Hybrydowe układy wytwórcze i mikrosieci sposobem na rozwój generacji rozproszonej

Transkrypt

1 56 Spotkanie Forum Energia Efekt Środowisko, Hybrydowe układy wytwórcze i mikrosieci sposobem na rozwój generacji rozproszonej Prof. dr hab. inż. Józef PASKA Politechnika Warszawska Wydział Elektryczny, Instytut Elektroenergetyki, Zakład Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej Jozef.Paska@ien.pw.edu.pl

2 O prelegencie Uzyskał tytuł zawodowy mgr inż. elektryka na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej w 1974 r. (specjalizacja elektrownie i gospodarka elektroenergetyczna), stopień naukowy doktora w 1982 r. (rozprawa doktorska pt. Modele niezawodnościowe układów elektrycznych zasilania potrzeb własnych i wyprowadzenia mocy elektrowni ), doktora habilitowanego w 2002 r. (monografia habilitacyjna pt. Ocena niezawodności podsystemu wytwórczego systemu elektroenergetycznego ), tytuł naukowy profesora w 2007 ( ). Obecnie jest profesorem zwyczajnym w Instytucie Elektroenergetyki PW (Wydział Elektryczny) i kierownikiem Zakładu Elektrowni i Gospodarki Elektroenergetycznej. Jest członkiem rad programowych czasopism Elektroinstalator, Rynek Energii i Energetyka. W kadencji był członkiem Komitetu Problemów Energetyki przy Prezydium PAN, w latach i członkiem Sekcji Systemów Elektroenergetycznych Komitetu Elektrotechniki PAN a w kadencji jest członkiem Prezydium Komitetu Problemów Energetyki przy Wydziale Nauk Technicznych PAN. Jego zainteresowania naukowe dotyczą technologii wytwarzania energii elektrycznej, w tym wytwarzania rozproszonego i wykorzystania odnawialnych zasobów energii, gospodarki elektroenergetycznej i ekonomiki elektroenergetyki, niezawodności systemu elektroenergetycznego i bezpieczeństwa zasilania w energię elektryczną. Autor ponad 250 artykułów i referatów oraz 10 monografii i podręczników akademickich. Należy do Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej, Polskiego Towarzystwa Nukleonicznego, World Scientific and Engineering Academy and Society oraz do International Council on Large Electric Systems (CIGRE). 2

3 ZAGADNIENIA Wprowadzenie Definicja hybrydowego układu wytwórczego Rodzaje hybrydowych układów wytwórczych Zasobniki energii w układach hybrydowych Przykłady rozwiązań układów hybrydowych Mikrosieci Podsumowanie 3

4 WPROWADZENIE Rozproszone źródła energii, wytwarzanie rozproszone, generacja rozproszona, energetyka rozproszona to synonimy określające dynamicznie rozwijającą się (od początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku) dziedzinę elektroenergetyki, dobrze wpisującą się w ideę rozwoju zrównoważonego. Generacja rozproszona rozumiana jako wytwarzanie energii elektrycznej i/lub ciepła w obiektach malej skali, zlokalizowanych w sieciach rozdzielczych lub u odbiorców, często z wykorzystaniem zasobów odnawialnych i w skojarzeniu; nie jest bynajmniej nowym zjawiskiem w funkcjonowaniu systemu elektroenergetycznego. W rozproszonych źródłach energii są (lub mogą być) stosowane: silniki tłokowe, turbiny i mikro-turbiny gazowe, silniki Stirlinga; ogniwa paliwowe; układy skojarzone wykorzystujące turbiny gazowe, silniki tłokowe, silniki Stirlinga i ogniwa paliwowe; małe elektrownie wodne (MEW); elektrownie wiatrowe; elektrownie geotermiczne; systemy fotowoltaiczne (PV); układy heliotermiczne (z centralnym odbiornikiem i zdecentralizowane); technologie wykorzystujące biomasę i odpady; technologie wykorzystujące: plywy, prądy i falowanie mórz oraz ciepło oceaniczne; zasobniki energii. 4

5 DEFINICJA HYBRYDOWEGO UKŁADU WYTWÓRCZEGO Chcąc zwiększyć możliwości wykorzystania odnawialnych źródeł (zasobów) energii zaczęto stosować hybrydowe układy (systemy) wytwórcze (HSW), będące kombinacją kilku technologii uzyskiwania energii elektrycznej, np.: panelu fotowoltaicznego i generatora z silnikiem spalinowym. Są to zatem, małe zespoły współpracujących jednostek wytwórczych energii elektrycznej i ciepła, o zróżnicowanych nośnikach energii pierwotnej (odnawialne i nieodnawialne) i/lub zawierające układ(y) do magazynowania energii, przy czym sterowanie i koordynacja ich współpracy odbywa się przy wykorzystaniu zaawansowanych układów energoelektronicznych. Pojęcie układu hybrydowego występuje także w rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 18 października 2012 w sprawie szczegółowego zakresu obowiązków : układ hybrydowy jednostka wytwórcza wytwarzająca energię elektryczną albo energię elektryczną i ciepło, w której w procesie wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła wykorzystywane są nośniki energii wytwarzane oddzielnie w odnawialnych źródłach energii, z możliwością wykorzystania paliwa pomocniczego*, i w źródłach energii innych niż odnawialne źródło energii, pracujące na wspólny kolektor oraz zużywane wspólnie w tej jednostce wytwórczej do wytworzenia energii elektrycznej lub ciepła. * Paliwo pomocnicze paliwo inne niż biomasa stosowane do uruchomienia odnawialnego źródła energii, którego udział wagowy w łącznej ilości spalanej biomasy nie przekracza 0,3% w okresie rozliczeniowym. 5

6 DEFINICJA HYBRYDOWEGO UKŁADU WYTWÓRCZEGO Wg poprzedniej wersji rozporządzenia Ministra Gospodarki, z dnia 14 sierpnia 2008: układ hybrydowy jednostka wytwórcza wytwarzająca energię elektryczną albo energię elektryczną i ciepło, w której w procesie wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła wykorzystywane są nośniki energii wytwarzane oddzielnie w odnawialnych źródłach energii i w źródłach energii innych niż odnawialne, pracujące na wspólny kolektor oraz zużywane wspólnie w tej jednostce wytwórczej do wytworzenia energii elektrycznej lub ciepła. Według ustawy Prawo energetyczne: odnawialne źródło energii źródło wykorzystujące w procesie przetwarzania energię wiatru, promieniowania słonecznego, geotermalną, fal, prądów i pływów morskich, spadku rzek oraz energię pozyskiwaną z biomasy, biogazu wysypiskowego, a także biogazu powstałego w procesach odprowadzania lub oczyszczania ścieków albo rozkładu składowanych szczątków roślinnych i zwierzęcych. 6

7 RODZAJE HYBRYDOWYCH UKŁADÓW WYTWÓRCZYCH Hybrydowe układy wytwórcze zawierają dwa lub więcej źródeł energii (technologii) po to, by następowało wzajemne kompensowanie zalet i wad tych źródeł. Projektanci i producenci rozpatrują rozmaite możliwości połączenia różnych technologii w celu zwiększenia sprawności oraz uzyskania lepszych parametrów. Hybrydowy układ wytwórczy z dwoma rodzajami zastosowanych technologii jest nazywany podwójnym (ang. bivalent), a układ z wieloma źródłami wielorakim (ang. multivalent). Schemat blokowy typowego układu hybrydowego z wyłącznym wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii 7

8 ZASOBNIKI ENERGII W UKŁADACH HYBRYDOWYCH Tabela 1. Możliwości magazynowania energii elektrycznej Zasobniki mechaniczne elektrownie wodne pompowe zbiorniki sprężonego powietrza koła zamachowe (masy wirujące) Zasobniki elektrochemiczne baterie akumulatorów z magazynowaniem wewnętrznym (np. ołowiowe, niklowokadmowe, litowo-jonowe) z magazynowaniem zewnętrznym: - magazynowanie gazu (elektrolizer, ogniwo paliwowe) - magazynowanie w ciekłych elektrodach (np. wanadowych) - ogniwa galwaniczne z regeneracją zewnętrzną (np. cynk-powietrze) Zasobniki elektryczne magnesy nadprzewodzące superkondensatory 8

9 ZASOBNIKI ENERGII W UKŁADACH HYBRYDOWYCH 9

10 PRZYKŁADY ROZWIĄZAŃ UKŁADÓW HYBRYDOWYCH Schemat blokowy elektrowni słonecznej z baterią akumulatorów Schemat blokowy elektrowni słoneczno-wiatrowej 10

11 PRZYKŁADY ROZWIĄZAŃ UKŁADÓW HYBRYDOWYCH Schemat blokowy hybrydowej elektrowni słoneczno-wiatrowej z generatorem napędzanym silnikiem Diesla 11

12 PRZYKŁADY ROZWIĄZAŃ UKŁADÓW HYBRYDOWYCH Struktura elektrowni słonecznej z ogniwem paliwowym i widok części układu z 2 ogniwami paliwowymi z elektrolitem polimerowym (PEFC) typu Nexa 12

13 Projekt UE Opracowanie struktury kształcenia na odległość w zakresie projektowania i eksploatacji hybrydowych systemów wytwórczych HYPOS-DILETR,

14 MIKROSIECI Mikrosieć tworzą jednostki wytwórcze - mikroźródła (zwykle wyposażone w układy energoelektroniczne) oraz odbiory, które mogą pracować jako jedna całość dostarczając energię elektryczną i ciepło. Sterowanie mikrosiecią obejmuje regulację napięcia, sterowanie przepływami mocy, rozdziałem (ew. ograniczaniem) obciążenia podczas wydzielania wyspy, zabezpieczenia oraz stabilność. Układy sterowania pozwalają na współpracę mikrosieci z siecią energetyki zawodowej lub na pracę wyspową, z łagodnym przejściem z jednego trybu pracy do drugiego. Mikrosieć stanowi, z punktu widzenia reszty systemu elektroenergetycznego, zamkniętą, sterowalną całość (jednostkę), która zaspokaja lokalne potrzeby. Jest to zatem sztuczna (wirtualna) elektrownia (ang. virtual power plant). Wykorzystanie mikrosieci jest próbą odpowiedzi na problemy integracji źródeł rozproszonych z systemem elektroenergetycznym i należy do szerszej klasy rozwiązań określanych mianem inteligentnych (ang. smart), takich jak: systemy (sieci) inteligentne (ang. smart grids), inteligentne układy pomiarowe (ang. smart metering), inteligentne przedsiębiorstwo energetyczne (ang. smart utility). 14

15 MIKROSIECI Mikrosieć rozdzielcza Struktura mikrosieci rozdzielczej oraz sposób jej przyłączenia do systemu elektroenergetycznego; O odbiór energii elektrycznej, OC odbiór ciepła, OW szczególnie wrażliwy odbiór energii elektrycznej, PWP punkt wspólnego przyłączenia, RPU regulator mocy czynnej i napięcia, RŹE mikroźródło rozproszone, SZD system zarządzająco-dyspozytorski mikrosieci, WO wyłącznik oddzielający SZD Linia A Strefa 2 Linia B Strefa 1 WO PWP SEE Linia C Strefa 3 O RPU RŹE OW O Strefa 5 RPU RŹE O Tradycyjna sieć rozdzielcza Strefa 7 RPU RPU Strefa 4 OC O RŹE Strefa 6 O RŹE OW O O O O O O 15

16 Z systemem prądu przemiennego są związane następujące problemy: synchronizacja źródeł, gospodarka mocą czynną i bierną utrzymanie napięcia i częstotliwości, sterowanie przepływem energii. MIKROSIECI Koncepcja integracji źródeł rozproszonych przy wykorzystaniu mikrosieci prądu stałego 16

17 PODSUMOWANIE Wczoraj i dziś: Elektrownie systemowe Jednokierunkowe przepływy Zintegrowane pionowo monopolistyczne struktury Sieć NN Sieć 110 kv Dziś i jutro: Sieci SN Jednostki wytwórcze małej skali Dwukierunkowe przepływy Decentralizacja i liberalizacja struktur Sieci nn 17

18 PODSUMOWANIE , ,3 19,6 TWh ,9 12,1 9,2 5,9 1,5 4,6 6 15,3 12,4 47,6 49,8 49,7 14,8 33,5 19,1 20,5 19,7 Olej opałowy Energia wód, Słońca, inne paliwa Biomasa i biogaz Energia wiatru Paliwo jądrowe ,1 63,6 Gaz ziemny Węgiel brunatny Węgiel kamienny ,2 67, ,9 40, Lata Prognoza zagregowanej struktury produkcji energii elektrycznej netto (wg ARE S.A.) 18

19 PODSUMOWANIE Moc osiągalna netto, MW El PV El wiatrowe El i EC biomasowe i biogazowe EC na WK EC przemysłowe El wodne i pompowe El jądrowe El i EC gazowe El WK El WB Lata Prognoza zagregowanej struktury mocy osiągalnej netto źródeł energii elektrycznej (wg ARE S.A.) 19

20 PODSUMOWANIE Sposobem na efektywne wykorzystanie odnawialnych i rozproszonych zasobów energii pierwotnej są hybrydowe układy (systemy) wytwórcze, w których ma miejsce integracja i swego rodzaju synergia różnych technologii wytwarzania energii elektrycznej oraz mikrosieci, które umożliwiają zaspokojenie potrzeb energetycznych, w zakresie energii elektrycznej, lokalnych społeczności. Budowa hybrydowych układów wytwórczych o średniej i małej mocy, wykorzystujących odnawialne i rozproszone zasoby energii pierwotnej, które będą zlokalizowane blisko odbiorców, pozwoli uniknąć części kosztów przesyłu i dystrybucji. Tego typu układy mają niebagatelne znaczenie dla ochrony środowiska, gdyż wiele z tych źródeł nie emituje zanieczyszczeń. Hybrydowe układy wytwórcze stwarzają także możliwości produkcji ciepła, zarówno w sposób rozdzielony, jak też skojarzony. Możliwości takie istnieją w przypadku zastosowania w HSW takich technologii jak: silniki tłokowe (spalinowe lub parowe), silniki Stirlinga, małe turbiny gazowe i mikroturbiny, ogniwa paliwowe (średnio- i wysokotemperaturowe), elektrownie słoneczne heliotermiczne, wykorzystanie biomasy i biogazu, wykorzystanie ciepła geotermalnego. 20

21 Dziękuję za uwagę 21