Zużycie energii elektrycznej na cele oświetleniowe w gospodarstwach domowych

Transkrypt

1 Zużycie energii elektrycznej na cele oświetleniowe w gospodarstwach domowych Autor: Jarosław Tomczykowski - Biuro PTPiREE ( Energia Elektryczna nr 1/2010) Ostatnio często słyszymy dyskusje na temat wycofania z użytkowania tradycyjnych żarówek oświetleniowych. Głównym celem tej operacji jest zmniejszenie zużycia energii elektrycznej. Aby ocenić, jak duże będą korzyści takich działań, musimy znać wielkość zużytej energii elektrycznej wykorzystywanej na cele oświetleniowe. W niniejszym artykule podjęto próbę oszacowania wartości obciążeń związanych z oświetleniem przez największą grupę odbiorców energii elektrycznej i jednocześnie użytkowników źródeł światła gospodarstwa domowe. W celu przeprowadzenia analizy zmienności obciążenia wywołanego przez odbiorniki oświetleniowe w poszczególnych miesiącach roku wykorzystano dane pomiarowe zbierane w ramach prowadzonej przez Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej pracy Badanie obciążeń i budowa katalogu charakterystyk odbiorców energii elektrycznej. Analizie poddano przebieg obciążenia grupy 325 gospodarstw domowych rozliczanych w taryfie G11, wyznaczony na podstawie danych z 2008 r. Przebieg dobowego obciążenia spowodowany odbiornikami oświetleniowymi kształtowany jest przez tryb życia ludności, szczególnie pory wstawania i udawania się na spoczynek oraz przez czas wschodu i zachodu słońca. W celu określania obciążenia wynikającego z oświetlenia, zastosowano metodę odejmowania od przebiegu obciążenia oszacowanego przebiegu obciążenia spowodowanego przez odbiorniki inne niż oświetleniowe. Do wyznaczenia średnich dobowych przebiegów tego obciążenia dla poszczególnych miesięcy w ciągu roku posłużono się zależnością [2,4]: P ( i, j) = P ( i, j) P ( j) P ( i) o od po gdzie: P o (i, j) średnie miesięczne obciążenie wynikające z oświetlenia P (i, j) średnie miesięczne obciążenie P od (i) przebieg odniesienia wyznaczony dla najdłuższych dni roku P po (j) wartość przyrostu mocy wywołana innymi odbiornikami niż oświetleniowe (w stosunku do przebiegu odniesienia) i godziny doby (i = 1, ) j Miesiące (j = 1,2...12) 1

2 Przy wyznaczaniu modelu obciążenia wywołanego oświetleniem wykorzystano także analizę zmienności współczynnika korelacji obciążenia z czasem zachodu słońca oraz wnioski z analizy przebiegów obciążenia przy zmianie czasu zimowego na letni i letniego na zimowy. W pierwszym kroku oszacowano obciążenie wywołane oświetleniem oraz pozostałymi odbiornikami dla najdłuższych dni roku. Kierowano się w tym przypadku kształtem krzywej obciążenia przed oraz po zachodzie i wschodzie słońca. Wartości mocy związane z oświetleniem w tym czasie są na tyle małe, że błąd wynikający z ich oszacowania nie ma dużego znaczenia dla dalszych analiz. Obciążenie wywołane obciążeniem bez odbiorników oświetleniowych przyjęto jako przebieg odniesienia P od (i). W kolejnym kroku przeprowadzono analizę różnicy między średnimi przebiegami obciążenia dobowego dla poszczególnych miesięcy roku a przebiegiem odniesienia (rysunek 1). 0,25 styczeń luty 0,20 marz ec maj kwiec ień czerwiec 0,15 lipiec s ierpień P-Pod 0,10 0,05 wrzesień lis topad październik grudz ień 0,00-0, ,10 Rys. 1. Wartości różnicy między średnim miesięcznym obciążeniem i przebiegiem odniesienia. Przebiegi dla wszystkich miesięcy mają wyraźny szczyt wieczorny i mniejszy szczyt ranny. Kształt przebiegów różnicy między średnimi wartościami obciążenia stycznia i przebiegu odniesienia pokazuje, że szczególnie dla szczytu wieczornego można określić początek i koniec jego występowania. W naszym przypadku są to godz Można wnioskować, że jest to udział obciążenia wynikającego z oświetlenia. Potwierdza to przebieg współczynnika korelacji pomiędzy obciążeniem a czasem zachodu słońca (T z ) (rysunek 2). Współczynnik korelacji w czasie wieczornym ma wyraźnie duże wartości ujemne (im później zachodzi słońce, tym mniejsze obciążenie). Czas występowania największych wartości współczynnika korelacji pokrywa się z przedziałem czasu zachodu w Polsce ( ). 2

3 -0,40-0, współczynnik korelacji -0,50-0,55-0,60-0,65-0,70-0,75-0,80-0,85-0,90 Rys. 2. Zmiana współczynnika korelacji między obciążeniem a czasem zachodu słońca. W celu oszacowania wartości przyrostu mocy P po (i) korygujących przebieg dobowego obciążenia w ciągu roku wywołanego innymi przyczynami niż oświetlenie, obserwowano okres przed pojawieniem się szczytu wieczornego (przedział czasu między godz. 10 a 14) i okres doliny nocnej (godz. 2-4). Pewnej weryfikacji przebiegu obciążenia spowodowanego oświetleniem dla marca i października można dokonać na podstawie analizy przebiegów obciążenia w okolicy zmiany czasu. Zaobserwowano pojawienie się wyraźnego przesunięcia obciążenia o godzinę wstecz przy zmianie czasu letniego na zimowy i o godzinę w przód przy zmianie czasu zimowego na letni. W przypadku odbiorców jednotaryfowych przesunięcie to wynika ze zmiany czasu włączania odbiorników oświetleniowych i pozwala oszacować przyrosty obciążenia wywołane przez te odbiorniki. Przykładowe krzywe ilustrujące przebieg obciążenia dla dni roboczych tydzień przed i tydzień po zmianie czasu przedstawiono na rysunku 3. Rys. 3. Wpływ zmiany czasu na obciążenie odbiorców a) zimowego na letni b) letniego na zimowy 0,7 0,8 0,6 0,7 P [kw/odb] 0,5 0,4 0,3 przed zmianą czasu po zmianie czasu P [kw/odb] 0,6 0,5 0,4 0,3 przed zmianą czasu po zmianie czasu 0, ,

4 W związku z tym, że w powyższej analizie do obciążenia wywołanego oświetleniem przypisano odbiorniki, których użytkowanie zależy od czasu zachodu słońca, niewielka część obciążenia związanego z oświetleniem (np. oświetlenie ciemnych pomieszczeń) została pominięta. Korygując to zwiększono o 10 proc. otrzymane na tym etapie wyniki. Podsumowując opisany wyżej sposób postępowania, wyznaczono przebiegi obciążenia wynikającego z oświetlenia dla poszczególnych miesięcy (rysunek 4). Największe zużycie energii dla celów oświetlenia zaobserwowano w grudniu, gdy słońce zachodzi najwcześniej, a najmniejsze latem, na przełomie czerwca i lipca. Z wykresu widać wyraźne oddalenie krzywych dla marca i kwietnia spowodowane zmianą czasu zimowego na letni pod koniec marca. Dla zmiany czasu jesienią oddalenie krzywych dla października i listopada jest już mniej wyraźne. 0,25 Po [kw/odb] 0,20 0,15 0,10 styczeń marzec maj lipiec wrzesień listopad luty kwiecień czerwiec sierpień październik grudzień 0,05 0, Rys. 4. Oszacowane przebiegi mocy wynikającej z oświetlenia w poszczególnych miesiącach. Najbardziej interesujący jest przebieg oświetlenia w okresie popołudniowym. W tym czasie występuje największa moc związana z oświetleniem, która kilkakrotnie przewyższa maksimum poranne. W okresie trwania najdłuższych dni (T z największe) czas występowania dobowej mocy maksymalnej związanej z oświetleniem jest bliski godz. 22. W okresie najkrótszych dni (T z najmniejsze) czas występowania moc mocy maksymalnej związanej z oświetleniem to godz Oszacowana na podstawie wyznaczonych krzywych wartość energii elektrycznej na cele oświetleniowe wynosi 260 kwh, co stanowi ok. 15 proc. zużytej energii elektrycznej przez odbiorców typu,,gospodarstwa domowe. Oczywiście uogólniając wyniki na całą populację odbiorców typu,,gospodarstwa domowe należy pamiętać o odbiorcach rozliczanych w grupie taryfowej G12. W naszym przypadku wpływ tej grupy na wyniki całej populacji w zakresie zużycia energii na oświetlenie nie jest jednak znaczny, ponieważ: 4

5 ich udział w liczbie odbiorców rozliczanych w taryfie G stanowi ok. 12 proc. [9] znaczne większe moce niż w taryfie G11 wynikają z innych odbiorów energii niż źródła światła godziny obowiązywania tańszej energii nie pokrywają się w zdecydowanej większości z czasem trwania oświetlenia Otrzymane wartości porównano z innymi dostępnymi wynikami. Części z nich jest zbliżona do wyników w artykule, część znacznie od nich odstaje. Przedstawione w pracy [4] wyniki pokazują wartości od 164 kwh do 258 kwh, w zależności od rodzaju zabudowy. Największe zużycie na cele oświetleniowe zaobserwowano dla miejskiej zabudowy jednorodzinnej, mniejsze wartości występują dla miejskiej zabudowy wielorodzinnej, a najmniejsze dla odbiorców wiejskich. W opracowaniu [8] autorzy określi, że oświetlenie i drobny sprzęt AGD zużywa 335,9 kwh rocznie. Literatura [6] podaje dla gospodarstwa domowego roczne zużycie energii na potrzeby oświetlenia na poziomie 280 kwh. Oceniając te wyniki należy wziąć pod uwagę, że pochodzą one z różnego okresu. W przypadku niniejszego artykułu coraz większy udział oświetlenia energooszczędnego mógł mieć pewien wpływ na otrzymane wyniki, co np. nie miało miejsca w publikacji z 1994 r. [6] Druga część literatury zamieszcza wartości znacznie większe. W publikacji [7] podano, że roczne zużycie energii elektrycznej na oświetlenie w gospodarstwach domowych wynosi 534,4 kwh, w [1] określono natomiast, że jest to 488 kwh na osobę. W obu miejscach określono, że dla gospodarstw domowych udział oświetlenia w zużyciu energii elektrycznej wynosi 28 proc. Jeszcze większe wartości podano w [3], gdzie stwierdzono, że w 1999 r. w gospodarstwach domowych i rolnych na oświetlenie zużyto 14,5 TWh energii elektrycznej (1318 kwh na jedno gospodarstwo). Zużycie energii elektrycznej wykorzystywanej do oświetlenia nie jest mierzone, nie ma też jednoznacznych metod szacowania tej wartości, stąd m.in. rozbieżności w wynikach. Są one jednak zbyt duże, aby można byłoby zostawić je bez komentarza. Chcą krytycznie spojrzeć na prezentowane wyniki, należy pamiętać, że jeżeli mówimy o gospodarstwach domowych, to obecnie średnie zużycie energii elektrycznej tej grupy odbiorców jest na poziomie 1900 kwh. Wyznaczona wartość mocy maksymalnej to rząd 0,55 kw (zakładając czas użytkowania mocy maksymalnej 3500 h [9]). Dla tego typu odbiorców w okresie zimowym czas występowania mocy maksymalnych jest zbieżny z czasem występowania mocy maksymalnych związanych z oświetleniem, stąd możemy porównywać odpowiednie im wartości mocy. Wyznaczona w artykule wartość 0,22 kw (rys. 4) stanowi 40 proc. mocy maksymalnej i można ją uznać za realną. W przypadku, gdy przyjmiemy, że udział energii na cele oświetleniowe jest większy, np. 28 proc. [1,7] zużytej energii oraz zważywszy, że energia na cele oświetleniowe przypisana jest określonym godzinom doby (rys. 3 i 4), zwiększenie energii przekłada się praktycznie na wzrost mocy. W takim przypadku wartość mocy maksymalnej związanej z oświetleniem wyniosłaby ok. 0,5 kw, co jest wartością wyraźnie zbyt dużą (prawie cała moc musiałaby być wykorzystana na oświetlenie). 5

6 Wnioski Znajomość wielkości energii elektrycznej zużywanej w gospodarstwach domowych na oświetlenie jest konieczna do ocenienia korzyści, jakie możemy uzyskać, wprowadzając wszelkiego rodzaju działania energooszczędne (nowoczesne źródła światła, elektroniczne stateczniki, inteligentne systemy zarządzania oświetleniem). Na podstawie wyników przedstawionych w artykule na oświetlenie w gospodarstwach domowych w Polsce zużywane jest 3,2 TWh. Porównując tę wartość z danymi zamieszczonymi w dostępnej literaturze, należy stwierdzić, że jest ona zdecydowanie mniejsza. Szczególne ważne jest porównanie z publikacją European Commission Joint Resaerch Centre [7], gdzie na forum międzynarodowym prezentowano wyniki dotyczące Polski. Różnica pond 3 TWh (100 proc.) jest na tyle interesująca, że warto temu zagadnieniu przyjrzeć się bliżej. Określenie potencjału energooszczędności nie tylko w oświetleniu, ale i w przypadku innych grup urządzeń wymaga przeprowadzenia szczegółowych badań. W przypadku publikacji wyników od autorów oczekiwana jest informacja o sposobie ich wyznaczenia. Jest to o tyle ważne, że efektywność energetyczna polskiej gospodarki jest niższa niż średnia w krajach Unii Europejskiej i przez najbliższy czas będziemy podejmować wiele akcji, których celem jest zmniejszenie zużycia energii elektrycznej. LITERATURA [1] Barczak-Araszkiewicz N., Polityka poprawy efektywności wykorzystania energii elektrycznej w sektorze oświetleniowym, wystąpienie na II Forum Oświetleniowym, Warszawa, 9 XII 2008 r. [2] Frąckowiak R., Tomczykowski J., Obciążenie spowodowane odbiornikami oświetleniowymi odbiorców typu,,gospodarstwa domowe,,,wiadomości elektrotechniczne 12/2004 r. [3] Grzonkowski J., Informacje o zużyciu energii elektrycznej w Polsce, w tym zużyciu na cele oświetleniowe, [4] Tomczykowski J., Analiza i modelowanie obciążeń stacji transformatorowych SN/nn zasilających wybrane grupy odbiorców, rozprawa doktorska, Politechnika Poznańska, Poznań 2004 r. 6

7 [5] Tomczykowski J., Zmiana czasu a przebieg obciążenia odbiorców typu,,gospodarstwa domowe,,,energia Elektryczna 3/2009 r. [6] Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze, tom II pod red. Sz. Kujszczyka, PWN, Warszawa 1994 r. [7] Energy efficient lighting the perspective of development In Europe and in Poland, European Commission Joint Resaerch Centre, Warszawa 20 VI 2007 r. [8] Oszacowanie potencjału zmniejszenia zużycia energii elektrycznej w gospodarstwach domowych w Polsce, Fundacja na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii, Katowice 2006 r. [9] Straty energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych, praca zbiorowa po red.. J. Kulczyckiego, PTPiREE, 2009 r. 7