Generacja rozproszona jako aktywny uczestnik zarządzania pracą KSE

Transkrypt

1 Generacja rozproszona jako aktywny uczestnik zarządzania pracą KSE Dr Maksymilian Przygrodzki PSE Innowacje Sp. z o.o. Grupa Kapitałowa PSE Operator Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Wstęp Terminem generacja rozproszona (GR) określa się źródła małej mocy (do kilkudziesięciu megawatów) przyłączone do sieci dystrybucyjnej, nie podlegające centralnemu planowaniu i sterowaniu, których produkcja jest bilansowana lokalnie, przez odbiory przyłączone w pobliżu. Pojedyncze źródła generacji rozproszonej nie mają wpływu na pracę systemu elektroenergetycznego. Perspektywy rozwojowe generacji rozproszonej są obiecujące, a zwiększanie się liczby instalacji GR będzie prowadzić do jej rosnącego znaczenia. Jest to wynik postępu technologicznego, wzrostu kosztów wytworzenia energii elektrycznej w elektrowniach konwencjonalnych i kosztów jej przesyłu, a z drugiej strony istotnego obniżania się kosztów urządzeń małej skali pozwalających na pokrycie lokalnych potrzeb odbiorców. Obserwowany obecnie dynamiczny rozwój generacji rozproszonej w Polsce jest wynikiem promowania przez Unię Europejską energii pochodzącej z odnawialnych źródeł oraz propagowania skojarzonego wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Wśród podstawowych kierunków polskiej polityki energetycznej do 2030 roku znalazł się wzrost wykorzystania odnawialnych źródeł energii, w tym biopaliw, co przekładać się będzie na utrzymanie systemów wspierających realizację polityki państwa w tym zakresie. Istnieją przy tym alternatywne prognozy rozwoju generacji rozproszonej w Polsce. Według Polityki energetycznej Polski do 2030 roku [4] w warunkach polskich decydujące znaczenie dla osiągnięcia postawionego celu 15% udziału energii ze źródeł odnawialnych w strukturze energii finalnej brutto w 2020 r., będą miały postępy w energetyce wiatrowej, produkcji biogazu i biomasy stałej oraz w biopaliwach transportowych. Te cztery obszary w 2020 r. będą stanowić łącznie ok. 94% zużycia energii wytwarzanej ze wszystkich źródeł odnawialnych. Do 2020 r. technologie odnawialne łącznie osiągną poziom 25,4% całkowitej mocy wytwórczej (22,6% w 2030 roku). Spadek tego odsetka w latach wynika głównie z uwzględnienia w zestawieniu energetyki jądrowej, która ma zaistnieć w Polsce po 2020 r. Według niektórych ekspertów [5] Polityka energetyczna Polski do 2030 roku nie uwzględnia dynamicznego rozwoju GR oraz rozwoju budownictwa plus-energetycznego, zakładanych w Dyrektywach UE. Stąd pojawiły się także inne, odmienne koncepcje rozwoju energetyki w Polsce. Zakładają one możliwość całkowitej rezygnacji z energetyki jądrowej i znaczne ograniczenie wytwarzania energii z wykorzystaniem tradycyjnych 98

2 technologii węglowych przy jednoczesnym szybkim rozwoju kogeneracji w przemyśle oraz układów kogeneracyjnych opartych na wykorzystaniu biogazu, a także dynamicznie rosnącym rynku prosumenta, gdzie ponad 20% energii krajowej będzie wytwarzane lokalnie w budynkach plus- -energetycznych. Te kierunki oznaczają, że generacja rozproszona może spełniać istotną rolę w krajowym systemie elektroenergetycznym (KSE), tym bardziej, że w 2020 r. łączna wartość mocy zainstalowanej w małych farmach wiatrowych, farmach ogniw fotowoltaicznych, biogazowniach, niewielkich blokach kogeneracyjnych i małych elektrowniach wodnych, może osiągnąć poziom MW. Pozyskanie generacji rozproszonej dla wspomagania pracy systemu elektroenergetycznego przez operatora systemu przesyłowego (OSP) wymaga jednak wprowadzenia odpowiednich i spójnych mechanizmów zarządzania pracą tego typu jednostek wytwórczych. Integracja GR z systemem elektroenergetycznym Lokalizacja źródeł GR w systemie elektroenergetycznym i sposoby współpracy z tym systemem są ściśle uzależnione od mocy źródeł, a także od rodzaju energii pierwotnej wykorzystywanej do wytwarzania energii elektrycznej. Z uwagi na swoje charakterystyczne cechy źródła rozproszone mogą zasilać odbiorców ulokowanych w ramach istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej i posiadających lokalne zasoby paliw (energii pierwotnej) możliwe do wykorzystania. Mogą też stanowić poważną alternatywę dla budowy niejednokrotnie znacznych odcinków sieci przesyłowo- -rozdzielczych, służących zasilaniu odbiorców zlokalizowanych z dala od istniejącej infrastruktury sieciowej [6]. Dotyczy to zwłaszcza nowych inwestycji komunalno-bytowych lub przemysłowych na terenach słabo zurbanizowanych. Niewielkie gabaryty modularnych konstrukcji rozproszonych źródeł energii i niska emisyjność zanieczyszczeń pozwalają na ich umiejscowienie w stosunkowo niewielkiej odległości od potencjalnych odbiorców, natomiast mała koncentracja mocy w tych źródłach daje szansę na dobór napięcia pracy generatora (prądnicy synchronicznej lub asynchronicznej) na poziomie napięcia sieci zasilającej tych odbiorców. Oznacza to uniknięcie kosztów wynikających z instalowania transformatorów blokowych. Źródła rozproszone o mocach nie większych niż 1 MW współpracują najczęściej z sieciami niskiego napięcia (rzadko z sieciami średniego napięcia). Źródła o mocach powyżej 1 MW współpracują głównie z sieciami średniego napięcia, zaś jednostki o mocy powyżej 50 MW zwykle współpracują z siecią rozdzielczą 110 kv poprzez transformatory 110 kv/sn [2]. Źródła generacji rozproszonej cechują się mniejszą elastycznością wytwarzanej mocy w stosunku do dużych źródeł systemowych, od których standardowo wymaga się przystosowania do udziału w regulacji parametrów systemu (świadczenia usług systemowych). Najmniej elastyczne są źródła skojarzone, w których produkcja energii elektrycznej zależy od zapotrzebowania na ciepło oraz źródła wiatrowe, gdzie ilość wytwarzanej energii zależy od prędkości wiatru. Najkorzystniej, z punktu widzenia regulacji parametrów pracy systemu elektroenergetycznego, przedstawiają się elektrownie wodne, których obciążenie można zmieniać szybko i w dużym zakresie, o ile pozwalają na to warunki wodne. Również silniki spalinowe i turbiny gazowe cechuje dość dobra regulacyjność i krótkie czasy rozruchu [2]. Te cechy źródeł generacji rozproszonej powodują, że wraz ze zwiększaniem ich udziału w systemie należy wnikliwie analizować zdolności regulacyjne systemu i w razie potrzeby podejmować odpowiednie środki zaradcze. Nie wolno przy tym zapominać, że elastyczność źródeł rozproszonych można w ograniczonym zakresie poprawiać przez odpowiedni dobór ich wyposażenia. Stąd operatorzy systemu powinni definiować wymagania w tym zakresie w instrukcjach i warunkach przyłączania źródeł do sieci. W warunkach krajowych zasady i wymagania w tym zakresie zostały sformułowane w instrukcjach branżowych, w szczególności w Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej oraz w Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej (IRiESP/IRiESD). Powiązanie GR i odbiorców w ramach rozproszonych zasobów energii Rozwój technologii małych źródeł wytwórczych i technologii systemów komunikacyjnych, a także wzrost świadomości odbiorców w zakresie ich możliwości w zarządzaniu własnymi potrzebami energetycznymi sprawiają, że powstają systemy i mechanizmy rozproszonych zasobów energii (Distributed Energy Resources DER) [1]. W zależności od podejścia zasoby DER mogą wiązać ze sobą następujące elementy: generację rozproszoną, systemy magazynowania energii, reakcję strony popytowej (Demand Side Response DSR). nr 3-4 (13-14)

3 Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia W literaturze i opracowaniach różnych ośrodków badawczych, agencji międzynarodowych i instytucji rządowych można spotkać odmienny sposób definiowania rozproszonych zasobów energii [7]. Jednak na podstawie wspólnych cech tych określeń, rozproszone zasoby energii można zdefiniować jako zasoby znajdujące się po stronie popytowej i podażowej energii elektrycznej, które można wykorzystać w sieci dystrybucyjnej (w odróżnieniu do sieci przesyłowej), aby zaspokoić zapotrzebowanie na energię i przyczynić się do wzmocnienia niezawodności dostawy energii elektrycznej w danym systemie elektroenergetycznym. Rozproszone zasoby energii mogą być instalowane zarówno od strony odbiorcy, jak i dostawcy energii. Uwzględniając wspomniane zasoby DER należy zauważyć, że wpływają one na redukcję zapotrzebowania w odmienny sposób. Jedną z możliwości wykorzystania generacji rozproszonej jest pozyskanie tej generacji jako jednego ze źródeł (obok wyłączalnych odbiorów) rezerwy przeciwawaryjnej, dla potrzeb bilansowania systemu w czasie rzeczywistym (ang. Real-time emergency generation resource). Przykładowo, w ramach tych działań firma San Diego Gas & Electric Company (SDG&E Kalifornia USA) zaproponowała mechanizmy redukcji poboru energii przez odbiorcę, poprzez wykorzystanie rezerwowych (przeciwawaryjnych) źródeł wytwarzania, w wyniku wezwania do redukcji zapotrzebowania [3]. Celem jest zmniejszenie ryzyka wystąpienia rotacyjnych wyłączeń przez uruchomienie awaryjnych zasobów energetycznych pochodzących ze źródeł generacji rozproszonej, znajdujących u klientów SDG&E. Klient w umowie zobowiązuje się do uruchomienia zasobów, po uzyskaniu odpowiedniego komunikatu od operatora systemu. Innym przykładem programów aktywizujących stronę popytową jest wykorzystanie generatorów zasilania rezerwowego [3]. Aby bardziej wydajnie i efektywnie wykorzystać potencjał w postaci tych generatorów Portland General Electric uruchomił program Dispatchable Standby Generation (DSG). Jest to program dla źródeł o mocy 250 kw i wyższej, w ramach którego zgłoszone źródło rezerwowe jest wyposażane w łączniki umożliwiające równoległą pracę tego źródła z systemem. Uczestnicy programu otrzymują standardowe stawki za wytworzoną energię elektryczną i dopłaty do paliwa dla generatorów pozostających w stanie gotowości (włączając koszty magazynowania), co obniża koszty operacyjne źródeł. Program DSG służy do poprawy niezawodności zasilania w rejonie energetycznym zarządzanym przez Portland General Electric. Wykorzystywany jest w godzinach szczytowych, a jego cele obejmują też łagodzenie zwyżek cen w okresie szczytowym. Uczestnicy programu DSG zobowiązują się do udostępnienia swoich generatorów rezerwowych i do wytwarzania energii elektrycznej przez 200 godzin w ciągu roku. Portland General Electric jako właściciel programu finansuje wszelką infrastrukturę zabezpieczeniową, niezbędną do bezpiecznego przeprowadzenia odpowiednich operacji łączeniowych i do rekonfiguracji systemu elektroenergetycznego. Również cała infrastruktura informatyczno- -telekomunikacyjna do monitorowania, uruchomienia i zbierania danych z uczestniczących źródeł GR jest finansowana w ramach programu DSG. Obecne zasady wykorzystania źródeł GR w KSE Właściwe funkcjonowanie źródeł GR w KSE wymaga wypracowania przez operatorów systemów (w szczególności OSD) i właścicieli źródeł rozproszonych kompromisowych rozwiązań w kilku newralgicznych obszarach. Obejmują one: wymagania w zakresie układów automatyki, telemechaniki i zabezpieczeń dla uruchamianych źródeł generacji rozproszonej; wymagania w technicznych warunkach przyłączenia, związane z koniecznością modernizacji sieci elektroenergetycznej; współpracę układów zabezpieczeniowych źródeł generacji rozproszonej i sieci elektroenergetycznej; zachowanie obiektów generacji rozproszonej w różnych stanach awaryjnych; monitorowanie obiektów generacji rozproszonej. Podstawowe wymagania dla źródeł generacji rozproszonej, zawarte w IRiESD, obejmują warunki techniczne i eksploatacyjne zapewniające bezpieczeństwo funkcjonowania systemu elektroenergetycznego, dotrzymanie w miejscu przyłączenia parametrów jakościowych energii elektrycznej oraz zapewnienie możliwości dokonywania pomiarów niezbędnych do prowadzenia ruchu w sieci i rozliczeń. Ponadto mają na celu zabezpieczenie systemu elektroenergetycznego przed uszkodzeniami spowodowanymi niewłaściwą pracą źródeł generacji rozproszonej oraz ich zabezpieczenie przed uszkodzeniami w przypadku awarii sieciowej lub systemowej. W szczególności IRiESD mówi, że wymagania techniczne dla jednostek wytwórczych (w tym źródeł generacji rozproszonej) są ustalane indywidualnie między wytwórcą a operatorem systemu dystrybucyjnego. W zależności od potrzeb obejmują wymagania w zakresie: układów wzbudzenia; układów regulacji napięcia; 100

4 Farma wiatrowa 1 Farma wiatrowa x Farma wiatrowa n AGREGATOR Regulacyjna elektrownia wodna Regulowany odbiorca energii Mała elektrociepłownia Elektrownia biogazowa Rys. 1. Przykładowa struktura grupy operacyjnej

5 Rys. 2. Wyróżnione poziomy występowania grup operacyjnych

6 sposobów wykorzystania układów grupowej regulacji napięć jednostek wytwórczych (ARNE); systemów elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej; urządzeń regulacji pierwotnej; czasów rozruchu i minimalnej liczby rozruchów w ciągu roku; maksymalnych ograniczników prądów stojana i wirnika; możliwości synchronizacji jednostki wytwórczej z siecią. wytwarzanych mocy czynnych i biernych; wyposażenia linii blokowych w układy automatyki. Ponadto wymagania ogólne dotyczące jednostek wytwórczych w krajowych instrukcjach ruchu i eksploatacji sieci dystrybucyjnej nakazują, aby: Sposób przyłączenia jednostek wytwórczych do sieci dystrybucyjnej umożliwiał ich odłączanie oraz stworzenie przerwy izolacyjnej w sposób nieograniczony dla OSD. Jednostki wytwórcze o mocy osiągalnej powyżej 150 kva przyłączane do sieci dystrybucyjnej były zautomatyzowane i dostosowane do zdalnego sterowania przez OSD. Operator systemu dystrybucyjnego decyduje o konieczności wyposażenia łącznika sprzęgającego jednostkę wytwórczą z siecią dystrybucyjną w urządzenia umożliwiające zdalne sterowanie. Moc zwarciowa w miejscu przyłączenia do sieci rozdzielczej była przynajmniej 20 razy większa od ich mocy przyłączeniowej. Praca wyspowa jednostek wytwórczych była możliwa jedynie na wyspę urządzeń tego wytwórcy, o ile uwzględniono to w warunkach przyłączenia. Postanowienia dotyczące wymagań technicznych dla źródeł generacji rozproszonej mają charakter jednostronny i uwzględniają głównie punkt widzenia operatora systemu dystrybucyjnego. Mają na celu przede wszystkim ochronę samej sieci dystrybucyjnej. Wymuszają instalowanie rozbudowanych systemów zabezpieczeń i telemechaniki nawet dla małych źródeł, co znacznie ogranicza liczbę źródeł generacji rozproszonej w sieci. Ponadto nie dopuszczają do pracy wyspowej obejmującej elementy sieci dystrybucyjnej, a dążą do odłączenia źródła od sieci i wyizolowania go w stanach awaryjnych w momencie nawet niewielkiego zagrożenia. W przypadku operatora systemu przesyłowego wymagania i zasady dysponowania mocą jednostek wytwórczych zostały określone w IRiESP. Wymagania te zapewniają, że OSP posiada pełne informacje dotyczące dyspozycyjności jednostek wytwórczych centralnie dysponowanych i centralnie koordynowanych na każdym etapie planowania pracy systemu (plany koordynacyjne roczne, miesięczne i dobowe), a wymagania techniczne stawiane tym jednostkom pozwalają OSP na pełne sterowanie ich pracą. Koncepcja zarządzania GR w KSE Mechanizmy zarządzania generacją rozproszoną (i rozproszonymi zasobami energii) powinny uwzględniać pozyskanie możliwości technicznych (np. regulacyjnych) tkwiących w źródłach GR. Dlatego w trakcie budowy tych mechanizmów należy przyjąć możliwość (a nawet konieczność) powstania nowej grupy podmiotów, tzw. grupy operacyjnej. Jej celem byłoby agregowanie wytwórców i odbiorców (zawierających m.in. sterowalne odbiory) dla realizacji umów z operatorami sieci na świadczenie systemowych usług regulacyjnych. Podmioty wchodzące w skład grupy można określić mianem agregatorów. Ich obowiązkiem stałoby się zarządzanie grupą operacyjną, zapewnienie jej efektywnego funkcjonowania przez współdziałanie i komunikowanie z członkami, a także z podmiotami nadrzędnymi (kolejnymi agregatorami oraz operatorami sieci). Grupa operacyjna jest zbiorem podmiotów uczestniczących w regulacji (rys. 1). Takie grupy mogą powstawać na różnych poziomach (obszarach sieci). Mogą to być grupy fizyczne, skupiające rozproszone zasoby energii przyłączone do jednego węzła (np. farmy wiatrowe, mikrosieci) i grupy wirtualne, przyłączone do różnych węzłów, na różnych poziomach napięć. Sformułowane ogólne zadania grupy operacyjnej umożliwiają w ramach zarządzania generacją rozproszoną wprowadzenie rozwiązań, stanowiących rozwinięcie mechanizmu grupy bilansującej. W praktyce pojawienie się i działanie grupy operacyjnej może być etapem przekształcenia tradycyjnego (klasycznego) podsystemu w tzw. inteligentną sieć elektroenergetyczną, której elementami będą generacja rozproszona, sterowalne odbiory i układy bardziej złożone: mikrosieci, wirtualne elektrownie. Do opracowania szczegółowej koncepcji zarządzania generacją rozproszoną autor proponuje wprowadzenie 4 poziomów grupowania rozproszonych zasobów energii, według następujących zasad: Poziom 1 (podstawowy) pojedyncze jednostki rozproszonych zasobów energii (jednostki DER), skupiające źródła GR i/lub sterowalne odbiory energii oraz zasobniki energii przyłączone do jednego węzła sieci dystrybucyjnej (na każdym poziomie napięcia tej sieci), zarządzane przez agregatora. nr 3-4 (13-14)

7 Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Technologia Poziom 2 (pośredni) grupa jednostek DER znajdujących się na poziomie niskiego napięcia, przyłączonych do jednego węzła sieci dystrybucyjnej na poziomie SN, zarządzana przez agregatora. Poziom 3 (pośredni) grupa jednostek DER znajdujących się na poziomie napięcia sieci dystrybucyjnej i/lub grup operacyjnych z poziomu drugiego przyłączonych do jednego węzła sieci dystrybucyjnej na poziomie 110 kv, zarządzana przez agregatora. Poziom 4 (najwyższy) grupa jednostek DER znajdujących się na dowolnym poziomie napięcia (w tym sieci przesyłowej) i/lub grup operacyjnych z poziomu trzeciego i drugiego, zarządzana przez agregatora. Przykład grup operacyjnych wyróżnionych na poszczególnych poziomach przedstawia rys. 2. Wstępna koncepcja zakłada możliwość sterowania zasobami grupy operacyjnej przez operatorów systemu poprzez świadczenie usług systemowych przez grupę. Zakres usług systemowych świadczonych na rzecz operatorów systemu przez grupy operacyjne zależy od poziomu przyłączenia grupy i od jej właściwości technicznych (technologie, moc i zakres regulacyjności źródeł wytwórczych, wyposażenie techniczne, możliwość redukcji obciążenia). W związku z tym grupy operacyjne mogą świadczyć usługi systemowe przede wszystkim w zakresie rezerw mocy (rezerwy sekundowej dla regulacji pierwotnej oraz rezerwy operacyjnej) oraz regulacji mocy biernej i napięć węzłowych. Usługi związane z rezerwami mogą być świadczone na rzecz OSP (za pośrednictwem sieci dystrybucyjnej, do której grupa jest przyłączona), w szczególności grupy operacyjne mogą uczestniczyć w przeciwawaryjnych programach DSR należących do OSP. Usługi regulacji mocy biernej i napięć węzłowych będą świadczone na rzecz OSD (usługa regulacji mocy biernej i napięć w sieci dystrybucyjnej). Najszerszy zakres usług będzie mogła zaoferować grupa operacyjna poziomu czwartego. Jej uczestnicy będą reprezentowani na rynku bilansującym w ramach jednostki grafikowej odbiorczej, należącej do podmiotu odpowiedzialnego za bilansowanie uczestników i będącego jednocześnie agregatorem. Taka grupa operacyjna zapewnia najbardziej efektywne wykorzystanie jej zasobów. Z jednej strony ogranicza koszty uczestnictwa członków w rynku energii elektrycznej, w tym w rynku bilansującym, a z drugiej osiąga dodatkowe korzyści ze świadczenia określonych usług systemowych. Najwęższy zakres usług dostarczy grupa operacyjna poziomu drugiego, działająca na poziomie średniego napięcia. Realistyczną opcją dla tej grupy będzie usługa rezerwy operacyjnej, w tym udział grupy w programach DSR zarówno należących do sprzedawców energii elektrycznej, jak i w przeciwawaryjnych programach prowadzonych przez OSP (bezpośrednio lub za pośrednictwem kolejnego agregatora). Podsumowanie Wstępna koncepcja zarządzania generacją rozproszoną w KSE wymaga uszczegółowienia w poszczególnych warstwach, dotyczących grupowania (agregacji), komunikacji i sterowania pracą rozproszonych zasobów energii oraz opracowania szczegółowych zmian formalno-prawnych. Posłużą do tego programy pilotażowe, które pozwolą na przetestowanie proponowanych mechanizmów zarządzania generacją rozproszoną, a po ich weryfikacji na wdrożenie docelowych rozwiązań w tym zakresie. Literatura [1] Introduction to Demand Resource Participation in New England s Forward Capacity Market. February 16, 2007, Sheraton Springfield Monarch Place Hotel, Springfield, MA [2] P. Kacejko, Generacja rozproszona w systemie elektroenergetycznym, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, Lublin [3] Opracowanie wstępnej koncepcji zarządzania generacją rozproszoną w KSE w warunkach rynku inteligentnego opomiarowania, CATA Sp. z o.o., praca niepublikowana, Warszawa [4] Polityka energetyczna Polski do 2030 roku. Warszawa, 10 listopada 2009 r. [5] J. Popczyk, Energetyka rozproszona. Instytut na Rzecz Ekorozwoju, Warszawa [6] M. Przygrodzki, Planowanie rozwoju systemu elektroenergetycznego z uwzględnieniem źródeł rozproszonych, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice [7] D.D. Rasolomampionona, S. Robak S., P. Chmurski, G. Tomasik, Przegląd istniejących mechanizmów DSR stosowanych na rynkach energii elektrycznej, Rynek Energii, nr 2 (87) 2010, Dr hab. inż. Maksymilian Przygrodzki, absolwent Wydziału Elektrycznego Politechniki Śląskiej, pracownik naukowy Politechniki Śląskiej. Od 2001 roku związany z energetyką zawodową przez firmy PSE Regplan Sp. z o.o., EPC SA, Centrum Zastosowań Zaawansowanych Technologii CATA Sp. z o.o., obecnie PSE Innowacje Sp. z o.o., gdzie jest zatrudniony na stanowisku Eksperta. Zainteresowania zawodowe koncentruje wokół rozwoju systemu elektroenergetycznego, w tym przyszłych struktur sieciowych, organizacji energetyki, oddziaływań energetyki rozproszonej i jej powiązań z systemami sieciowymi. 104