Streszczenie w j. polskim pracy magisterskiej pt. Analyzation of the gas sector as an option for sector coupling in the electric power system

Transkrypt

1 Streszczenie w j. polskim pracy magisterskiej pt. Analyzation of the gas sector as an option for sector coupling in the electric power system ( Analiza sektora gazowego jako opcji dla sprzężenia sektorowego w systemie elektroenergetycznym ) Mgr inż. Maciej Sobczak Absolwent programu podwójnego dyplomowania : Politechnika Wrocławska Wydział Elektryczny Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg Chair of Electric Power Networks and Renewable Energy Sources Wrzesień 2017

2 1. Wprowadzenie Wraz z rozwojem technologii i przemysłu, w Europie oraz na świecie inżynierowie oraz biznesmeni zastanawiają się jak zmaksymalizować zyski i zminimalizować straty związane z wytwarzaniem różnych produktów. Energia, podobnie jak każdy inny produkt, podlega temu procesowi. Wytwarzanie energii wymaga dużych nakładów finansowych, a nawet niewielkie ograniczenie strat, związanych z jej produkcją, powoduje znaczące zyski. Innym ważnym czynnikiem jest odpowiednie zarządzanie odnawialnymi źródłami energii, takimi jak energia słoneczna i wiatrowa, których produkcja energii może zmieniać się w czasie. Ponieważ odnawialne źródła energii (OZE) stają się bardziej popularne i powszechne, można zauważyć większe zainteresowanie technologiami przechowywania energii, spowodowane chęcią rozwiązania problemu zmiennej produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Energia do celów użytecznych nie musi być przechowywana wyłącznie w formie elektrochemicznej. Każda z technologii przechowywania energii ma cechy, które ją charakteryzują i pozwalają znaleźć właściwe praktyczne zastosowanie. Z technicznego punktu widzenia rozwój OZE nie musi powodować znaczących problemów, które mają negatywny wpływ na stan systemu elektroenergetycznego. Choć technologia baterii akumulatorów może być najbardziej oczywista, to rozwój technologii Power-to-Gas przewyższa ich całkowitą moc i zakres. Taka technologia pozwala przechowywać całe TWh mocy przez długi okres czasu. System magazynowania umożliwi przechowywanie nadmiaru energii wytwarzanej ze źródeł odnawialnych podczas dobrej pogody i złagodzenia problemów z przeładowaniem sieci elektroenergetycznej. W przypadku, gdy występuje niedobór mocy, do sieci energetycznej może być dostarczana dodatkowa moc z magazynu energii. Technologie gazowe w połączeniu z domieszkowaniem wodoru lub syntetycznego gazu ziemnego do sieci gazowej umożliwiają wykorzystanie istniejącej infrastruktury gazowej do przechowywania dużych ilości energii z źródeł odnawialnych w postaci energii chemicznej. Aby wdrożenie rozwiązania Power-to-Gas na dużą skalę było możliwe, konieczne jest utworzenia interfejsu sprzęgającego między systemem gazowym i energetycznym. W celu umożliwienia zrozumienia problemów związanych z sprzęganiem układów energetycznych i gazowych, w pracy omówiono zagadnienia takie jak funkcjonowanie rynku gazu, struktura i technologie sieci gazowych, strategie biznesowe sektora gazowego i kreowanie symulacji prostego systemu gazowego. Ponieważ wewnętrzne funkcjonowanie rynków gazu może się różnić w poszczególnych regionach, praca opisuje ogólną ideę rynku gazu w Europie. Podobnie, jeśli chodzi o opisanie sieci gazowej, praca te będzie koncentrować się na regionie europejskim. Należy zauważyć, że chociaż główny nacisk kładzie się na Europę, wiele technologii i mechanizmów systemów oraz rynków gazu może być podobne na całym świecie. Każdy temat przedstawiony w rozdziałach pracy zasługuje na osobną obszerną publikację, dlatego przywołane zostały tylko najważniejsze informacje, w celu stworzenia ogólnego obrazu rynku gazu i systemu gazowego dla osób, które mogą nie być zaznajomione z tematem. Celem tego jest umożliwienie czytelnikowi zrozumienia pojęć i koncepcji sprzężenia sektorowego, a także służyć, jako ogólne wprowadzenie do sektora gazowego.

3 2. Sprzężenie sektorowe Poruszając tematykę sprzężenia sektorowego, należy zacząć od porównania systemów elektroenergetycznego i gazowego. Różnice występujące pomiędzy tymi systemami nie oznaczają, iż nie mogą one z sobą współpracować. Co więcej, poprzez istnienie tych różnic, systemy mogą się wzajemnie uzupełniać. Znacznie korzystniejsze jest traktowanie tych sektorów, jako partnerów niż jako konkurencję. Główną niedogodnością i problemem systemu elektroenergetycznego jest brak praktycznego magazynowania energii elektrycznej. Coraz powszechniej wykorzystywane odnawialne źródła energii ze względu na okresową charakterystykę roboczą (moc wyjściowa zależna od warunków pogodowych, pory dnia itp.) powodują niezrównoważenia mocy w układach energetycznych. Często występuje nadmiar energii w czasie, gdy zapotrzebowanie naturalnie maleje, na przykład w nocy. W tej sytuacji sieć gazowa może przechwycić część nadmiaru (a tym samym bardzo taniej) energii i zagospodarować ją w racjonalny sposób. W tabeli 1 przedstawiono bezpośrednie porównanie pomiędzy systemami: Tabela 1. Porównanie pomiędzy kluczowymi aspektami systemów [1] Parametr System Gazowy System Energetyczny Typ energii Pierwotna Przetworzona Możliwość magazynowania nośnika energii na dużą skalę Obecna Brak Straty na przesyle i dystrybucji Małe Istotne Niezawodność przesyłu i dystrybucji Bardzo duża Duża Wpływ czynników niezależnych (np. pogoda) na zużycie Możliwość zdalnego wyłączenia odbioru (przy odpowiednim oprzyrządowaniu mierniczym) Możliwość występowania odbiorcy, jako źródła lokalnego Duży Problematyczna Brak Mały/średni Obecna Obecna 2.1 Pojęcie inteligentnego systemu gazowego Koncepcja inteligentnej sieci elektroenergetycznej (Smart Grid) jest powszechnie znanym i rozwiniętym pojęciem w energetyce. Inteligentna sieć - rozumiana jest, jako system energetyczny, który spełnia określone warunki i umożliwia pewne funkcje. Jednak inteligentna sieć gazowa jest stosunkowo nowym pojęciem. Jest to odpowiedź sektora gazowego na nowe podejście sektora energetycznego do kwestii postrzegania sieci energetycznych i traktowania prosumenta, jako aktywnej części tego systemu. W obecnych sieciach gazowych wykorzystywane są nowe materiały, złożone systemy telemetrii, monitorowania i diagnostyki, ale funkcjonalność i zasady całego systemu zasadniczo się nie zmieniły. Jest jednak pewne, że powstaną nowe warunki, w których przyszły system gazowy będzie musiał działać. Poniżej przedstawiono najważniejsze nowe czynniki, które będą definiować przyszły inteligentny system gazowy [1]:

4 Możliwość wykorzystania w sieciach gazowych bardziej zróżnicowanych kompozycji gazowych (biogaz, biometan, gaz ziemny z wodorem); Większa elastyczność w podłączeniu i odłączaniu nowych źródeł gazu od sieci (np. gaz łupkowy, biogaz i biometan); Większa zmienność parametrów pracy (np. ciśnienia) w celu większego wykorzystania zdolności akumulacyjnych systemu gazowego; Użycie przepływów dwukierunkowych w sieciach gazowych na większą skalę; Integracja z systemami teleinformatycznymi. 2.2 Opcje magazynowania energii Technologie magazynowania energii, ze względu na ich specyfikację techniczną i możliwości, jakie oferują, można podzielić na dwie kategorie [2]: a) Magazynowanie długoterminowe pozwala na przechowywanie dużych ilości energii, ale wymaga co najmniej kilku godzin na rozładowanie magazynu. Zalicza się tu takie technologie jak: Elektrownie szczytowo-pompowe, Magazynowanie energii za pomocą sprężonego powietrza (CAES), Domieszkowanie wodoru do gazu ziemnego, Syntetyczny gaz ziemny (SNG). b) Magazynowanie krótkoterminowe pozwala na przechowywanie od małych do średnich ilości energii, ale jest w stanie szybko rozładować całą zgromadzoną energię. Zalicza się tu takie technologie jak: Baterie, Superkondensatory, Koła zamachowe, Magazynowanie energii za pomocą ciepła. Zakresy pojemności magazynowanej energii i czasu rozładowywania magazynu dla poszczególnych technologii zostały przedstawione na Rysunku 1: Rysunek 1. Zakres wartości dla różnych technologii magazynowania energii [3]

5 2.3 Technologia Power-to-Gas Celem technologii Power-to-Gas jest magazynowanie nadmiaru energii wytworzonej za pomocą odnawialnych źródeł energii. Nadmiarowa energia z farm wiatrowych i fotowoltaicznych zostanie wykorzystana do produkcji wodoru w specjalnie do tego celu przeznaczonych elektrolizerach. Następnie zmagazynowany wodór można wykorzystać na dwa sposoby. Pierwszym z nich jest bezpośrednie domieszkowanie wodoru do sieci gazowej. Badania przeprowadzone w Niemczech pokazują, iż 15-17% domieszka może być stosowana w standardowych sieciach gazowych, bez konieczności modernizacji armatury i oprzyrządowania [1]. 15% domieszka wodoru jest równoważna 60 TWh zmagazynowanej energii rocznie [2]. Domieszkując gaz w niemieckiej sieci wodorem na poziomie jedynie 4% pozwoliłoby systemowi na magazynowanie 15 TWh energii rocznie, co przelicza się na ok. 20% energii wiatrowej wyprodukowanej przez Niemcy w 2016 roku (77,8 TWh [4]). Drugim sposobem wykorzystania wodoru jest produkcja syntetycznego gazu ziemnego (SNG) w procesie metanizacji. Odbywa się ona w Reakcji Sabatiera, przedstawionej na poniższym równaniu: CO 2 +4H 2 CH 4 + 2H 2 O Reakcja łączy wodór z dwutlenkiem węgla, a jej produktami są metan oraz woda. Aby reakcja mogła mieć miejsce konieczna jest temperatura pomiędzy 250 i 400 C oraz obecność katalizatora w postaci niklu, rutenu lub rodu. Wytworzony w ten sposób metan może zostać zmagazynowany i użyty do produkcji energii w razie jej niedoboru w systemie elektroenergetycznym lub zużyty na bezpośrednie potrzeby w systemie gazowym. Schemat przedstawiony na Rysunku 2 obrazuje ideę technologii Power-to- Gas: Rysunek 2. Metanizacja wodoru w technologii Power-to-Gas [5]

6 2.4 Interfejs sprzęgający Implementacja interfejsu sprzęgającego pozwoli w przyszłości na stworzenie wspólnego makro-systemu energetycznego obejmującego system gazowy, system elektroenergetyczny, a możliwie także system cieplny. Taki makro-system pozwoli na dwukierunkowy przepływ energii: Z systemu elektroenergetycznego do gazowego za pomocą procesu metanizacji wodoru i domieszkowania wodoru, Z systemu gazowego do elektroenergetycznego za pomocą klasycznych elektrowni gazowych, instalacji kogeneracyjnych, pomp ciepła i ogniw paliwowych. Kolejnym istotnym elementem makro-systemu będzie możliwość magazynowania energii na dużą skalę. Nad całością będzie czuwać jeden centralny lub kilka współpracujących ze sobą systemów sterowania. Ze względu na ogrom ilości elementów i danych, które będzie trzeba przetwarzać, wskazane byłoby, aby system sterowania działał w obrębie doktryny Internetu Rzeczy (IoT). To rozwiązanie wraz z danymi pobieranymi z rynków energii, pozwoli na bilansowanie systemu energetycznego oraz optymalizację zysków. Dobrym przykładem mogą być tutaj biogazownie, które w zależności od informacji z systemu sterowania mogą wykorzystać wytworzony biometan do produkcji energii lub przesłać go bezpośrednio do sieci gazowej. W zależności od chwilowych potrzeb energetycznych i opłacalności, system sterowania będzie decydował o bardziej korzystnej opcji. Ideę interfejsu sprzęgającego przedstawiono na Rysunku 3: Rysunek 3. Interfejs sprzęgający system gazowy, elektroenergetyczny i cieplny

7 3. Wnioski Zmiana paradygmatu funkcjonowania systemów energetycznych i gazowych wymaga zastosowania nowych rozwiązań technicznych i organizacyjnych: Systemy magazynowania energii, Agregacja (Elektrownie Wirtualne, Makro-System), Interfejs sprzęgający i system sterowania, Modyfikacja, modernizacja i wymiana istniejącej infrastruktury. Podczas implementacji infrastruktury sterowania i informacji należy koniecznie brać pod uwagę zagrożenia cyberbezpieczeństwa, jeżeli system będzie wykorzystywał doktrynę Internetu Rzeczy (IoT) Możliwości oferowane przez biogazownie stanowią interesującą perspektywę na przyszłość jeżeli systemy gazowe i elektroenergetyczne będą się dalej integrować. 4. Źródła [1] Dzirba D. : Gazowe sieci inteligentne opcja dla energetyki?, Warszawa, Nafta-Gaz, 3/2012 [2] Linke G. : Power Storage in Smart Natural Gas Grids: Fiction or Fact?, Seul, International Gas Union Research Conference, 2011 [3] California Hydrogen Business Council : Power to Gas: The Case for Hydrogen White Paper, Los Angeles, 2015 [4] Burger B. : Power generation in Germany assessment of 2016, Freiburg, Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, 01/2017 [5] Chaczykowski M., Osiadacz A. : Technologie Power-to-Gas w aspekcie współpracy z systemami gazowymi, Zawiercie, VI Konferencja Naukowo- Techniczna Energetyka Gazowa 2016, 04/2016