ANALIZA WPŁYWU ROZWOJU ELEKTROMOBILNOŚCI NA ZAPOTRZEBOWANIE NA MOC I ENERGIĘ W KRAJOWYM SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM

Transkrypt

1 Pior MARCHEL, Józef PASKA, Łukasz MICHALSKI Poliechnika Warszawska, Insyu Elekroenergeyki ANALIZA WPŁYWU ROZWOJU ELEKTROMOBILNOŚCI NA ZAPOTRZEBOWANIE NA MOC I ENERGIĘ W KRAJOWYM SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM Popularyzacja samochodów elekrycznych oraz hybrydowych sanowi obecnie jedno z wyzwań, przed kórym soją sysemy elekroenergeyczne. Wzros liczby samochodów elekrycznych może mieć charaker lawinowy, gdyż sprzyjać emu będą: regulacje prawne promujące ranspor elekryczny, obniżenie cen pojazdów wynikające z rozwoju echnologicznego oraz masowości produkcji. Należy oczekiwać, że w perspekywie kilkudziesięciu la samochód elekryczny będzie dominującym środkiem ransporu prywanego, a za kilkanaście la udział samochodów zasilanych energią elekryczną będzie znaczący. W arykule podjęo próbę określenia, w jakim sopniu wykorzysanie samochodu elekrycznego wpłynie na zaporzebowanie na moc i energię w krajowym sysemie elekroenergeycznym (KSE). Wysokość zaporzebowania na moc i jego zmienność, przy akualnych i prognozowanych uwarunkowaniach rozwoju infrasrukury wywórczej (w ym udziału poszczególnych echnologii wywarzania energii elekrycznej) i sieciowej KSE, są głównymi wyznacznikami poziomu sabilności i niezawodności krajowego sysemu elekroenergeycznego, a zaem poziomu bezpieczeńswa elekroenergeycznego. 1. Prognoza rozwoju elekromobilności w Polsce W przedsawionym przez Miniserswo Energii Planie Rozwoju Elekromobilności [6] jes szacowane osiągnięcie liczby miliona samochodów elekrycznych w 2025 roku. W niniejszym arykule zosanie przedsawiona prognoza rozwoju elekromobilności w kraju. Wielolenie obserwacje sposobu popularyzacji nowych rozwiązań pokazują, że upowszechnianie się ych rozwiązań przebiega najczęściej zgodnie z funkcją logisyczną, kóra jes dana wzorem [11, 14]: y 1 a be c, (1)

2 Analiza wpływu rozwoju elekromobilności na sabilność i niezawodność KSE 67 gdzie a > 0, b > 1, c > 0 są paramerami funkcji. Paramer a odpowiada poziomowi sanu nasycenia (funkcja logisyczna asympoycznie dąży do a). Punk przegięcia funkcji o współrzędnych ( p, y p) jes określony zależnością: ln b, y 0, a. (2) p p 5 c Funkcja logisyczna opisuje rozros populacji przy założeniu isnienia ograniczeń zasobów. W przypadku popularyzacji urządzeń i echnologii aką granicą jes osiągniecie nasycenia rynku, gdzie wszyscy, kórzy chcą, posiadają dane urządzenie lub przesaje ono zaspokajać porzeby konsumenów. W przypadku echnologii można określić 4 fazy życia produku (rys. 1) [1, 13]: I wprowadzenie wyrobu na rynek, II wzros sprzedaży produku, III dojrzałość i nasycenie rynku, IV spadek sprzedaży produku i schodzenie z rynku. Rys. 1. Przykład popularyzacji echnologii przebiegającej według funkcji logisycznej z zaznaczeniem charakerysycznych faz życia echnologii (opracowanie własne na podsawie [1, 12]) W abeli 1 oraz na rys. 2 zosała przedsawiona prognoza rozwoju elekromobliności w Polsce w laach Liczba ludności L zosała przyjęa na podsawie prognozy ludności na laa , opracowanej w 2014 r. przez Główny Urząd Sayczny [3]. Współczynnik liczby samochodów na 1000 mieszkańców ws jes wyznaczany (dla danych hisorycznych) z zależności:

3 68 P. Marchel, J. Paska, Ł. Michalski S ws (3) L Na podsawie danych hisorycznych [2 4] określono meodą Hoellinga (opisaną w [11]) paramery funkcji logisycznej. Przy założeniu, że rok 1990 był rokiem zerowym uzyskano nasępujące esymaory paramerów funkcji logisycznej: a = 935,9 [sam./1000 mieszk.], b = 5,9855, c = 0,0848. Podsawiając do (1) warość współczynnika w laach oszacowano jako: ws 935,9, (4) 0, 1 5,9855 e 0848 gdzie: numer kolejny roku, przy założeniu, że rok 1990 jes rokiem 0. Rok Prognozowana liczba ludności, samochodów oraz samochodów elekrycznych w Polsce w laach (* dane saysyczne [2-5]) Liczba ludności L w mln osób Liczba sam./1000 mieszk. ws Liczba sam. S w ys. sz. Udział sam. elekrycznych ue Tabela 1 Liczba sam. elekrycznych E w ys. sz ,399* 539,2* * 0,01% 2, ,408* 564,0* * 0,02% 4, , ,04% 9, , ,09% 20, , ,19% 43, , ,39% 94, , ,80% 200, , ,67% 425, , ,34% 892, , ,92% , ,47% , ,56% , ,50% , ,75% , ,87% , ,17% , ,60% , ,99% Szacunkową wsępną liczbę samochodów elekrycznych E es w począkowych laach określono na podsawie dosępnych danych saysycznych [2, 4, 5] dla la Założono, że jes o I faza rozwoju produku, gdy przyros nie podlega ograniczeniom. Przyjęo, że empo wzrosu liczby samochodów (sosunek liczby samochodów w danym roku do ich liczby w roku poprzednim) wynosi 1,85 (średnia z la ). Na posawie ak oszacowanej liczby samochodów elekrycznych wyznaczono w laach współczynnik udziału samochodów elekrycznych ue. Dla ego współczynnika oszacowano paramery opisującej go funkcji logisycznej

4 Analiza wpływu rozwoju elekromobilności na sabilność i niezawodność KSE 69 (przyjmując rok 2015 jako 0): a = 100%, b = , c = 0,7380. Podsawiając do zależności (1) współczynnik udziału samochodów elekrycznych w laach oszacowano jako: ue 100% e 0, 7380, (5) gdzie: numer kolejny roku, przy założeniu, że rok 2015 jes rokiem 0. Osaecznie prognozowana liczba samochodów elekrycznych w roku zosała wyznaczona z zależności: E ue L. (6) Rys. 2. Prognoza liczby samochodów i samochodów elekrycznych w laach (dane hisoryczne z la na podsawie [2, 4, 5]) Uzyskane wyniki prognozy pozwalają swierdzić, że liczba miliona samochodów elekrycznych może fakycznie zosać przekroczona około roku Należy jednak pamięać, że uzyskane warości mają charaker orienacyjny. Tempo rozwoju elekromobilności zależy od wielu czynników. Na popularyzację samochodu elekrycznego może wpływać ooczenie prawnoekonomiczne, gdyż odpowiednie usawy i programy mogą zarówno przyspieszyć rozwój, jak i przyczynić się do jego zahamowania. Podobnie duży wpływ będzie mieć rozwój samej echnologii im popularniejsza, ym mniejsze koszy jednoskowe. W prognozie nie uwzględniono zmian cen paliw i energii elekrycznej. Jes niemal pewne, że wzros liczby pojazdów elekrycznych i związany z nim wzros zaporzebowania na moc i energię przyczynią się do wzrosu cen energii elekrycznej. Malejący udział pojazdów spalinowych na

5 70 P. Marchel, J. Paska, Ł. Michalski świecie może przyczynić się do obniżenia cen paliw płynnych, w wyniku czego koszy przejazdu samochodem elekrycznym mogą się zbliżyć do cen przejazdu samochodami napędzanymi silnikami spalinowymi. Przedsawiona prognoza jes jednak realna i należy się liczyć z ym, że począwszy od la 2020 przez okres około la może nasąpić niemal całkowia wymiana obecnie używanych środków ransporu na elekryczne. Należy uwzględnić o olbrzymie wyzwanie już eraz w planowaniu rozwoju Krajowego Sysemu Elekroenergeycznego. Błyskawiczna kariera aparaów cyfrowych w laach , kóra zosała zahamowana przez rwającą od roku 2009 fazę popularyzacji smarfonów może być przykładem, jak szybko zmieniają się porzeby na rynku. 2. Prognoza wzrosu zaporzebowania na energię w KSE Zaporzebowanie na energię elekryczną w samochodzie zależy od wielu czynników: od sposobu jazdy, emperaury ooczenia czy eż sposobu używania dodakowych odbiorników energii. Na podsawie dosępnych danych kaalogowych i opracowań [7, 9, 12] można przyjąć, że średnie zużycie energii przez osobowy samochód elekryczny wynosi około Z sam = 200 Wh/km. Prognoza wzrosu ruchu drogowego dla samochodów osobowych R zosała wykonana meodą eksrapolacji z regresji liniowej dla danych hisorycznych z la [4]. Wyznaczono średnie roczne przebiegi samochodów osobowych D na podsawie zależności: D R S, w km. (7) / Wykorzysując prognozowaną liczbę samochodów elekrycznych E oszacowano ruch drogowy generowany przez osobowe samochody elekryczne z zależności: RE E D, w km (8) Uwzględniając średnie zużycie energii Z sam = 200 Wh/km wyznaczono prognozowaną roczną wielkość energii zaporzebowanej przez osobowe samochody elekryczne: A RE Z, w Wh/a (9) sam Uzyskane wyniki prognoz dla la zesawiono w abeli 2. Uzyskane zaporzebowanie na energię w roku 2024 wynoszące 3,08 TWh jes zbliżone do szacowanego zaporzebowania w 2025 roku przez Miniserswo Energii [6]. W kolejnych laach prognozuje się znaczący wzros zaporzebowania. Docelowo około roku 2040 zaporzebowanie na energię elekryczną porzebną do zasilenia samochodów osobowych usabilizuje się na poziomie około 60 TWh rocznie, co sanowi około 37% bieżącego krajowego

6 Analiza wpływu rozwoju elekromobilności na sabilność i niezawodność KSE 71 zaporzebowania na energię. Jes o znacząca wielkość wymagająca modernizacji i budowy nowych źródeł wywórczych. Rok Tabela 2 Prognozowane zaporzebowanie na energię przez osobowe samochody elekryczne w Polsce w laach Ruch drogowy (sam. os.) R w mln km/a Średni roczny przebieg (sam. os.) D w km Liczba sam. elekr. E w ys. sz. Ruch drogowy (sam. elekr.) RE w mln km Zaporzebowanie roczne na energię elekryczną A w TWh , , , , , , , , , , , , , , , , ,23 3. Prognoza wzrosu zaporzebowania na moc w KSE Aby oszacować wpływ samochodów elekrycznych na krzywą zaporzebowania na moc należy określić profil obciążenia dla sacji ładujących. Sacje ładujące można podzielić na dwie kaegorie: szybkiego ładowania o dużych mocach oraz ładowania wolnego. Ładowanie wolne pozwala w bardziej efekywny sposób wykorzysać energię oraz ma mniej niszczący wpływ na zasobniki energii wykorzysywane w samochodach elekrycznych. Z punku widzenia KSE en sposób ładowania jes również korzysniejszy, gdyż prowadzi on do wyrównania krzywej zaporzebowania. Aby o zapewnić powinny być spełnione dwa warunki: korzysna cena energii w godzinach niskiego poboru oraz możliwość zmagazynowania wysarczającej energii do pokonania całej dobowej rasy pojazdu. Przy akich założeniach można przyjąć, że ładowanie może odbywać się w godzinach, gdy ruch jes najmniejszy, czyli w nocy. Przykładowy przebieg ruchu w poszczególnych godzinach doby dla różnych dni ygodnia zosał przedsawiony na rys. 3 [8]. Na podsawie ego profilu ruchu opracowano profil ładowania samochodów przesawiony na rys. 4.

7 72 P. Marchel, J. Paska, Ł. Michalski Rys. 3. Naężenie ruchu samochodów, wg [7] Rys. 4. Przyjęy profil obciążenia (sosunek mocy chwilowej do mocy średniej) ładowania Do prognozy wzrosu zaporzebowania na moc przyjęo profil obciążenia z ygodnia, w kórym wysąpiło szczyowe zaporzebowanie na moc w roku 2017 [10]. Syuacja aka miała miejsce w dniach od 9 do 15 sycznia (poniedziałek niedziela), przy czym obciążenie maksymalne w wysokości MW wysąpiło w poniedziałek 9 sycznia. Na podsawie prognozowanego wzrosu zaporzebowania na energię wyznaczono dodakowe średnie zaporzebowanie na moc wynikające z porzeb ładowania elekrycznych samochodów osobowych P śr.dod: P A /8760, w MW. (10) sr. dod Dodakowe zaporzebowanie na moc wyznaczono mnożąc przyjęe w profilu (rys. 4) współczynniki przez moc średnią P śr. Prognozę wykonano dla la 2024, 2026, 2028 oraz W laach wcześniejszych prognozowany wzros mocy jes znikomy, zaś w laach późniejszych prognozowane zaporzebowanie nie zmienia się w sposób isony. Uzyskany profil zaporzebowania na moc przedsawiono na rys. 5.

8 Analiza wpływu rozwoju elekromobilności na sabilność i niezawodność KSE 73 Rys. 5. Prognozowane dodakowe zaporzebowanie na moc wynikające z ładowania samochodów osobowych oraz zaporzebowanie na moc w KSE w laach 2024, 2026, 2028 i 2030 Prognozowane poziomy mocy maksymalnej P max, średniej ygodniowej P śr, średniej w dniu obciążenia szczyowego P śr.ds i minimalnej P min w ygodniu szczyowym dla la 2024, 2026, 2028 oraz 2030 przedsawiono w abeli 3. Jak widać wraz ze wzrosem liczby samochodów elekrycznych zmianie będzie ulegać dobowa krzywa zaporzebowania na moc. Przy przyjęych założeniach będzie nasępować sopniowe wypełnianie doliny nocnej, co jes korzysne z punku widzenia sysemu elekroenergeycznego. Należy jednak pamięać o ym, że warunkiem akiej zmiany jes promowanie korzysania z ładowarek w godzinach nocnych i eliminacja ładowania w ciągu dnia. Tabela 3 Prognozowane poziomy mocy maksymalnej Pmax, średniej ygodniowej Pśr, średniej w dniu obciążenia szczyowego Pśr.ds, minimalnej Pmin oraz zaporzebowania na energię Asz w ygodniu szczyowym dla la 2024, 2026, 2028 oraz 2030 Rok Pmax, w MW Pśr, w MW Pśr.ds, w MW Pmin, w MW Asz, w TWh , , , , ,438 Przy zakładanym profilu ładowania, pomimo znacznego wzrosu zaporzebowania na energię prognozowany wzros zaporzebowania na moc szczyową jes sosunkowo niewielki, gdyż odbywa się on koszem dolin nocnych i wyniesie on około MW. Jes o jednak warian opymisyczny, gdyż

9 74 P. Marchel, J. Paska, Ł. Michalski profil ładowania zależy od preferencji użykowników samochodów elekrycznych. W przypadku, gdyby samochody były ładowane w ciągu dnia wzros zaporzebowania na moc mógłby sanowić zagrożenie dla bezpieczeńswa pracy krajowego sysemu elekroenergeycznego. W prognozie pominięo wzros zaporzebowania i zmianę profilu wynikającą z innych czynników. 4. Wnioski Rozwój i popularyzacja samochodu elekrycznego powoli sają się fakem. Obecnie samochody elekryczne są w fazie wprowadzania na rynek. Doświadczenie odnoszące się do innych produków sanowiących innowacje echnologiczne pozwala przypuszczać, że rozwój elekromobilności będzie miał za kilka la charaker dynamiczny. Zależy o od wielu czynników: echnicznych, prawnych, ekonomicznych czy markeingowych (czy powsanie moda na samochody elekryczne). Można przyjąć, że w przeciągu la samochody elekryczne mogą sanowić większość pojazdów poruszających się po polskich drogach. Dodakowe zaporzebowanie na moc i znaczący wzros zaporzebowania na energię elekryczną o problemy, przed kórymi soi KSE. Należy uwzględnić rozwój elekromobilności w planowaniu rozwoju sysemu elekroenergeycznego, zarówno na poziomie podsysemu wywórczego, jak i podsysemów przesyłowych i dysrybucyjnych. Wpływ elekromobilności na sysem będzie w głównej mierze zależeć od kszałowania się krzywych obciążenia związanych z ładowaniem samochodów. Należy w miarę możliwości promować ładowanie samochodów w godzinach doliny nocnej koszem zniechęcania do szybkiego ładowania w ciągu dnia, przez zasosowanie odpowiedniego ooczenia ekonomiczno-prawno-echnicznego. W przypadku ładowania w godzinach nocnych, pomimo znacznego wzrosu zaporzebowania na energię, zaporzebowanie na moc wzrośnie w znacznie mniejszym sopniu, co pozwoli zachować bezpieczeńswo pracy KSE. W przypadku, gdyby nie udało się wypromować ładowania w godzinach doliny nocnej, znaczne dodakowe zaporzebowanie na moc może sanowić wyzwanie, kóremu obecny krajowy sysem elekroenergeyczny nie będzie mógł sprosać.

10 Lieraura Analiza wpływu rozwoju elekromobilności na sabilność i niezawodność KSE 75 [1] Gierszewska G., Romanowska M.: Analiza sraegiczna przedsiębiorswa, Polskie Wydawnicwo Ekonomiczne. Warszawa [2] Główny Urząd Saysyczny: Mały Rocznik Saysyczny Polski 2017 (i sarsze). Warszawa [3] Główny Urząd Saysyczny: Prognoza ludności na laa (opracowana w 2014 r.). Warszawa [4] Główny Urząd Saysyczny: Transpor drogowy w Polsce w laach 2014 i 2015 (i sarsze). Warszawa [5] Główny Urząd Saysyczny: Transpor wyniki działalności w 2016 r. (i sarsze). Warszawa [6] Miniserswo Energii: Plan Rozwoju Elekromobilności w Polsce, Energia dla przyszłości. Warszawa [7] Moćko W., Ornowski M., Szymańska M.: Badanie zużycia energii przez samochód elekryczny w czasie esów drogowych. Zeszyy Problemowe Maszyny Elekryczne. Nr 2/2013. [8] Olma A.: Coefficiens of raffic densiy flucuaions on he urban roads nework. Archiecure Civil Engineering Environmen, [9] Pikosz H., Ohde B., Ślaski G.: Modelowanie energochłonności eksploaacji samochodu elekrycznego w warunkach ruchu miejskiego dla porzeb symulacji zużycia energii przez floę aksówek. Logisyka. Nr 4, [10] Polskie Sieci Elekroenergeyczne: Dane hisoryczne o poziomie zaporzebowania mocy KSE. Ze srony: hps:// [11] Purczyński J., Bednarz-Okrzyńska K.: Wybrane meody esymacji paramerów funkcji logisycznej. Sudia i Prace WNEiZ US. Nr 45/2, [12] Tesla Moors: Dane kaalogowe samochodów ze srony: hps:// [13] Zarha J. W.: Applicaion of he Technology Life Cycle and S-Curves o he Brain Drain Area of Knowledge. Indian Journal of Science and Technology. November [14] Żurowska J.: Zasosowanie modelu rendu logisycznego do prognozowania wskaźnika mooryzacji w Polsce. Archiwum mooryzacji. Nr 2, 2007.