WYBRANE NARZĘDZIA STEROWANIA POPYTEM NA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ Autor: Magdalena Ryś ( Rynek Energii nr 4/2005) Słowa kluczowe: taryfy elektryczne, sterowanie popytem, DSM, rynek energii Streszczenie. Tendencją na rozwiniętych rynkach energii jest dążenie do ustanawiania mechanizmów, które pozwoliłyby utrzymać możliwie niski koszt energii elektrycznej. Jest to ważne z uwagi na to, że efektywność dostaw energii na poziomie wytwórców, przesyłu i rozdziału przekłada się na średnią cenę energii dla odbiorców i konkurencyjność gospodarki narodowej. Jednym ze sposobów kształtowania kosztów energii jest sterowanie popytem, realizowane najczęściej poprzez łączenie środków technicznych i taryf na energię. Stopień w jakim odbiorcy reagują na sygnały cenowe ze strony dostawcy określa elastyczność cenowa popytu na energię, która ściśle zależy od charakterystyk użytkowników. W artykule przedstawiono wyniki badań nad elastycznością cenową popytu w jednej z krajowych spółek dystrybucyjnych w latach 1993-2002 oraz wnioski z tych badań, w kontekście działań DSM. 1. WSTĘP Elektroenergetyka, tak jak wiele innych branż w Polsce, wyraźnie zmienia swoje struktury zarządzania podążając za rozwiązaniami przyjmowanymi na świecie. Zmiany zachodzą w obszarze wytwarzania, przesyłu oraz dystrybucji energii elektrycznej, i dotyczą różnych aspektów. Przykładem jest wspieranie przez państwo racjonalnego kształtowania cen energii elektrycznej, poprzez rozwiązania prawne umożliwiające wdrażanie służących temu działań już na etapie planowania podaży [13], [17]. Nacisk na utrzymywanie niskich kosztów w energetyce ma swoje uzasadnienie w tym, że odbiorcy przemysłowi, handel i gospodarstwa domowe są na swój sposób uzależnieni" od energii elektrycznej. Wzrost ceny energii wpływa pośrednio na pozycję konkurencyjną wszystkich gałęzi przemysłu i przekłada się na poziom życia. To rodzi presję do obniżania kosztów energii. Tradycyjnie, oszczędności poszukiwano po stronie podażowej rynku, od pewnego czasu uwaga skupiona jest na odbiorcach i możliwościach sterowania popytem na energię. 2. ZARZĄDZANIE STRONĄ POPYTOWĄ RYNKU Sterowanie popytem dotyczy finalnych odbiorców energii elektrycznej, a więc mechanizmów konkurencji na poziomie spółek dystrybucyjnych, czy szerzej -dostawców energii. Działania te definiuje się jako wpływanie przez dostawcę, przy współpracy z odbiorcą, na poziom zużycia i sposób korzystania z energii elektrycznej. Opcje popytowe - tzw. DSM 1, sprowadza się głównie do dwóch typów przedsięwzięć: efektywnego i oszczędnego wykorzystywania energii, kształtowania krzywej obciążeń, tj. redukcji zapotrzebowania na moc w szczytach obciążenia i/lub przeniesienia zapotrzebowania w doliny obciążenia. Środki te obejmują kilkanaście instrumentów, w tym rozwiązania systemowe, regulujące wdrażanie DSM oraz poszczególne narzędzia, takie jak taryfy elektryczne (produkty cenowe), systemy bodźcowe, propaganda oraz sterowanie pracą odbiorników i urządzeń u odbiorców.
DSM jest elementem planowania rozwoju systemu elektroenergetycznego (SEE) zgodnie z nowoczesną koncepcją lokalnie zintegrowanego planowania zasobów 2 (LIRP), która zakłada dwustopniową procedurę oceny zapotrzebowania. Najpierw analizuje się indywidualny popyt odbiorcy/grupy odbiorców i możliwości jego zaspokojenia przy zastosowaniu różnych programów DSM - poszukuje się przyczyn powstawania lokalnych szczytów zapotrzebowania na moc elektryczną i przeciążeń SEE. Dopiero w kolejnym kroku planuje się opcje podażowe [10]. W porównaniu z IRP 3, w którym sekwencja działań jest odwrotna (zob. rysunek 1), LIRP pełniej wykorzystuje opcje popytowe, co daje wymierny efekt finansowy. Do najczęściej stosowanych w ramach LIRP narzędzi należą: programy skłaniające do oszczędzania energii, sterowanie pracą urządzeń, czynniki ekonomiczne w tym taryfy, generacja rozproszona, magazynowanie energii i rekonfiguracja sieci. Inwestycje są realizowane dopiero przy braku jakichkolwiek innych możliwości zbilansowania popytu i podaży. Potencjał tkwiący w opcjach popytowych wynika z dobowej i sezonowej zmienności zapotrzebowania na moc i energię elektryczną. Sterowanie popytem ogranicza negatywne skutki nierównomiernego i niejednokrotnie nadmiernego popytu na energię elektryczną. Racjonalizacja zużycia energii pozwala wygładzać przebieg krzywej obciążenia i zmniejszać średnie koszty dostawy energii. Jest to wynik wzrostu efektywności na poziomie wytwarzania, przesyłania i dystrybucji energii elektrycznej. Obniżenie kosztów dostawy energii jest możliwe, ponieważ stosowanie opcji DSM może być tańsze niż działania po stronie podażowej. Oszczędności mają dwa źródła. Po pierwsze, w wyniku kształtowania krzywej zapotrzebowania na moc pojawia się możliwość lepszego wykorzystania istniejącego i przyszłego potencjału producentów oraz dostawców energii [4]. Skalę możliwych korzyści pokazuje rysunek 2, na którym przedstawiono stopień wykorzystania infrastruktury w jednej ze spółek energetycznych w USA. Jak widać, przez połowę roku jednostki wytwórcze są w tym przypadku wykorzystywane na poziomie nie przekraczającym 70% zainstalowanej mocy, a sieć rozdzielcza - na poziomie nie większym niż 50% zdolności przesyłowych. Drugim źródłem korzyści jest to, że inwestycje w opcje popytowe nie wymagają wielkich jednostkowych i skoncentrowanych nakładów, a także charakteryzują się krótkim okresem zwrotu. Przedsięwzięcia te można finansować ze środków obrotowych, a ich zakres może być zwiększany w miarę zwracania się wcześniej poniesionych kosztów. Różne formy zarządzana popytem znajdują zastosowanie zarówno podczas normalnej pracy systemu elektroenergetycznego - wyrównywanie obciążenia, jak i w stanach awaryjnych, np. do selektywnego wyłączania odbiorników. Z punktu widzenia sterowania pracą SEE, DSM powinno funkcjonować jako narzędzie wspomagające operatywne zarządzanie mocą, realizowane z użyciem środków technicznych [3],[14],[16].
3. PROGRAMY DSM Bezpośrednie środki oddziaływania na użytkowników energii elektrycznej można podzielić na cztery grupy: psychologiczne, ekonomiczne, administracyjno-prawne i techniczne. Do pierwszej kategorii zalicza się działania takie jak propaganda, marketing, doradztwo, szkolenia, audyty energetyczne itp. Środki ekonomiczne obejmują taryfy elektryczne, pośrednictwo finansowe i różne formy dofinansowania działań DSM. Na pograniczu tych dwu grup sklasyfikować można szczególnie szeroko stosowane w USA programy bodźcowe 4. Środki administracyjno-prawne, którym z reguły towarzyszą bodźce ekonomiczne, obejmują m.in. regulację opłat za energię i moc, administracyjne ograniczenie możliwości stosowania urządzeń energochłonnych oraz regulowanie warunków dostaw. Do tej grupy należą także zmiany czasu lokalnego. Działania techniczne z kolei, polegają przede wszystkim na załączaniu i wyłączaniu części sieci elektroenergetycznej oraz na załączaniu i wyłączaniu odbiorników elektrycznych u odbiorców. Do najważniejszych narzędzi wykorzystywanych w procesie kształtowania popytu na energię elektryczną należą: taryfy elektryczne (produkty cenowe), kontrolowanie pracy urządzeń elektrycznych u odbiorców, inne działania bazujące głównie na nacisku psychologicznym, takie jak propaganda, działania doradczo-usługowe, kształtowanie struktury odbiorników energii, programy bodźcowe i marketingowe [15]. Największe znaczenie mają rozwiązania pozwalające na natychmiastową redukcję zapotrzebowanej mocy, w okresach największego obciążenia systemu i najwyższych cen energii na rynku hurtowym. W praktyce kryterium to spełniają programy polegające na bezpośrednim sterowaniu urządzeniami u odbiorców oraz dynamiczne taryfy elektryczne. W zakresie sterowania obciążeniem wykorzystywane są następujące rozwiązania techniczne: urządzenia z mechanizmem zegarowym, kumulujące energię elektryczną w dolinie obciążenia, programowane przez odbiorców lub sterowane z zewnątrz; aktualnie stosowane i potencjalne technologie w tym zakresie to baterie elektrochemiczne, technologie sprężonego powietrza, pompy wodne i ogniwa paliwowe, przełączniki czasowe do liczników energii elektrycznej,
systemy sterowania za pomocą sygnałów o częstotliwości akustycznej (SCA), systemy sterowania radiowego (RSM), platformy pomiarowo-komunikacyjne. Sterowanie pracą odbiorników elektrycznych uważane jest za jedną z bardziej skutecznych metod wyrównywania przebiegu obciążeń elektrycznych. Środki techniczne pozwalają wygładzać obciążenia szczytowe i dodatkowo wypełniać doliny obciążenia. Pozytywne skutki tych działań to lepsze wykorzystanie infrastruktury elektroenergetycznej, odsunięcie w czasie inwestycji, wydłużenie czasu użytkowania mocy szczytowej i ograniczenie strat sieciowych w przeliczeniu na zrealizowaną sprzedaż energii elektrycznej [8]. Efektem jest tutaj obniżka średniego kosztu dostawy energii elektrycznej oraz poprawa niezawodności dostaw energii [1]. Oddziaływanie środków technicznych na zapotrzebowanie na energię elektryczną w warunkach normalnej pracy systemu ilustrują rysunki 3 i 4. Są to przykłady wykorzystania sterowania pracą urządzeń klimatyzacyjnych, wentylatorów i oświetlenia odpowiednio w budynkach mieszkalnych i handlowych. Przykłady sterowania pracą odbiorników w warunkach krajowych opisane zostały m.in. w [6], [7], [8] i [9]. W procesie sterowania popytem na energię elektryczną zastosowanie znajdują także niektóre rodzaje taryf elektrycznych. Szczególnie przydatne, ale jeszcze rzadko stosowane są tutaj różne odmiany taryfy dynamicznej, czyli taryfy wielostrefowe 5, taryfy czasu rzeczywistego 6 i taryfy z wyłączeniem 7 [11], [12]. Skuteczność tych produktów cenowych wynika z tego, że uzależniają one stawki za energię elektryczną od wysokości i dynamiki cen energii na rynku hurtowym, przez co zwiększają reagowalność odbiorców na sygnały cenowe 8.
4. WPŁYW TARYFY ELEKTRYCZNEJ NA POPYT ODBIORCÓW KRAJOWYCH W Polsce nie stosuje się taryf czasu rzeczywistego. Dla wielkich i średnich odbiorców przemysłowych -grupy taryfowe A i B - przeznaczone są taryfy dwuczłonowe jedno-, dwu- i trójstrefowe, natomiast mniejsi odbiorcy przemysłowi, handel i odbiorcy komunalno-bytowi korzystają z taryf jedno- i dwuczłonowych oraz jedno- i dwustrefowych - grupy taryfowe C i G. Siłę oddziaływania taryfy (stawki) na proces obciążenia elektrycznego mierzy się za pomocą współczynnika elastyczności cenowej popytu, która definiowana jest jako stosunek relatywnej zmiany zapotrzebowania do relatywnej zmiany ceny. Miarą elastyczności cenowej jest wskaźnik elastyczności, który mówi o zmianach popytu wyrażonych w procentach, przy jednoprocentowych zmianach ceny. Uogólnioną miarą elastyczności cenowej jest elastyczność krzyżowa. Elastyczność krzyżowa popytu na dobro i" względem ceny dobra,j", to relacja pomiędzy względną zmianą zapotrzebowania na dobro i", a względną zmianą ceny dobra j". W przypadku energii elektrycznej dobra i" oraz j" prezentują energię elektryczną pobraną w różnych strefach taryfy wielostrefowej. Przy założeniu stałej elastyczności cenowej badany współczynnik może być wyznaczany z potęgowej funkcji popytu, dla której wykładnik potęgi jest elastycznością punktową [5]: gdzie: q i - zapotrzebowanie na energię w strefie i", a i - parametr równania, p j - stawka za energię w strefie j", e ij - wskaźnik elastyczności cenowej popytu (dla i=j elastyczność własna popytu, dla i j elastyczność krzyżowa), i,j - strefy rozliczeniowe, n - liczba stref rozliczeniowych, ξ - składnik losowy. Dla uproszczenia estymacji parametrów funkcji potęgowej, zmienną zależną i zmienne niezależne równania przekształca się z wykorzystaniem funkcji logarytmu naturalnego, uzyskując model log-liniowy postaci: Zależność (2) została wykorzystana przez autorkę referatu do badania elastyczności cenowej popytu na energię elektryczną odbiorców jednej z krajowych spółek dystrybucyjnych. W tabelach l, 2 i 3 zamieszczone zostały wartości wskaźników elastyczności cenowej własnej i krzyżowej popytu na energię i moc elektryczną wyznaczone dla odbiorców grup taryfowych A23, B23, B22, B21 oraz C22a i C21. Badania obejmowały lata 1993-2002. Elastyczności wyliczono na podstawie szeregów miesięcznych, prezentujących odpowiednio przeciętne globalne zapotrzebowanie na energię (we wszystkich strefach rozliczeniowych) elektryczną i średnią cenę energii, przeciętne zapotrzebowanie na energię w strefie rozliczeniowej i stawkę za energię oraz przeciętne zapotrzebowanie na moc elektryczną i stawkę za moc umowną w grupie taryfowej.
Uzyskane wyniki pokazują, że elastyczność cenowa popytu dotyczy nie tylko energii elektrycznej, ale jest także cechą popytu na moc umowną - poziomu mocy zamawianej przez odbiorców. Trzeba podkreślić, że popyt na moc elektryczną był elastyczny tylko w przypadku odbiorców przyłączonych na wysokim i średnim napięciu. Odbiorcy taryfowi grupy C, mimo wzrostu realnych stawek za moc, zwiększali swoje zapotrzebowanie. Spośród rozpatrywanych grup odbiorców, największą elastyczność popytu na energię stwierdzono w grupach rozliczanych trójstrefowo. Dotyczy to zarówno elastyczności globalnego popytu na energię względem średniej ceny energii elektrycznej, jak i elastyczności w stosunku do stawek taryfowych. W pozostałych grupach taryfowych B oraz w grupach C22a ic21, wskaźniki elastyczności były niższe. Można jednak zauważyć, że elastyczności globalne, niezależnie od segmentu odbiorców, były z reguły większe niż elastyczności względem stawek za energię. Generalnie uzyskane elastyczności cenowe popytu należy uznać za niskie, ponieważ bezwzględne wartości wskaźników tylko w nielicznych grupach taryfowych były większe od 1,0. Mimo to, ze względu na efekt skali, nie dyskwalifikuje to taryfy jako jednego z ważniejszych narzędzi DSM. Wręcz przeciwnie, taryfę należy doskonalić dla skuteczniejszego wykorzystania do kształtowania procesów obciążenia elektrycznego. Istotną cechą popytu w badanych grupach odbiorców był brak elastyczności krzyżowych. Oznacza to, że taryfa nie realizowała dobrze swej funkcji, ponieważ nie wpływała na wyrównanie dobowego przebiegu obciążeń. Brak elastyczności krzyżowych świadczy o tym, że odbiorcy nie postrzegali energii elektrycznej dostępnej w sąsiednich strefach rozliczeniowych jako dóbr substytucyjnych - nie zmniejszali zużycia w strefie o relatywnie wyższej stawce i nie zwiększali zapotrzebowania w strefie o niższej stawce. Przyczyn takiego stanu mogło być kilka. Mogło to wynikać ze specyfiki odbiorców, np. rodzaj działalności nie pozwalał przenieść zapotrzebowania na energię w inną część doby, lub z wad taryfy, takich jak zbyt niska rozpiętość stawek, źle dobrany rozkład i długości stref rozliczeniowych, niewłaściwa segmentacja odbiorców itp. Jednym ze sposobów uniknięcia błędów taryfy jest badanie odbiorców pod względem alternatywnych charakterystyk, takich jak wyposażenie w odbiorniki elektryczne i odbiorniki zasilane innymi źródłami energii, realizowany proces, położenie geograficzne, wrażliwość na czynniki pogodowe czy posiadanie własnych źródeł energii. 5. WNIOSKI Przydatność i korzyści płynące z działań DSM nie są już zasadniczo kwestionowane. Wyrównywanie obciążeń i uzyskiwanie oszczędności w zużyciu energii, pozwala zmniejszać nacisk na rozwój majątku wytwórczego i sieciowego, przez co przyczynia się do wzrostu efektywności na każdym etapie produkcji i transportu energii. Ten wzrost efektywności przekłada się na niższą średnią cenę energii, co z kolei przynosi pożytki całej gospodarce narodowej. Ważną i dyskutowaną kwestią jest dobór narzędzi sterowania popytem. Doświadczenia krajów zachodnich oraz badania odbiorców krajowych wskazują, że oddziaływanie na popyt powinno odbywać się głównie z użyciem taryf elektrycznych, wspieranych przez rozwiązania techniczne. Równoczesne stosowanie obu tych środków jest najbardziej skuteczne i ekonomiczne.
Inną kwestią związaną ze sterowaniem popytem jest pozycja konkurencyjna dostawców energii elektrycznej - spółek dystrybucyjnych. Aktywne kształtowanie popytu na energię i moc pozwala im sprzedawać energię po cenie niższej niż konkurencja. Efekt taki można uzyskać redukując popyt w okresach najwyższych cen na rynku bieżącym. Stosowanie DSM jest w przypadku spółek dystrybucyjnych także jednym z działań marketingowych. Optymalizując sprzedaż energii względem cen hurtowych, nawiązują one bliższe więzi z klientami i dostosowują produkty cenowe bezpośrednio do ich potrzeb. Działania takie określa się mianem marketingu partnerskiego. Ich adresatami są kluczowi odbiorcy, o strategicznym znaczeniu dla spółki. Zarówno konkurencyjne ceny energii, jak i stosowanie marketingu partnerskiego wydatnie przyczyniają się do poprawy pozycji rynkowej dostawcy, co przy rosnącej liberalizacji rynków jest jeszcze jednym argumentem za wdrażaniem DSM. Przypisy: 1 Ang. Demand Side Management (DSM); 2 Ang. Local Integrated Resource Planning (LIRP); 3 Ang. Integrated Resource Planning (IRP); podejście to zakłada dostarczanie energii elektrycznej po najmniejszych kosztach społecznych. 4 Programy bodźcowe polegają na stosowaniu zachęt finansowych w zamian za korzystanie przez odbiorców z energooszczędnych urządzeń i technologii. Zachęty to najczęściej bezzwrotne dotacje, nie oprocentowane lub nisko oprocentowane pożyczki, rabaty i ulgi podatkowe. 5 W taryfie wielostrefowej stawki za energię zmieniają się w cyklu dobowym, tygodniowym (dni robocze/weekendy), oraz sezonowo (lato/zima). 6 W taryfie czasu rzeczywistego stawki za energią elektryczną zmieniają się podobnie jak ceny na rynku hurtowym, przy czym z reguły odbiorcy są informowani o prognozowanych cenach energii z wyprzedzeniem, najczęściej ok. l h. 7 Jest to połączenie taryfy płaskiej (jedna stawka za energię dla całej doby), taryfy wielostrefowej lub taryfy czasu rzeczywistego z kontrolą pracy urządzeń u odbiorcy 8 Taryfy wielostrefowe odzwierciedlają bieżące ceny energii w mniejszym stopniu niż taryfy czasu rzeczywistego, co może stanowić do 20% zmienności cen na rynku bieżącym [2].
LITERATURA [1] Banerjee R., Chattopadhyay D., Parikh J.: Integrating Demand Side Options in Electric Utility Planning: A Multiobjective Approach. IEEE Transactions on Power Systems, Vol. 10, No. 2, May 1995. [2] Borstein S., Jaske M., Rosenfeld A.: Dynamie Pricing, Advanced Metering and Demand Response in Electricity Markets. Center for the Study of Energy Markets, October 2002. [3] Fraser H.: The Importance of an Active Demand Side in the Electricity Industry. The Electricity Journal, November 2001, 52-73. [4] Hille E.: Zintegrowane planowanie w energetyce (IRP) z uwzględnieniem sterowania popytem (DSM), jako metoda rozwiązywania aktualnych problemów ekonomicznych i finansowych systemu elektroenergetycznego, Zintegrowane Planowanie w Gospodarce Energetycznej nr 4, marzec 1994, 1-6. [5] Hozer J.: Mikroekonometria: Analizy, diagnozy, prognozy. PWE, Warszawa 1993. [6] Jurczyk A.: Zarządzanie popytem na energię elektryczną na rynku lokalnym w okresie transformacji, Rozprawa doktorska. Uniwersytet Łódzki, Łódź 2001. [7] Kalinowski T., Maliszewski J., Tomczyk A., Wilczyński A.: Rola i efektywność stosowania inteligentnych systemów pomiarowo-komunikacyjnych dla potrzeb rynku energii. W [Materiały] IX Konferencja Naukowo-Techniczna REE'2002, Kazimierz Dolny 2002. [8] Kałużny J., Lorenc J.: Ocena wybranego obszaru miejskiej sieci 15kV w zakresie możliwości i potrzeb sterowania popytem na energię elektryczną. [9] Kargol J., Olichwer T.: Ocena instalacji SCA Wrocław Wilcza - Wrocław Walecznych w warunkach eksploatacji. W [Materiały] Konferencja Naukowo-Techniczna: Sterowanie poborem mocy elektrycznej, Inowrocław 1997. [10]Lenssen N.: Local Integrated Recourse Planning: A New Tool for a Competitive Area. The Electricity Journal, July 1996,26-36. [ll]o'sheasy M.T.: Demand Response: Not Just Rhetoric, It Can Truły Be the Silver Bullet. The Electricity Journal, November 2003, 48-60. [12]O'Sheasy M.T.: How to Buy Low and Sell High. The Electricity Journal, January/ February 1998, 24-29. [l3]polityka Energetyczna Polski do 2025 r. Dokument przyjęty przez Radę Ministrów 4 stycznia 2005 r. [14]Rosenzweig M.B., Fraser H., Falk J., Voll S.: Market Power and Demand Responsiveness: Letting Customer Protect Themselves. The Electricity Journal, May 2003, 11-23.
[15] Ryś M., Wilczyński A.: Strategie różnicowania spółek dystrybucyjnych w oparciu o elementy marketingu-mix, Rynek Energii 2003, nr 4. [16]Schweppe F.C.: Power Systems 2000: Hierarchical Control Strategies. IEEE Spectrum, 7/ 1978, 42-47. [17] Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. Prawo energetyczne, Dz.U.2003.153.1504. TOOLS CHOSEN FOR ENERGY DEMAND CONTROLLING Key words: electric tariffs, energy demand control, DSM, energy market Summary. The prevailing tendency in the developed energy markets is introducing mechanisms that would keep the energy price on a relatively Iow level. This target might be achieved by some of Demand Side Management's tools, as energy tariffs and means of technical control. Ań effective generation, transmission and distribution let reduce the price of energy and, as a conseąuence, affect a morę competitive market position of industrial firms. The measure of the reaction of the demand side to the energy price is the demand price elasticity. The paper presents demand price elasticities of chosen groups of Polish market customers for years 1993-2002 and the generał analysis of it. Magdalena Ryś, mgr inż., absolwentka Wydziału Informatyki i Zarządzania Politechniki Wrocławskiej (2001), doktorantka Instytutu Elektroenergetyki Politechniki Wrocławskiej; e- mail: magdalena.rys@pwr.wroc.pl