hanzelka-jakosc_energii.pdf

Jakość energii w warunkach rynku energii

Autor: prof. Zbigniew Hanzelka , pracownikiem Akademii Górniczo-Hutniczej w

Krakowie

(Biuletyn URE 5/2003)

Wprowadzenie

Jakość energii elektrycznej staje się jednym z najważniejszych problemów współczesnej

elektrotechniki. Istnieją racjonalne przyczyny uzasadniające występowanie właśnie

obecnie tak ogromnego zainteresowania tą tematyką. Należą do nich przede wszystkim:

(a) rosnąca świadomość, że energia elektryczna jest towarem i to, co nazywamy jakością

energii, jest w swej istocie określeniem cech oferowanego towaru, sprecyzowaniem jego

wartości użytkowej. W odniesieniu do energii elektrycznej można sformułować kilka określeń

przesądzających o sposobie jej traktowania w zagadnieniach jakości energii. Energia

elektryczna: (i) jest towarem, (ii) który jest sprzedawany (iii) klientowi spodzie-wającemu się,

że otrzymuje dobry produkt (iv) w formie odpowiadającej jego potrzebom, charakteryzowanej

zbiorem wyróżnionych właściwości (v) które, jeżeli są złej jakości, to mogą zagrażać

własności użytkownika, jego stanowi posiadania lub nawet zdrowiu.

(b) wzrost liczby i mocy jednostkowej niespokojnych, nieliniowych, niekiedy również

niesymetrycznych odbiorników. Istnieje coraz większa liczba technologii będących

potencjalnym źródłem zaburzeń elektromagnetycznych (napędy o regulowanej prędkości,

kompensatory statyczne – SVC, systemy przesyłu energii prądem stałym – HVDC, piece

łukowe prądu stałego i przemiennego, układy ładowania akumulatorów dla potrzeb

motoryzacji itp.). Sieć 50 Hz-wa jest w coraz większym stopniu traktowana jako źródło

energii pierwotnej. Pomiędzy nią a odbiorami finalnymi instalowane są układy przetwarzania

tej energii w inne, bardziej użyteczne formy 1) . W następstwie rozwoju technologii elementów

półprzewodnikowych dużej mocy oraz rewolucji mikroprocesorowej umożliwiającej

realizację coraz bardziej wyrafinowanych algorytmów sterowania, wszechobecna staje się

energoelektronika. Korzyści wynikające z jej rozwoju są jednakże często okupione wzrostem

zaburzeń wprowadzanych do sieci zasilającej. Równocześnie energoelektroni-ka, która była i

nadal jest jednym z najbardziej dominujących źródeł zaburzeń niskiej częstotliwości, staje się

coraz doskonalszym środkiem technicznym stosowanym do ich eliminacji.

Można postawić tezę, że wzrost produkcji oraz rozwój coraz bardziej wyrafinowanych jej

form nierozerwalnie wiąże się ze wzrostem znaczenia zagadnień jakości energii.

odbiorniki są bardzo czułe na ten rodzaj oddziaływania. Coraz większa liczba odbiorców

energii skarży się na złą jej jakość utrudniającą lub często wręcz uniemożliwiającą pracę tych

urządzeń. Jako szczególnie czuły należy wymienić sprzęt informatyczny. Jego rozwój i

redukcja gabarytów została w dużym stopniu okupiona obniżeniem odporności na zaburzenia.

Jak łatwo obecnie zakłócić pracę urządzeń elektronicznych obrazuje wielkość energii

niezbędnej do trwałego uszkodzenia elementów układu. Dla przekaźników i lamp

elektronowych było to 10 -3 Ws, dla tranzystorów jest to rząd 10 -6 Ws, a dla układów

scalonych już tylko 10 -8 Ws [7]. Występujące obecnie dążenie do redukcji mocy

zainstalowanej w urządzeniach, tym samym redukcji kosztów ich produkcji sprawia, że

tranzystory mocy w wielu układach napędowych ulegają uszkodzeniu już przy napięciu

chwilowym wynoszącym 110-130% znamionowej wartości szczytowej.

(d) rosnący koszt awarii. Dla wielu końcowych odbiorców energii jej jakość wiąże się nie tylko

z jakością produkcji, lecz przede wszystkim z wielkością produkcji w określonym czasie, a w

konsekwencji – w przypadku przerwy w produkcji – z ogromnymi stratami. Ekonomiczne

skutki zaburzeń elektromagnetycznych są wymierne i niekiedy bardzo wysokie. Ocenia się, że

przekraczają one 1% światowego produktu brutto [11].

(e) wzrost efektywności przetwarzania energii. Coraz popularniejsze stają się energooszczędne

produkty oferowane w ramach programów DSM, np. energooszczędne w eksploatacji i

materiałooszczędne na etapie produkcji silniki elektryczne, energooszczędne źródła światła

itp. Mimo ich niewątpliwych zalet są one bardzo często źródłem zwiększonej emisji zaburzeń

i produktami o zmniejszonym poziomie odporności, co można uznać za cenę poprawy

efektywności przetwarzania energii. W coraz większej liczbie przypadków racjonalizacja i

oszczędność zużycia energii elektrycznej wywołuje jako skutek wzrost problemów z jej

jakością.

Rosnące wymagania dotyczące efektywności pracy systemu zasilającego jako całości

powodują wzrost liczby technologii, które poprawiając jeden aspekt pracy systemu

negatywnie wpływają na inne. Przykładem mogą być baterie kondensatorów do kompensacji

mocy biernej, których obecność zmienia charakterystyki częstotliwościowe w punkcie ich

przyłączenia do systemu zasilającego i wywołuje zjawiska rezonansowe dla coraz niższych

częstotliwości (w miarę wzrostu mocy baterii).

W energetyce zawodowej w uprzemysłowionych krajach świata maleje poziom nowych

inwestycji. Istniejące systemy zasilające i urządzenia wytwórcze podlegają modernizacji

polepszającej ich sprawności przetwarzania (transmisji i rozdziału) oraz cechy funkcjonalne.

Pociąga to za sobą zwiększoną liczbę urządzeń energo- i elektronicznych. Urządzenia te w

wielu przypadkach są źródłem znaczących zaburzeń elektromagnetycznych np. SVC.

(f) ekologia elektromagnetyczna. Jakość energii to element większej całości – jakości życia.

Promowane są obecnie wszelkie przedsięwzięcia służące zachowaniu „czystości” środowiska,

także elektromagnetycznego. Równocześnie rośnie świadomość rangi technicznych i

ekonomicznych problemów, jakie niesie ze sobą energia elektryczna złej jakości. Istnieje

coraz powszechniejsze przekonanie, że te zagadnienia, a szerzej kompatybilność

elektromagnetyczna to problem, którego nie można nie zauważać. Nie można czekać z jego

rozwiązaniem, aż pojawią się negatywne skutki. Trzeba go analizować i rozwiązywać na

każdym etapie technicznych działań. Wymiernym dowodem takiego rozumienia problemu jest

w Polsce Prawo energetyczne i związane z nim rozporządzenia wykonawcze, w których

zagadnienia jakości energii zostały zauważone.

(g) rozwój metod i środków technicznych służących do pomiaru różnych, niekiedy bardzo

złożonych w swej definicji wskaźników jakości energii. To, co jeszcze niedawno było

niemierzalne, obecnie może podlegać rejestracji i być podstawą kontraktu. Sprzęt pomiarowy

jest powszechnie dostępny, jego cena w coraz większym stopniu ulega redukcji, co sprawia,

że praktycznie wszyscy uczestnicy rynkowej gry mają możliwość kontrolowania warunków

zasilania.

(h) jakość energii to również duże pieniądze. Produkcja i serwis urządzeń służących poprawie

jakości energii to ogromny światowy rynek.

(i) restrukturyzacja sektora energetycznego wytwarza nowe rynkowe postawy u uczestników.

Jakość zasilania staje się w coraz większym stopniu kategorią marketingową. Równocześnie

w nowo tworzonych warunkach nie do końca jest jeszcze oczywiste, kto i w jakim zakresie

ma odpowiadać za poszczególne aspekty jakości zasilania. Interesy poszczególnych partnerów

na rynku energii elektrycznej są odmienne, w wielu przypadkach wręcz sprzeczne.

Jak pokazują doświadczenia innych krajów (np. Norwegia) deregulacja sektora

energetycznego może spowodować pogorszenie jakości energii np. w efekcie lokalnej

redukcji mocy zwarciowej. Jest to częściowo skutek rozdziału produkcji energii od jej

przesyłu i dystrybucji. Elektrownie kierując się zasadami rynku przestały być odpowiedzialne

za utrzymanie odpowiednich poziomów zwarciowych w systemie i podczas małego

zapotrzebowania na energię w pierwszej kolejności wyłączane są te z pośród nich, w których

koszty produkcji są wysokie, bez uwzględniania kryterium jakości zasilania.

Odbiorca energii elektrycznej a jej jakość

1. Szczególną cechą energii elektrycznej jest uzależnienie jej jakości od odbiorcy

finalnego. Badania wykazują, że w ogromnej większości przyczyna złej jakości

energii ma swoje źródło u odbiorcy.

2. Nowym elementem w obecnej sytuacji jest fakt, że konsumentami energii o

wysokich wymaganiach jakościowych są w coraz większym stopniu bardzo liczni

odbiorcy małej mocy, w tym także komunalni. Stają się oni coraz bardziej

widoczni w pozytywnym i negatywnym znaczeniu tego słowa. Przykładowo

zaprezentowane na rysunkach 1 i 2 zarejestrowane przebiegi czasowe

współczynnika odkształcenia napięcia THD pokazują, że odbiorniki w

gospodarstwach domowych, szczególnie telewizory, powodują w porze

największej oglądalności (około godz. 20:00) znaczący wzrost odkształcenia nawet

na poziomie 110 kV.

3. W coraz większym stopniu odbiorca finalny posiada poczucie własnej silnej

pozycji w relacji z dostawcą energii. Badania wykazują, że wymagania klienta,

również w relacji do jakości, rosną wraz ze wzrostem ilości zakupionej energii. Są

między innymi dwie tego przyczyny: (1) duży odbiorca to z reguły znaczące

ekonomiczne konsekwencje zaburzeń oraz (2) większa opłata za energię to większe

typowe poczucie „nadmiernej ceny przy niewspółmiernej jakości zakupionego

towaru” [6].

Rysunek 1. Zmiana współczynnika odkształcenia napięcia THD na poziomie 110 kV

podczas przykładowej doby roboczej (podczas doby świątecznej odkształcenie napięcia w

porze szczytu wieczornego jest jeszcze bardziej widoczne)

Rysunek 2. Wzrost odkształcenia napięcia zarejestrowany na poziomie 110 kV podczas

meczu piłkarskiego Polska-Korea na ostatnich piłkarskich mistrzostwach świata

4. Parametry dostarczanej energii podlegają w coraz większym stopniu standaryzacji,

stając się formalną podstawą kontraktów na dostawę energii zawieranych

pomiędzy stronami. Rozwijający się rynek energii i związana z tym konkurencja

może sprawić, że klient stanie się w jeszcze większym stopniu niż obecnie

wymagającym i swoje wymagania skieruje również w stronę jakości energii.

Każdy duży odbiorca może wybierać swojego dostawcę między innymi na

podstawie ceny i jakości obsługi. Wymaga to bardzo precyzyjnego zdefiniowania

kryteriów jakości energii elektrycznej. Będą one podstawą zawieranych kontraktów

na dostawę energii.

5. Stan wiedzy odbiorcy w zakresie jakości energii nie jest zbyt wysoki. Przez wielu

zaburzenia elektromagnetyczne są postrzegane jako mityczne przypadki, które

mogą być rozumiane i rozwiązywane tylko przez nielicznych specjalistów.

Niesłusznie, są to bowiem zjawiska zgodne z prawami fizyki, które mogą być w

większości przypadków rozwiązywane w oparciu o bardzo podstawową wiedzę

inżynierską.

Inną postawę przyjmuje odbiorca przemysłowy. W przypadku zaistnienia takiej

potrzeby zawsze może skorzystać z pomocy doradcy technicznego w zakresie np.

wyboru środków zaradczych, uzgadniania wspólnych działań z energetyką,

reprezentowania interesu przedsiębiorstwa itp. Ten mechanizm postępowania

wykreował na rynku usług aktywność nowego, do niedawna nieobecnego partnera

– konsultanta.

6. Odbiorca domaga się, aby sprzęt przez niego zakupiony działał prawidłowo i aby

środowisko elektromagnetyczne nie wpływało na niego destrukcyjnie. Pożądaną

cechą tego sprzętu jest również energooszczędność (w wielu przypadkach źródło

zwiększonej emisji i obniżonego poziomu zaburzeń). Zależy mu również na tym,

aby nie ponosił żadnych opłat karnych z tytułu przyłączenia sprzętu lub instalacji.

Przy instalowaniu nowych urządzeń odbiorca powinien porównać ich odporność na

dany rodzaj zaburzenia z jakością zasilania w punkcie planowanej instalacji.

Informacje o czułości sprzętu może i powinien uzyskać od producenta (nie zawsze

jest to łatwe). Źródłem informacji o jakości zasilania, najkorzystniej uzyskanych na

podstawie pomiarów lub wiarygodnych metod analizy i/lub symulacji, powinien

być dostawca.

7. Odbiorca działa najczęściej według pewnego schematu. Jeżeli występuje

nieprawidłowość w pracy sprzętu lub instalacji, niekiedy trudna do wyjaśnienia,

wówczas winą za ten fakt stara się obarczyć w pierwszej kolejności producenta lub

dostawcę urządzenia, a w następnej dostawcę energii elektrycznej 2) . Przyjmuje

wówczas często postawę agresywną wobec obydwu partnerów, których postrzega

jako dostawcę wadliwego produktu – urządzenia lub energii elektrycznej. Faktem

jest również to, że znacznie częściej dyskusję dotyczącą jakości energii inicjuje

odbiorca, bowiem u niego występuje problem lub chce on od energetyki

zawodowej uzyskać zgodę na przyłączenie swoich urządzeń. Jest to sytuacja

niewłaściwa. Równocześnie odbiorca chętnie widziałby w energetyce przyjaznego

doradcę i wykonawcę wielu usług związanych z jakością energii. Jeżeli energetyka

zawodowa nie podejmie takich zadań, będzie tracić bardzo korzystny dla niej rynek

na rzecz innych, nie zawsze kompetentnych konkurentów.

8. Odbiorca podlega ograniczeniom w zakresie dopuszczalnej emisji zaburzeń

(normy, rozporządzenia itp.). Jego siła przetargowa w sporze z dostawcą rośnie

wraz ze wzrostem ilości pobieranej energii. Kto bowiem obecnie podejmie decyzję

o karnym wyłączeniu huty, kopalni, dużego zakładu nawet w przypadku, gdy

poziom emitowanych zaburzeń przekracza dopuszczalne wartości? Korzystną

alternatywą jest uwzględnienie tego faktu w taryfach energii elektrycznej.

9. Z ekonomicznego i technicznego punktu widzenia, problemy złej jakości energii

korzystnie jest rozwiązywać bezpośrednio u odbiorcy, tj. u źródła zaburzeń i

jednocześnie elemencie systemu, który jest czuły na te zaburzenia. Nie jest

uzasadniona budowa sieci zasilającej gwarantującej najwyższe parametry zasilania.

Nie każdy odbiornik wymaga bowiem tak ostrych warunków. W niektórych

przypadkach korzystniejsze jest zwiększenie odporności sprzętu na zaburzenia,

bowiem takie działanie ma charakter selektywny, a dzięki temu oszczędny.

10. Będzie rosła z pewnością liczba odbiorców wymagających energii wysokiej i

bardzo wysokiej jakości, za którą to jakość będą skłonni lub zmuszeni dużo płacić.

Dotyczy to sektora bankowego, informatycznego, firm działających w obszarze

high-tech (parki technologiczne, inteligentne budynki itp.), systemy zarządzania i

bezpieczeństwa, lecz także lotniska, służba zdrowia, wojsko itp. Powstaje bardzo

atrakcyjny (równocześnie bardzo wymagający) sektor rynku, w który warto

inwestować.

Jednym z podstawowych działów gospodarki, który już dzisiaj nakręca

koniunkturę, a będzie to czynił w jeszcze większym stopniu w przyszłości, jest

telekomunikacja (usługi internetowe, komunikacja satelitarna, itp.), której

wymagania dotyczące jakości zasilania drastycznie rosną w ostatnich latach

(przykładowo – wymagany stopień dostępności zasilania osiągnął już poziom

0,9999999% 3) , dopuszczalny roczny czas przerwy w zasilaniu wynosi 0,03 s 4) [1]).

Można przypuszczać, że wartość czynionych tu inwestycji w dziedzinie

zagwarantowania jakości zasilania, ze względu na ogromnie kosztowne skutki

zaburzeń i już zaangażowane fundusze, będzie szczególna. Jest to równocześnie

ten rodzaj świadomego zagrożenia odbiorcy, który może i chce zapłacić bardzo

duże pieniądze za odpowiednią do jego oczekiwań jakość zasilania. Sytuacja jest w

tym przypadku szczególna, bowiem rozwój sprzętu w tej dziedzinie pociąga za

sobą zmniejszenie odporności urządzeń na zaburzenia (wzrasta współczynnik

koncentracji mocy zainstalowanej w przeliczeniu na jednostkę powierzchni

biurowej, zmniejszeniu uległa wartość napięcia pracy tych urządzeń, następuje

redukcja ich wymiarów itp.).

Dostawca energii elektrycznej a jej jakość

Niecelowe, bo mało skuteczne jest promowanie energii elektrycznej jako towaru, gdyż dla

jej odbiorców jest ona, wobec przeciętnego stanu wiedzy o naturze elektryczności, czystą

abstrakcją. Energia elektryczna sama w sobie wyrażona w kWh jest dla jej nabywcy

jedynie środkiem do realizacji celu i w swej fizycznej istocie nie reprezentuje dla niego

żadnej wartości. Jest nią natomiast dla pewnej kategorii odbiorców posiadanie

odpowiedniego komfortu i standardu życia (oświetlenie, stopień schłodzenia lub

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: