Nowoczesne i innowacyjne sposoby magazynowania i przesyłu energii. Jak skutecznie gromadzić i zarządzać energią z OZE

Takie założenia to fundament tworzenia inteligentnych sieci energetycznych, smart grid. Produkowanie energii z OZE umożliwia różnicowanie źródeł wytwarzania energii. Wpisuje się również w koncepcję tzw. mixu energetycznego. Według założeń, w 2030 roku 60 proc. energii wyprodukowanej w Polsce ma powstać z węgla (to mniejszy udział procentowy tego paliwa niż obecnie o ponad 80 proc).

Odnawialne źródła energii ograniczają też uzależnienie państwa od importu paliw, a także przyczyniają się do zmniejszenia wpływu sektora energii na środowisko.

Mimo że OZE wciąż jest drogim rozwiązaniem (zwłaszcza na etapie początkowym), to w pewnym stopniu wpływa na obniżkę kosztów uzyskania energii. Tu należy chociażby wziąć pod uwagę globalną podwyżkę cen za emisję CO2, która w okresie wakacyjnym skoczyła w sektorze energetyki węglowej nawet do 30 euro za tonę.

UE, dzięki proekologicznym działaniom i sporym dotacjom na rozwój, stara się, by w porównaniu z węglem OZE były coraz bardziej atrakcyjne – tak, by na przyszłość poprawić oraz zapewnić bezpieczeństwo energetyczne Europy.

Na źródła odnawialne postawiła też Polska. W projekcie „Polityki energetycznej Polski do 2040 roku” - opracowanym wspólnie przez podmioty działające w sektorze energii (Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej, Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy w Krakowie, spółki energetyczne) wraz z resortem ds. energii (obecnie Ministerstwo Aktywów Państwowych) - OZE nadaje się kluczowe znaczenie dla rozwoju sieci energetycznych.

Choć udział odnawialnych źródeł w wytwarzaniu energii wciąż jest w Polsce niewielki, to są obszary, gdzie producenci i społeczności przeszli na źródła odnawialne niemal w całości, jak np. w woj. warmińsko-mazurskim. Według GUS - w 2018 roku aż 82,8 proc. energii wyprodukowano tam ze źródeł odnawialnych. Farmy wiatrowe czy fotowoltaika na stałe wpisały się w krajobraz wielkich jezior. Podobnie jest z licznymi elektrowniami wodnymi.

Według założeń „Polityki energetycznej Polski do 2040 roku” niedługo również na północy kraju możemy spodziewać się silnego rozwoju OZE, a to za sprawą pierwszych farm wiatrowych na morzu. Aktualnie realizowane projekty inwestycyjne w tym zakresie wskazują na 2025 rok. Ze względów ekonomicznych po 2035 r. ma nastąpić dynamiczny rozwój morskich elektrowni wiatrowych. Tak przynajmniej prognozuje resort.

ME ocenia, że przy uwzględnieniu konkurencyjności źródeł odnawianych, technicznych możliwości oraz wyzwań związanych z rozwojem OZE w transporcie i ciepłownictwie - możliwe jest osiągnięcie 21 proc. udziału OZE w finalnym zużyciu energii brutto w 2030 r. Zaś w sektorze paliwowo-energetycznym w 2040 r. udział OZE może już wynieść 28,5 proc.

Atutem założeń energetyki odnawialnej jest jej rozproszenie. Jednostki wytwórcze są praktycznie wszędzie, a ich zlokalizowanie blisko odbiorcy wpływa na - co jest niezwykle istotne w dystrybucji i magazynowaniu energii - ograniczenie strat przesyłowych.

Aktualne technologie OZE nie są na tyle konkurencyjne, aby bez ograniczeń funkcjonowały w systemie energetycznym, jednakże postęp technologiczny powoduje, że z roku na rok jest to coraz mniejsza bariera.

Inteligentne sieci smart grid i OZE

W czwartym kwartale ubiegłego roku wznowiono w resorcie ds. energii prace nad funkcjonowaniem i rozwojem magazynów energii elektrycznej oraz rozwiązań dla zamkniętych systemów dystrybucyjnych w ramach tzw. inteligentnych sieci smart grid. To one są jednym z gwarantów bezpieczeństwa energetycznego. Przyczyniają się do równoważenia popytu i podaży energii. Mają też wpływ na ograniczenie czasu trwania awarii oraz jej wystąpienia, pozwalają też efektywniej wykorzystać OZE. Na przykład dzięki inteligentnemu opomiarowaniu, zainstalowanemu u klientów oraz w sieci energetycznej, możliwe jest już monitorowanie zużycia energii w czasie rzeczywistym.

Co kryje się pod pojęciem inteligentna sieć energetyczna (ang. smart grid). To kompleksowe rozwiązania energetyczne, pozwalające na łączenie i optymalne sterowanie rozproszonymi elementami infrastruktury energetycznej oraz ich wzajemną komunikację. Jest to możliwe zarówno po stronie producentów, jak i odbiorców energii. Umożliwia wzajemną wymianę i analizę informacji, a w efekcie – optymalizowanie decyzji o zużyciu lub dystrybucji energii.

Według Akademii Górniczo Hutniczej w Krakowie w potocznym rozumieniu termin smart grid oznacza dostarczanie odbiorcom usług energetycznych z wykorzystaniem środków IT. Ma to zapewnić obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności oraz zintegrowanie rozproszonych źródeł energii, także tej odnawialnej. Według założeń profesora Jacka Malko, twórcy szkoły naukowej "Kompleksowe badania systemów elektroenergetycznych", u fundamentów rozwoju smart grid powinny leżeć:

• zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego poprzez eliminację przerw w dostarczaniu odbiorcom usług energetycznych oraz maksymalizację efektywności przepływu energii od źródła jej wytwarzania do odbiorcy końcowego. Służą temu lepsze, mądrzejsze i szybsze układy diagnostyki i sterowania pozwalające na bardziej zaawansowane zarządzanie przepływami energii, układami zabezpieczeń oraz procesami restytucyjnymi sieci;

• minimalizację kosztów usług elektroenergetycznych przez optymalną i ciągłą integrację przyjaznych środowisku lokalnych zasobów energii;

• zapewnienie zróżnicowania i zindywidualizowania poziomów jakości dostarczanej energii, zgodnie z potrzebami klienta między innymi poprzez zastosowanie zaawansowanych układów energoelektronicznych np. układów FACTS lub CUSTOM POWER;
• rozszerzenie funkcjonalności usług świadczonych przez dostawcę na rzecz odbiorcy tj. inteligentne opomiarowanie i fakturowanie (np. liczniki dwukierunkowe, zmienność ceny konsumowanej energii w czasie), zarządzanie energią oraz monitorowanie warunków jej dostawy;

• integrację rozproszonych źródeł odnawialnych o ograniczonej dyspozycyjności mocy i energii. Mowa tu o generacji energii małej i średniej skali (panele fotowoltaiczne, małe turbiny wiatrowe, małe elektrownie wodne, łączone niekiedy z siecią na zasadzie plug–and–play), wykorzystującej zasoby lokalne i zintegrowane często z mieszkaniem oraz zdolnej do współpracy z siecią. To z kolei kreuje nowe pojęcie tzw. „inteligentnego domu”, autonomicznego energetycznie, zdolnego do przekazywania nadmiaru wytwarzanej energii i traktującego sieć, jako źródło rezerwowe, magazynowane następnie w bateriach/akumulatorach do wykorzystania w razie potrzeb odbiorców.

• konieczność dofinansowywania i restrukturyzacji istniejących sieci zasilających. Tradycyjne struktury sieci konstruowane dla jednokierunkowego przepływu energii, mają trudności z integracją źródeł rozproszonych. Spowodowane ich obecnością odwrócenie kierunków rozpływów energii prowadzi niekiedy do poważnych problemów technicznych w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności pracy systemu (np. do blackoutów).

Warto podkreślić, że smart grid są szansą na opanowanie w większym lub mniejszym stopniu zdarzeń awaryjnych. Do tej kategorii działań można np. zaliczyć zyskującą na popularności koncepcję mikrosieci o zdefiniowanym poziomie autonomiczności. Mowa tu o pojedynczych gospodarstwach domowych, lub grupie odbiorców o zbilansowanej konsumpcji i lokalnej generacji energii. Według koncepcji smart grid, bliskość odbiorcy względem źródła wytwarzania redukuje straty sieciowe i stwarza warunki lepszej integracji źródeł rozproszonych.

Z punktu widzenia konsumenta najlepszym przykładem wdrożenia sieci inteligentnej są nowe elektroniczne liczniki energii, spośród których blisko 10 proc. stanowią tzw. liczniki inteligentne AMI). Najbardziej widoczną, a zarazem jedyną jego częścią, którą możemy sami zobaczyć, jest inteligentny licznik energii elektrycznej instalowany u każdego odbiorcy prądu.

Główną i najważniejszą ich funkcjonalnością jest możliwość zdalnego odczytu danych o zużyciu energii. Na ich podstawie konsument w przyszłości będzie mógł lepiej zarządzać zużyciem energii we własnym gospodarstwie domowym. Natomiast informacje pozyskane z automatyki smart grid umożliwiają operatorom systemów dystrybucyjnych m.in. szybszą lokalizację awarii, a nawet zdalne wyeliminowanie elementów sieci objętych technicznym problemem, sprawne przywrócenie zasilania, jak również bezpieczną naprawę uszkodzonych elementów sieci.

Inteligentny licznik energii, oprócz tego, że jest urządzeniem wyłącznie elektronicznym (nie analogowym w postaci licznika indukcyjnego), wyposażony jest w specjalny moduł telekomunikacyjny, który umożliwia wysyłanie zmierzonych przez licznik danych do Operatora Systemu Dystrybucyjnego. Przesyłane dane są zaszyfrowane, aby nie było możliwości odczytania danych wysyłanych przez konkretny licznik i zidentyfikowania na tej podstawie zachowań poszczególnych odbiorców.

Jak skutecznie gromadzić i następnie zarządzać energią pozyskiwaną z OZE w obrębie inteligentnej sieci?

Wyzwania stojące przed branżą energetyczną, także przed firmami z obszaru dystrybucji i przesyłu energii, sprawiają, że branża stawia na innowacyjność. Nowe projekty są efektem inicjatyw wewnętrznych, jak również współpracy z partnerami zewnętrznymi.

Zarządzaniem i pozyskiwaniem energii również z OZE świetnie radzi sobie m. in. Enea Operator, która zaznaczyła się wśród polskich innowatorów dofinansowaniem na realizację dwóch projektów badawczo-rozwojowych i innowacyjnych. Pierwszy to „Innowacyjne usługi systemowe magazynów energii, zwiększające jakość i wydajność wykorzystania energii elektrycznej” w ramach Działania 1.2 Programu Operacyjnego Inteligentny Rozwój. Celem projektu jest opracowanie i testowanie strategii oraz metod wykorzystania magazynów energii w sieciach elektroenergetycznych dla poprawy jakości i efektywności wykorzystania energii elektrycznej oraz rozwoju oferty produktowej dla klientów.

Drugi to „Solar PV on the Distribution Grid: Smart Integrated Solutions of Distributed Generation based on solar PV, Energy storage devices and Active Demand Management”. Jego celem jest rozwój niedrogich, integrowanych rozwiązań dla zwiększenia potencjału rozproszonych instalacji fotowoltaicznych. Ma to odbywać się w oparciu o efektywną integrację urządzeń PV, magazynowanie energii, monitorowanie i kontrolowania strategii i procedur, inteligentne technologie i integrację procedury w systemie dystrybucji energii.

Innym innowacyjnym operatorem w ramach dystrybucji i wykorzystania OZE jest Innogy Stoen Operator. Spółka prowadzi projekt, który ma zwiększyć bezpieczeństwo sieci w odpowiedzi na rosnącą liczbę mikroinstalacji prosumenckich, przyłączonych do warszawskiej sieci elektroenergetycznej. W 2016 roku w istniejącej stacji elektroenergetycznej średniego napięcia (SN/nn) wybudowano pierwszy w Warszawie magazyn energii o pojemności ponad 30 kWh. Opracowano i wdrożono koncepcję bilansowania lokalnego w oparciu o magazyn energii, panele fotowoltaiczne własne i prosumentów oraz pomiary w sieci nn.

Uruchomiony został również inteligentny algorytm zarządzający pracą magazynu, pozwalający na działanie układu bez ingerencji dyspozytora. W 2017 roku do sieci innogy Sto-en Operator przyłączono 369 mikroinstalacji fotowoltaicznych o łącznej mocy 1964 MW. Wtedy też zrealizowano siedem kompleksowych projektów modernizacji wybranych obszarów sieci SN, które współpracują w ramach algorytmów ,,samonaprawiających się’’ sieci (FDIR9). Te pozwalają na szybką i precyzyjną lokalizację miejsca wystąpienia zakłócenia i automatyczną rekonfigurację układu sieci po to, by wyizolować uszkodzony fragment.

W obszarze budowy i zabezpieczeń sieci smart grid swoje zasługi ma również Energa Operator. Spółka zaangażowała się m. in. w projekt „Przebudowa sieci do standardów Smart Grid poprzez instalowanie inteligentnego opomiarowania i automatyzację sieci w celu aktywizacji odbiorców dla poprawy efektywności użytkowania energii oraz efektywnego zarządzania systemem elektroenergetycznym dla poprawy bezpieczeństwa dostaw”. Jego celem jest zwiększenie niezawodności pracy sieci i ciągłości dostaw energii poprzez zwiększenie poziomu obserwowalności oraz sterownia sieci średniego i niskiego napięcia. Wszystko to dzięki rozwiązaniom z obszaru sieci inteligentnych, tj. zaawansowanej automatyki sieciowej i algorytmów optymalizujących pracę sieci. Projekt prowadzony jest wraz z japońską agencją rządową NEDO. Ma na celu przetestowanie możliwości wykorzystania systemu Special Protection System do ograniczania generacji ze źródeł wytwórczych - farm wiatrowych – w celu uniknięcia awarii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym oraz w stanach zagrożenia stabilności jego pracy. Projekt zakłada instalację systemu informatycznego SPS w centrach dyspozytorskich Polskich Sieci Elektroenergetycznych i Energa-Operator, systemu magazynowania energii o łącznej mocy 6 MW i pojemności 20 MWh.

Jak widać, w projektach i rozwiązaniach bardzo istotne są magazyny energii. Ta technologia, w połączeniu z rozwojem sieci inteligentnych i elektromobilności, może być szansą na bilansowanie systemu energetycznego w czasie dobowych wahań zapotrzebowania na moc niskiego napięcia. W sieciach: dystrybucyjnej i przesyłowej, magazyny energii mogą również służyć świadczeniu usług systemowych. I tak spółka Tauron Dystrybucja kontynuuje prace dotyczące mobilnych i stacjonarnych systemów magazynowania energii elektrycznej. Prowadzi m.in. testy infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych oraz wstępne badania wpływu szybkiego ładowania na sieć elektroenergetyczną. W ramach współpracy z KIC InnoEnergy realizuje też projekt dotyczący inteligentnych interfejsów kondycjonowania oraz monitoringu energii dla prosumentów sieci Smart Grid (ProInterface). Jego celem jest opracowanie i wdrożenie do produkcji urządzeń przeznaczonych do integracji rozproszonych źródeł energii z siecią dystrybucyjną.

Również Polskie Sieci Elektroenergetyczne działają na rzecz wykorzystania OZE w sieci smart. W listopadzie 2017 roku PSE rozpoczęły realizację międzynarodowego projektu badawczego EU – SysFlex mającego na celu opracowanie zasad zarządzania pracą systemu elektroenergetycznego w warunkach dużego udziału generacji OZE. Głównie badane będzie określenie wymagań w zakresie modyfikacji istniejących i wprowadzenia nowych usług systemowych oraz dokonanie analizy rozwiązań rynkowych wymaganych dla zapewnienia możliwości efektywnego pozyskania nowych usług systemowych.

Doceniana jest innowacyjność

Unia Europejska dostrzega znaczenie inteligentnych sieci zwłaszcza w kontekście ogólnie pojętej efektywności energetycznej. Ma to swój wyraz w funduszach przyznanych na ten cel w ramach Programu Operacyjnego Infrastruktura i Środowisko. W ramach działania 7.1 „Rozwój inteligentnych systemów magazynowania, przesyłu i dystrybucji energii”, dofinansowanie uzyskało 24 projektów, których wartość przekracza 861 mln PLN (w tym wkład funduszy UE wynosi prawie 307 mln PLN).

Takim wsparciem mogła pochwalić się stacja elektroenergetyczna na Podkarpaciu. Nagrodę w konkursie „Budowa Roku Podkarpacia 2018” zorganizowanym przez Podkarpacką Okręgową Izbę Inżynierów Budownictwa otrzymała realizacja przebudowy stacji 110/SN kV Rzeszów Centralna.

Placówkę wykonano w najnowocześniejszej technologii „GIS" (ang. Gas Insulated Swichgear), w której jako izolację wykorzystuje się sześciofluorek siarki (SF6). Prace polegały na przebudowie istniejących stacji 110/30/15/6 kV na stacje 110/15 kV w wykonaniu wnętrzowym. W ramach robót zrealizowano: budowę nowych budynków stacyjnych, budowę rozdzielni 110 kV w technologii GIS, budowę rozdzielni 15 kV, przebudowę istniejących linii napowietrznych 110 kV na linie kablowe 110 kV oraz wprowadzenie istniejących kabli 15 kV do nowych rozdzielni 15 kV.

Przebudowa istniejącej stacji była konieczna z uwagi na wzrost zapotrzebowania na moc w Rzeszowie i została zrealizowana jako część większego projektu pn. „Przeizolowanie sieci 6 kV m. Rzeszowa na napięcie 15 kV – modernizacja trzech stacji 110/SN: Rzeszów Staromieście, Staroniwa i Rzeszów Centralna”, na który PGE Dystrybucja S.A. uzyskała dofinansowanie z Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego. Instytut Nafty i Gazu – Państwowy Instytut Badawczy w Krakowie jako instytucja wdrażająca działanie 7.1 przeprowadziła ocenę i wybrała do dofinansowania jeszcze 18 podobnych projektów z zakresu budowy infrastruktury dystrybucyjnej (w tym 20 stacji elektroenergetycznych).

W wyścigu o lepsze jutro energetyki z OZE mogą walczyć i rewolucjonizować rozwiązania technologiczne nie tylko duże spółki. Nie tak dawno Narodowe Centrum Badań i Rozwoju ogłosiło adresowany do inżynierów i konstruktorów konkurs „NCBR Grand Challenge”. Polega on na rozwiązaniu problemu, którym może stać się w dużym postępie czasu, ogromnym postępem technologicznym.

Mowa tu o rozwiązaniu dotyczącym elektrowni przydomowej, która zamieni energię wiatru na energię elektryczną. Konkurs zakłada, że koszty i ryzyko budowy elektrowni przydomowej, uczestnik musi jednak wziąć na siebie. Jakie parametry ma mieć elektrownia? Może być to wiatrak – turbina pionowa lub pozioma z określoną długością łopat, które powinny być tak dobrane, by efektywność tych słabych podmuchów ze zmiennym kierunkiem, jak najlepiej przetworzyć na energię elektryczną. To jednak tylko połowa zadania. Druga to takie zmagazynowanie prądu, by jak najmniej stracić go na etapie magazynowania i oddania potem do sieci. NCBR przypomina, że rozproszone źródła energii to nie tylko czysta energia do wykorzystania, ale jej niezawodność. To również budowanie społeczności lokalnej w ramach działania danej sieci.

Artykuł jest współfinansowany przez Unię Europejską ze środków Funduszu Spójności w ramach Pomocy Technicznej Programu Infrastruktura i Środowisko 2014-2020.