Energetyka rozproszona i OZE na rynku energii

Transkrypt

1 Energetyka rozproszona i OZE na rynku energii Polska wersja referatu wygłoszonego w sesji specjalnej na konferencji European Energy Markets, EEM14, Kraków, maja 2014 r. Wersja oryginalna dostępna na stronie konferencji Władysław Mielczarski, Błażej Olek, Michał Wierzbowski Lodz University of Technology, Lodz, Poland wladyslaw.mielczarski@p.lodz.pl blazej.olek@p.lodz.pl michal.wierzbowski@p.lodz.pl

2 Prezentowane projekty Prace jako Energy Expert dla Committee of Regions (European Parliament) w latach 2012/2013 celu przygotowania oceny dokumentu KE: Komunikat Komisji Europejskiej nr 217 z dnia 12 czerwca 2012 zatytułowany: Energia Odnawialna: ważny uczestnik rynku energii

3

4 Komitet Regionów zaakceptował opinię w dniu 31 stycznia 2013 r.

5 Dwa przykłady uczestniczenia OZE i generacji rozproszonej wsieci średniego i niskiego napięcia Michał Wierzbowski, Optimization of distribution electrical networks in the modern power systems, praca doktorska obroniona we wrześniu 2013r. Błażej Olek, Optimization of energy balancing and Ancillary Services in low voltage networks, praca doktorska obroniona we wrześniu 2013r.

6 Rozwój OZE Komisja Europejska ocenia, że udział OZE w produkcji energii elektrycznej w roku 2012 wyniósł 12.4%. Komisja również wskazuje, że obecne działania w zakresie OZE nie są adekwatne do długoterminowych celów polityki energetycznej i klimatycznej. Dokument 2050 Roadmap pokazuje, że roczne wzrosty OZE mogą spaść z 6% do 1% po 2020 roku. Komisja podkreśla, że konieczna jest nowa polityka wsparcia uwzględniająca działanie rynku energii elektrycznej i infrastrukturę.

7 28 May OZE i rynki energii elektrycznej Wszystkie obecnie stosowane systemy subsydiów eliminują OZE z rynków energii elektrycznej. Taryfy początkowe (również w systemie premium), a także certyfikaty ograniczają ryzyko rynkowe wysyłając błędne ekonomiczne sygnały do inwestorów. Komisja Europejska konkluduje: Jakiekolwiek formy działania OZE zostaną wprowadzone po 2020 roku, to muszą one zapewniać, że OZE będą częścią konkurencyjnego europejskiego rynku energii z ograniczonym, lecz bardzo efektywnym wsparciem.

8 Reakcje krajów członkowskich na rozwój OZE Spontaniczny rozwój OZE spowodował znaczny wzrost subsydiów i w efekcie wzrost cen energii elektrycznej. Szereg państw członkowskich wprowadziło i wprowadza ograniczenia na rozwój OZE. Dynamiczny rozwój OZE jest obserwowany w Niemczech, jednakże nadmiar produkcji w farmach wiatrowych na północy Niemiec powoduje przepływy kołowe, w reakcji na które kraje sąsiednie wprowadziły (Belgia, Holandia) lub wprowadzają (Polska) przesuwniki fazowe ograniczające wymianę energii. Są to kroki niespełniające postulatów rozwoju wspólnego rynku europejskiego, ale niezbędne z punktu widzenia bezpieczeństwa pracy systemów.

9 Techniczne aspekty działania OZE Znaczna część OZE jest przyłączona do sieci dystrybucyjnych, które nie są to tego przystosowane i nie są w stanie zapewnić lokalnego zużycia energii produkowanej przez OZE. Znaczny wzrost produkcji z OZE wymaga przebudowy sieci zarówno dystrybucyjnych, jak i przesyłowych, aby zapewnić ich pracę zgodnie ze standardami technicznymi. Energia produkowana przez farmy wiatrowe i panele fotowolaticzne wymaga budowy magazynów energii ze względu na duże zamiany wielkości produkcji w czasie. Nowe pomysły budowy dużych farm wiatrowych na Morzu Północnym i elektrowni słonecznych w Afryce, a następnie transport energii do centrum Europy za pomocą kabli prądu stałego wymaga ponownej analizy ich technicznej realności.

10 Przepływy kołowe powodowane przez OZE w Niemczech w 2011 i 2012 roku.

11 Przykład nieplanowych przepływów energii na połączeniach transgranicznych Evolution of monthly averages values of Realised Schedules, Measured Load Flows and Unplanned Flows for the border between Germany and Poland Joint study by ČEPS, MAVIR, PSE and SEPS regarding the issue of Unplanned flows in the CEE region (January 2013)

12 Potrzeba rozwoju infrastruktury Rozwój infrastruktury przesyłowej i elastycznych mocy wytwórczych jest kluczowym elementem gwarantującym dalszy rozwój OZE. Trzy główne metody dotyczące rozwoju infrastruktury obejmują: (a) rozwój sieci dystrybucyjnej; (b) rozwój sieci przesyłowej; (c) rozwój smart grids.

13 Nowe systemy wsparcia dla OZE Ponieważ wszystkie istniejące systemy wsparcia eliminują OZE w rynku energii, nowe systemy wsparcia nie powinny, jak dotychczas, subsydiować produkcji, ale być ograniczone do etapu inwestycji. Jeżeli z OZE ma być produkowane 30-50% energii elektrycznej, to nie może być ona oddzielona od konkurencyjnego rynku energii. Nowy system wsparcia powinien być jednolity dla wszystkich krajów Unii Europejskiej.

14 Europejski system wsparcia dla OZE (1) Należy wprowadzić system wsparcia na poziomie wspólnego funduszu Unii Europejskiej, który będzie ujednolicał krajowe systemy wsparcia. Powinna wzrosnąć rola regionów w udzielaniu wsparcia dla OZE, szczególnie w małej skali z wykorzystanie zasobów jakie znajdują się w poszczególnych regionach. System wsparcia powinien działać na dwóch poziomach: (a) paneuropejskim dla dużych instalacji i (b) regionalnym dla małych i mikro instalacji.

15 Europejski system wsparcia dla OZE (2) System wsparcia powinien zapewnić pełne uczestnictwo OZE w konkurencyjnym rynku energii elektrycznej. Wsparcie powinno być również udzielane na rozwój sieci związany z koniecznością odbioru produkcji z OZE. Należy ograniczyć negatywny wpływ OZE na system elektroenergetyczny przez wsparcie dla klasterów OZE o różnych technologiach, włączając magazynowanie energii; Koszty wsparcia OZE powinny być równo dzielone przez społeczeństwo Unii Europejskiej w proporcji do dochodu narodowego.

16 Efektywne sposoby działania OZE Pełny udział w rynku konkurencyjnym na takich samych zasadach jak inni uczestnicy. Udział w rynku mocy (zdolności wytwórczej), gdzie takie rynki funkcjonują. Dostarczanie regulacyjnych usług systemowych (Ancillary Services) w celu poprawy jakości energii elektrycznej. Należy przejść z pierwszej fazy rozwoju OZE Generate and forget do drugiej zaawansowanej Coexistence with the power networks

17 Case study: OZE w sieciach średnich napięć Główne przesłanie Wzrastająca produkcja energii elektrycznej z OZE i generacji rozporoszonej powinna optymalizowana poprzez lokalne systemy bilansowania - Local Balancing Systems Takie systemy bilansowania powinny być oparte na regułach rynkowych, spójnych dla rynków działających w sieciach wysokich, średnich i niskich napięć.

18 Lokalne bilansowanie w sieci średnich napięć Lokalne bilansowanie jest realizowane przez Koordynatora Systemu Bilansowania - Coordinating System Operator 1. Bilansowanie energii Lokalne bilansowanie energii i koordynacji przepływów mocy czynnej i biernej Minimalizacji kosztów produkcji Minimalizacja strat przesyłowych Koordynacja działania obszarów bilansujących sieci średniego i niskiego napięcia 2. Zachowanie parametrów technicznych pracy sieci Kompensacja mocy biernej

19 Sieć testowa zmodyfikowana sieć CIGRE

20 Optymalizacja i lokalne bilansowanie Cel: Optymalizacja produkcji mocy czynnej i biernej oraz minimalizacja strat przesyłowych w 24 godzinnym horyzoncie czasowym Rezultaty: Rozdział obciążeń o okresie optymalizacji (24h) Funkcja celu (nieliniowa): Całkowity koszt działania źródeł wytwórczych i pracy sieci Zmienne podlegające optymalizacji: Moce czynne (P) i bierne (Q) wszystkich uczestników rynku bilansującego z wykorzystaniem mocy i cen w przesyłanych ofertach bilansujących (~700 zmiennych) Ograniczenia: Wynikające z parametrów technicznych pracy sieci i jednostek wytwórczych (~3000)

21 Symulowane scenariusze Scenariusz 1 Referencyjny Rozwiązanie tradycyjne zapotrzebowanie zasilane z systemu centralnego Scenariusz 2 - produce and forget Maksymalizacja produkcji z OZE i generacji rozproszonej typu z możliwością naruszenia parametrów technicznych Scenariusz 3 system responsibilities Maksymalizacja produkcji z OZE i generacji rozproszonej przy zachowaniu parametrów technicznych pracy sieci

22 Wyniki symulacji

23 Wnioski dla sieci średniego napięcia (1) 1. W celu zwiększenia produkcji z OZE i generacji rozproszonej, przy zachowaniu parametrów technicznych pracy systemu, należy wprowadzić Lokalne Systemy Bilansowania 2. Optymalizacja produkcji i rozpływów w Lokalnym Systemie Bilansowania może być wyznaczana poprzez zastosowanie metod optymalizacji nieliniowej z ograniczeniami.

24 Wnioski dla sieci średniego napięcia (2) 3. Bilansowanie energii i optymalizacja pracy sieci powinna być spójna oparta na tych samych zasadach na wszystkich poziomach napięć. 4. Lokalne bilansowanie w sieci średniego napięcia pozwala na: Wzrost produkcji energii elektrycznej z OZE i generacji rozproszonej bez naruszania technicznych standardów pracy sieci Zmniejszenie strat przesyłowych Częściowe uniknięcie konieczności rozwoju sieci poprzez optymalizację wykorzystania lokalnych zasobów

25 Case study: OZE w sieciach niskich napięć Główne przesłanie Wzrost produkcji energii elektrycznej z OZE i generacji rozproszonej poprzez wprowadzenie lokalnego bilansowania w sieciach niskich napięć. Poprawa jakości energii elektrycznej poprzez wykorzystanie instalacji OZE i energetyki rozproszonej (źródła prądowe) jako dostawców regulacyjnych usług systemowych.

26 Lokalne bilansowanie w sieciach niskich napięć Węzłowych operator bilansowania - zadania 1. Bilansowanie energii Lokalne bilansowanie energii Koordynacja przepływów mocy Optymalizacja kosztów produkcji energii Zmniejszenie strat przesyłu Współpraca sieci niskiego i średniego napięcia 2. Utrzymanie technicznych standardów Usługi regulacyjne Kompensacja mocy biernej Redukcja asymetrii Ograniczenie harmonicznych

27 Sieć testowa zmodyfikowana sieć CIGRE

28 Optymalizacja i bilansowanie Cel: Optymalizacja generacji rozproszonej włączając ograniczenie strat oraz wykorzystanie regulacyjnych usług systemowych Rezultat: Plan pracy na 24 godziny Funkcja celu (nieliniowa): Całkowity koszt produkcji energii i pracy sieci (1440 variables) Zmienne podlegające optymalizacji: Mocy czynna P[kWh_h] Moc bierna Q[kVAr_h] Asymetria A[%] Harmoniczne H[%] (THD) Ograniczenia: Parametry pracy sieci, jednostek wytwórczych i odbiorów (4752 ograniczeń)

29 Symulowane scenariusze Scenariusz 1 Referencyjny Zapotrzebowanie zasilane z sieci zewnętrznej średniego napięcia Scenario 2 produce and forget Maksymalizacja produkcji z OZE i generacji rozproszonej z możliwością naruszenia parametrów technicznych pracy sieci Scenario 3 Lokalne bilansowanie Optymalizacja produkcji poprzez lokalne bilansowanie Scenario 4 Lokalne bilansowanie i usługi regulacyjne Optymalizacja produkcji i pracy sieci z użyciem lokalnego bilansowania i regulacyjnych usług systemowych

30 Wyniki symulacji

31 Sieć niskiego napięcia - podsumowanie 1. Niekontrolowana produkcja z OZE i generacji rozproszonej narusza parametry pracy sieci 2. Optymalizacja lokalnej produkcji i pracy sieci powinna być zgodna z zasadami rynkowymi 3. Wprowadzenie lokalnego bilansowania pozwala na: Optymalizację kosztów generacji lokalnej Zachowanie parametrów pracy sieci Zmniejszenie poboru energii z sieci zewnętrznej Wzrost produkcji energii elektrycznej z OZE i generacji rozproszonej 4. Możliwe jest wykorzystanie instalacji OZE i generacji rozproszonej (źródła prądowe) do poprawy jakości energii elektrycznej.

32 OZE i generacja rozporoszona na rynkach energii elektrycznej Dalszy rozwój OZE i generacji rozproszonej jest ograniczony na skutek ich izolacji od konkurencyjnych rynków energii i warunków technicznych pracy sieci. Wcześniej czy później, OZE i generacja rozproszona muszą uczestniczyć w rynkach energii elektrycznej i działać przy uwzględnieniu warunków technicznych pracy sieci. Przeprowadzane badania wskazują, że jest możliwe uczestnictwo OZE i generacji rozproszonej w rynkach energii na poziomie sieci średniego i niskiego napięcia, a dodatkowo instalacje te mogą dostarczać regulacyjnych usług systemowych w celu poprawy jakości energii elektrycznej.