ROLA URZĄDZEŃ I INSTALACJI REALIZUJĄCYCH OBIEGI LEWOBIEŻNE W WIRTUALNYCH ELEKTROWNIACH Autor: Andrzej Grzebielec, Artur Rusowicz, Jerzy Kuta ("Rynek Energii" - luty 2014) Słowa kluczowe: wirtualne elektrownie, smart grid, obiegi lewobieżne, rozproszone magazynowanie ciepła Streszczenie. Wirtualne elektrownie najczęściej są opisywane jako systemy, które zarządzają pracą setek lub tysięcy niewielkich rozproszonych źródeł energii elektrycznej. Natomiast mogą one pełnić także inną rolę, oprócz zarządzania źródłami, mogą być także wykorzystywane jako układy zarządzające zużyciem energii. W tym ujęciu będą to tak zwane regulacyjne wirtualne elektrownie [8], które są w stanie oferować usługi systemowe ułatwiające niwelacje szczytów i dolin zapotrzebowania energii w systemie elektroenergetycznym. W tym celu wykorzystywane mogą być małe instalacje realizujące obiegi lewobieżne. W artykule przedstawiona została analiza wykorzystania instalacji lewobieżnych w wirtualnych elektrowniach. Okazuje się, że mogą one w zdecydowany sposób poprawić efektywność działania wirtualnych elektrowni na rynku usług systemowych. Powoduje to, że system jest bardziej zrównoważony, dzięki czemu można do niego wprowadzać więcej źródeł zaburzających pracę układu elektroenergetycznego takich jak elektrownie wiatrowe czy słoneczne [6]. 1. WSTĘP Wirtualne elektrownie to nie tylko zbiorowiska rozproszonej produkcji energii elektrycznej. Bardzo ciekawą koncepcją są wirtualne elektrownie regulacyjne [8]. Tego typu wirtualne elektrownie nie zajmują się tylko produkcją prądu ale także regulacją zużycia. W historycznym ujęciu można powiedzieć, że koncepcja ich urodziła się z powodu chęci zabezpieczenia się przed zużyciem energii ponad moc zamówioną. W dalszym etapie rozwoju tej koncepcji postanowiono kupować energię z sieci kiedy była ona tania. Aby można było to zrealizować w układzie musiały się znajdować akumulatory energii. Ze względu, na problemy w magazynowaniu energii elektrycznej magazyny akumulowały zazwyczaj już przetworzoną energię końcową czyli ciepło, chłód lub sprężone powietrze [7]. Dwie opisane wcześniej koncepcje zazwyczaj realizowane są wewnątrz jednej firmy, a ich celem jest zmniejszenie zużycia energii, bądź zmniejszenie kosztów zużycia energii. Przedsiębiorstwa, zazwyczaj ze względu na rodzaj działalności są z punktu widzenia systemu pojedynczym odbiorcą energii. Przez co nie można nazwać tego typu rozwiązań wirtualnymi elektrowniami. Energetyka odnawialna, a zwłaszcza energetyka związana z wiatrem i energią słoneczną powoduje duże zakłócenia w sieci elektroenergetycznej. Z tego powodu na rynku energii coraz bardziej są cenione usługi systemowe [1], które umożliwią wyrównywanie różnic pomiędzy ilością energii produkowanej a ilością energii zużywanej w czasie rzeczywistym.
2. NOWA KONCEPCJA WIRTUALNEJ ELEKTROWNI Wirtualne elektrownie to przede wszystkim system zarządzania rozproszonymi instalacjami. W literaturze można spotkać kilka opisów systemów starających się zmierzyć z tą problematyką [7, 8]. Wirtualna elektrownia koncepcyjnie składa się zawsze z kilku elementów: system zarządzania, rozproszone źródła, rozproszone magazyny, rozproszeni odbiorcy. Informatyczny system zarządzania Moduł prognozujący pracę systemu elektroenergetycznego Moduł prognozujący pracę poszczególnych instalacji Moduł zarządzający urządzeniami Rys. 1. Koncepcja wirtualnej elektrowni z instalacjami realizującymi obiegi lewobieżne Proponowana koncepcja wirtualnej elektrowni regulacyjnej została przedstawiona na schemacie nr 1. Są to źródła energii rozproszonej oraz instalacje z obiegami lewobieżnymi, które będą służyć jako odbiorniki energii oraz jako magazyny. Centralną częścią elektrowni jest system informatyczny, który będzie regulował pracą zarówno źródeł jak i odbiorników. Przy czym regulacja odbiornikami będzie polegała przede wszystkim na zarządzaniu zasobami zmagazynowanej energii. Nie można tutaj dopuścić do sytuacji, aby końcowy odbiorca został pozbawiony zakupionej usługi czyli np. (ciepła czy chłodu). Z tego też powodu jednym z najbardziej istotnych elementów układu są moduły zajmujące się prognozowaniem zarówno zużycia energii przez odbiorniki, jak i prognozowaniem potrzeb systemu elektroenergetycznego. W ekstremalnym przypadku można sobie wyobrazić wirtualną elektrownię jedynie jako zbiór odbiorników, która przez odpowiednie zarządzanie, będzie świadczyć usługi systemowe. Z technicznego punktu widzenia będzie to zdecentralizowany magazyn energii. Z punktu widzenia rynku energii będzie to byt przenoszący energię ze szczytów zużycia do dolin. Magazynując energię w postaci energii końcowej w czasach dolin, oraz niezużywanie zamówionej energii, lub nawet odsprzedawanie zamówionej energii po innej cenie. W koncepcjach wirtualnych elektrowni pojawiają się pomysły na stosowanie magazynów ciepła czy chłodu, jednak są one najczęściej jednym z elementów składowych źródła energii, a nie jako samodzielny byt [9].
2.1. Obiegi lewobieżne Obiegi lewobieżne, które mogą być wykorzystane, w wirtualnych elektrowniach to obiegi: podkrytyczne, nadkrytyczne oraz przeznaczone do skraplania gazów. Obiegi podkrytyczne (rysunek 2) są realizowane w urządzeniach takich jak pompy ciepła, urządzenia klimatyzacyjne czy konwekcyjne suszarnie powietrzne. Obieg ten jest także podstawowym obiegiem w instalacjach chłodniczych, jednak ze względu na specyfikę branży chłodniczej trudniej jest tego typu instalacje wykorzystać w celach magazynowania energii cieplnej (chłodniczej). Ze względu na kolejne dyrektywy unijnie zakazujące stosowania popularnych do tej pory czynników chłodniczych, oraz plany wycofania czynników z grupy f- gazów, bardzo popularnym stał się czynnik roboczy jakim jest dwutlenek węgla CO 2. Ze względu na niską temperaturę krytyczną dwutlenku węgla urządzenia pracujące z tym czynnikiem realizują obieg nadkrytyczny przedstawiony na rys. 3. W porównaniu z obiegiem podkrytycznym, w instalacji nie ma skraplacza. Ostatnim proponowanym obiegiem możliwym do wykorzystania w wirtualnych elektrowniach jest obieg przeznaczony do skraplania gazów (rysunek nr 4). Obiegi do skraplania gazów, już teraz są rozpatrywane do pracy w dużych elektrowniach [10] podczas spalania w tlenie. Najtańszą metodą wytwarzania tlenu jest tak zwany kriogeniczny rozdział powietrza. Powietrze najpierw jest skraplane w obiegu przedstawionym na schemacie nr 4, a następnie składniki tlenu są rozdzielne w kriogenicznych kolumnach rektyfikacyjnych. T 2 3 4 1 s Rys. 2. Idealny podkrytyczny obieg lewobieżny (1-2 sprężania, 2-3 skraplanie, 3-4 rozprężanie, 4-1 parowanie)
T 2 3 4 1 Rys. 3. Idealny obieg lewobieżny nadkrytyczny (1-2 sprężanie, 2-3 oddawanie ciepła, 3-4 rozprężanie, 4-1 parowanie) s Instalacje do skraplania gazów można wykorzystać na kilka sposobów. Oprócz wspomnianej już wcześniej produkcji tlenu w elektrowniach, można je wykorzystać także do produkcji innych gazów technicznych, takich jak azot czy argon. Instalacje kriogeniczne stosuje się także do odazotowania gazu ziemnego. T 2 1 3 4 5 Rys. 4. Obieg lewobieżny stosowany do skraplania gazów (1-2 sprężanie, 2-3 chłodzenie, 3-4 rozprężanie, 4-5 odparowanie, 5-1 ogrzewanie) s
2.2. Możliwości wykorzystania obiegów lewobieżnych Główną ideą zastosowania obiegów lewobieżnych jest wykorzystanie ich do magazynowania energii w postaci ciepła lub chłodu w krótkookresowym terminie (do kilku godzin). Okres ten wynika z dolin nocnych i szczytów dziennych zapotrzebowania na energię elektryczną. Na rys. 5 została zaprezentowania charakterystyka zużycia energii elektrycznej w Polsce w okresie letnim i zimowym. Rys. 5. Dobowe zużycie energii w Polsce (źródło: PSE) Na wykresie tym można zaobserwować, że zarówno w okresie letnim jak i zimowym w polskim systemie elektroenergetycznym występują zarówno doliny jak i szczyty zapotrzebowania. W okresie zimowym wyraźnie widać dwa szczyty zapotrzebowania. W okresie letnim szczyt zapotrzebowania jest tylko jeden. W przedstawionej koncepcji wirtualnej elektrowni obiegi lewobieżne mają za zadanie korzystać z energii elektrycznej w okresie doliny, natomiast w okresach szczytu układy mają działać jedynie z wykorzystaniem zgromadzonej wcześniej energii. Obiegi lewobieżne same w sobie nie mogą być bezpośrednio wykorzystane do magazynowania energii. Wynika to z faktu, że ciepło, tudzież chłód, w nich produkowany jest natychmiast wykorzystywany przez ostatecznego klienta. Problem ten daje się łatwo rozwiązać przez zastosowanie prostych i tanich magazynów. W przypadku pomp ciepła rozwiązaniem jest zastosowanie zbiornika akumulacyjnego współpracującego z systemem ogrzewania. W chwili obecnej, w standardzie instalacji z pompami ciepła znajduje się zbiornik akumulacyjny. W celu polepszenia jego współdziałania z wirtualną elektrownią zbiornik powinien być odpowiednio większy, ewentualnie powinien być wypełniony materiałami PCM (phase change materials), co umożliwia zastosowanie od kilku do kilkunastu razy mniejszego zbiornika [4]. W przypadku urządzeń klimatyzacyjnych magazynowany jest chłód. Tutaj także celowym jest magazynowanie energii w postaci chłodnej wody lub w postaci magazynów PCM. Jeśli chodzi o produkcję gazów technicznych, to sprawa wygląda trochę inaczej, ponieważ produktem jest gaz oddzielony od innych składników. Straty w wyniku magazynowana praktycznie nie występują.
Skraplanie gazów jest przewidywane jako przyszłościowe rozwiązanie w koncepcji wirtualnych elektrowni także z innego powodu - chodzi o wodór. Przewiduje się że jego magazynowanie i dystrybucja będzie zachodzić w postaci cieczy (czyli w temperaturach kriogenicznych). Dlatego też instalacje lewobieżne i w tym wypadku mogą się okazać najlepszym rozwiązaniem. 3. ZADANIA SYSTEMU INFORMATYCZNEGO System informatyczny zarządzający taką elektrownią musi posiadać dwa moduły do przewidywania. Jeden moduł ma za zadanie przewidywać jakie będzie zużycie energii w systemie elektroenergetycznym kraju [11], a drugi ma za zadanie przewidywać jakie będzie zużycie poszczególnych użytkowników magazynów ciepła. Urządzenia będą magazynować energię maksymalnie w trybie kilkugodzinnym jednak moduł musi przewidywać zużycie w zdecydowanie dłuższej perspektywie, aby określić optymalną strategię działania. W przypadku urządzeń lewobieżnych typu pompa ciepła, czy klimatyzacja decydującą rolę będzie pełnić prognoza pogody, w ujęciu lokalnym. Instalacje do skraplania gazów można traktować jako urządzenia szczytowe elektrowni wirtualnej. Ze względu na fakt, że zużycie energii do produkcji gazów technicznych będzie mniej więcej na stałym poziomie i niezależne od warunków pogodowych. Można stwierdzić że generalnym zadaniem systemu informatycznego będzie opracowanie takiego algorytmu działania, aby z jednej strony jak najbardziej dopasować się do aktualnego stanu systemu elektroenergetycznego a z drugiej, aby końcowym użytkownikom zapewnić pełen komfort. W praktyce oznacza to, że układ ten będzie zarządzał nie tyle urządzeniami - co stanem magazynowym poszczególnych elementów. 4. WSPÓŁPRACA UKŁADÓW LEWOBIEŻNYCH Z SYSTEMEM ELEKTROENERGETYCZNYM W celu sprawdzenia w jakich ramach czasowych magazynowana będzie energia należy zestawić ze sobą charakterystyki pracy urządzeń lewobieżnych z systemem elektroenergetycznym kraju. 4.1. Pompa ciepła Na rys. 6 przedstawiono pracę typowej pompy ciepła w warunkach klimatu umiarkowanego zimą na tle systemu elektroenergetycznego [3]. Wyraźnie widać, że pompa ciepła współpracuje z budynkiem w taki sposób, że ma dwa szczyty zapotrzebowania. Pierwszy szczyt poranny jest korzystny, gdyż występuje on w dolinie nocnej. Natomiast drugi szczyt jest niekorzystny gdyż pokrywa się ze szczytem sieci elektroenergetycznej. Celem magazynu współpracującego z pompą ciepła jest zatem zakumulowanie w godzinach nocnych takiej ilości ciepła aby wystarczyło jej w okresie szczytu wieczornego bez korzystania
z sieci elektroenergetycznej. W przypadku pomp ciepła, jeśli nawet występują straty w czasie magazynowania, to ze względu, że zbiornik magazynujący najczęściej znajdujący się w budynku, straty są minimalne. Wynika to z faktu że ciepło ucieka do budynku a nie na zewnątrz. Rys. 6. Zapotrzebowanie mocy pompy ciepła na tle systemu elektroenergetycznego (zima) 4.2. System klimatyzacji Układy klimatyzacji wykorzystywane są w okresie letnim, stąd też ich charakterystykę pracy należy porównywać z system elektromagnetycznym w tym okresie. Rys.7. Zapotrzebowanie na klimatyzację w budynku biurowym zlokalizowanym w Warszawie na tle systemu elektroenergetycznego Jak to widać z rys.7, największe zapotrzebowanie na klimatyzację jest w czasie, kiedy występuje także szczyt zużycia energii w systemie elektroenergetycznym. Można nawet zaryzykować stwierdzenie, że to właśnie zużycie energii na potrzeby klimatyzacji przyczynia się do powstawania szczytu w okresie let-
nim. Łatwo to wyjaśnić gdyż w okresie letnim zużycie energii w biurowcach to 85% całej energii jaką zużywają [5]. 100 80 Klimatyzacja C. O. C. W. U. 60 40 20 0 Rys. 8. Zużycie energii w biurowcu zlokalizowanym w Warszawie [5] Zapotrzebowanie na moc wynika przede wszystkim z promieniowani słonecznego, a nie z wysokich temperatur. Można także zauważyć bezwładność budynku w czasie. W przypadku systemów klimatyzacji w wirtualnych elektrowniach mogą być wykorzystywane jedynie układy średniej i dużej mocy (50-1000 kw mocy chłodniczej). Małe instalacje najczęściej pracują w trybie bezpośredniego odparowania, co powoduje, że chłodzone jest bezpośrednio powietrze, a nie czynnik pośredni. W dużych układach najczęściej chłodzona jest tak zwana woda lodowa (co zdecydowanie ułatwia magazynowanie chłodu). 4.3. Skraplanie gazów Jak zostało to wcześniej opisane skraplanie gazów nie jest uzależnione ani od pory dnia ani też od pogody stąd też instalacja tego typu może być uruchamiana w dowolnej porze. Należy jednak pamiętać, że aby nie zużywać dużo czasu na rozruch - odłączenie instalacji oznacza, że pracuje ona w trybie kriostatowania - a nie, że jest ona całkowicie wyłączona. Co sprawia, że elementy instalacji pozostają w odpowiednio niskiej temperaturze. 5. OGRANICZENIA TECHNICZNE W przypadku wirtualnych elektrowni regulacyjnych celowym jest aby energia elektryczna była zużywana w okresie dolin, magazynowana w postaci przetworzonej i zużywana w okresie szczytów. W praktyce sprowadza się do tego, że trzeba energię tę magazynować maksymalnie do kilku godzin. Magazynowanie energii w systemie centralnym wymaga budowy ogromnych magazynów z dużym kosztem obsługi oraz dużego odbiorcy w pobliżu. W przypadku elektrowni wirtualnych małe magazyny są połączone z małymi odbiorcami. W układach z pompa ciepła najczęściej występuje ogrzewanie podłogowe, w którym różnica temperatury pomiędzy zasilaniem a powrotem wynosi 10K. Co oznacza, że aby przesunąć zużycie ze szczytu w dolinę, każda kilowatogodzina energii elektrycznej potrzebuje około 290 litrów wody. Dla systemów
klimatyzacyjnych różnica temperatury pomiędzy zasilaniem a powrotem wynosi 5K co sprawia że magazyny muszą być dwukrotnie większe. Można próbować magazynować wodę o innych parametrach i większej różnicy temperatury, jednak będzie to wymagało pogorszenia warunków pracy instalacji lewobieżnej (współczynnik efektywności urządzenia będzie niższy). W celu zmniejszenia objętości zbiorników magazynujących należy zastosować materiały PCM. Dzięki nim można ponad kilka krotnie zmniejszyć magazyny [4], ewentualnie magazynować ponad kilka razy więcej energii w tej samej objętości [12]. Należy pamiętać, że magazyn musi być dostosowany do wielkości odbiornika, gdyż przy zbyt dużych magazynach nie będzie możliwości rozładowania energii zgromadzonej w celu przygotowania się kolejnych szczytów i dolin zapotrzebowania. Jeśli chodzi o stosowanie materiałów PCM w systemach z pompami ciepła czy klimatyzacją to już samo ich występowanie przynosi ogromne korzyści [2], nawet bez współpracy z wirtualną elektrownią. W przypadku skraplania gazów ograniczeniem jest jedynie odbiorca. Ktoś musi kupować gaz wyprodukowany w tego typu instalacji. W Polsce w chwili obecnej znajduje się zaledwie kilkanaście instalacji służących do przemysłowej produkcji gazów technicznych. 6. PODSUMOWANIE W pracy została przedstawiona nowatorska koncepcja wirtualnej elektrowni wykorzystującej obiegi lewobieżne. Zostały zaprezentowane wady i zalety takiego rozwiązania. Dzięki wykorzystaniu pomp ciepła oraz systemów klimatyzacji jako magazyny poszerza się możliwość świadczenia usług systemowych przez wirtualne elektrownie. Pokazane zostało, że elektrownia tego typu działając w sposób skoordynowany jest w stanie pełnić rolę elektrowni szczytowej z efektywnością wyższą niż elektrownie szczytowo pompowe, których efektywność jest rzędu 70%-80%). Instalacja skupiająca 1000 pomp ciepła oraz kilkadziesiąt systemów klimatyzacji średniej wielkości w godzinach szczytu posiada do dyspozycji 10 MWh energii elektrycznej, którą może zarządzać w czasie rzeczywistym. LITERATURA [1] Albadi M.H., El-Saadany E.F..: Overview of wind power intermittency impacts on power systems. Electric Power Systems Research (80), 2010, strony 627-632. [2] Benli H.: Energetic performance analysis of a ground-source heat pump system with latent heat storage for a greenhouse heating. Energy Conversion and Management (52), 2011, strony 581-589. [3] Campillo J., Krustok I.: Electricity demand impact from Increased Use of Heat Pumps in Sweden. Conference for the Research Methods Course Taught at Mälardalen University in Sweden, Mälardalen 2012, strony 1-7. [4] Chwieduk D.: Dynamics of external wall structures with a PCM (phase change materials) in high latitude countries. Energy (59), 2013, strony 301-313. [5] Grzebielec A., Rusowicz A.: Analysis of the use of adsorption processes in trigeneration systems.
Archives of thermodynamics 4(34), 2013, strony 35-49. [6] Mousavi S. M., Ghanbarabadi M. B., Moghadam N. B.: The competitiveness of wind power compared to existing methods ofelectricity generation in Iran. Energy Policy (42), 2012, strony 651-656. [7] Nikonowicz Ł., Milewski J.: Virtual Power Plants general review: structure, application and optimization. Journal of Power Technologies 3(92), 2012, strony 135 149. [8] Romel T.: Wirtualne elektrownie regulacyjne (WER) z wykorzystaniem radiowego sterowania (RSM). Prezentacje, 2004, strony 1-2. [9] Schäfer A., Grote F., Moser A.: Optimization of Thermal Energy Storage Systems in Distributed Generation Systems. Energiewirtsch (36), 2012, strony 135-145. [10] Skorek-Osikowska A., Bartela Ł., Kotowicz J., Job M.: Thermodynamic and economic analysis of the different variants of a coal-fired, 460 MW power plant using oxy-combustion technology. Energy Conversion and Management (76), 2013, strony 109-120. [11] Szabłowski J., Milewski J., Kuta J.: The use of artificial neural networks to predict the electrical demand. Rynek Energii 1(104), 2013, strony 26-31. [12] Waqasa A., Din Z. U.: Phase change material (PCM) storage for free cooling of buildings - A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews (18), 2013, strony 607-625. ROLE OF INSTALLATIONS BASED ON HEAT PUMPS CYCLES IN VIRTUAL POWER PLANTS Keywords: virtual power plants, smart grid, heat pumps cycles, distributed heat storage Summary: Virtual plants are most often described as systems that manage the work of hundreds or thousands of small distributed sources of electricity. On the other hand, they can also play a different role, in addition to management of sources, can also be used as energy management systems. In this approach will be the so-called control virtual power [8 ], which are able to offer system services to facilitate leveling the peaks and valleys of energy demand in the power system. Used for this purpose may be small installations carrying heat pumps cycles. The article presents an analysis of usage of installations based on heat pumps cycles in virtual power plants. It turns out that they can decisively improve the effectiveness of the virtual power plant services market system. This makes the system more sustainable, so it is possible to join more sources of disrupting the work of the power system, such as wind turbines and solar power plants [6]. Andrzej Grzebielec, dr inż., starszy wykładowca w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, e-mail: angrzeb@itc.pw.edu.pl Artur Rusowicz, dr inż., adiunkt w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, e-mail: rusowicz@itc.pw.edu.pl Jerzy Kuta, dr inż., adiunkt w Instytucie Techniki Cieplnej Politechniki Warszawskiej, e-mail: jery.kuta@itc.pw.edu.pl