Upały w Europie testują energetykę. Kalifornia miała już takie testy – i nie zawsze je zdawała

Kalifornia kojarzy się z Krzemową Doliną, innowacjami i transformacją energetyczną. Mimo to w sierpniu 2020 roku stan znalazł się o krok od poważnego kryzysu elektroenergetycznego. Rekordowe temperatury, miliony klimatyzatorów pracujących jednocześnie, ograniczony import energii i niewystarczające rezerwy zmusiły operatora systemu do odłączania części odbiorców od prądu.

Dwa lata później nadeszła jeszcze bardziej wymagająca fala upałów. Zapotrzebowanie na energię osiągnęło historyczny rekord, ale tym razem system wytrzymał. Pomogły magazyny energii, dodatkowe zasoby wytwórcze, import, programy zarządzania popytem oraz szybka reakcja mieszkańców.

To historia, z której Europa — również Polska — może wyciągnąć ważną lekcję. W warunkach coraz częstszych ekstremalnych temperatur przygotowanie oparte na doświadczeniach sprzed kilku lat może już nie wystarczyć.

Sierpień 2020: pierwsze rotacyjne wyłączenia od 2001 roku

Wieczorem 14 sierpnia 2020 roku California Independent System Operator, czyli CAISO, znalazł się w sytuacji, której operatorzy sieci starają się uniknąć za wszelką cenę.

Zapotrzebowanie na energię, napędzane przez miliony klimatyzatorów pracujących podczas rekordowej fali upałów, utrzymywało się na bardzo wysokim poziomie. Jednocześnie malała produkcja energii słonecznej, część jednostek wytwórczych była niedostępna, a możliwości importowania prądu z sąsiednich stanów okazały się ograniczone.

Aby zapobiec niekontrolowanej awarii i kaskadowemu rozpadowi systemu, CAISO zarządził rolling blackouts — planowe, rotacyjne przerwy w dostawach energii. W rezultacie 14 sierpnia prąd straciło około 492 tys. odbiorców. Wyłączenia trwały od 15 do 150 minut. Następnego dnia bez zasilania przez 8–90 minut pozostawało kolejnych około 321 tys. klientów.

Był to pierwszy przypadek rotacyjnych wyłączeń zarządzonych przez CAISO od kryzysu energetycznego z 2001 roku. Nie oznacza to, że przez niemal dwie dekady w Kalifornii nie występowały lokalne awarie. Zdarzenie z 2020 roku było jednak pierwszą od lat sytuacją, w której operator celowo ograniczył dostawy energii, aby ochronić stabilność całego systemu.

Dlaczego kalifornijski system nie wytrzymał?

Kryzysu nie spowodowała jedna awaria techniczna. Był on efektem kilku nakładających się problemów. Fala upałów objęła znaczną część zachodnich Stanów Zjednoczonych. To miało kluczowe znaczenie, ponieważ Kalifornia w okresach wysokiego zapotrzebowania korzysta z importu energii z sąsiednich regionów. Tym razem inne stany również zmagały się z ekstremalnymi temperaturami i miały mniej wolnych mocy do zaoferowania.

Późniejsze analizy CAISO i regulatorów wskazały trzy główne grupy przyczyn: niedostateczne uwzględnienie w planowaniu ekstremalnych fal upałów obejmujących cały zachód USA, niewystarczające zabezpieczenie godzin wieczornych oraz problemy związane z funkcjonowaniem rynku energii.

Szczególnie trudny okazał się moment po zachodzie słońca. Produkcja z fotowoltaiki szybko malała, podczas gdy zapotrzebowanie nadal pozostawało wysokie. Klimatyzatory wciąż pracowały, a system musiał w krótkim czasie zastąpić energię słoneczną innymi źródłami. Problem dotyczył więc nie tylko fizycznej infrastruktury. Obejmował również sposób prognozowania zapotrzebowania, zabezpieczania rezerw, planowania dostępności elektrowni i organizowania rynku.

Kalifornijski system był przygotowany na mniej ekstremalny scenariusz niż ten, który wydarzył się w rzeczywistości.

Rok 2022: rekordowe obciążenie, ale bez wyłączeń

Dwa lata później Kalifornia stanęła przed jeszcze trudniejszym testem. We wrześniu 2022 roku temperatury w niektórych częściach stanu przekraczały 44°C, a fala upałów utrzymywała się przez wiele dni. 6 września zapotrzebowanie w systemie CAISO osiągnęło rekordowe 52 061 MW. Była to najwyższa wartość w historii operatora.

Bezpośrednie porównanie tego wyniku z wartościami z 2020 roku wymaga jednak ostrożności. W 2020 roku rotacyjne wyłączenia nastąpiły podczas wieczornego szczytu zapotrzebowania netto — w momencie, gdy produkcja słoneczna gwałtownie spadała. Sam poziom całkowitego zapotrzebowania nie wyjaśnia więc w pełni, dlaczego system znalazł się w kryzysie.

Wskaźnik	Sierpień 2020	Wrzesień 2022
Szczytowe zapotrzebowanie	ok. 45 GW	ok. 52 GW (rekord CAISO)
Wzrost zapotrzebowania w 2 lata	—	+10%
Rotacyjne wyłączenia	Tak, dwa kolejne dni	Nie
Odbiorcy bez prądu	492 tys. (14 sierpnia) + 321 tys. (15 sierpnia)	0
Czas trwania wyłączeń	15–150 min / 8–90 min	–
Spadek zapotrzebowania po alercie do mieszkańców	–	ok. 3000 MW (odpowiednik zużycia ok. 3 mln domów)

Mimo rekordowego obciążenia w 2022 roku nie doszło do rotacyjnych wyłączeń.

Co się zmieniło?

Magazyny energii pomogły przejąć wieczorny szczyt

Jednym z najważniejszych nowych elementów systemu były wielkoskalowe magazyny energii. Baterie ładowały się przede wszystkim w godzinach wysokiej produkcji słonecznej i niższych cen energii. Wieczorem, gdy generacja z fotowoltaiki malała, oddawały zgromadzony prąd do sieci.

Dzięki temu pomagały wypełnić część luki pomiędzy spadającą produkcją energii słonecznej a nadal wysokim zapotrzebowaniem. Symbolem rozwoju tej technologii stał się kompleks magazynów Moss Landing, należący wówczas do największych bateryjnych instalacji na świecie. Nie był to jednak jeden obiekt, który samodzielnie uratował kalifornijski system. Znaczenie miała cała rosnąca flota magazynów energii działających na rynku CAISO.

Baterie nie były też jedynym powodem uniknięcia wyłączeń. W najbardziej krytycznych godzinach system opierał się również na elektrowniach gazowych, imporcie energii, dodatkowych rezerwach i mechanizmach ograniczania popytu.

Magazyny stały się jednym z kluczowych elementów bezpieczeństwa, ale nie zastąpiły pozostałych źródeł i narzędzi operacyjnych.

O transformacji energetycznej w Kalifornii przeczytasz tutaj: Kalifornia pokazuje światu, jak wygląda realna transformacja energetyczna

Alert dla mieszkańców i gwałtowny spadek zużycia

Drugim ważnym czynnikiem była reakcja odbiorców. Gdy rezerwy systemowe zaczęły niebezpiecznie spadać, władze Kalifornii wysłały masowy alert tekstowy z prośbą o natychmiastowe ograniczenie zużycia energii. Mieszkańców zachęcano między innymi do zmniejszenia intensywności klimatyzacji oraz odłożenia korzystania z najbardziej energochłonnych urządzeń.

W okresie bezpośrednio po wysłaniu komunikatu obciążenie systemu spadło o kilka gigawatów. W publicznych relacjach często pojawiała się wartość około 3000 MW, porównywana orientacyjnie z zapotrzebowaniem kilku milionów gospodarstw domowych.

Nie można jednak przypisać całego spadku wyłącznie jednemu alertowi. Na zużycie wpływały również wcześniejsze apele, programy zarządzania popytem, działania przedsiębiorstw oraz naturalne zmniejszanie się zapotrzebowania w późniejszych godzinach.

Nie zmienia to faktu, że dobrowolna reakcja mieszkańców odegrała ważną rolę. System przeszedł przez najbardziej krytyczny moment bez konieczności odłączania odbiorców.

Dobrowolne oszczędzanie energii nie wystarczy na zawsze

Sukces z 2022 roku nie oznacza, że problem został ostatecznie rozwiązany. Funkcjonowania systemu elektroenergetycznego nie można na stałe opierać na założeniu, że miliony mieszkańców po otrzymaniu wiadomości natychmiast ograniczą klimatyzację i zużycie innych urządzeń.

Taki mechanizm może być skuteczny podczas wyjątkowego kryzysu. Jego efektywność może jednak maleć, jeżeli podobne apele będą pojawiały się wielokrotnie w każdym sezonie letnim. Dobrowolna redukcja zużycia może być ostatnią linią obrony, ale nie zastąpi inwestycji w nowe moce, magazyny energii, rozbudowę sieci, stabilne źródła dostępne po zachodzie słońca i automatyczne programy zarządzania popytem.

Czego z doświadczeń Kalifornii może nauczyć się Europa?

Kalifornijska historia pokazuje pełny cykl zarządzania kryzysem: rotacyjne wyłączenia, analizę przyczyn, działania naprawcze i kolejny test systemu w jeszcze bardziej wymagających warunkach. Najważniejszy wniosek dla Europy brzmi: planowanie oparte wyłącznie na historycznych temperaturach i wcześniejszych rekordach zapotrzebowania może szybko stać się niewystarczające.

Podczas rozległych fal upałów kilka niekorzystnych zjawisk może wystąpić jednocześnie. Rośnie zużycie energii przez klimatyzację, pogarszają się warunki pracy części elektrowni i infrastruktury sieciowej, a możliwość importowania energii maleje, ponieważ z podobnymi problemami zmagają się sąsiednie państwa.

Kalifornijski przypadek sugeruje, że operatorzy powinni analizować nie tylko dotychczasowe rekordy, lecz także scenariusze skrajne obejmujące wiele regionów jednocześnie. System bezpieczny podczas poprzedniej fali upałów nie musi być równie odporny podczas następnej.

---

Jacek Stężowski

Redaktor naczelny portalu e-magazyny.pl, inżynier ekoenergetyki oraz pasjonat nowych technologii i OZE. Ma doświadczenie praktyczne w projektowaniu systemów PV, przemyśle kolejowym oraz w branży IT. Jako dziennikarz pisał o nowych technologiach dla takich portali jak MamStartup.pl czy NowyMarketing.pl.