Efektywność energetyczna a straty energii elektrycznej w polskich sieciach elektroenergetycznych

Transkrypt

1 Efektywność energetyczna a straty energii elektrycznej w polskich sieciach elektroenergetycznych Autor: Elżbieta Niewiedział - Wyższa Szkoła Kadr Menadżerskich w Koninie ("Energia Elektryczna" - styczeń 2017) Globalne prognozy energetyczne w długim czasie przewidują wzrost ogólnego zapotrzebowania na energię z jednej strony, a z drugiej wskazują na duże możliwości uzyskania jej oszczędności. Waga problemu oszczędności energii podkreślana jest w wielu światowych dokumentach wymuszających konkretne działania, które mają ograniczyć zużycie energii zwiększając efektywność energetyczną. Pierwszy z nich to, podpisany przez Polskę, Protokół z Kioto do Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu, sporządzony 11 grudnia 1997 r. W artykule omówiono problem zwiększenia efektywności energetycznej w działaniach operatorów systemów przesyłowego i dystrybucyjnych. Operatorzy realizują zadania prowadzące do uzyskania oszczędności zużycia energii głownie poprzez zmniejszanie jej strat w sieciach elektroenergetycznych rożnych poziomów napięć. Wykorzystując dane statystyczne zawarte w Statystyce Elektroenergetyki Polskiej [1], w artykule zestawiono straty energii w polskich sieciach elektroenergetycznych od 2002 do 2015 roku. Analiza strat na przestrzeni tego okresu pozwoliła na ocenę skuteczności działań operatorów w zakresie poprawy efektywności energetycznej. Podano również wyniki badania wpływu źródeł rozproszonych (OZE) na poziom strat w sieciach rożnych poziomów napięć oraz zasygnalizowano niektóre kierunki działań operatorów, które mają prowadzić do zwiększenia efektywności energetycznej procesu przesyłu energii elektrycznej. Akty prawne a efektywność energetyczna Efektywność energetyczna to stosunek uzyskanej wielkości efektu użytkowego danego obiektu, urządzenia technicznego lub instalacji w typowych warunkach ich użytkowania lub eksploatacji do ilości zużycia energii przez ten obiekt, urządzenie techniczne lub instalację, albo w wyniku wykonanej usługi niezbędnej do uzyskania tego efektu. Można stwierdzić, że wzrost efektywności energetycznej ma prowadzić do uzyskania konkretnych oszczędności energii, jednak nie mogą one pogarszać komfortu korzystania z rożnych form energii. Polska, zdając sobie sprawę z powagi zadań stojących przed rodzimą energetyką, wprowadziła odpowiednie zapisy w podstawowej ustawie Prawo energetyczne. W art. 13. zapisano:,,celem polityki energetycznej państwa jest zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego kraju, wzrostu konkurencyjności gospodarki i jej efektywności energetycznej, a także ochrony środowiska. Nasz kraj przez ok. 20 lat osiągnął duży postęp w ograniczeniu zużycia energii

2 w przemyśle, budownictwie, transporcie itp. Jednak nadal wskaźniki np. zużycie na jednostkę dochodu narodowego lub na jednostkę produkcji są wyższe od ich wartości w państwach o najbardziej energooszczędnych gospodarkach. Poprawę sytuacji ma zagwarantować Ustawa o efektywności energetycznej uchwalona w 2015 roku, a znowelizowana w październiku 2016 r. Jej art. 1 określa: 1) zasady opracowywania krajowego planu działań dotyczącego efektywności energetycznej, 2) zadania jednostek sektora publicznego w zakresie efektywności energetycznej, 3) zasady realizacji obowiązku uzyskania oszczędności energii; a w art wskazano możliwości poprawy efektywności energetycznej procesu przesyłania energii elektrycznej, czyli ograniczenia strat: a) związanych z poborem energii biernej, b) sieciowych, związanych z przesyłaniem lub dystrybucją energii elektrycznej, c) na transformacji. Straty energii w krajowych sieciach elektroenergetycznych Podstawową wielkością, na podstawie której wyznacza się poziom strat energii w sieciach elektroenergetycznych jest wskaźnik strat i różnic bilansowych ΔE% (dalej: wskaźnik strat), opisany następującym wzorem: E E % 100 (1) E wp gdzie: ΔE straty i różnice bilansowe w sieci na danym poziomie napięcia (w GWh/a); E wp energia elektryczna wprowadzona do sieci na danym poziomie napięcia (w GWh/a). Dla oceny zmian wartości poszczególnych wielkości w przyjętym okresie wprowadzono bezwymiarowe wskaźniki oznaczone symbolami w 1, w 2 i w 3. Określają one roczne zmiany w stosunku do roku 2002: w 1 ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci E wp na poszczególnych poziomach napięć; w 2 strat energii ΔE w sieciach poszczególnych poziomów napięć;

3 w 3 procentowe wartości wskaźnika strat energii ΔE% w sieciach poszczególnych poziomów napięć. W tabeli 1 zestawiono energię elektryczną wprowadzoną do sieci E wp, straty i różnice bilansowe ΔE oraz obliczone według wzoru (1) wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE % w KSE w latach dla sieci elektroenergetycznych poszczególnych poziomów napięć. Ponadto podano wartości wskaźników w 1 i w 2. Ilustrację graficzną danych zestawionych w tabeli 1 stanowią rysunki 1-8, na których przedstawiono: - procentowe wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE % - oraz w jednostkach względnych: energię elektryczną wprowadzoną do sieci E wp (wskaźniki w 1 ), straty i różnice bilansowe energii elektrycznej ΔE (wskaźniki w 2 ). Z analizy danych liczbowych, zestawionych w tabeli 1 oraz zilustrowanych na rysunkach 1-8, sformułowano wnioski dotyczące strat energii w latach w elektroenergetycznych sieciach poszczególnych poziomów napięć. Tabela 1. Straty i różnice bilansowe energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym w GWh a) Sieci 400 i 220 kv Rok E wp ΔE ΔE % w 1 w 2 b) Sieci 110 kv Rok E wp ΔE ΔE % w 1 w ,89 1,00 1, ,20 1,10 1, ,15 1,18 1, ,21 1,00 1, ,21 1,03 0, ,92 1,19 1, ,87 1,17 1, ,75 1,10 0, ,69 1,25 1, ,47 1,10 0, ,64 1,29 1, ,85 1,10 0, ,77 1,30 1, ,70 1,12 0, ,44 1,13 0, ,55 1,15 0,42

4 c) Sieci średniego napięcia Rok E wp ΔE ΔE % w 1 w ,38 1,00 1, ,29 1,05 1, ,89 1,11 0, ,72 1,16 0,99 d) Sieci niskiego napięcia Rok E wp ΔE ΔE % w 1 w ,94 1,00 1, ,97 1,02 0, ,88 1,06 0, ,78 1,10 0, ,47 1,20 0, ,09 1,21 0, ,32 1,13 0, ,30 1,11 0, ,74 1,10 0, ,03 1,23 0, ,37 1,11 0, ,99 1,26 0,86 E_wp E Rys.1. Wartości względne energii elektrycznej wprowadzonej E wp oraz strat ΔE dla sieci 400 i 220 kv Rys.2. Wskaźnik strat i różnic bilansowych dla sieci 400 i 220 kv E_wp E Rys.3. Wartości względne energii elektrycznej wprowadzonej E wp oraz strat ΔE dla sieci 110 kv Rys.4. Wskaźnik strat i różnic bilansowych dla sieci 110 kv

5 E_wp E Rys.5. Wartości względne energii elektrycznej wprowadzonej E wp oraz strat ΔE dla sieci średniego napięcia Rys.6. Wskaźnik strat i różnic bilansowych dla sieci średniego napięcia E_wp E Rys.7. Wartości względne energii elektrycznej wprowadzonej E wp oraz strat ΔE dla sieci niskiego napięcia Rys.8. Wskaźnik strat i różnic bilansowych dla sieci niskiego napięcia Sieci najwyższych napięć 400 i 220 kv (NN): - w latach obserwuje się szybszy wzrost strat energii niż wzrost energii wprowadzonej do sieci wartości ΔE wzrosły o 33%, wartości ΔE% o 13,5%, przy wzroście energii wprowadzonej E wp o 17,6%; - widoczne obniżenie strat energii nastąpiło w od 2007 roku spadek ΔE o 9,3% i ΔE % o 17,6% w roku 2015 w stosunku do roku 2006, przy wzroście E wp o 10,2%. Sieci 110 kv: - nietypowym przypadkiem był rok 2002, w którym wskaźnik strat ΔE % był równy 4,21%, czyli prawie dwukrotnie wyższy niż w innych latach; - w sieciach 110 kv można wydzielić dwa okresy w tendencjach zmian poziomu strat energii (pomijając rok 2002) od 2003 do 2006 roku wyższe wartości ΔE % o 22,8% i obniżenie

6 wartości ΔE % w latach o 43,7%, przy niewielkim przyroście energii wprowadzonej E wp ok. 5% w tym okresie. Sieci średniego napięcia (SN): - wartości wskaźnika strat ΔE % w latach kształtowały się na poziomie ok. 4%; widoczny spadek wartości ΔE % wystąpił dopiero w ostatnich pięciu latach, osiągając wartość ok. 3%; - analizując cały rozpatrywany okres lat , można zauważyć widoczny spadek rocznych strat ΔE o 14,1% i wskaźnika ΔE % o 31,7%, przy wysokim przyroście energii wprowadzonej do sieci E wp o 25,8%. Sieci niskiego napięcia (nn): - w sieciach niskiego napięcia występuje w badanym piętnastoleciu najwyższe i regularne obniżanie rocznych strat ΔE o 50% i wskaźnika ΔE % o 44,9%, przy niewielkim wzroście energii wprowadzonej E wp o 11,3%. Dla szerszego poglądu na zmianę strat energii w polskich sieciach elektroenergetycznych zestawiono w tabeli 2 łączne straty na wszystkich poziomach napięć oraz wyprodukowaną energię w polskich elektrowniach w latach Na podstawie tych danych oszacowano względne straty w stosunku do globalnie wytworzonej ilości energii E prod. W ciągu 5 lat łączne straty energii zmalały o ok. 16,5%, przy niewielkim wzroście produkcji energii ok. 2,4%. Na podkreślenie zasługuje fakt, że w roku 2014 i 2015 nastąpił spadek produkcji energii o ok. 2% w stosunku do 2013 roku. Tabela 2. Produkcja i straty energii elektrycznej w Polsce w pięciolecie Rok Jedn E prod TWh 157,7 163,5 162,1 164,6 159,1 161,4 ΔE TWh 12,0 10,6 10,7 10,5 10,1 10,2 ΔE % % 7,58 6,47 6,61 6,37 6,33 6,33 Wpływ OZE na poziom strat energii elektrycznej Wprowadzona przez dyrektywę europejską oraz potwierdzona przez polską politykę energetyczną konieczność uzyskania określonego udziału wytwarzanej energii elektrycznej w źródłach odnawialnych stała się bodźcem, który wymusza zmianę dotychczasowej struktury źródeł wytwórczych w KSE. Odnawialne źródła energii lokalizowane są często w głębi sieci, co może powodować krótsze drogi przepływu energii do odbiorców i w konsekwencji

7 mniejsze straty energii. Aby potwierdzić powyższą tezę, zbadano korelację między energią elektryczną dostarczoną (wprowadzoną) ze źródeł odnawialnych na poziom strat i różnic bilansowych w KSE. W tabeli 3 zestawiono wartości energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych odpowiednio do sieci 110 kv, SN i nn. Ponadto w tabelach zamieszczono dwa wskaźniki liczbowe: w 4 określa stosunek energii ze źródeł odnawialnych do energii elektrycznej dostarczonej (wprowadzonej) do sieci na danym poziomie napięcia; w 5 określa stosunek energii ze źródeł odnawialnych w danym roku do energii w roku Ilustrację graficzną danych z tabeli 3 stanowią rysunki 9a, b, c, przy czym ograniczono się tylko do przedstawienia zmian wskaźnika w 4 (dla sieci 110 kv, SN i nn), czyli udziału energii elektrycznej wprowadzonej ze źródeł odnawialnych w danym roku do energii elektrycznej wprowadzonej w roku Tabela 3. Energia dostarczona ze źródeł odnawialnych Rok do sieci 110 kv do sieci SN do sieci nn E wp w 4 w 5 E wp w 4 w 5 E wp w 4 w 5 GWh - GWh - GW h ,4 1, ,5 1, ,2 1, ,1 3, ,2 1, ,2 1, ,6 4, ,3 1, ,8 0, ,7 16, ,2 3, ,8 0, ,0 29, ,1 7, ,7 0, ,5 70, ,0 14, ,5 0, ,0 112, ,7 23, ,6 0, ,9 160, ,4 29,8 74 1,3 0,64

8 a) b) c) alfa = 29,82% alfa = - 3,33% alfa = 47,78% Rys.9. Stosunek energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych wprowadzonej do sieci 110 kv (9a), SN (9b) i nn(9c) w danym roku do energii dostarczonej w roku 2002 Z analizy danych liczbowych zestawionych w tabeli 3 oraz rysunkach 9a, b, c można sformułować następujące wnioski: - ilość energii elektrycznej dostarczonej (wprowadzonej) ze źródeł odnawialnych do sieci 110 kv i sieci SN miała wyraźną tendencję wzrostową, tak w wartościach nominalnych, jak i w udziale energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej energii elektrycznej wprowadzonej (dostarczonej) do sieci na danym poziomie napięcia; - dla sieci 110 kv udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej energii elektrycznej dostarczonej do tej sieci wzrósł od 0,4 w roku 2002 do 51,9 w roku 2015; - dla sieci średniego napięcia udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej energii elektrycznej wprowadzonej do tej sieci wzrósł od 1,5 w roku 2002 do 34,4 w roku 2015; - ilość energii elektrycznej wprowadzonej ze źródeł odnawialnych do sieci niskiego napięcia zmieniała się nieregularnie w poszczególnych latach w wartościach nominalnych od 74 (w 2015 roku) do 138 GWh, a ich udział w całkowitej energii elektrycznej wprowadzonej do tej sieci wahał się w granicach 1,3-2,6. Na rysunkach 9a, b, c podano dodatkowo średni roczny przyrost energii wprowadzonej ze źródeł odnawialnych α. Najwyższą wartość α = 47,78% uzyskano dla sieci 110 kv, co jest odzwierciedleniem dynamicznego wzrostu w ostatnich latach farm wiatrowych przyłączanych do tej sieci. Niska wartość α < 0 dla sieci nn wskazuje, że nie obserwuje się jak na razie silnego rozwoju energetyki prosumenckiej. Dla oceny wpływu ilości energii dostarczonej (wprowadzonej) ze źródeł odnawialnych do sieci na poziom strat wyznaczono dla poszczególnych poziomów napięć wartości współczynnika korelacji R xy pomiędzy wartościami wskaźnika strat ΔE % w 3 a wartościami wskaźnika udziału energii ze źródeł odnawialnych w 5. Współczynnik korelacji

9 jest miarą współzależności dwóch serii wartości liczbowych x i y. Wartość R xy zawiera się w przedziale 1 R xy +1. Współzależność zmiennych jest tym silniejsza, im bliższa jedności jest bezwzględna wartość R xy. Najsilniejszą współzależność pomiędzy obniżeniem wartości wskaźnika strat w miarę wzrostu ilości energii elektrycznej wprowadzonej ze źródeł odnawialnych zauważa się dla sieci SN. Świadczy o tym wysoka wartość współczynnika korelacji R = 0,89. Brak współzależności występuje w sieciach niskiego napięcia (R<<1,0). Analogiczne obliczenia współczynnika korelacji dla wskaźników w 3 i w 5 dla sieci 110 kv dały rezultat R = 0,62, co świadczy tylko o średniej korelacji pomiędzy obniżeniem wartości wskaźnika strat w miarę wzrostu ilości energii elektrycznej dostarczonej ze źródeł odnawialnych. Wpływ na to ma fakt, że w sieci 110 kv występowały rożne tendencje zmian poziomu strat i różnic bilansowych w poszczególnych latach (praktycznie zmniejszanie wartości wskaźnika strat bilansowych obserwuje się dopiero od roku 2007). Możliwości wzrostu efektywności energetycznej w sieciach elektroenergetycznych Optymalizacja konfiguracji sieci to jedno z podstawowych działań, często bezinwestycyjnych, prowadzących do zmniejszania strat w sieciach rozdzielczych. Wprowadzenie metod optymalizacyjnych może doprowadzić do zmniejszenia sumarycznych strat mocy nawet o kilkanaście procent [3]. Do przedsięwzięć (zgodnych z zaleceniami podanymi w Ustawie o efektywności energetycznej), dzięki którym uzyskuje się wzrost efektywności energetycznej procesu przesyłu mocy i energii zalicza się: - optymalizację przepływów mocy biernej, polegającą na ograniczeniu poboru mocy i energii biernej przez rożnego rodzaje odbiorniki oraz zastosowaniu kompensacji mocy biernej (zgodne z Ustawą o efektywności energetycznej), - poprawę procesu transformacji w transformatorach poprzez: a) zastosowanie układów kompensacyjnych w stanach niskiego obciążenia i pracy jałowej, b) wymianę transformatorów na jednostki dostosowane do zapotrzebowania mocy oraz charakteryzujące się wyższą efektywnością energetyczną (zgodne z Ustawą o efektywności energetycznej), - ograniczenie,,kradzieży energii przez odbiorców (minimalizowanie tzw. strat handlowych). Możliwości techniczne i technologiczne zapoczątkowały ostatnio wprowadzanie do eksploatacji sieci inteligentnych, inaczej smart grid. Inteligentna sieć elektroenergetyczna ma pozwolić na zapewnienie ciągłych, bezpiecznych i efektywnych usług w zakresie dystrybucji energii elektrycznej.

10 Konsekwencją przekształcania sieci istniejącej w sieć inteligentną (modernizacja sieci), w tym wprowadzanie szerokiego opomiarowania (smart meterring) i zarządzania w sieciach pozwoli na obserwację zmian zapotrzebowania mocy przez odbiorców i optymalne sterowanie (przede wszystkim przepływami mocy), co może doprowadzić do dalszego obniżenia strat. Będzie to jednak wymagało dodatkowych nakładów inwestycyjnych. Spośród szerokiego katalogu rozwiązań inteligentnych sieci na obecnym etapie rozwoju najważniejsze dla polskich operatorów winny być te technologie, które najmocniej przyczyniają się do poprawy niezawodności dostaw energii. Poza tym mają pomoc w przygotowaniu operatorów do budowy platformy inteligentnej sieci, spełniającej wymagania regulacyjne, zwiększającej efektywność energetyczną oraz unowocześniającej infrastrukturę sieciową. Bibliografia 1. Statystyka Elektroenergetyki Polskiej , Agencja Rynku Energii SA, Warszawa Niewiedział E., Niewiedział R.: Analiza strat energii elektrycznej w sektorze dystrybucji, w: Ograniczanie strat energii elektrycznej w elektroenergetycznych sieciach rozdzielczych, PTPiREE, Poznań Helt P., Zduńczyk P.: Optymalizacja konfiguracji dla sieci rozdzielczych SN i nn,,,acta Energetica 2014 nr 4/ Niewiedział E., Niewiedział R.: Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym w ostatnim piętnastoleciu, w: Materiały VII Konferencji Naukowo-Technicznej nt. Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych, Kołobrzeg 2016.