KORZYŚCI EKONOMICZNE WYNIKAJĄCE Z ZASTOSOWANIA ZASOBNIKA ENERGII W SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA

Transkrypt

1 KORZYŚCI EKONOMICZNE WYNIKAJĄCE Z ZASTOSOWANIA ZASOBNIKA ENERGII W SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA Autorzy: Robert Jędrychowski, Paweł Pijarski, Sylwester Adamek, Klara Sereja ("Rynek Energii" - luty 2017) Słowa kluczowe: zasobnik energii, mikrogeneracja, modernizacja sieci nn Streszczenie. W artykule przedstawiono analizę ekonomiczną warunków, w których wprowadzenie zasobnika energii byłoby alternatywą dla modernizacji instalacji nn, a przez to przyniosłoby wymierne efekty ekonomiczne dla operatora sieci. Zasobnik energii współpracujący z układem kontrolującym pracę sieci może łagodzić zagrożenia spowodowane nadmierną generacją lub dużymi obciążeniami występującymi okresowo. 1. WSTĘP Operatorzy sieci dystrybucyjnych podejmując decyzję o modernizacji lub rozbudowie infrastruktury sieciowej kierują się różnymi przesłankami technicznymi i ekonomicznymi. W ostatnich latach, wobec rozwoju energetyki prosumenckiej, coraz częściej występują sytuacje, gdy operatorzy w trybie pilnym będą musieli podejmować działania mające na celu łagodzenie zagrożeń, przekroczeń napięć w sieciach niskiego napięcia w wyniku coraz większej liczby mikroinstalacji wytwórczych. Udział źródeł fotowoltaicznych w pewnych warunkach może wspierać pracę obwodów mocno obciążonych, ale może także prowadzić do występowania w sieciach przekroczeń napięciowych lub prądowych. Operatorzy sieci mogą podejmować różne działania w celu ograniczania tego typu zagrożeń. Mogą to być inwestycje w przebudowę sieci zmiana przewodów lub kabli, budowa nowych linii budowa nowych stacji SN/nn, stosowanie układów do regulacji napięcia, np. podobciążeniowej regulacji przekładni transformatorów SN/nn lub regulatorów sieciowych. W szczególnych przypadkach operatorzy sieci mogą ograniczać zwiększanie obciążenia sieci, a także moc generowaną w źródłach prosumenckich. Wszystkie tego typu zabiegi wiążą się z kosztami inwestycyjnymi lub kosztami ewentualnych odszkodowań dla właścicielowi mikroistalacji wytwórczych. W niniejszym referacie rozważano koszty różnych zabiegów modernizacyjnych. Ma to dać odpowiedź na pytanie, kiedy wykorzystanie układów zasobników energii, jako dodatkowego elementu sieci, może być rozważane w procesie inwestycji lub modernizacji sieci? Przeprowadzone obliczenia pozwalają stwierdzić, że poprawnie dobrany i zainstalowany układ zasobnikowy może z powodzeniem być wykorzystany, jako urządzenie poprawiające warunki pracy sieci niskiego napięcia tylko w szczególnych warunkach. Oczywiście ostateczna decyzja od wyborze metody likwidacji zagrożeń będzie podejmowana przez operatora sieci na podstawie rachunku ekonomicznego. Należy jednak pamiętać, że instalacja zasobnika jest jedną z prostszych i szybszych do realizacji metod.

2 Z czasem, w miarę zmniejszania się cen baterii akumulatorów, ich instalacja może być konkurencyjna w stosunku do innych zabiegów inwestycyjnych. Pomimo ograniczonej (zawsze mniejszej od 1) sprawności zasobnika jego praca może ograniczać straty mocy w sieci i tym samym całkowite straty energii w sieci z zasobnikami mogą być mniejsze niż w sieci bez zasobników. W przypadku, gdy inwestorem będzie operator sieci wybór miejsca lokalizacji powinien być poprzedzony analizami obliczeniowymi uwzgledniającymi charakter pracy poszczególnych odbiorców oraz liczbę źródeł energii w poszczególnych obwodach. 2. OPIS SIECI Operator sieci dystrybucyjnej podejmuje decyzję o jej modernizacji na podstawie różnych przesłanek technicznych i ekonomicznych. Dotyczy to również sieci nn. Decyzja o modernizacji sieci nn może być spowodowana różnymi czynnikami, należą do nich: zły stan techniczny linii, zwiększenie obciążenia sieci, przyłączanie źródeł energii, konieczność zapewnienia właściwych parametrów napięcia, zwiększenie niezawodności zasilania, poprawa jakości energii. Rys. 1. Schemat sieci testowej W celu przeprowadzenia analizy zamodelowana został fragment sieci składający się z transformatora SN/nn oraz trzech obwodów nn o długościach l Obw odpowiednio 150, 300 i 450 m. W każdym obwodzie umieszczono trzy węzły, do których przyłączono obciążenia. Dla uproszczenia rozważań przyjęto założenie, że węzły w poszczególnych obwodach są rozłożone równomiernie na całej długości i obciążone taką samą mocą. W modelach uwzględniono rezystancję i reaktancję linii (choć dla linii nn często reaktancja jest pomijana). Przyjęto również stałą wartość współczynnika mocy równą 0,95 (indukcyjny) dla wszystkich obciążeń.

3 W wariancie wyjściowym założono, że sieć modernizowana wykonana została przewodem o przekroju 50 mm 2. Rozpatrywano zarówno sieć napowietrzną jak i kablową. Dla obu rodzajów sieci rozważano dwa przypadki: w sieci nn założono dopuszczalne odchylenie napięcia ± 10 %, zgodnie z normą PN-EN 50160, w sieci nn przyjęto dopuszczalny spadek napięcia równy 4 %. W obu przypadkach sprawdzano także dodatkowe ograniczenie możliwości przesyłu mocy, wynikające z dopuszczalnej obciążalności prądowej przewodów. W czasie analiz wyznaczano maksymalną moc, którą można przesłać do odbiorców bez przekraczania dopuszczalnych warunków pracy układu (spadków napięcia i obciążalności linii). Każdorazowo przyjmowano równomierny podział obciążeń pomiędzy węzły sieci. Najważniejszym wynikiem analiz jest obliczenie wartość dodatkowej mocy (P dod ), która może być przesłana do odbiorców po wykonaniu modernizacji po zmianie przewodów linii. Ponadto, każdorazowo obliczano całkowity koszt modernizacji (K M ) oraz koszt podniesienia możliwości przesyłowych sieci o 1 kw mocy (K 1kW, całkowity koszt modernizacji dzielono przez moc dodatkową). 3. MODERNIZACJA SIECI KABLOWEJ Dla analiz modernizacji linii kablowej uzyskano następujące, przedstawione w poniższych tabelach, wyniki. Tabela 1. Wyniki obliczeń dla linii kablowych przy założeniu dopuszczalnego odchylenia napięcia ± 10 % Linia modernizowana Nowa linia l Obw P dod K M K 1kW m kw zł zł/kw YAKY 4x50 YAKY 4x YAKY 4x50 YAKY 4x YAKY 4x50 YAKY 4x YAKY 4x70 YAKY 4x YAKY 4x70 YAKY 4x YAKY 4x70 YAKY 4x YAKY 4x95 YAKY 4x YAKY 4x95 YAKY 4x YAKY 4x95 YAKY 4x W tabeli 1 przedstawiono wyniki obliczeń uzyskanych dla założonego dopuszczalnego odchylenia napięcia ± 10 %. Pierwsza kolumna zawiera typ linii modernizowanej, w drugiej opisano linię po modernizacji. W ramach modernizacji przyjmowano zwiększenie przekroi

4 przewodów linii o jeden stopień od 50 do 120 mm 2. Kolumna trzecia zawiera długości poszczególnych obwodów w sieci testowej. W kolumnie czwartej podano wartość mocy P dod, jaką można pobrać z rozpatrywanego obwodu po zwiększeniu przekroju linii o jeden stopień. Przy wyliczeniu mocy dodatkowej ograniczeniami były obciążalność długotrwałą przewodu oraz dopuszczalny spadek napięcia, przy czym, w czasie obliczeń okazało się, że dla obwodów krótkich (150 i 300 m) decydująca jest obciążalność prądowa. Natomiast dla najdłuższego obwodu decydujący był dopuszczalny spadek napięcia. Kolumna piąta zawiera koszty modernizacji linii. Są one podane jako szacunkowe dla danego typu linii. Uwzględniono w nich następujące składowe: demontaż starej linii, koszt wykonania nowej linii, montaż złączy kablowych lub przyłączy (w przypadku linii napowietrznej). W ostatniej kolumnie obliczono koszty zwiększenia mocy przesyłanej o 1 kw w wyniku modernizacji linii. Tabela 2. Wyniki obliczeń dla linii kablowych przy założeniu dopuszczalnego spadku napięcia 4 % Linia modernizowana Nowa linia l Obw P dod K M K 1kW m kw zł zł/kw YAKY 4x50 YAKY 4x YAKY 4x50 YAKY 4x YAKY 4x50 YAKY 4x YAKY 4x70 YAKY 4x YAKY 4x70 YAKY 4x YAKY 4x70 YAKY 4x YAKY 4x95 YAKY 4x YAKY 4x95 YAKY 4x YAKY 4x95 YAKY 4x W tabeli 2 zamieszczono wyniki uzyskane po przyjęciu, że dopuszczalny spadek napięcia w linii nie może przekroczyć 4%. Dla takich założeń, tylko w przypadku najkrótszego obwodu o ograniczeniu mocy decydowało kryterium obciążalności długotrwałej przewodów. 4. MODERNIZACJA SIECI NAPOWIETRZNEJ Dla analiz modernizacji przewodów linii napowietrznych uzyskano następujące, przedstawione w poniższych tabelach, wyniki.

5 Tabela 3. Wyniki obliczeń dla linii napowietrznej przy założeniu dopuszczalnego odchylenia napięcia ± 10 %. Linia modernizowana Nowa linia l Obw P dod K M K 1kW m kw zł zł/kw AL. 4x50 AsXSn 4x AL. 4x50 AsXSn 4x AL. 4x50 AsXSn 4x AsXSn 4x70 AsXSn 4x AsXSn 4x70 AsXSn 4x AsXSn 4x70 AsXSn 4x AsXSn 4x95 AsXSn 4x AsXSn 4x95 AsXSn 4x AsXSn 4x95 AsXSn 4x Tabela 4. Wyniki obliczeń dla linii napowietrznych przy założeniu dopuszczalnego spadku napięcia 4 %. Linia modernizowana Nowa linia l Obw P dod K M K 1kW m kw zł zł/kw AL. 4x50 AsXSn 4x AL. 4x50 AsXSn 4x AL. 4x50 AsXSn 4x AsXSn 4x70 AsXSn 4x AsXSn 4x70 AsXSn 4x AsXSn 4x70 AsXSn 4x AsXSn 4x95 AsXSn 4x AsXSn 4x95 AsXSn 4x AsXSn 4x95 AsXSn 4x Dla linii napowietrznej, modernizowanej z linii wykonanej przewodami gołymi do linii napowietrznej wykonanej przewodami izolowanymi wykonano obliczenia przy identycznych założeniach jak dla linii kablowych. Przyjęto dla uproszczenia obliczeń, że nie będą wymieniane słupy, a zmiana będzie obejmowała tylko wymianę przewodów. Może to budzić wątpliwości dla najmniejszych przekroi przy przejściu z linii nieizolowanej na izolowaną, ale wydaje się uzasadnione w kolejnych przypadkach. Dla linii napowietrznych w wyniku modernizacji uzyskuje się większych przyrosty możliwej do przesłania mocy P dod w porównaniu z liniami kablowymi. Niestety koszt modernizacji jest znacząco wyższy, mimo, że nie uwzględniono w nim wymiany słupów. W związku z powyższym, koszt uzyskania jednostkowego zwiększenia możliwości przesyłowych sieci także jest nieco wyższy. Jest to szczególnie widoczne dla dłuższych linii.

6 5. WYMIANA TRANSFORMATORA SN/nn Modernizacja sieci nn w praktyce nie ogranicza się jedynie do wymiany przewodów linii. Zwiększanie obciążeń w poszczególnych liniach musi prowadzić do sytuacji, w której pojawi się konieczność zmiany transformatora. W przypadku rozpatrywanej sieci następuje to przy wzroście mocy obciążenia sieci odpowiadającej wymianie przewodów z przekroju 70 do 95 mm 2. Tabela 5. Transformatory uwzględniane w rozpatrywanej sieci Linia S Tr K M K 1kW kva zł zł/kva YAKY 4x YAKY 4x YAKY 4x YAKY 4x Koszt pokazany w tabeli 5 nie jest tak jednoznaczny, gdyż cena transformatora o mocy 630 kva jest niemal identyczna jak 400 kva. W takim przypadku koszt uzyskania zwiększenia zdolności przesyłowych sieci o dodatkowy 1 kva byłby znacznie niższy. 6. INSTALACJA ZASOBNIKA ENERGII Obserwowany w ostaniem czasie rozwój technologii akumulatorowych układów magazynowania energii eklektycznej daje potencjalnie nowe możliwości, które mogą zostać wykorzystane także w sieciach dystrybucyjnych niskiego napięcia. Można zadać pytanie, czy instalacja magazynu energii może stanowić alternatywną inwestycję w stosunku do modernizacji sieci nn? Odpowiedź na tak postawione pytanie nie jest dziś jednoznaczna. Wynika to z kilku przyczyn. Pierwszą są parametry techniczne oferowanych magazynów energii, drugą koszty związane z jego instalacją i eksploatacją a trzecią żywotność baterii określana liczbą cykli ładowania. Tabela 6. Zestawienie kosztów dla danych z tabeli 1 przy założeniu wykorzystania przez 2 godzin dodatkowej obciążalności linii uzyskanej w wyniku modernizacji A dod P dod (2 h) K M K 1kW K 1kWh kw kwh zł zł/kw [zł/kwh]

7 Koszt zwiększenia możliwości przesłania dodatkowej kwh energii K1kWh [zł/kwh] W tabeli 6 podano wyniki stanowiące kontynuację obliczeń zamieszczonych w tabeli 1. Założono, że uzyskana w wyniku modernizacji moc dodatkowa P dod, którą możemy obciążyć poszczególne linie ponad obciążenie z przed modernizacji jest wykorzystywana w szczycie obciążenia średnio przez 2 godziny na dobę. Odpowiada to dostarczeniu w tym czasie dodatkowej energii A dod. Koszt zwiększenia możliwości przesłania dodatkowej kwh energii (K 1kWh ) w wyniku modernizacji podany został w ostatniej kolumnie tabeli ,0 1000,0 800,0 600,0 400,0 200,0 0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 czas trwania zapotrzebowania na zwiększoną moc [h] Rys. 2. Koszt zwiększenia możliwości dostarczenia energii w zależności od czasu jej wykorzystania w ciągu doby Aby uzyskać ten sam efekt stosując magazyn energii należy zastosować źródło, którego pojemność będzie większa od A dod, a moc oddawana w trybie ciągłym musi być większa lub równa P dod. Warto zauważyć, że w przypadku, gdy rozpatrywany czas, w którym potrzebna byłaby moc P dod wynosiłby średnio 1 godzinę na dobę to koszty uzyskania możliwości dostarczenia 1 kwh energii w wyniku modernizacji sieci wzrosną dwukrotnie. Wprowadzając surowsze kryteria stawiane sieci (spadek napięcia 4%) oraz uwzględniając wyższe koszty modernizacji osiąga się wyższe koszty uzyskania 1 kwh energii dodatkowej, co pokazano w tabeli 6. Dostępne na rynku magazyny energii oferują koszt instalacji 1 kwh na poziomie 400 USD (1640 zł) [3], mimo ciągłego obniżania tej wartości jest on znacząco wyższy od uzyskanych wyników.

8 7. PODSUMOWANIE Rozwój zasobników energii oraz optymistyczne dane podawane przez ich producentów zachęcają do rozważanie zasobników energii, jako dodatkowych elementów sieci nn. Zaprezentowane obliczenia pokazują, czy w przypadku, gdy zasobnik energii miałby być tylko źródłem energii dodatkowej, która można również uzyskać modernizując sieć, ma to uzasadnienie. W obecnych warunkach tylko w przypadkach szczególnych może to być uzasadnione, sama chęć zwiększenia mocy wydaje się być nieracjonalna. Jeśli do tego dodamy chęć poprawy jakości energii (co pokazano zakładając spadek napięcia do 4 %) oraz możliwość eliminacji krótkotrwałych wzrostów napięcia w wyniku działania instalacji prosumenckich, to instalacja zasobnika może mieć uzasadnienie. Przyjmując, że szacunkowa cena 1 kwh uzyskanej z zasobników energii stale maleje i ta tendencja będzie się utrzymywała przez następne lata, zastosowanie zasobników może być również racjonalne w sieciach nn. LITERATURA [1] Kacejko P., Pijarski P., Gałązka K.: Prosument - krajobraz po bitwie. Rynek Energii, Nr 2 (117) 2015, str [2] Jędrychowski R., Pijarski P., Adamek S.: Monitorowanie wpływu mikroinstalacji prosumenckich na parametry elektryczne sieci nn, Rynek Energii Elektrycznej: Energetyka Rozproszona; [Red:] Połecki Zbigniew - Lublin: Politechnika Lubelska, 2016, s (Monografie - Politechnika Lubelska) [3] ECONOMIC BENEFITS TO BE GAINED THROUGH THE APPLICATION OF ENERGY STORAGE TO LOW VOLTAGE NETWORKS Key words: energy storage, microgeneration, modernization of LV networks Summary. The article presents economic analysis concerning conditions, where the energy storage application makes an alternative solution to the modernization of a low voltage installation and can bring tangible economic benefits for the network operator. An energy storage unit cooperating with the network operation control system can mitigate hazards following from the surplus generation or high electricity demand that occur periodically Robert Jędrychowski, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, r.jędrychowski@pollub.pl. Paweł Pijarski, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, p.pijarski@pollub.pl. Sylwester Adamek, dr inż., jest pracownikiem Politechniki Lubelskiej, s.adamek@pollub.pl. Sereja Klara, mgr inż., jest doktorantką Politechniki Lubelskiej, k.sereja@pollub.pl.