Ograniczenia sieci elektroenergetycznej w praktyce

Fotowoltaika w ostatnich latach stała się jednym z najpopularniejszych źródeł energii odnawialnej w Polsce. Coraz więcej domów jednorodzinnych, firm i gospodarstw rolnych decyduje się na montaż instalacji PV, aby obniżyć rachunki za energię oraz zwiększyć niezależność energetyczną. Rozwój odnawialnych źródeł energii jest również jednym z kluczowych elementów transformacji energetycznej i ograniczania emisji CO₂.

Wraz z dynamicznym wzrostem liczby instalacji fotowoltaicznych pojawił się jednak problem, który dla wielu użytkowników jest zaskakujący – okresowe wyłączanie się falowników i ograniczanie produkcji energii. Większość z nas zastanawia się dlaczego instalacja, która powinna produkować energię szczególnie w słoneczne dni, gdy warunki są najlepsze, czasami przestaje działać.

Jak działa system elektroenergetyczny?

Aby zrozumieć problem wyłączania instalacji fotowoltaicznych, warto najpierw wyjaśnić, w jaki sposób funkcjonuje system elektroenergetyczny.

Podstawową zasadą jego działania jest stałe bilansowanie energii, co oznacza, że ilość energii produkowanej w danym momencie musi być praktycznie równa ilości energii zużywanej przez odbiorców. W przeciwieństwie do wody czy paliwa energia elektryczna w klasycznej sieci nie jest magazynowana w dużych ilościach, dlatego musi być wykorzystywana niemal dokładnie w chwili jej wytworzenia.

Energia produkowana przez elektrownie trafia do wspólnego krajowego systemu elektroenergetycznego, z którego jednocześnie korzystają odbiorcy. Nie istnieje więc bezpośrednie połączenie typu „ta elektrownia → ten dom” i nie można wskazać, z którego konkretnego źródła pochodzi energia wykorzystywana w danym budynku.

System elektroenergetyczny na bieżąco dostosowuje pracę źródeł wytwórczych do aktualnego zapotrzebowania odbiorców. Gdy miliony użytkowników jednocześnie zwiększają pobór prądu -np. uruchamiając urządzenia AGD czy RTV – konieczne jest zwiększenie produkcji energii. Kiedy zapotrzebowanie maleje, moc wytwórcza również jest redukowana. Wszystko odbywa się w czasie rzeczywistym, ponieważ sieć musi stale utrzymywać równowagę pomiędzy ilością energii wprowadzanej do systemu a jej bieżącym wykorzystaniem. 

Przez wiele lat model ten był stosunkowo prosty i przewidywalny – energia wytwarzana była głównie w dużych elektrowniach i przesyłana do odbiorców końcowych. Rozwój fotowoltaiki znacząco zmienił sposób funkcjonowania systemu. Obecnie energia coraz częściej produkowana jest lokalnie – na dachach domów, firm czy budynków użyteczności publicznej. Taki model określany jest mianem generacji rozproszonej.

Dlaczego pojawia się problem?

W wielu miejscach lokalna sieć elektroenergetyczna była projektowana kilkanaście lub nawet kilkadziesiąt lat temu. Zakładano wówczas przede wszystkim przepływ energii w jedną stronę, tj. od dużych elektrowni do odbiorców końcowych. Obecnie sytuacja się zmieniła, ponieważ coraz więcej energii trafia do sieci również z rozproszonych źródeł, takich jak instalacje prosumenckie, należące do odbiorców jednocześnie produkujących i zużywających energię. 

Jeżeli w danym obszarze produkcja energii z fotowoltaiki jest bardzo duża, a lokalne zużycie niewielkie, w sieci pojawia się nadmiar energii. Nie została ona pierwotnie zaprojektowana do tak dużego i dwukierunkowego przepływu mocy, co prowadzi do wzrostu napięcia oraz problemów z jej stabilną pracą. 

Problem pogłębia się szczególnie w słoneczne dni, zwłaszcza w godzinach południowych. 

Wzrost napięcia – najczęstsza przyczyna wyłączeń

Falowniki fotowoltaiczne pracujące w Polsce muszą działać zgodnie z wymaganiami operatorów sieci elektroenergetycznych oraz obowiązującymi kodeksami sieciowymi. Jednym z podstawowych mechanizmów zabezpieczających jest stała kontrola parametrów napięcia w sieci czyli mówiąc obrazowo – swego rodzaju „ciśnienia”, które umożliwia przepływ energii w sieci i zasilanie urządzeń. 

W Polsce standardowe napięcie dla instalacji jednofazowych wynosi 230 V.

Zgodnie z obowiązującymi normami napięcie może jednak zmieniać się w zakresie 230 V ±10%, co oznacza, że jego maksymalna dopuszczalna wartość wynosi około 253 V.

Zbyt wysokie napięcie może negatywnie wpływać na pracę urządzeń elektrycznych i powodować m.in.:

• przegrzewanie się zasilaczy, sprzętu AGD i elektroniki,
• szybsze zużywanie się urządzeń,
• niestabilną pracę instalacji elektrycznej, objawiającą się np. migotaniem oświetlenia lub wyłączaniem urządzeń.

Jeżeli napięcie w sieci przekroczy dopuszczalny poziom, falownik automatycznie ogranicza moc lub czasowo wyłącza instalację fotowoltaiczną. Mechanizm ten ma na celu ochronę urządzeń odbiorców oraz zapewnienie stabilnej pracy całego systemu elektroenergetycznego.

W praktyce oznacza to, że ryzyko wyłączeń falownika rośnie:

• im więcej instalacji fotowoltaicznych pracuje jednocześnie,
• im słabsza lub bardziej przeciążona jest lokalna sieć,
• im większa odległość od stacji transformatorowej.

Dlatego paradoksalnie, instalacja fotowoltaiczna może ograniczać produkcję energii właśnie wtedy, gdy warunki nasłonecznienia są najlepsze.

Czy operatorzy mogą ograniczać produkcję energii?

W określonych sytuacjach operator systemu elektroenergetycznego może czasowo ograniczyć produkcję energii w wybranych źródłach wytwórczych, w tym w instalacjach fotowoltaicznych i farmach wiatrowych. Zjawisko to określane jest jako tzw. redysponowanie nierynkowe.

Dzieje się tak wtedy, gdy w systemie pojawia się nadwyżka energii i nie ma możliwości jej bieżącego zużycia ani przesłania w inne miejsca. W takiej sytuacji priorytetem jest bezpieczeństwo pracy sieci, dlatego konieczne jest dostosowanie poziomu generacji do aktualnych warunków.

Ograniczenia te wynikają z potrzeby utrzymania stabilności systemu, a nie z problemu po stronie pojedynczych instalacji. Najczęściej występują w okresach wysokiej produkcji energii z odnawialnych źródeł przy jednocześnie niskim zapotrzebowaniu na energię.

Jakie są możliwe rozwiązania?

Rozwiązanie problemów związanych z przeciążeniami sieci i wyłączaniem instalacji fotowoltaicznych wymaga działań na wielu poziomach – zarówno po stronie operatorów systemu elektroenergetycznego, jak i samych użytkowników energii. Transformacja energetyczna to nie tylko rozwój nowych źródeł energii, ale również dostosowanie całej infrastruktury do zmieniającego się sposobu produkcji i zużycia energii.

• Modernizacja sieci elektroenergetycznych

Kluczowym kierunkiem działań jest rozbudowa i modernizacja infrastruktury elektroenergetycznej. W wielu miejscach istniejąca sieć nie była projektowana z myślą o obecnej skali rozproszonych źródeł energii, takich jak instalacje fotowoltaiczne czy wiatrowe. 

Modernizacja może obejmować m.in.:

• budowę nowych linii elektroenergetycznych,
• wymianę przewodów na linie o większej przepustowości,
• modernizację stacji transformatorowych,
• rozwój inteligentnych sieci energetycznych typu smart grid.

Nowoczesne sieci inteligentne pozwalają na bieżące monitorowanie przepływów energii i szybsze reagowanie na przeciążenia lub zmiany produkcji energii z OZE. Dzięki temu możliwe jest bardziej efektywne zarządzanie energią i lepsze wykorzystanie istniejącej infrastruktury.

Jest to jednak proces długotrwały i kosztowny, wymagający stopniowej modernizacji oraz dostosowania systemu do rosnącego udziału odnawialnych źródeł energii i dynamicznych zmian w sposobie jej wytwarzania i zużycia. 

• Magazyny energii

Coraz większą rolę we współczesnej energetyce odgrywają magazyny energii, których zadaniem jest gromadzenie nadwyżek energii m.in. z instalacji fotowoltaicznych, a następnie wykorzystywanie ich w momencie, gdy produkcja spada, a rośnie zapotrzebowanie.

Dzięki temu energia wytworzona w ciągu słonecznego dnia może być zużyta później, na przykład wieczorem, kiedy w gospodarstwach domowych zapotrzebowanie jest największe. Ogranicza to konieczność oddawania dużych ilości energii do sieci w okresach jej najwyższej produkcji, co pomaga zmniejszyć ryzyko przeciążeń oraz wzrostów napięcia.

Magazyny energii:

• odciążają lokalne sieci elektroenergetyczne,
• zwiększają wykorzystanie energii na potrzeby własne,
• poprawiają stabilność pracy systemu,
• zwiększają niezależność energetyczną użytkowników.

Coraz częściej są one integrowane z inteligentnymi systemami zarządzania energią, które automatycznie analizują bieżącą produkcję energii (np. z fotowoltaiki) oraz aktualne zużycie w budynku i na tej podstawie podejmują decyzje o jej wykorzystaniu lub magazynowaniu.

Takie systemy potrafią np.:

• w pierwszej kolejności zasilać urządzenia bezpośrednio z bieżącej produkcji,
• nadwyżki kierować do magazynu energii zamiast oddawać je do sieci,
• uruchamiać wybrane urządzenia (np. pompę ciepła czy ładowanie samochodu elektrycznego) w momentach najwyższej produkcji,
• ograniczać pobór energii z sieci, gdy jest ona najdroższa lub najbardziej obciążona.

W praktyce systemy te działają jak automatyczny „menedżer energii”, optymalizując przepływy energii w czasie rzeczywistym , tak aby jak największa jej część została wykorzystana lokalnie, a nie oddana do systemu.

• Świadome korzystanie z energii

Istotną rolę odgrywają również codzienne nawyki związane z korzystaniem z energii. W systemie z rosnącym udziałem fotowoltaiki znaczenie ma już nie tylko ilość zużywanej energii, ale także moment jej poboru.

Przenoszenie części zużycia na godziny największej produkcji energii słonecznej może pomagać ograniczać obciążenie lokalnych sieci oraz poprawiać wykorzystanie energii elektrycznej produkowanej lokalnie.

Dotyczy to m.in.:

• uruchamiania urządzeń AGD i podgrzewania ciepłej wody użytkowej w czasie największej produkcji energii z instalacji PV,
• wykorzystywania magazynów energii do przechowywania nadwyżek wyprodukowanych w ciągu dnia,
• odpowiedniego planowania ładowania samochodów elektrycznych w celu ograniczenia obciążenia sieci w godzinach szczytu.

Coraz większe znaczenie będą miały również inteligentne systemy zarządzania energią w budynkach, które automatycznie dostosowują pracę urządzeń do aktualnych warunków pracy instalacji i sieci elektroenergetycznej.

Transformacja energetyczna to więcej niż nowe źródła energii 

Dynamiczny rozwój fotowoltaiki pokazuje, że współczesna energetyka przechodzi jedną z największych zmian w swojej historii. Coraz większe znaczenie mają dziś nie tylko same źródła energii, ale również możliwości sieci elektroenergetycznych, magazynowania energii oraz świadomego zarządzania jej zużyciem.

Problemy związane z wyłączeniami instalacji fotowoltaicznych są sygnałem, że transformacja energetyczna wymaga równoległego rozwoju infrastruktury, nowych technologii oraz zmiany sposobu korzystania z energii. Stabilny system elektroenergetyczny przyszłości będzie opierał się nie tylko na produkcji energii z OZE, ale również na elastyczności sieci, inteligentnym zarządzaniu energią ze szczególnym naciskiem na jej magazynowanie oraz aktywnym udziale użytkowników (konsumentów i prosumentów).

Bo energia coraz bardziej liczy się nie tylko w kilowatach, ale również w sposobie, w jaki z niej korzystamy.