajduje się poniżej 50 km. W przypadku kabli podmorskich o długości pow. 80 km, linie DC to jedyne rozwiązanie techniczne.

Możliwa też jest konwersja istniejącej linii AC na DC. Być może będzie to dominująca ścieżka modernizacji sieci najwyższych napięć. Obecnie para stacji konwertorowych o łącznej mocy 2 GW kosztuje około 4-5 mld zł. Budowa nowej linii 400 kV prądu zmiennego w Polsce 3-5 mln zł za kilometr. To oznacza, że próg, przy którym konwersja staje się tańsza od budowy nowej linii prądu zmiennego, znajduje się w przedziale 800-1 500 km. W obecnych kalkulacjach pomijane są ogólnogospodarcze korzyści z modernizacji. Przyjęcie strategii konwersji całych korytarzy łączących wiele linii, na przykład korytarza północ-południe lub wschód-zachód zmienia rachunek. Wymaga jednak planu, który bez wsparcia rządu nie może być zrealizowany w potrzebnym gospodarce tempie.

Konwersja zwiększa przepustowość trasy bez wymiany kabli. Pozwala zwiększyć maksymalne obciążenie korytarza o 50-100 proc. Dla polskiej sieci przesyłowej jest to znacząca rezerwa przesyłowa możliwa do uzyskania bez budowy nowych korytarzy. Jej uruchomienie powinno postępować wraz ze spadkiem kosztu konwerterów. Po pełnym przejściu systemu na DC stacje końcowe DC/AC stają się zbędne, a w systemie pozostają wyłącznie konwertery DC/DC na granicach poziomów napięcia. Konwerter DC/DC tej samej mocy jest o 30-40 proc. tańszy od konwertera DC/AC.

W planowaniu ewolucji trzeba uwzględniać, że koszt energoelektroniki obniża się zgodnie z krzywą Wrighta o 18-22 proc. przy każdym podwojeniu produkcji globalnej, a przejście na półprzewodniki SiC może zaowocować dodatkowym spadkiem rzędu 20-30 proc. W efekcie próg opłacalnej konwersji znacznie się obniży. Przy przejściu na HVDC koszty eksploatacji operatora w warstwie przesyłowej spadną o 20-30 proc..

W systemie prądu stałego potrzebny jest nowy zbiór usług systemowych. Rola technologii cyfrowej i energoelektroniki w realizacji automatyki sieci przesyłowej stale rośnie. Sterowanie siecią kratową DC różni się jakościowo od sterowania siecią AC. W sieci DC stanem systemu jest pełny wektor wszystkich prądów i napięć, a nie jedna liczba. To wymaga dwupoziomowej struktury sterowania. Automatyka proceduralna obsługuje skalę milisekundową. Poziom wyższy będzie z dużym prawdopodobieństwem oparty na dedykowanym modelu AI. Dane z inteligentnego systemu pomiarowego (AMI), profile użytkowników, dane pogodowe itd. będą podstawą optymalizacji rozpływów i koordynacji pracy urządzeń. Model sieci, na którym będzie pracować AI, musi być stale aktualizowany w czasie rzeczywistym.

Ścieżka transformacji HVDC do 2045 r.

Wojna gospodarcza, której celem jest ograniczenie dominacji Chin w technologiach energetycznych, wchodzi obecnie na nowy poziom. Odpowiedź na pytanie, jak prawdopodobny jest zarysowany powyżej scenariusz transformacji DC, zależy do polityki, a nie stanu techniki. Historia rozwoju technologii energetycznej w XXI wieku to historia decyzji politycznych zmieniających ekonomię. Okno na decyzje polityk przemysłowych w obszarze HVDC/MVDC/LVDC zamyka się dokładnie teraz, w latach 2026–2030. Chiny już uruchomiły produkcję SiC i transformatorów półprzewodnikowych (SST). Jeśli UE nie podejmie decyzji o przejściu na sieci DC oparte na własnej produkcji energoelektronicznej, to w 2035 r. będziemy importować z Chin nie tylko panele PV i akumulatory, ale też transformatory cyfrowe i konwertery sieciowe.

Duży wpływ na politykę DC będzie miała koncepcja rozwoju centrów danych o mocach powyżej 10 MW i technologii 800 V DC. Od tego zależy, czy wszystkie nowe budynki komercyjne zaczną przechodzić na zasilanie DC. To spowoduje skokowy wzrost popytu i efekt Wrighta zadziała. W scenariuszu docelowym po roku 2045 funkcja linii HVDC zacznie zmieniać się jakościowo. Korytarze i linie przesyłowe punkt-punkt będą ewoluować w kierunku wielowęzłowej, nisko-stratnej szyny prądu stałego, do której rozproszona generacja OZE, magazyny i odbiorcy podłączają się bezpośrednio.

Końcowy wniosek

Do roku 2030 r. Polska powinna stworzyć system zdolny realizować innowacyjną i suwerenną politykę przemysłową w obszarze technologii energetycznych. Misją systemu powinno być utrzymywanie poziomu innowacyjności KSE na poziomie światowych liderów w celu konsekwentnej realizacji programu redukcji kosztów energii. Naszą specjalnością przemysłową powinna stać się energoelektronika, oprogramowanie i modele AI niezbędne do funkcjonowania HVDC i LOB.

Jarosław Tworóg wiceprezes zarządu Krajowej Izby Gospodarczej Elektroniki i Telekomunikacji

________________________________________

Zapraszamy do lektury całego wydania (klikając w poniższą okładkę).