GENERACJA ROZPROSZONA W EUROPEJSKIEJ POLITYCE ENERGETYCZNEJ.pdf

Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze – SIECI 2004

V Konferencja Naukowo-Techniczna

Politechnika Wrocławska

Instytut Energoelektryki

Jacek MALKO

Politechnika Wrocławska, Instytut Energoelektryki, ul. Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-370 Wrocław

e-mail: jacek.malko@pwr.wroc.pl

GENERACJA ROZPROSZONA

W EUROPEJSKIEJ POLITYCE ENERGETYCZNEJ

Przedstawiono perspektywy rozwoju generacji rozproszonej (w tym źródeł, wykorzystujących zasoby

odnawialne) na tle aktualnych uregulowań prawnych oraz dokumentów programowych UE. Dokonano

oceny głębokości penetracji tych źródeł w systemie elektroenergetycznym i skutków dla architektury

infrastruktury sieciowej.

1. WPROWADZENIE – PROBLEMY DEFINICYJNE

Nader pojemne określenie „generacja rozproszona” (GR) obejmuje szeroki zakres źródeł

wytwórczych, stanowiących alternatywę dla tradycyjnych, zcentralizowanych elektrowni

„systemowych”. Próby zdefiniowania tego (w obecnym kształcie) nowego zjawiska datują się

z końca ubiegłego stulecia i znalazły swój wyraz w pracach Komitetów Studiów CIGRE. Wczesna

wersja definicji GR przypisywała tej klasie źródeł podstawowe atrybuty: wyłączenie spod procedur

planowania centralnego, ograniczenie mocy do wartości 100-150 MW oraz niezależność od działań

operatora systemu [1]. Dalsze opracowania CIGRE skupiały uwagę na zasadach finansowania GR,

podkreślając, iż pełne ryzyko ponosi niezależny inwestor [2]. Najnowsze opracowanie tej

organizacji proponuje minimalną wersję definicji: generacją rozproszoną są źródła, współpracujące

z siecią dystrybucyjną lub bezpośrednio zasilające odbiorcę [3]. Komisja Europejska określa

natomiast wytwarzanie rozproszone jako zintegrowane lub autonomiczne wykorzystywanie małych

modularnych źródeł energii elektrycznej przez przedsiębiorstwa energetyczne, klientów tych

przedsiębiorstw, prywatnych użytkowników lub też inne strony trzecie w zastosowaniach

przynoszących korzyść systemowi elektroenergetycznemu, specyficznym podmiotom użytkowania

końcowego lub też obydwu tym stronom [4].

Nie wchodząc w dalsze zawiłości definicyjne można stwierdzić, że generacja rozproszona

opiera się na dwóch zasadniczo odmiennych klasach technologii

- technologii wykorzystującej klasyczne paliwa nieodnawialne, na ogół węglowodorowe

(z dominacją gazu ziemnego) w turbinach gazowych, silnikach tłokowych,

mikroturbinach i ogniwach paliwowych; coraz powszechniejszą praktyką jest stosowanie

procesów skojarzonych wielocelowych (kogeneracja, trigeneracja, poligeneracja);

- technologii wykorzystujących zasoby odnawialne dla pozyskiwania ciepła (geotermia,

kolektory słoneczne) i/lub energii elektrycznej (małe elektrownie wodne, elektrownie

wiatrowe, elektrownie zasilane biomasą, instalacje fotowoltaiczne, układy geotermii

wysokotemperaturowej).

Technologie GR różnią się zasadniczo poziomem kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych

i chociaż wiele z nich uzyskuje już poziom konkurencyjności rynkowej, cena energii wytwarzanej

w rozproszeniu jest na ogół wyższa niż wytwarzanej w wielkich źródłach scentralizowanych.

Jednakże oczekiwać można znaczącego postępu w redukcji kosztów; miarą tego postępu są tzw.

krzywe uczenia („learning curves”, „experience curves”) [5, 6]. Uzyskiwanie konkurencyjności

przez poszczególne technologie prowadzi do zwiększenia ich atrakcyjności z punktu widzenia

inwestora, powodując z kolei wiekszą penetrację rynkową. Prognozy, przeprowadzone pod

patronatem Komisji Europejskiej, oceniają, iż do roku 2020 poziom penetracji GR osiągnie

w krajach unijnych 20% [7]. Obecna faza rozwojowa generacji rozproszonej (łącznie z energetyką

odnawialną – OZE) przemieszcza wagę zagadnienia od dojrzałości i konkurencyjności oferowanych

technologii do problemów integracji GR w istniejących systemach zaopatrzenia w energię [8]. GR

jest już dziś liczącym się czynnikiem zwiększenia niezawodności i bezpieczeństwa, zagrożonych

przez krótkoterminowe mechanizmy rynkowe. Jednak wykorzystanie tych możliwości wymaga

stworzenia nowych form współpracy źródeł w ramach struktur sieciowych sektora energii

elektrycznej. Układ, obejmujący rozproszone źródła o zróżnicowanym charakterze i roli

systemowej: od wielkich elektrowni zawodowych po instalacje „energetyki gospodarstwa

domowego” („household power systems”) i pracujących w sieci (elektroenergetycznej

i informatycznej), przyjmuje postać wirtualnego przedsiębiorstwa energetycznego („virtual utility”)

tworząc nową jakość w sektorze energii elektrycznej.

2. GENERACJA ROZPROSZONA W LEGISLACJI UNIJNEJ

Problematyka generacji rozproszonej (określana coraz częściej akronimem DG + RES,

sygnalizującym wagę źródeł odnawialnych w tym segmencie wytwarzania) nie znajduje

bezpośrednich odniesień w tzw. pierwotnych źródłach prawa europejskiego (traktatach UE).

Natomiast ważne regulacje występują w źródłach wtórnych: rozporządzeniach, decyzjach,

dyrektywach, rekomendacjach i opiniach Parlamentu Europejskiego i Rady Europy. Rolę

szczególną odgrywają w tej legislacji dyrektywy, które muszą być przenoszone przez państwa

członkowskie do ich ustawodawstwa narodowego. W podstawowych dla sektora

elektroenergetycznego dyrektywach [9÷15] zachęty dla rozwijania generacji rozproszonej wynikają

pośrednio z zapisów szczegółowych. I tak:

- dyrektywa „elektryczna” 96/92/EC [9], zastąpiona nową wersją 2003/54/EC [10]

formułuje zobowiązanie operatora systemu przesyłowego do promowania energii

elektrycznej („udzielania priorytetu” – jak głosi zapis), pochodzącej ze źródeł

odnawialnych (OZE) i wytwarzanej w skojarzeniu z ciepłem (kogeneracja);

- dyrektywa „gazowa” 2003/55/EC [11] przez liberalizację sektora gazu sprzyja

wykorzystaniu tego paliwa również w jednostkach wytwórczych (głównie

kogeneracyjnych) o średniej, małej i bardzo małej mocy zainstalowanej;

- dyrektywa „emisyjna” 2001/80/EC [12] formułuje surowe reguły limitowania emisji

gazowych i pyłowych dla wielkich obiektów, wyłączając z tych regulacji źródła o mocy

poniżej 50 MW;

- dyrektywa o cechach energetycznych budynków 2002/91/EC [13] zachęca do

wykorzystywania lokalnych źródeł (łącznie z odnawialnymi) dla zasilania w energię

budynków mieszkaniowych, usługowych i użyteczności publicznej;

- dyrektywa o źródłach odnawialnych 2001/77/EC [14] odnosi się do ważnej klasy GR,

formułując narodowe cele do osiągnięcia w horyzoncie do roku 2010; z tej dyrektywy

wynika dla Polski konieczność osiągnięcia do końca bieżącej dekady udziału OZE w

produkcji energii elektrycznej na poziomie 7,5% produkcji całkowitej;

- wreszcie dyrektywa „kogeneracyjna” 2004/8/EC [15] stwarza korzystne warunki dla

rozwoju skojarzonego wytwarzania ciepła / chłodu i energii elektrycznej w jednostkach o

zróżnicowanej mocy zainstalowanej.

Regulacje te tworzą korzystny dla inwestora i użytkownika klimat, stymulujący rozwój

generacji rozproszonej ze szczególną preferencją dla źródeł, wykorzystujących zasoby odnawialne

(OZE).

3. GENERACJA ROZPROSZONA W RAPORTACH PROGRAMOWYCH UE

Generacja rozproszona (DG + RES) zajmuje istotne miejsce w licznych dokumentach,

formułujących politykę energetyczną Unii [4, 16÷29]. GR jest istotnym czynnikiem szerokich

programów budowy zrównoważonych systemów zaopatrzenia w energię, a zasadniczym

problemem staje się zintegrowanie źródeł o zróżnicowanej wielkości, typie paliw

i wykorzystywanych technologiach w istniejących systemach zaopatrzenia w energię. Ważną

obserwacją jest stwierdzenie, że zwiększony udział źródeł rozproszonych w strukturze mocy

wytwórczych zmienia w istotny sposób funkcje dystrybucyjnej infrastruktury sieciowej. Sieć

dystrybucyjna musi być projektowana i eksploatowana jako struktura zintegrowana, realizująca

złożone operacje pod nadzorem wielu ośrodków operatorskich z wykorzystaniem nowoczesnych

technologii informatycznych. Możliwe są trzy zasadnicze modele realizacji tej idei:

- Mikro – (lub mini -) sieć dystrybucyjna (micro-grid, minigrid), o charakterze lokalnym łącząca

licznych odbiorców z licznymi wytwórcami i urządzeniami magazynującymi energię. Model

mikrosieci jest rozwiązaniem typowym dla autonomicznych (wyspowych) systemów

zaopatrzenia w energię, dla których zasilanie z sieci przesyłowej jest ekonomicznie

nieuzasadnione. Możliwa jest również współpraca z siecią przesyłową w warunkach

normalnych i przejście do pracy wyspowej w stanach awaryjnych systemu.

- Sieć aktywna , wspomagana nowoczesnymi technologiami informacyjnymi i komunikacyjnymi

(ICT). Model ten może być wynikiem ewolucji istniejących pasywnych sieci dystrybucyjnych

i stymulować rozwój źródeł rozproszonych we wstępnej fazie deregulacji sektora

elektroenergetycznego. U podstaw idei sieci aktywnej leżą dwie nowatorskie koncepcje:

redundancyjne zapewnienie połączeń węzłów wytwórczych i odbiorczych sieci dystrybucyjnej

(„connectivity”) oraz interaktywność struktury sieciowej z odbiorcami. Podczas gdy tradycyjne

sieci zachowują się neutralnie wobec zakłóceń po stronie popytowej (odbiorcy) i podażowej

(wytwórcy), zasada aktywności zakłada adaptacyjne reagowanie sieci na naruszenie zdolności

do zaspokojenia potrzeb konsumenta. W odróżnieniu do stosowanych dotąd liniowych ciągów

promieniowych sieć aktywna cechuje się znacznie bardziej złożoną i rozbudowaną strukturą

połączeń, opartą na względnie niewielkich obszarach monitorowania i sterowania oraz alokacji

usług systemowych. Umożliwia to skuteczne zarządzanie ograniczeniami sieciowymi wraz

z odwracaniem kierunku przepływów zgodnie z przyjętymi kryteriami optymalizacyjnymi. Jest

to możliwe dzięki wykorzystaniu nowoczesnych technologii komunikacyjnych

i informacyjnych oraz zastosowaniu elastycznych interfejsów sieć/źródło rozproszone.

Aktywność zarządzania rozpływami jest również wynikiem wprowadzenia

energoelektronicznych układów sterowania (w tym FACTS). Koncepcja sieci aktywnej zakłada

bieżące monitorowanie stanu sieci oraz ścisłą koordynację pomiędzy lokalnymi ośrodkami

operatorskimi. Mimo iż znacząco ogranicza to skutki awarii na poziomie pojedynczych

elementów, nie zapobiega to „efektowi domina”, będącego typowym zagrożeniem w układach

o dużym stopniu złożoności. Ograniczenie niebezpieczeństwa lawinowego rozwoju awarii

wymaga spełnienia podwyższonych standardów projektowania, szybkodziałającej automatyki

zabezpieczeniowej oraz automatycznej rekonfiguracji strukturalnych elementów wyposażenia.

Decentralizacja obszarów sterowania stwarza możliwości aktywnej współpracy z obszarami

ościennymi i „negocjowania” wymiany mocy. W przypadku pracy wyspowej aktywność

oznacza dynamiczne zachowanie zbilansowania mocy wytwarzanej i zapotrzebowanej.

Kosztem nawet odłączeń i ograniczeń części odbiorców zachowuje się dostateczny poziom

niezawodności w skali całego systemu.

- Model internetowy jest rozwinięciem modelu sieci aktywnej od poziomu lokalnego do skali

globalnej, lecz z rozproszeniem funkcji kontrolnych na cały system. Przepływ informacji przez

www/internet daje możliwość zrealizowania idei sterowania rozproszonego, w której każdy

węzeł sieciowy (wyposażony w sprzęt komunikacyjno – informatyczny) działa autonomicznie

w ramach globalnego protokołu. Wizję modelu internetowego charakteryzuje następujący

(cytowany za) [18]: opis „Każdy węzeł w sieci elektroenergetycznej przyszłości winien być

czuwający, reagujący, adaptacyjny, wrażliwy na parametry ekonomiczne i ekologiczne,

działający w czasie rzeczywistym, elastyczny, odporny na zakłócenia i połączony z wszystkimi

pozostałymi węzłami”. Uzgodniony protokół wymiany informacji o zapotrzebowaniu na energię

i możliwościach jego pokrycia winien umożliwiać sterowanie podsystemem dystrybucyjnym

o dużej skali rozproszenia. Każdy z węzłów, śledząc zachowanie całej sieci, dostraja własny

poziom wytwarzania / zapotrzebowania w relacji do ogólnego stanu systemu. „Inteligentne

układy FACTS w interfejsach producent / konsument będą kierować przepływy międzywęzłowe

w sposób analogiczny do dystrybucji poczty elektronicznej w węzłach sieci internetowej.

Integracja technologii komunikacyjno / informatycznych ze scentralizowaną strukturą sieci

elektroenergetycznej przekształca ją w pełni interaktywną sieć inteligentną. Czujniki i elementy

inteligentne, zainstalowane w sieci, zapewniają dostarczanie w czasie rzeczywistym informacji

o energetycznych uwarunkowaniach systemu, umożliwiając kierowanie strumieni mocy

dokładnie zgodnie z potrzebami i po najniższym koszcie” [18]. Poziom sterowania rozpływami

sięga pojedynczych odbiorców mieszkaniowych – istnieją już układy sterujące odbiorcami

domowymi, np. zmieniając nastawy termostatów dla obniżenia zapotrzebowania w okresie

szczytu obciążenia systemu. Model internetowy cechuje się łatwością rozbudowy,

a standaryzacja jego elementów i interfejsów umożliwia stosowanie zasady „plug-and-play”.

4. WYZWANIA

Idea budowy zrównoważonych systemów energetycznych w oparciu o znaczący udział

generacji rozproszonej wymaga dla swej realizacji głębokiej integracji tych nowych źródeł w

rynkowych strukturach wspólnego europejskiego rynku energii w aspektach zarówno planowania

jak i eksploatacji. Konieczne są strategiczne studia nad oddziaływaniem generacji rozproszonej na

aspekty ekonomiczne, redukcję CO 2 oraz procedury handlu emisjami. Szczególnej wagi nabierają

zagadnienia niezawodności i jakości dostaw energii w warunkach rozproszenia ośrodków

decyzyjnych, znacznej złożoności procedur operacyjnych oraz bezprecedensowej zmienności

przepływów mocy.

Niezawodność i jakość staje się problemem znacząco bardziej złożonym niż miało to miejsce

w infrastrukturach tradycyjnych. Wprowadzanie źródeł na poziomie sieci dystrybucyjnych

powoduje zmiany wartości i kierunku przepływów mocy, wpływających na stabilność pracy

i jakość energii elektrycznej. Jakość energii jest pojęciem określającym interakcyjne związki

producentów i konsumentów, a określenie dopuszczalnych wartości parametrów jakość tę

definiujących jest uzależnione od rozważanego segmentu odbiorców. Coraz powszechniejsze staje

się indywidualizowanie oferty parametrów jakościowych, zależnych od czułości odbiorcy;

wprowadzenie generacji lokalnej lub układów magazynowania energii staje się naturalnym

sposobem spełnienia wymagań odbiorców wrażliwych. Rozpowszechnienie źródeł umożliwia

operatorowi szybkie reagowanie dla utrzymania zbilansowania mocy czynnej i biernej na poziomie

lokalnym i kompensowania wpływu odbiorców niespokojnych. Niezbędne jest jednak opracowanie

odpowiednich standardów technicznych, zapewniających kompromis pomiędzy większą penetracją

generacji rozproszonej a wymaganiami jakościowymi. Znacząca nieprzewidywalność generacji

pewnych technologii RES stwarza zaostrzone wymagania w zakresie nowych, elastycznych

i efektywnych narzędzi zarządzania, łącznie z procedurami prognostycznymi. Problem wpływu

rozproszenia generacji na bezpieczeństwo energetyczne jest rozważany m.in. w materiałach

konferencji APE’2004 [30, 31].

Techniki sterowania systemem muszą uwzględniać wzrastającą złożoność systemów

elektroenergetycznych i warunki niedeterminizmu, opisujące ich funkcjonowanie. Nowe koncepcje

i strategie sterowania i nadzoru muszą gwarantować bezpieczną pracę jednolitej europejskiej sieci

przesyłowej oraz właściwe wykorzystanie złożonej struktury o znaczącym udziale źródeł o trudnej

do przewidywania dyspozycyjności. Konieczność wprowadzenia zasady interaktywności

w aktywnych strukturach sieciowych wymaga nowych koncepcji i narzędzi monitorowania,

sterowania i nadzorowania. Specyficzną cechą nowych struktur wytwarzania jest potencjalna

zamienność ról producent / odbiorca na poziomie dystrybucji z udziałem generacji rozproszonej.

Niezbędne jest dla takich struktur wykorzystanie interfejsów, umożliwiających współpracę

z lokalnymi systemami sterowania nadrzędnego i pozyskiwania danych (SCADA), systemami

sterowania rozproszonego (DCS) oraz łączy internetowych. Konieczne jest również rozwinięcie

metod i narzędzi opomiarowania, automatyki systemowej, zdecentralizowanego dispeczingu oraz

lokalnej optymalizacji wytwarzania energii elektrycznej/ciepła. Celem tych działań jest

opracowanie i wdrożenie zintegrowanego informatycznego systemu sterowania w warunkach rynku

energii. System taki winien cechować się otwartą architekturą i zdolnością przetwarzania ogromnej

liczby informacji, generowanych w infrastrukturze sieci przesyłowej.

Technologie , będące podstawą rozwoju interaktywnej infrastruktury zaopatrzenia w energię,

muszą również zapewniać wymaganą (zindywidualizowaną lokalnie) jakość i bezpieczeństwo

dostaw. Wśród tych technologii istotną rolę odgrywać będą układy magazynowania energii.

Magazynowanie stanowi antidotum na zmienność i nieprzewidywalność wielu źródeł,

wykorzystujących zasoby odnawialne i redukuje wymagania inwestycyjne, zwłaszcza w zakresie

generacji. Istniejące technologie magazynowania energii elektrycznej obejmują szeroki zakres

rozwiązań – od tradycyjnych ogniw chemicznych po nadprzewodzące systemy magnetyczne

(SMES) i układy bezwładnościowe. Obiecującym medium magazynowania energii jest wodór

w zastosowaniu do wyrównywania obciążeń nawet w zakresie zmienności sezonowej. Szeroki

zakres dojrzałych komercyjnie technologii wytwarzania, w typowym dla generacji rozproszonej

zakresie mocy – od pojedynczych kilowatów po dziesiątki megawatów, dostępny jest zarówno w

rozwiązaniach bazujących na paliwach kopalnych (głównie gazie ziemnym) jak i w obszarze OZE.

W poszukiwaniu rozwiązań optymalnych punkt ciężkości przemieszcza się od doboru technologii

do warunków współpracy z siecią; literatura przedmiotu zdominowana jest przez rozważania

o integracji źródeł rozproszonych w istniejących systemach zaopatrzenia w energię.

Równorzędne traktowanie źródeł energii i systemów jej magazynowania symbolizuje

wprowadzenie terminu „rozproszone zasoby energii” (Distributed Energy Resources – DER).

Istotny postęp nastąpił w dziedzinie technologii informacyjnych i komunikacyjnych (ICT) oraz

dedykowanych układów energoelektronicznych (w rodzaju FACTS). Wykorzystanie linii

elektroenergetycznych do szerokopasmowej transmisji danych stwarza możliwości komunikacyjne,

niezbędne dla zrealizowania zarówno nowych koncepcji zarządzania systemem, jak i nowych ofert

dla konsumenta.

Ekonomika i regulacja stwarza nowe wyzwania systemom o znaczącym udziale zasobów

rozproszonych. Wykorzystanie nowych rozwiązań technicznych winno ograniczać koszty

przyłączenia i eksploatacji, ale prowadzi także do konieczności wykorzystania istniejącej

infrastruktury (lub współpracy z nią) w sposób bardziej intensywny, przy zarządzaniu zarówno

stroną podażową jak i popytową stosownie do ogólnych wymagań dynamiki systemu. Te nowe

uwarunkowania stwarzają nie tylko wyzwania techniczne, ale wymagają również nowych metod

obciążania elementów systemu, oferowania usług systemowych oraz reagowania na sygnały

rynkowe przy zakłóceniach. Nie istnieją jeszcze adekwatne modele rynku, regulacji i taryfikowania,

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: