Podnoszenie sprawności rozdziału energii elektrycznej w sieciach niskiego i średniego napięcia. Generacja rozproszona

Transkrypt

1 Podnoszenie sprawności rozdziału energii elektrycznej w sieciach niskiego i średniego napięcia. Generacja rozproszona Autorzy: Jerzy Szkutnik, Anna Gawlak - Politechnika Częstochowska ( Energia Elektryczna styczeń 2009) Generacja rozproszona - tym mianem określamy źródło wytwarzania energii przyłączane bezpośrednio do sieci rozdzielczych lub zlokalizowane w sieci elektroenergetycznej odbiorcy, często produkujące energię elektryczną ze źródeł odnawialnych. Nie obejmuje zazwyczaj energetyki wiatrowej, utoŝsamianej raczej z duŝymi fermami wiatrowymi niŝ z pojedynczymi elektrowniami wiatrowymi. Przez źródło wytwarzania energii naleŝy rozumieć źródło pozwalające generować moc rzędu 1kW do 5MW [1,2,3]. W źródłach rozproszonych są stosowane róŝne technologie wytwarzania energii elektrycznej: od tradycyjnych, poprzez energetykę skojarzoną, odnawialne źródła energii, do ogniw paliwowych i zasobników energii. Ulokowanie źródła wytwarzania energii w pobliŝu miejsca odbioru znacznie ogranicza koszty związane z przesyłem energii, które przy tradycyjnym zakupie energii elektrycznej stanowią ok. 30 proc. całkowitej ceny. Oczywiście, udział tych kosztów jest róŝny dla róŝnych grup odbiorców - znacznie mniejszy dla odbiorców zasilanych wysokim napięciem, dla gospodarstw domowych stanowi ponad 40 proc. ceny energii. Pewną barierą w powszechnym zastosowaniu generacji dla duŝych wytwórców stanowi juŝ sama liczba rodzajów paliwa potrzebnego dla wytworzenia energii. Dla generacji rozproszonej są to m.in.: olej napędowy, gaz ziemny, biomasa. Po drugie, koszt generatora przeliczony na kwh jest znacznie większy niŝ w przypadku duŝych inwestycji elektrownianych. Po trzecie, koszt dostawy paliwa jest wyŝszy, takŝe sprawność jest niŝsza niŝ w przypadku duŝych elektrowni zasilanych tym samym rodzajem paliwa. Mimo powyŝszych róŝnic przemawiających na korzyść duŝych producentów energii, generacja rozproszona stanowi coraz wyraźniejszą alternatywę w przypadku wyboru dostawcy energii, co wpływa pozytywnie na rynek, wymuszając konkurencję w walce o klienta. Przyczyn rozwoju generacji rozproszonej moŝna dopatrywać się w liberalizacji rynku energii, prowadzącej do wzrostu konkurencji i poszukiwaniu nowych źródeł przychodu. Nie bez znaczenia jest rosnące znaczenie bezpieczeństwa dostaw i związana z tym dywersyfikacja źródeł energii. Rosnące koszty produkcji i przesyłu energii ze źródeł scentralizowanych, obowiązki wynikające z wymogów ochrony środowiska, trudności

2 w budowie nowych sieci przesyłowych - sprzyjają rozwojowi mechanizmów rynkowych i regulacyjnych dotyczących źródeł rozproszonych. Źródła generacji rozproszonej, jako dodatkowe źródła energii: pozwalają przesunąć w czasie potrzebę rozbudowy sieci przesyłowej i dystrybucyjnej podnoszą niezawodność systemów elektroenergetycznych ograniczają straty przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej są wykorzystane jako źródła zasilania awaryjnego umoŝliwiają dokładne dopasowanie mocy jednostek wytwórczych do zapotrzebowania nie wymagają rozleglej infrastruktury sieciowej nie są szkodliwe dla środowiska Generacja rozproszona posiada równieŝ wady. Do najistotniejszych moŝna zaliczyć: nieokreślony udział tych źródeł w odpowiedzialności i podziale ryzyka związanego z bezpieczeństwem systemu elektroenergetycznego złoŝone i niejednoznaczne procedury sieciowe, np. koszty przyłączania, świadczenie usług systemowych, koszty rezerwowania mocy niŝsza sprawność wywarzania energii wyŝsze koszty inwestycyjne obawa przed negatywnym oddziaływaniem na system elektroenergetyczny Straty w pojedynczej linii Ogólnie rzecz biorąc, włączenie do sieci rozproszonych źródeł energii pociąga za sobą obniŝenie strat. W znacznym stopniu zaleŝny to od lokalizacji tych źródeł. Ich zbliŝenie do miejsca poboru energii z sieci powoduje obniŝenie strat. Lokalizacja omawianych źródeł w stosunku do połoŝenia odbiorców będzie zaleŝała w pewnym stopniu od ich mocy. Zmniejszenie straty w pojedynczej linii, wynikające z przyłączenia dodatkowego źródła (generacji rozproszonej) zaleŝne od miejsca przyłączenia tego źródła (l 2 ) i mocy wprowadzonej do linii (l 1 ) przedstawiono na rys.1.

3 ZałoŜono, Ŝe: linia jest bez odgałęzień źródła rozproszone będą zlokalizowane w odległości l 2 (licząc od końca toru) cała energia zapotrzebowana przez odbiorców na długości l 2 będzie ze źródeł rozproszonych [4] Rysunek1. Zmniejszenie strat spowodowanych przyłączeniem źródła generacji rozproszonej w pojedynczej linii bez odgałęzień. Linia bez odgałęzień nie jest reprezentatywna dla sieci. Aby zbliŝyć analizę do praktyki, rozpatrzono linię o cechach zbliŝonych do struktury przeciętnej [5]. Wyniki obliczeń dla przeciętnej linii nn pokazano na rys. 2.

4 Rysunek 2. Zmniejszenie strat spowodowanych przyłączeniem źródła generacji rozproszonej w pojedynczej linii z uwzględnieniem odgałęzień. Straty w sieci Straty w liniach niskiego napięcia nie są jedynymi, jakie zmniejszają się przy przyłączeniu źródeł rozproszonych do sieci niskiego napięcia. Zmaleją równieŝ straty w transformatorach SN/nn, w liniach SN, jak równieŝ w transformatorach 110/SN i w liniach 110 kv. Dla transformatora moŝna przeprowadzić analizę indywidualną. Zagadnienie jest bowiem oczywiste: maleją straty obciąŝeniowe. Zmniejszenie strat napięciowych wymagałoby wymiany transformatora na mniejszy. Zabieg taki byłby jednak ryzykowny, ze względu na niezbyt duŝą pewność pracy źródła energii rozproszonej, np. w przypadku turbiny wiatrowej trzeba się liczyć z ciszą. Straty w transformatorze pokazane jako procent strat w transformatorze, gdy nie ma źródeł rozproszonych przy zmiennym współczynniku obciąŝenia transformatora w funkcji procentu energii zapotrzebowanej wprowadzonej ze źródeł rozproszonych pokazano na rys. 3.

5 Rysunek 3. Procent strat w transformatorach liczony do strat w transformatorze, gdy nie ma źródeł rozproszonych przy róŝnym współczynniku obciąŝenia transformatora w funkcji procent energii wprowadzonej ze źródeł rozproszonych. JeŜeli chodzi o całkowitą obniŝkę strat w sieci, przeprowadzono obliczenia dla przykładowej SD. ZałoŜono przy tym, Ŝe ze źródeł rozproszonych będzie wprowadzone: # 5 proc. # 10 proc. energii sprzedanej odbiorcom na niskim napięciu Wyniki obliczeń pokazano w tab. 1.

6 Tabela 1. Straty w sieci niskiego i średniego napięcia w SD przy wprowadzeniu energii ze źródeł rozproszonych do sieci niskiego napięcia. Straty energii 5% energii 10% energii % % sprzedanej na sprzedanej na zmniejszenia zmniejszenia nn ze źródeł nn ze źródeł strat w stosunku strat w sto- rozproszonyc rozproszonyc do sunku do h h strat bez strat bez generacji, przy 5% generacji, przy 10% ObciąŜeniowe w 14011, , ,2 0,841 1,721 liniach W transformatorach 34857, , ,7 1,670 3,341 SN/nn Inne 10438, , ,9 0,0 0,0 Techniczne w nn 59307, , ,8 1,187 2,354 ObciąŜeniowe w 92410, , ,8 4,339 8,968 liniach SN Techniczne w SN 96136, , ,3 4,163 8,591 W transformatorach 11455, , ,7 2,054 4, /SN Techniczne w sieci nn+sn+110 kv , , ,7 2,612 5,290 Dla omawianej SD straty techniczne w sieci niskiego napięcia wynosiły 5,30 proc., a w sieci średniego napięcia 5,31 proc. Wprowadzenie ze źródeł generacji rozproszonej 5 proc. energii spowoduje zmniejszenie strat w sieci niskiego napięcia do 5,22 proc., a w sieci średniego napięcia do 5,10 proc. JeŜeli zostanie wprowadzone 10 proc. energii, to straty w sieci niskiego napięcia wyniosą 5,15 proc. w sieci średniego napięcia 4,89 proc. W całej sieci (nn+sn+110) wprowadzenie ze źródeł generacji rozproszonej na niskim napięciu 5 proc. energii sprzedanej, spowoduje obniŝenie strat z 7,74 do 7,38 proc. Przy 10 proc. straty zmaleją do 7,04 proc. Inaczej wyglądają straty, gdy źródła generacji rozproszonej są podłączone do sieci SN. W tab. 2 przedstawiono jak zmieniają się straty przy wprowadzeniu energii ze źródeł rozproszonych do sieci SN. Energia ze źródeł rozproszonych będzie wynosiła odpowiednio - 5 i 10 proc. energii sprzedanej wielkim odbiorcom.

7 Tabela 2. Straty energii w sieci SD przy wprowadzeniu energii ze źródeł rozproszonych do sieci średniego napięcia. Straty energii 5% energii 10% energii %zmniejsze %zmniejsze sprzedanej WO sprzedanej ze WO nia strat w nia strat w ze sto-sunku do sto-sunku do źródeł źródeł strat bez strat bez rozproszonyc h rozproszonyc h generacji, przy 5% generacji, przy 10% ObciąŜeniowe w 92410, , ,6 0,744 1,494 liniach SN Inne w SN 3726,5 3726,5 3726,5 0,0 0,0 Techniczne w SN 96136, , ,1 0,715 1,436 W transformatorach 11455, , ,1 1,373 2, /SN Techniczne w , , ,5 0,564 1,119 kv Techniczne w sieci (nn+sn+110 kv) , , ,7 0,465 0,929 Dla analizowanej SD straty techniczne w sieci niskiego napięcia wynosiły 5,30 proc., a w sieci średniego napięcia 5,31 proc. Wprowadzenie ze źródeł generacji rozproszonej 5 proc. energii dla odbiorców zasilanych z sieci SN nie spowoduje zmiany strat w sieci niskiego napięcia, w sieci średniego napięcia straty zmaleją do 5,27 proc. JeŜeli zostanie wprowadzone 10 proc. energii to straty w sieci średniego napięcia zmaleją do 5,23 proc. W całej sieci (nn+sn+110) wprowadzenie ze źródeł generacji rozproszonej na średnim napięciu 5 proc. energii sprzedanej WO spowoduje obniŝenie strat z 7,74 do 7,60 proc., przy 10 proc. straty zmaleją do 7,47 proc. Większe zmniejszenie strat nastąpi, gdy źródła generacji rozproszonej będą przyłączone do sieci niskiego napięcia, poniewaŝ energia sprzedana odbiorcy na nn nie przepłynie zarówno przez sieć 110 kv, jak i SN. W omawianych przykładzie róŝnica ze zmniejszenia strat w przypadku przyłączenia źródeł generacji rozproszonej do sieci niskiego napięcia jest większa niŝ w przypadku przyłączenia ich do sieci SN. Wynika to nie tylko z tego, Ŝe przyłączenie do sieci nn powoduje zmniejszenie strat równieŝ w sieci nn, ale takŝe z tego, Ŝe energia wprowadzona do sieci nn ze źródeł rozproszonych była większa niŝ w przypadku sieci SN. Podsumowanie Trafny wybór miejsca przyłączenia dodatkowych źródeł energii daje podwójną korzyść: zmniejszenie produkcji energii w elektrowniach oraz dodatkowo zmniejszenie strat energii. W przypadku omawianej SD do sieci nn wprowadzono MWh energii ze źródeł

8 generacji rozproszonej, zaś straty w sieci zmalały o 4719,1 Mwh, co stanowi 8,91 proc. energii z dodatkowych źródeł. Energia ze źródeł odnawialnych jest na ogół droŝsza od wyprodukowanej w elektrowniach, jednak nie moŝna zapominać o dodatkowych korzyściach wynikających ze zmniejszenia strat. Literatura [1] P. Biczel, J. Paska, Energetka rozproszona,,,elektroenergetyka'' nr 4/2003. [2] M. Jurczyk, Generacja rozproszona a rynek energii,,,rynek energii'' nr 3/2005. [3] T. Skoczkowski, Rozwój polskich regulacji prawnych w aspekcie rozproszonych źródeł energii. Seminarium Integracja generacji rozproszonej z Polskim Systemem Elektroenergetycznym, Warszawa, kwiecień 2007 r. [4] A. Gawlak, Wpływ źródeł generacji rozproszonej na poziom strat w sieciach rozdzielczych. XIII Międzynarodowa Konferencja Naukowa,,Aktualne problemy w elektroenergetyce'', Jurata czerwca 2007 r. [5] A. Gawlak, Stan wiejskich linii niskiego napięcia w Polsce w 1991 r.,,,energetyka'' nr 10/1992 r. [6] Jahnatek L., Szkutnik J., Strategia rozwoju energetyki w Europie. Energochłonność przemysłów Polski i Słowacji,,,Energia Elektryczna'' Wydawnictwo Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej nr 2/2008 r. [7] Michal Kolcun, Ľubomír Jahnátek, Systémové poruchy v elektrizačných sústavách, IVth International Scientific Symposium ELEKTROENERGETIKA 2007, Stará Lesná, Slovak Republic.