Porównanie efektywności działania elektrowni wiatrowych w Polsce i w Niemczech
Produkcja energii ze źródeł odnawialnych w Polsce zaczęła rozwijać się na większą skalę po roku 2005, kiedy wprowadzono system wsparcia (tzw. zielone certyfikaty), a jednocześnie szybko rosły cen energii (ponad 2-krotnie w latach 2005-2009). Sektor energetyki wiatrowej, rozwijał się najszybciej (4,1 GW do roku 2015, co oznacza 50-krotny wzrost w stosunku do 2005 r, podczas gdy w sektorze biogazu wzrost ten był 6-krotny, a w sektorze biomasy 5-krotny), choć początkowo inwestowali w nią tylko najodważniejsi przedsiębiorcy niepubliczni, przy praktycznym braku zainteresowania ze strony dużych państwowych spółek energetyki zawodowej. Po przyjęciu w grudniu 2008 r pakietu klimatyczno-energetycznego Unii Europejskiej do roku 2020, przy utrzymujących się wysokich cenach energii i równoległej waloryzacji opłaty zastępczej, również spółki publiczne uznały, że warunki do inwestowania w energetykę wiatrową stały się bardziej atrakcyjne, co zaowocowało utrzymaniem wysokiej dynamiki powstawania nowych mocy produkcyjnych (średniorocznie około 50% w stosunku do wolumenu bazowego).
Żródło: opracowanie własne na podstawie danych URE, Eurostat i Fraunhofer Institute
W Niemczech, energetyka wiatrowa zaczęła się rozwijać dużo wcześniej, w roku 1991 wprowadzony został pierwszy system wsparcia i gwarancja dostępu do sieci elektroenergetycznej dla energii produkowanej z OZE. Wprowadzenie w roku 2000 tzw. taryf gwarantowanych spowodowało gwałtowny rozwój farm wiatrowych, jako najtańszego wówczas sposobu pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Od tego czasu moc zainstalowana w energetyce wiatrowej wzrosła z 6 GW w roku 2000 do ponad 41 GW w roku 2015. Jednocześnie rząd niemiecki inwestował w badania i rozwój, co sprzyjało zwiększaniu efektywności pracy elektrowni wiatrowych i obniżaniu nakładu inwestycyjnego niezbędnego dla pozyskania 1 MWh energii.
W ostatnich latach rośnie w Niemczech wolumen elektrowni wiatrowych budowanych na morzu, jednak w dalszym ciągu 90% mocy jest zainstalowanej na lądzie. Morska energetyka wiatrowa charakteryzuje się o 15-30% wyższą produktywnością niż lądowa (przy jednocześnie ponad 2-krotnie wyższych nakładach inwestycyjnych), jednak ze względu na niewielki jej udział i brak dostępnych danych szczegółowych, do obliczeń przyjęto sumę produkcji elektrowni lądowych i morskich.
Żródło: opracowanie własne na podstawie danych URE, Eurostat i Fraunhofer Institute
Współczynnik wykorzystania mocy zainstalowanej w elektrowniach wiatrowych w Polsce i w Niemczech
Do celów porównawczych przyjęto średni współczynnik wykorzystania mocy zainstalowanej w elektrowniach wiatrowych zainstalowanych w Polsce i w Niemczech, określający ilość energii produkowanej przez sektor wiatrowy w danym kraju w ciągu roku, otrzymany po podzieleniu całkowitej krajowej produkcji energii z wiatru przez całkowitą moc zainstalowanych w kraju turbin wiatrowych oraz maksymalny teoretyczny czas pracy (8760 h/a)i wyrażony w %.
Ze względu na znaczący przyrost nowych mocy, szczególnie w Polsce, gdzie moc zainstalowana, zwłaszcza w pierwszym okresie rozwoju, wzrastała o 60-80% w stosunku do roku poprzedzającego, taki sposób liczenia obarczony jest błędem, zaniżającym liczony wskaźnik, gdyż większość nowo instalowanych turbin nie pracowała w okresie całego roku, a nowe moce oddawano do użytku głownie w trakcie sezonu budowlanego. Dlatego do obliczeń średniej mocy ważonej w kolejnych latach przyjęto, że przyrost miał charakter liniowy. Innymi słowy, założono, że wszystkie nowe elektrownie produkowały energię przez połowę pierwszego roku pracy. Taka metodyka obliczania, przyjęta także przez Fraunhofer Institute, pozwala na zmniejszenie błędu obliczeniowego przy określaniu produktywności elektrowni wiatrowych, nie zaburzając przejrzystości wyliczeń dla żadnego z porównywanych krajów.
Z oszacowań tych wynika, że w ciągu ostatnich 10 lat rozwoju energetyki wiatrowej współczynnik wykorzystania mocy w Polsce utrzymuje się w granicach 20-26 %, ulegając fluktuacjom przede wszystkim ze względu na zmienne warunki wietrzności w całej Europie w poszczególnych latach. Zaowocowało to znacznie niższymi wartościami produktywności w latach 2009, 2010 i 2014 zarówno w Polsce jak i w Niemczech.
Żródło: opracowanie własne na podstawie danych URE, Eurostat i Fraunhofer Institute
Wysoka wartość stopnia wykorzystania mocy zainstalowanej świadczy, iż w Polsce stosowane były już w pierwszym etapie rozwoju sektora nowoczesne turbin wiatrowych o wysokiej efektywności wykorzystania mocy i niskiej awaryjności. Przeczy to dość mocno zakorzenionej opinii, powielanej przez przeciwników rozwoju tego sektora energetyki, że w Polsce instalowane były przede wszystkim stare elektrownie wyeksploatowane w innych krajach, zwłaszcza pochodzące z Niemiec. Istnieją prawdopodobnie takie przypadki (dotyczyć to może zwłaszcza turbin instalowanych w latach 90-tych i w okresie do 2005 r), ale znakomita większość obecnie zainstalowanego potencjału musi być nowa i pracować praktycznie bezawaryjnie. Współczynnik wykorzystania nie byłby tak wysoki, gdyby mit o „starych wiatrakach z Niemiec” odpowiadał prawdzie.
Warto zauważyć, że tym samym czasie w Niemczech współczynnik wykorzystania mocy utrzymuje się na znacząco niższym poziomie w porównaniu do Polski. Można to wyjaśnić faktem, że ponad 1/3 potencjału elektrowni wiatrowych zainstalowanych w tym kraju zaczęła pracować już w latach 90. XX w. Jednostki te charakteryzują się niższą wydajnością i sprawnością niż te instalowane w Polsce po 2005 roku.
Jak już wspomniano obniżenie współczynnika wykorzystania mocy, szczególnie w latach 2009 – 2010 wynika z gorszych warunków wietrzności, w tych latach zmniejszona była także produkcja energii o 4% w 2009 i 7% w 2010 w porównaniu z rokiem 2008, pomimo stałego wzrostu mocy. W roku 2011, kiedy warunki wietrzności znacznie się poprawiły, produkcja wzrosła o 20% w stosunku do tego samego 2008 roku, zwiększyła się także wartość współczynnika. Potwierdzają to prezentowane dalej dane o produkcji z polskich farm wiatrowych, które pracowały w tym okresie bez żadnych modernizacji.
Współczynnik wykorzystania mocy zależy przede wszystkim od takich czynników jak warunki wietrzności w lokalizacji poszczególnych elektrowni wiatrowych oraz jakości i sprawności zainstalowanej turbiny. O ile wietrzność jest czynnikiem niezależnym od człowieka, w technologii produkcji turbin wiatrowych w ciągu ostatnich 30 lat nastąpił ogromny postęp. W latach 90. XX w. wytwarzano elektrownie wiatrowe o wysokości 40-50 m i mocy do 50 KW, w roku 2000 dominowały turbiny o wysokości do 100 m i mocy 1,5 MW, a w roku 2010 produkowane turbiny osiągały wysokość do 130 m i moc 2 MW. Wzrosła także efektywność wiatraków, współczesne, dobrze zlokalizowane lądowe turbiny wiatrowe charakteryzują się współczynnikami wykorzystania mocy powyżej 25% (w najlepszych lokalizacjach powyżej 35%). Morskie farmy wiatrowe mają znacznie większą wydajność – powyżej 40%, a zlokalizowane w ostatnich latach, z wykorzystaniem najnowszych technologii nawet 50%.
Dane z wybranych elektrowni wiatrowych w Polsce
W skali całego kraju, średni współczynnik wykorzystania mocy jest zróżnicowany biorąc pod uwagę różne lata instalowania turbin, jak również ich lokalizację. W tabeli poniżej przedstawione są dane dotyczące kliku polskich instalacji prowadzonych przez członków PIGEOR. Dane te potwierdzają względnie wysoką sprawność turbin w skali poszczególnych instalacji.
Źródło: opracowanie własne PIGEOR
Na wykresie poniżej przedstawiona jest produktywność dla dwóch różnych elektrowni wiatrowych na przestrzeni ostatnich lat, uzyskana również dzięki uprzejmości członków PIGEOR. Na wykresie widać częściową korelację wartości współczynników liczonych dla całego kraju, jak i poszczególnych elektrowni wiatrowych, uzależnione od warunków pogodowych. W latach 2009, 2010 produktywność jest znacznie niższa ze względu na niską wietrzność w całej Europie, z kolei różnice pomiędzy 9 instalacjami w roku 2015 wskazują na lokalne zróżnicowanie warunków wiatrowych. Należy jednak zauważyć, że produktywność w dalszym ciągu znacząco jest powyżej średniej krajowej.
Źródło: opracowanie własne PIGEOR
Porównanie z innymi krajami UE i świata
W porównaniu z innymi krajami Unii Europejskiej, teren Polski charakteryzuje się średnim poziomem współczynnika wykorzystania mocy. Z krajów prezentowanych w tabeli poniżej, najwyższa wartość współczynnika osiągana jest w Danii (ponad 30%), co odzwierciedla najlepsze w Europie warunki wietrzności (warunki wietrzności dla Europy przedstawione są w załączniku nr 1). Wskaźnik produktywności w Danii jest wyższy również z tego powodu, że ponad 25% mocy elektrowni wiatrowych jest zainstalowana na płytkich szelfach morskich otaczających ten kraj (gdzie średni współczynnik wykorzystania mocy sięga 46%). Oznacza to, że turbiny lądowe osiągają podobne wskaźniki efektywności jak w Polsce, czy Niemczech, tylko zróżnicowanie to nie jest wyodrębnione w statystykach. Wskaźnik duński jest znacznie wyższy niż w krajach gdzie energetyki morskiej brak (np. Polska) lub jest ona wykorzystywana w mniejszym stopniu (np. Niemcy). Ponadto, od kilku już lat w Danii następuje proces wymiany starych turbin na nowe, bardziej wydajne. Dzięki temu w 2015 roku energetyka wiatrowa zapewniała ponad 40% duńskiego zapotrzebowania na energię. Współczynnik nieco niższy od duńskiego obserwowany jest w Wielkiej Brytanii (28,16%), Portugalii (27,89%) i Hiszpanii (25,4%). Warto zwrócić uwagę, że w Hiszpanii, gdzie również nie ma znaczących udziałów mocy off-shore wskaźnik produktywności jest bardzo zbliżony do polskiego.
W krajach o niższych wskaźnikach wykorzystania mocy, takich jak Grecja (19,03%), Włochy (19,77%) i Francja (20,92%), największy wpływ mają warunki geograficzne i meteorologiczne, mniej sprzyjające wykorzystywaniu siły wiatru, niż w Wielkiej Brytanii, czy Danii.
*) współczynnik wyliczony metodą uproszczoną bez uwzględnienia przyrostu nowych mocy zainstalowanych dla krajów poza Polską i Niemcami
Źródło: opracowanie własne na podstawie danych IEA Wind
Stopień wykorzystania zainstalowanej mocy jest paradoksalnie najniższy w Niemczech (gdzie w 2014 r. energetyka wiatrowa zapewniła 27,7% zapotrzebowania na energię). Kraj ten ma średnie warunki wietrzności porównywalne z Polską, ale ponosi koszty pioniera, który na wczesnym etapie rozwoju branży rozwijał intensywnie energetykę wiatrową instalując turbiny o relatywnie niższej sprawności. Obserwując jednak sytuację na rynku niemieckim, można oczekiwać, że to się w najbliższym czasie zasadniczo zmieni, jako że elektrownie zainstalowane 20 lat temu, zostały już zamortyzowane i następować będzie proces wymiany urządzeń na bardziej sprawne, tak samo jak w Danii. Przemysł niemiecki produkujący elektrownie wiatrowe jest bardzo rozwinięty i przygotowany do procesu modernizacji parków wiatrowych.
Spośród krajów spoza Unii Europejskiej ujętych w tabeli, można zaobserwować niski współczynnik wykorzystania mocy w Chinach (15,28%). Decydować może o tym błąd obliczeniowy wynikający z gwałtownego przyrostu nowych mocy produkcyjnych rok do roku. W roku 2013 zainstalowano w Chinach 16 GW w nowych elektrowniach wiatrowych, co stanowiło wzrost o 20% w stosunku do roku 2012. Chiny szacują rzeczywiste wykorzystanie mocy na 21,6%.
Porównanie współczynnika wykorzystania mocy dla różnych technologii
Analizując wskaźnik wykorzystania mocy zainstalowanej turbin wiatrowych warto dokonać porównania jak ten wskaźnik kształtuje się w przypadku innych technologii. Aby to umożliwić w tabeli poniżej zostały zebrane średnie współczynniki wykorzystania mocy dla różnych technologii OZE, jak również dla energetyki konwencjonalnej opalanej węglem.
Najwyższe są współczynniki dla technologii, które mogą pracować w ruchu ciągłym (energetyka węglowa, biogazowa i biomasowa). Dla większości niespecjalistów zaskoczeniem może być przy tym fakt, że średni współczynnik wykorzystania mocy w tego typu jednostkach wytwórczych wynosi od 49 do 54%. W praktyce zróżnicowanie w ramach tego sektora jest większe – są jednostki które pracują ponad 70% czasu w roku i takie których wskaźnik wykorzystania nie przekracza 30%.
W przypadku technologii uzależnionych od warunków pogodowych, współczynnik dla energetyki wiatrowej wynoszący 26% jest ponad 2,5 krotnie wyższy niż dla elektrowni słonecznych.
Źródło: Opracowanie własne na podstawie danych URE i CIRE
Podsumowanie
Współczynnik wykorzystania mocy w elektrowni wiatrowych w Polsce (23,96% w 2014r.) jest wyższy niż w Niemczech (18,54% w 2014r.), przy porównywalnych warunkach wietrzności. Rozwój polskiej energetyki wiatrowej rozpoczął się na większą skalę w latach 2007-2010, niemal 20 lat później niż w sąsiednich Niemczech. W tym czasie nastąpił duży postęp technologiczny i turbiny instalowane w Polsce charakteryzują się wyższą efektywnością niż starsze niemieckie.
W porównaniu z innymi krajami Unii Europejskiej, współczynnik wykorzystania mocy w Polsce plasuje się w średniej strefie, jest niższy niż w najlepszej Danii (30%), ale wyższy niż we Włoszech (19,77%), Francji (20,92%) czy nieco słabszych w tej kategorii Niemczech.
