SPOSOBY ŁAGODZENIA SKUTKÓW POTENCJALNEGO DEFICYTU MOCY I ENERGII W KRAJOWYM SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM

Transkrypt

1 SPOSOBY ŁAGODZENA SKUTKÓW POTENCJALNEGO DEFCYTU MOCY ENERG W KRAJOWYM SYSTEME ELEKTROENERGETYCZNYM Autor: Joachim Bargiel, Józef Paska, Paweł Sowa ( Rynek Energii październik 2011) Słowa kluczowe: deficyt mocy i energii, system elektroenergetyczny, zapotrzebowanie na moc, samorząd terytorialny Streszczenie. W artykule dokonano charakterystyki przyczyn przewidywanych deficytów mocy w wyniku m.in. sezonowych zmian mocy dyspozycyjnych elektrowni, sezonowych zmian zapotrzebowania na moc (szczególnie w okresie letnim), oraz awaryjnych ubytków mocy wytwórczych oraz zdolności przesyłowych i dystrybucyjnych sieci elektroenergetycznych. Przedstawiono możliwości jednostek samorządu terytorialnego w zakresie łagodzenia skutków deficytów mocy oraz postępowania w sytuacjach awaryjnych. Podano przykładowe realizacje działań jednostek samorządu terytorialnego we współpracy z energetyką zawodową. 1. WPROWADZENE W latach 2010 i 2011 obserwuje się w dalszym ciągu negatywne tendencje w zakresie utrzymania na odpowiednim poziomie mocy dyspozycyjnych elektrowni, jak również ubytków mocy [3]. Tendencje te występują zarówno w okresie szczytu zimowego, jak również w okresie doliny letniej. Szczególnie niekorzystne zjawiska występują w okresach letnich, w których wzrostowi mocy wyłączanej do remontów planowych towarzyszy wzrost zapotrzebowania na moc. Wiąże się to dodatkowo z okresem burzowym, w którym występują liczne awarie sieciowe pogarszające niezawodność zasilania wielu ważnych odbiorców energii elektrycznej [1, 4, 5]. Potwierdzają to wartości mocy osiągalnej, obciążenia, ubytków mocy i rezerw w krajowym systemie elektroenergetycznym (rys. 1-2) [7]. 2. PROCEDURY OGRANCZANA ZAPOTRZEBOWANA W STANACH AWARYJNYCH stnieją następujące regulacje prawne, dotyczące wprowadzania ograniczeń: Ustawa Prawo energetyczne [9], Rozporządzenie Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [8], Rozporządzenie Rady Ministrów w sprawie szczegółowych zasad i trybu wprowadzania ograniczeń w sprzedaży paliw stałych oraz w dostarczaniu i poborze energii elektrycznej lub ciepła, nstrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Przesyłowej, obowiązująca na obszarze zarządzanym przez Operatora Systemu Przesyłowego (OSP). Aktualnie funkcjonują w kraju następujące procedury wprowadzania ograniczeń: uzgodnienia ograniczeń, wprowadzanych w trybie normalnym, z organami regulacyjnymi w przypadku deficytu mocy wytworzonej w KSE, dające się przewidzieć ze znacznym wyprzedzeniem, awaryjne wyłączenia, które są przeprowadzane w oparciu o cechy deficytu mocy (głębokość, czas trwania, okres doby w którym nastąpił deficyt); ostateczne decyzje podejmuje dyspozytor - które linie i na jak długo zostaną wyłączone.

2 Rys. 1. Średnie miesięczne wartości mocy osiągalnej, obciążenia, ubytków mocy i rezerw w elektrowniach zawodowych w poszczególnych miesiącach 2010 roku (ze szczytu wieczornego dni roboczych) Rys. 2. Moce dyspozycyjne i rezerwy mocy w elektrowniach krajowych dostępne dla OSP w 2010 roku wartości średnie miesięczne z dobowego szczytu krajowego zapotrzebowania na moc

3 Wszyscy odbiorcy objęci ograniczeniami w trybie normalnym są corocznie powiadamiani w formie pisemnej przez lokalnego operatora sieci dystrybucyjnej (OSD) o poziomach mocy ograniczeń i zasadach ich wprowadzania. Szczegóły dotyczące sposobu reakcji odbiorcy na ogłoszony stopień zasilania określa się na etapie uzgodnień umowy o dostarczanie energii elektrycznej, np. przez wyznaczenie mocy minimalnej, pozwalającej odbiorcy uniknąć znacznych strat oraz zagrożeń zdrowia i życia załogi. Ograniczenia w poborze mocy, wykonywane w trybie awaryjnym, mogą być realizowane w 2 wariantach. A) Wyłączenie realizowane przez służby dyspozytorskie, w tym: wyłączenia awaryjne odbiorców, zrealizowane w czasie do 1 godziny od wydania polecenia poprzez wyłączenie linii i stacji SN. Przyjmuje się dziewięciostopniową skalę wyłączeń awaryjnych - od A1 do A9. Wyłączenia awaryjne w skali od A1 do A9 powinny zapewnić zmniejszenie poboru mocy o 15%, wyłączenia katastrofalne odbiorców, zrealizowane w czasie do 30 minut od wydania polecenia poprzez wyłączenie linii 110 k i transformatorów 110 k/sn. Przyjmuje się trójstopniową skalę wyłączeń katastrofalnych - od SK1 do SK3. Wyłączenia katastrofalne powinny zapewnić zmniejszenie poboru mocy o kolejne 15%. W zasadzie przyjmuje się, że wyłączenia katastrofalne są realizowane po stwierdzeniu braku skuteczności wyłączeń awaryjnych. Wyłączenia te są realizowane przez OSD, na polecenie OSP na podstawie decyzji dyspozytora w oparciu o zaistniały deficyt mocy. B) Wyłączenia realizowane samoczynnie przez automatykę zabezpieczeniową. W przeszłości funkcjonowały tzw. stopnie ograniczeń (44). W zakresie od 1 do 9 stopnie ograniczeń obejmowały działania zapobiegające deficytom mocy, m.in. poprzez regulację poziomów napięć, nieplanowy import mocy, zmniejszenie produkcji ciepła kosztem produkcji energii elektrycznej. Stopnie to stopnie związane z wyłączeniami i ograniczeniami w przemyśle. Stopnie (deficyt > 2000 MW) - to wyłączenia linii niskiego napięcia. Stopnie skutkowały wyłączeniami linii i stacji średniego napięcia. Linie 110 k były wyłączane po wprowadzeniu stopni katastrofalnych 41, 42, 43. Stopień 44 (specjalny katastrofalny) oznaczał utrzymanie tylko połączeń sieciowych między elektrowniami zawodowymi. Do stopnia 20 komunikaty były ogłaszane drogą radiową, zaś wyższe łączami telefonicznymi pomiędzy dyspozycjami mocy: państwową a okręgowymi i rejonowymi. 3. DZAŁANA GMN W DZEDZNE POPRAWY BEZPECZEŃSTWA ENERGETYCZNEGO W Polsce funkcjonuje 2479 gmin, w tym 1576 gmin wiejskich, 597 gmin wiejsko-miejskich i 306 gmin miejskich. Wszystkie gminy realizują swoje zadania energetyczne poprzez operatorów sieci dystrybucyjnej bądź przez własne spółki. Obecnie wiele jednostek samorządu terytorialnego jest zainteresowanych poprawą niezawodności oraz ekonomiki, związanych z gospodarką energetyczną na swoim terenie (w tym elektroenergetyczną). Jednostki samorządu realizują swoją własną politykę energetyczną. Działania jednostek samorządu terytorialnego, związane z zaopatrzeniem w paliwa i energię, regulują cztery ustawy:

4 Ustawa prawo energetyczne, Ustawa o zarządzaniu kryzysowym, Ustawa o ochronie środowiska, Ustawa o efektywności energetycznej. W oparciu o te ustawy są podejmowane określone działania - działania na styku sektora energetycznego oraz jednostek samorządu terytorialnego. Zakres tych działań obejmuje: zaopatrzenie gmin w media energetyczne, tj. ciepło, prąd, gaz (ustawa prawo energetyczne), odbudowę tzw. infrastruktury krytycznej (ustawa o zarządzaniu kryzysowym), ochronę środowiska naturalnego (traktaty i konwencje klimatyczne), wdrożenie nowych technologii energetycznych (efektywność energetyczna). Pozwalają one także na prowadzenie działań ograniczających potencjalny deficyt mocy i energii w sytuacjach kryzysowych krótko i długoterminowych. W większości polskich gmin funkcjonują tysiące kotłowni zasilanych różnymi mediami energetycznymi. Gminy są żywotnie zainteresowane współdziałaniem z energetyką zawodową w realizacji następujących przedsięwzięć: budowa lokalnych zdecentralizowanych źródeł kogeneracyjnych, wytypowanie tzw. wysp energetycznych w fazie zarządzania kryzysowego oraz potencjalnego deficytu, współpraca przy ograniczaniu zapotrzebowania odbiorców komunalnych w czasie deficytu mocy i energii (stopnie ograniczeń). Praktycznie oznacza to wymianę nadwyżek energii z siecią energetyki zawodowej w stanach normalnych i awaryjnych. W stanach awaryjnych oznacza to również wspólne wydzielenie tzw. wysp energetycznych lub też zaniżenie zapotrzebowania przez wytypowane wspólnie w gminach odbiory komunalne oraz wybrane obszary w sieciach niskiego napięcia [2]. Zadania energetyczne gmin są powiązane również poprzez pryzmat realizacji lokalnego bezpieczeństwa energetycznego (rys. 3). W latach występowały ograniczenia w dostawie energii elektrycznej z przyczyn pogodowych oraz sezonowych (rys. 4). Szacuje się, że współpraca jednostek samorządu terytorialnego oraz energetyki zawodowej pozwoliłaby opanować deficyt mocy rzędu 2-3 tys. MW. 4. KONCEPCJA MN CENTRÓW ENERGETYCZNYCH GMN Jako przykład aktywnego podejścia do zagadnień zaopatrzenia w paliwa i energię, bezpieczeństwa elektroenergetycznego na poziomie lokalnym, efektywności energetycznej, może służyć gmina Gierałtowice w województwie śląskim. Dokonano w niej oceny zapotrzebowania na energię elektryczną i ciepło całej gminy oraz oceny zasobów energetycznych; w tym odnawialnych.

5 Gmina Gierałtowice to 10,8 tys. mieszkańców, zapotrzebowanie na energię elektryczną GW h przez obiekty komunalne i 4 6 GW h na oświetlenie, zapotrzebowanie na moc cieplną to ok. 36 MW (odbiorcy ciepła komunalni i indywidualni). W czterech miejscowościach gminy występuje duża koncentracja budynków mieszkalnych (2700) oraz obiektów komunalnych (20). Przewiduje się zasilanie, głównie ważnych obiektów komunalnych, ze źródeł kogeneracyjnych oraz wiatrowych. Źródła te, usytuowane w sieci niskiego i średniego napięcia, w warunkach normalnych będą współpracować z siecią energetyki zawodowej, zaś w sytuacjach awaryjnych mogą utrzymać zasilanie w tzw. wyspach energetycznych. stnieje również możliwość ograniczenia zapotrzebowania na energię elektryczną, głównie w obiektach komunalnych, przez utrzymanie tylko tzw. minimów technicznych tych obiektów. Dla analizowanej gminy daje to moc rzędu 2 3 MW. W gminie są budowane cztery mini centra energetyczne z agregatami kogeneracyjnymi, które mają poprawić niezawodność zasilania i efektywność energetyczną, zmniejszyć emisję CO 2 i innych zanieczyszczeń oraz doprowadzić do oszczędności energii pierwotnej (rys. 5). W roku 2002 rozpoczęto prace planistyczne nad reorganizacją energetyki gminnej. W powstających 4 mini centrach będą zainstalowane agregaty o mocach: 70 kw na gaz ziemny, 500 kw na biogaz, kw na gaz kopalniany (metan) i 1500 kw w jednostce wiatrowej. W 2006 rozpoczęto budowę krytej pływalni mini centrum energetyczne dla pływalni i kompleksu dydaktycznego oraz ośrodka zdrowia. W roku 2010 pierwsze mini centrum energetyczne przy krytej pływalni rozpoczęło pracę (rys. 6). Zasilanie agregatu kogeneracyjnego odbywa się na razie gazem ziemnym a w przyszłości - metanem z biogazowni. Gmina Gierałtowice może w ten sposób zrezygnować z zapotrzebowania na ok. 2,0 MW w obiektach komunalnych. Rys. 3. Schemat kompleksowej realizacji lokalnego bezpieczeństwa energetycznego przez gminy

6 33921 MW.h MW.h MW.h Ograniczenia energii, MW.h rok Ograniczenie z powodu braku mocy dyspozycyj- Ograniczenia z powodu złych warunków atmosferycznych Pozostałe ograniczenia w wyniku awarii systemowych i sieciowych Rys. 4. Ograniczenia w dostawach energii elektrycznej w poszczególnych miesiącach lat Rys. 5. Koncepcja mini centrów energetycznych w gminie Gierałtowice

7 Rys. 6. Schemat układu elektrycznego mini centrum energetycznego w Paniówkach Mini centra energetyczne zapewniają bezpieczeństwo energetyczne krótkoterminowe (stany awaryjne) a także bezpieczeństwo długoterminowe [6]. Dotychczas, w stanach awaryjnych dostawę energii elektrycznej zapewniają zwykle agregaty prądotwórcze przewoźne o stosunkowo małej mocy. Aktualnie występuje tendencja, aby funkcje te pełniły źródła stacjonarne (generacja rozproszona, które w warunkach normalnych spełniają rolę źródeł podstawowych, a w czasie deficytu mocy mogą wesprzeć system mocą rzędu 2 tys. MW. W ten sposób może być wykreowana aktywna rola gmin we współdziałaniu z przedsiębiorstwami elektroenergetycznymi przy minimalizacji skutków sezonowych i nagłych deficytów mocy i energii oraz losowych i planowanych przerw w zasilaniu. LTERATURA [1] Bargiel J. i inni: Niezawodność dostawy energii elektrycznej z sieci średnich napięć. Grant MNi- SW. nstytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów, Politechnika Śląska, Gliwice [2] Bargiel J., Goc W., Sowa P.: Różne aspekty funkcjonowania mini centrów energetycznych z punktu widzenia niezawodności. Konferencja nvention [3] Bargiel J., Goc W., Sowa P., Teichman B., Szczepiński K.: Prognoza krótko i długoterminowa deficytu mocy w krajowym systemie elektroenergetycznym, Konferencja Prognozowanie w elektroenergetyce, Częstochowa [4] Bargiel J., Goc W., Sowa P., Teichman T.: Niezawodność zasilania odbiorców z sieci średniego napięcia. Materiały Konferencji Naukowo-Technicznej Rynek Energii Elektrycznej - rynek, technologie, polityka. Kazimierz Dolny, maja [5] Bargiel J., Goc W., Paska J., Sowa P.: Power System Reliability in Local Subsystem. Proceedings of the nternational Symposium Modern Electric Power Systems - MEPS (under auspices of EEE) Wrocław, 6-8 September [6] Paska J.: Niezawodność systemów elektroenergetycznych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. Warszawa 2005.

8 [7] Raport 2010 KSE - zestawienie danych ilościowych dotyczących funkcjonowania KSE w 2010 roku. [8] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz. U. Nr 93, poz. 623). [9] Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 Prawo energetyczne (z późniejszymi zmianami). WAYS OF MTGATON OF POTENTAL POWER AND ENERGY DEFCTS N THE POLSH ELECTRC POWER SYSTEM Key words: power and energy deficiency, electric power system, power demand, regional authority Summary. The article characterizes the reasons for anticipated power deficits as a result of seasonal changes in available capacity of power plants, seasonal changes in demand (especially in summer), and the unplanned outages in generation capability and transmission and distribution capabilities of power grids. The possibilities of local governments in mitigation the effects of the power deficits, and behavior in emergency situations are presented. Some examples of actions of the local government units in cooperation with public power utility are shown. Joachim Bargiel, dr inż., adiunkt w nstytucie Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki Śląskiej, wójt gminy Gierałtowice; autor wielu referatów i artykułów z dziedziny niezawodności układów elektroenergetycznych, propagator e-gminy i rozproszonych źródeł energii. Politechnika Śląska, nstytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów, wojt@gieraltowice.pl Józef Paska, prof. dr hab. inż., kierownik Zakładu Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej, Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, nstytut Elektroenergetyki; ukończył Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej. Jego zainteresowania naukowe dotyczą niezawodności systemu elektroenergetycznego i bezpieczeństwa zasilania w energię elektryczną, technologii wytwarzania energii elektrycznej, w tym wytwarzania rozproszonego i wykorzystania odnawialnych zasobów energii, gospodarki elektroenergetycznej i ekonomiki elektroenergetyki. Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, nstytut Elektroenergetyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej, ul. Koszykowa 75, Warszawa, jozef.paska@ien.pw.edu.pl Paweł Sowa, dr hab. inż., prof. nzw. Pol. Śl., dyrektor nstytutu Elektroenergetyki i Sterowania Układów Politechniki Śląskiej, Prodziekan ds. Nauki i Organizacji Wydziału Elektrycznego; specjalista w dziedzinie elektroenergetyki, autor wielu artykułów, referatów i książek. Politechnika Śląska, nstytut Elektroenergetyki i Sterowania Układów, pawel.sowa@polsl.pl