Rozwój odnawialnych źródeł energii, w szczególności fotowoltaiki, zmienia sposób funkcjonowania rynków energetycznych na całym świecie. Fotowoltaika, jako jedno z najważniejszych odnawialnych źródeł energii, ma ogromny potencjał redukcji emisji CO₂ oraz zwiększenia udziału czystych źródeł energii w miksie energetycznym. Jednakże jej specyfika – generacja energii elektrycznej w ciągu dnia, zwłaszcza w godzinach szczytu słonecznego – wprowadza nowe wyzwania dla operatorów systemów elektroenergetycznych.
Jednym z kluczowych zjawisk, które wynikają z rosnącego udziału fotowoltaiki w miksie energetycznym, jest tzw. krzywa kacza (z ang. duck curve). To charakterystyczne odchylenie w dziennym zapotrzebowaniu na energię elektryczną, które ma kształt przypominający sylwetkę kaczki, powstaje w wyniku gwałtownych wahań generacji energii słonecznej i konieczności szybkiej reakcji tradycyjnych źródeł energii w godzinach wieczornych.
Krzywa Kacza (Duck Curve) – Gdzie kaczka w energetyce?
Krzywa kacza to zjawisko związane z kształtem krzywej zapotrzebowania na energię elektryczną w dniu, w którym występuje duży udział energii pochodzącej z fotowoltaiki. W typowym dniu słonecznym, w godzinach około południowych i wczesno-popołudniowych, generacja z instalacji fotowoltaicznych osiąga szczyt, co powoduje spadek zapotrzebowania na energię elektryczną z konwencjonalnych źródeł energii. W miarę jak słońce zachodzi i fotowoltaika przestaje produkować energię, krzywa zapotrzebowania na energię gwałtownie rośnie, co wymusza szybkie uruchamianie źródeł konwencjonalnych. Krzywa kacza odnosi się więc do specyficznego kształtu, który można zaobserwować na wykresie, gdy analizuje się dzienne zapotrzebowanie na energię elektryczną po uwzględnieniu generacji z fotowoltaiki. Jest to wynik zmniejszenia zapotrzebowania na energię z sieci w ciągu dnia, kiedy panele fotowoltaiczne produkują dużo energii i gwałtownego wzrostu zapotrzebowania wieczorem, gdy produkcja energii słonecznej maleje do zera.
Kaczka po polsku
W Polsce rynek energii odnawialnej rozwija się dynamicznie, a szczególnie istotny wzrost obserwuje się w sektorze fotowoltaiki. W latach 2022-2023 moc zainstalowana w fotowoltaice przekroczyła 10 GW, co w znacznym stopniu wpłynęło na dzienne wahania zapotrzebowania na energię z sieci. Polska, podobnie jak inne kraje o rosnącym udziale OZE, zaczyna obserwować charakterystyczny efekt krzywej kaczej. W przypadku Polski szczytowa produkcja energii słonecznej przypada w godzinach południowych (około 12:00-14:00), co prowadzi do obniżenia zapotrzebowania na energię z sieci w tym okresie. Jednak wraz z zachodem słońca, szczególnie w godzinach wieczornych (około 18:00-20:00), krzywa zapotrzebowania gwałtownie rośnie, co wymaga szybkiej reakcji systemu energetycznego i uruchamiania elektrowni konwencjonalnych, głównie węglowych i gazowych.
Wprowadzenie dużej ilości fotowoltaiki do miksu energetycznego wiąże się z wieloma wyzwaniami, zarówno technicznymi, jak i ekonomicznymi. Zjawisko krzywej kaczej prowadzi do kilku istotnych problemów:
- Stabilność systemu energetycznego: Gwałtowne zmiany w zapotrzebowaniu na energię wymagają od operatorów systemów elektroenergetycznych elastyczności, aby dostosować produkcję energii z tradycyjnych źródeł. Konwencjonalne elektrownie, takie jak węglowe, mają ograniczoną zdolność do szybkiej zmiany mocy, co może prowadzić do problemów z bilansowaniem systemu.
- Przewymiarowanie mocy fotowoltaicznej: W godzinach szczytowego nasłonecznienia instalacje fotowoltaiczne mogą generować więcej energii niż jest potrzebne, co może prowadzić do nadprodukcji. W takim przypadku pojawia się potrzeba magazynowania energii lub jej eksportu do sąsiednich krajów.
- Ceny energii: W dni słoneczne ceny energii w południe mogą gwałtownie spadać, nawet do ujemnych wartości, co stanowi wyzwanie dla tradycyjnych elektrowni. Z kolei wieczorem, gdy zapotrzebowanie szybko rośnie, ceny energii mogą znacznie wzrastać.
Na rynku polskim w latach 2022-2023 można zaobserwować efekty krzywej kaczej w dniach słonecznych, kiedy produkcja energii z fotowoltaiki jest wysoka. Poniżej przedstawiam dane oraz wykresy ilustrujące to zjawisko na przykładzie kilku typowych dni słonecznych w Polsce w 2022 roku. Na wykresach poniżej widoczne są dwa kluczowe elementy:
● Zapotrzebowanie na energię elektryczną (pokazuje, ile energii potrzeba z sieci, po uwzględnieniu produkcji z fotowoltaiki).
● Produkcja energii z fotowoltaiki (pokazuje ilość energii generowanej z instalacji fotowoltaicznych w ciągu dnia).

Powyższy wykres ilustruje zjawisko krzywej kaczej na przykładzie rynku polskiego w dniu z dużą generacją energii słonecznej w 2022 roku. Widać wyraźne obniżenie zapotrzebowania na energię elektryczną z sieci w godzinach słonecznych (około 12:00-16:00), co wynika z wysokiej generacji energii z fotowoltaiki. Następnie, w godzinach wieczornych, po zachodzie słońca, zapotrzebowanie na energię gwałtownie rośnie, co powoduje konieczność szybkiego uruchamiania źródeł konwencjonalnych
Wyzwania wynikające z krzywej kaczej
- Elastyczność systemu: Zjawisko krzywej kaczej wymaga, aby operatorzy systemu elektroenergetycznego dysponowali źródłami energii, które mogą szybko reagować na zmiany w zapotrzebowaniu. Oznacza to większą rolę dla elektrowni gazowych oraz systemów magazynowania energii.
- Nadprodukcja w godzinach południowych: W czasie szczytowej produkcji z fotowoltaiki może dochodzić do nadwyżki energii, której system nie jest w stanie efektywnie wykorzystać, co może prowadzić do wyłączania niektórych instalacji OZE.
- Problemy z bilansowaniem systemu: Gwałtowne zmiany w zapotrzebowaniu mogą powodować trudności w bilansowaniu sieci, co wymaga od operatorów coraz bardziej zaawansowanych narzędzi do monitorowania i zarządzania produkcją oraz magazynowaniem energii.
Aby skutecznie zarządzać zjawiskiem krzywej kaczej, konieczne są pewne rozwiązania
technologiczne i operacyjne:
● Magazynowanie energii: Systemy magazynowania, takie jak baterie, mogą przechowywać nadwyżki energii w godzinach południowych i oddawać ją do sieci wieczorem.
● Inteligentne sieci: Rozwój inteligentnych sieci energetycznych (smart grids) pozwala na bardziej elastyczne zarządzanie popytem i podażą energii.
● Zarządzanie popytem: Programy typu demand-side management mogą pomóc w optymalizacji zużycia energii przez odbiorców, przesuwając część zapotrzebowania na godziny szczytowej generacji OZE.
Artykuł powstał w ramach projektu Społeczne Centrum Sprawiedliwej Transformacji sfinansowanego ze środków Narodowego Instytutu Wolności – Centrum Rozwoju Społeczeństwa Obywatelskiego w ramach rządowego Programu Rozwoju Organizacji Obywatelskich na lata 2018-2030 PROO