Blog
Wprowadzenie
Morska energetyka wiatrowa rozwija się w Unii Europejskiej bardzo szybko, stając się ważnym i coraz tańszym źródłem czystej energii. Pod koniec 2017 roku w 92 morskich farmach wiatrowych państw europejskich było zainstalowanych 15,8 GW mocy. Polska stoi przed szansą rozwoju tego sektora, co przyniosłoby korzyści energetyczne, ekologiczne i gospodarcze. Biorąc pod uwagę czas realizacji i stopień zaawansowania rozpoczętych projektów, można przyjąć, że 8–10 GW mocy pochodzącej z morskich elektrowni wiatrowych zostanie uruchomionych do roku 2035, o ile decyzje w tej sprawie zapadną w najbliższych dwóch latach. Roczna produkcja energii wyniosłaby około 32–40 Twh, to zaś zmniejszyłoby emisję CO2 o 20%–25% względem obecnego poziomu emisji z energetyki.
Tab. 1. Łączna zainstalowana moc w morskich elektrowniach wiatrowych w 11 krajach UE na koniec 2017 roku
Źródło: www.forum-energii.eu.
Sytuacja w Unii Europejskiej
Farmy wiatrowe zostały wybudowane głównie na Morzu Północnym (71% zainstalowanej mocy), Mo-rzu Irlandzkim (16%) i Morzu Bałtyckim (12%). Największe moce zainstalowały Wielka Brytania i Niemcy. Ważnymi graczami na tym rynku są również Dania, Holandia i Belgia. Do największych firm należą Ørsted, E.ON, Innogy oraz Vattenfal.
Perspektywy rozwoju tego sektora są bardzo dobre. Europejskie stowarzyszenie energetyki wiatrowej WindEurope (2017) prognozuje, że do roku 2030 wolumen zainstalowanej mocy wzrośnie ponad czterokrotnie, osiągając w UE 64 GW. Zasoby te zostaną uruchomione przy długoterminowym jednostkowym koszcie energii elektrycznej (levelized cost of electricity, LCOE) na poziomie 65 euro za MWh, wraz z kosztem przyłączenia do sieci.
Polskie perspektywy rozwoju
Krajowy System Energetyczny stoi przed szeregiem wyzwań, które ściśle wiążą się z rozwojem morskiej energetyki wiatrowej, takich jak zaspokojenie rosnącego popytu na energię, odtworzenie i rozbudowa potencjału wytwórczego, zdywersyfikowanie zasobów wytwórczych i zmniejszenie emisji CO2. Krajowy System Energetyczny musi więc pozyskać nowe źródła wytwarzania energii ze względu na wzrost popytu na prąd i wycofywanie funkcjonujących bloków.
Trzon polskiej energetyki stanowią bloki termiczne na paliwa stałe stanowiące 72% zainstalowanej mocy w systemie. Taka struktura niesie za sobą szereg zagrożeń, takich jak ryzyko wystąpienia deficytu mocy w lecie ze względu na obniżoną wydajność bloków termicznych z otwartymi obiegami chłodniczymi czy uzależnienie ceny energii od ceny uprawnień do emisji CO2 spowodowane wysoką emisyjnością produkcji energii. Potrzebna jest zatem dywersyfikacja miksu wytwórczego poprzez dodanie źródeł niskoemisyjnych o różnych właściwościach, np. elektrowni słonecznych, wiatrowych (duży potencjał wytwórczy), jądrowych oraz gazowych.
Wykres 2. Struktura mocy zainstalowanych w 2017 roku
Źródło: Forum Energii (2018).
Rozwój energetyki odnawialnej jest ważnym międzynarodowym zobowiązaniem Polski. Możliwe, że kraj nasz nie wypełni wyznaczonego na rok 2020 celu (według krajowego planu działań udział OZE w zużyciu energii elektrycznej ma osiągnąć 19,13%). Na rok 2030 udział OZE ma wynieść 32%. Polska powinna więc opracować strategię osiągnięcia tego celu.
Specyfika technologiczna
Wiatr na morzu jest dużym i niewyczerpywalnym zasobem czystej energii. Polskie Stowarzyszenie Energii Wiatrowej podaje średnią prędkość wiatru nieco poniżej 9 m/s według pomiarów wykonanych na obszarze Ławicy Słupskiej.
Moc turbin wiatrowych zależy od wielkości wirnika i rośnie proporcjonalnie do kwadratu ich długości. Dodatkowo na wyższej wysokości wiatr wieje mocniej. Dlatego też wraz z postępem technologicznym budowane są coraz wyższe i większe obiekty. Morskie elektrownie wiatrowe mogą być montowane z bardzo dużych elementów. Przeciętna wielkość mocy uzyskiwanej z turbiny morskiej w 2017 r. wynosiła 5,9 MW. Tendencja do instalacji coraz większych turbin będzie się utrzymywać w kolejnych latach.
Rysunek. 3. Wielkość morskich farm wiatrowych projektowanych obecnie i w przyszłości
Źródło: Forum Energii
Już teraz produktywność morskich farm wiatrowych jest wysoka. Dla dwóch morskich farm wiatrowych Baltic 1&2, zlokalizowanych w niemieckiej strefie ekonomicznej Morza Bałtyckiego, wskaźnik obciążenia (full load hours) wyniósł 3852 h w roku 2017. Morskie farmy wiatrowe nie budzą kontrowersji społecznych ze względu na oddalenie od osiedli mieszkalnych, choć każdorazowo ich budowa wymaga oceny oddziaływania na środowisko samych turbin wiatrowych, jak też infrastruktury sieciowej.
W rozwoju morskich farm wiatrowych w polskiej strefie ekonomicznej na Morzu Bałtyckim może brać udział około 100 krajowych przedsiębiorstw, zapewniając łańcuch dostaw i świadczenie usług, np. stocznie i porty, przemysł elektrotechniczny, wyspecjalizowane firmy serwisowe. Szacuje się, że w trakcie budowy morskich farm wiatrowych o mocy 6 GW średniorocznie powstaje 77 tys. nowych bezpośrednich i pośrednich miejsc pracy.
Morskie elektrownie wiatrowe mogą być wznoszone i eksploatowane na obszarze polskiej strefy ekonomicznej na Morzu Bałtyckim). Obecnie trwają prace nad planem zagospodarowania przestrzennego polskich obszarów morskich, który – między innymi – wyznacza obszar do wykorzystania przez energetykę. Łączna powierzchnia terenów udostępnionych na ten cel wynosi około 2 tys. km2 i obejmuje:
· Ławicę Odrzańską – 380 km2,
· Ławicę Słupską – 1210 km2,
· Ławicę Środkową – 390 km2.
Jeśli przyjąć, że na jednym kilometrze kwadratowym można ulokować turbiny o mocy 4–5 MW, potencjał wytwórczy na tym obszarze będzie wynosić 8–10 GW. Wykorzystanie tego potencjału powinno być rozłożone na etapy, co umożliwi stopniowe zdobywanie przez krajowe przedsiębiorstwa doświadczeń i kompetencji, ułatwi im integrację z systemem przesyłowym oraz przyniesie oszczędności finansowe ze względu na spodziewany spadek kosztów jednostkowych.
Inwestycje w energetykę wiatrową zlokalizowane w polskiej strefie ekonomicznej Morza Bałtyckiego są przygotowywane od sześciu lat. Do jesieni 2018 r. wydano już dziewięć opłaconych decyzji lokalizacyjnych dla projektów o mocy około 10 GW. Należy się spodziewać, że do roku 2030 uda się zrealizować i przyłączyć do sieci tylko najbardziej zaawansowane projekty (około 2–3 GW). Kolejne projekty (6–7 GW) mogą powstać na początku lat trzydziestych, o ile już teraz przystąpi się do ich przygotowywania.
Udział mocy z morskich elektrowni wiatrowych w strukturze wytwórczej polskiej energetyki będzie kształtować się na poziomie:
• 3,6–5,4% w roku 2030,
• 12,8–15,9% w roku 2035.
Wpływ morskich farm wiatrowych na krajowy system energetyczny
Między rokiem 2030 a 2035 nastąpią głębokie zmiany w strukturze wytwórczej. Moce węglowe będą zastępowane źródłami gazowymi oraz odnawialnymi. Zwiększenie mocy gazowych oznacza większą elastyczność systemu i możliwość zintegrowania dużego wolumenu mocy zmiennych odnawialnych źródeł energii. Przyrost mocy w morskich farmach wiatrowych będzie większy niż ogólny wzrost mocy OZE, co oznacza, że zastąpią one nie tylko moce węglowe, ale też starsze technologie OZE (np. instalacje na biomasę i biogaz lub wyeksploatowane farmy wiatrowe na lądzie).
Odbiór energii z morskich farm wiatrowych będzie wymagał zmian w bilansowaniu systemu przez operatora sieci przesyłowej z uwagi na moc tych źródeł oraz zmienność ich produkcji. Podaż mocy z morskich farm wiatrowych charakteryzuje się dużą zmiennością. Na przykład na jednej z belgijskich elektrowni wiatrowych o mocy 1178 MW, pomiędzy godziną 18.00 7 września 2018 a godz. 4.00 dnia następnego moc podawana do sieci spadła z 748 MW do 102 MW.
W polskich warunkach integrację morskich elektrowni wiatrowych z KSE ułatwi fakt, że ich budowa będzie rozłożona na etapy. Jak już wspomniano, do roku 2030 może zostać przyłączona moc w wysokości 2–3 GW, a w kolejnej dekadzie 6–7 GW. Do tego czasu energetyka powinna zwiększyć swoją elastyczność, co umożliwi bilansowanie tych mocy w systemie.
Warunkiem koniecznym odbioru energii z morza jest zwiększenie przepustowości sieci w północnej części kraju oraz umożliwienie wyprowadzenia mocy z północy na południe. Kluczowym projektem w tym obszarze jest budowa tzw. szyny bałtyckiej (Krajnik–Dunowo–Słupsk–Żarnowiec–Gdańsk Błonia) oraz inwestycji objętych Planem rozwoju sieci przesyłowych do roku 2025 w północnej części kraju.
Koszty
Morskie farmy wiatrowe będą mocno oddziaływać na rynek energii ze względu na duży i zmienny wolumen wprowadzanej energii. Będą one ważnym elementem transformacji niskoemisyjnej polskiej energetyki. W przypadku wzrostu cen węgla kamiennego oraz cen uprawnień do emisji CO2 (co obserwujemy w ostatnich latach) zmieni się relatywna pozycja rynkowa poszczególnych klas zasobów energetycznych. Wzrost kosztów energetyki konwencjonalnej przełoży się na równoczesny wzrost rentowności źródeł odnawialnych źródeł energii. Odbiorcy energii elektrycznej skorzystają, ponieważ energia elektryczna z morskich farm wiatrowych nie będzie obciążona kosztem uprawnień do emisji CO2.
Jednostkowe nakłady inwestycyjne na farmy wiatrowe szybko spadają. W latach 2015-2016 wynosiły one 3,3 mln euro/MW. Obecnie wynoszą one 3 mln euro/MW, a szacuje się, że spadną do ok. 2,3 mln euro w roku 2025. Główną przyczyną technologiczną spadku jednostkowych nakładów inwestycyjnych jest zwiększenie wielkości i efektywności turbin oraz optymalizacja łańcucha dostaw i przyłączeń inwestycji.
Również jednostkowe koszty produkcji energii elektrycznej przez morskie farmy wiatrowe bardzo znacząco spadły w ostatnich latach. W Wielkiej Brytanii obniżyły się w latach 2012–2017 o około 60% i stały się konkurencyjne w stosunku do innych źródeł energii. Dla niemieckich farm z lat 2015–2016 koszt ten wynosił 116 euro/MWh, a do roku 2025 przewiduje się jego spadek do 68 euro/MWh (wliczając w to koszt przyłączenia).
Wykres 4. Porównanie kosztu jednostkowego produkcji energii elektrycznej ze źródeł energii w północno-zachodniej Europie, w euro/MWh w cenach stałych z 2016 roku
Źródło: Forum Energii
Najważniejszym ekologicznym efektem morskiej energetyki wiatrowej jest zmniejszenie emisji CO2. Od roku 2035 morskie elektrownie wiatrowe przyczynią się do zmniejszania emisji CO2 o 25–31 mln ton rocznie, czyli o 20-25% względem obecnego poziomu emisji z energetyki.
Emisja CO2 ma nie tylko wymiar ekologiczny, ale też ekonomiczny. Przy prognozowanej cenie uprawnień do emisji CO2 w wysokości 30 euro/t w 2030 r. koszt produkcji energii elektrycznej z bloków konwencjonalnych wzrośnie nawet o 12 euro/MWh. Produkcja energii ze źródeł nieemitujących CO2 może być postrzegana jako czynnik stabilizujący ceny energii elektrycznej i ograniczający jej wzrost. Jest to ważne ze względu na to, że ceny uprawnień do emisji CO2 są trudne do przewidzenia i mogą być znacznie wyższe niż to wynika z obecnych prognoz.
Podsumowanie
Morskie farmy wiatrowe są szansą dla polskiej energetyki i przemysłu. Do roku 2035 możliwe jest uruchomienie mocy 8–10 GW. Dzięki temu roczna produkcja energii z krajowego, niewyczerpywalnego zasobu wyniesie nawet 32-40 TWh, co pozwoli na uniknięcie emisji CO2 na poziomie 25–31 mln t rocznie.
Rozwój wiatrowej energetyki morskiej:
Artykuł ukazał się drukiem w "Magazyn Ex. Bezpieczeństwo techniczne i przemysłowe", nr1/2019 (37)