Bilansowanie mocy w systemie dystrybucyjnym czynnikiem wspierającym rozwój usług systemowych Autorzy: Adam Olszewski, Mieczysław Wrocławski - Energa-Operator ("Energia Elektryczna" - 3/2016) Funkcjonujący obecnie system elektroenergetyczny został zaplanowany i zbudowany przy założeniu, że energia jest przesyłana jednokierunkowo od dużych elektrowni systemowych, przez system przesyłowy i sieć dystrybucyjną, do odbiorcy końcowego. Rozwiązanie to gwarantowało do tej pory bezpieczeństwo w zakresie dostaw energii, przy racjonalnych kosztach wytworzenia i dostawy dużej ilości energii. Nie jest jednak optymalne w kontekście nadchodzących zmian związanych z rozwojem generacji rozproszonej. Wraz ze wzrostem udziału odnawialnych źródeł w strukturze wytwarzanej w Polsce energii, pojawienie się rynku takich usług, kontraktowanych poza elektrowniami systemowymi, wydaje się nieuniknione. Wskazują na to m.in. doświadczenia z rynku niemieckiego. Sektor elektroenergetyki w Unii Europejskiej już respektuje zasadę zrównoważonego rozwoju, rozumianą jako powszechne wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii oraz wspieranie wzrostu efektywności w użytkowaniu energii. Wiążą się z tym zmiany w strukturze generacji, w tym szerokie wykorzystanie rozproszonych źródeł energii. Spodziewane skutki tych zmian to: - wzrost znaczenia sieci dostosowanych dla przyłączenia dużej liczby rozproszonych źródeł odnawialnych, - powstanie małych lokalnych obszarów sieciowych zapewniających usługi systemowe, obejmujące zdecentralizowaną generację lokalną, magazyny energii oraz aktywnych odbiorców, - dwukierunkowy przepływ informacji i mocy elektrycznej, - konieczność dynamicznego zarządzania zarówno generacją, jak i obciążeniem. Sieć elektroenergetyczna w przyszłości będzie musiała w sposób inteligentny pobudzić i zintegrować działania oraz zachowania wytwórców, odbiorców czy innych podmiotów funkcjonujących na rynku energii tak, aby zapewnić niezawodne, ekonomicznie uzasadnione i zrównoważone dostawy energii elektrycznej. Obecnie podmiotem odpowiedzialnym za bilansowanie mocy i energii jest operator systemu przesyłowego (OSP). OSP kontraktuje usługi systemowe i regulacyjne u wytwórców energii według stanu obecnego, w elektrowniach systemowych.
Wskutek rozwoju energetyki rozproszonej, w systemie dystrybucyjnym rosnącą odpowiedzialność za bilansowanie mocy i energii ponoszą operatorzy systemów dystrybucyjnych (OSD). OSD, tworząc Lokalny Obszar Bilansowania (LOB), tworzy tzw. elektrownie wirtualne (VPP ang. Virtual Power Plant), które pozwalają na sprzedaż usług systemowych i regulacyjnych. Jednym z kierunków poszukiwania rozwiązań jest przebudowa modelu funkcjonowania sieci elektroenergetycznych i tworzenie lokalnych systemów funkcjonujących jako wydzielone obszary bilansowania. Podstawy budowy takich obszarów stanowi rozwój technologii związanych z siecią inteligentną oraz magazynowaniem energii. Dzięki temu możliwe będzie zwiększenie niezawodności dostaw energii oraz poprawa bezpieczeństwa funkcjonowania sieci dystrybucyjnych i przesyłowych. LOB to wydzielona logicznie część systemu dystrybucyjnego, w którym jest realizowane bieżące równoważenie wytwarzania z zapotrzebowaniem w celu zapewnienia bezpieczeństwa dostaw, charakteryzująca się zdolnością do pracy wyspowej i możliwością podjęcia pracy synchronicznej z systemem elektroenergetycznym. Koncepcja lokalnych obszarów bilansowania łączy w sobie nowy rodzaj usług systemowych, realizowanych w obszarze sieci dystrybucyjnej, z nowymi rozwiązaniami technicznymi z obszaru wytwarzania, magazynowania i sterowania siecią dystrybucyjną. Od strony technicznej lokalny obszar bilansowania można określić jako zbiór urządzeń służących wytwarzaniu, magazynowaniu energii elektrycznej i urządzeń odbiorczych, które są połączone z siecią i urządzeniami sterującymi, umożliwiającymi autonomiczne zarządzanie takim zbiorem. Sieci tego typu mogą obejmować w zakresie źródeł wytwórczych zarówno urządzenia stanowiące odnawialne źródła energii, jak i źródła konwencjonalne. LOB utożsamiane są z funkcjonowaniem VPP. Ponadto istotnym aspektem będzie współpraca pomiędzy operatorami sieci dystrybucyjnej (OSD) a agregatorami popytu w celu oddziaływania w ramach mechanizmów bilansowania lokalnego na zachowania odbiorców przyłączonych do sieci dystrybucyjnej. Wdrożenie koncepcji LOB na poziomie sieci dystrybucyjnej wymaga zmiany zadań i roli przypisanych do OSD i zasad ich współpracy z OSP. Powinien powstać nowy model świadczenia usług na rzecz systemu, w którym inaczej zostanie zdefiniowana rola OSD oraz aktywnych podmiotów (wytwórcy, agregatorzy, firmy typu ESCO, aktywni odbiorcy będący jednocześnie wytwórcami energii), mogących świadczyć różnego tego rodzaju usługi, a OSD będzie odpowiedzialny za przygotowanie i utrzymanie infrastruktury koniecznej do realizowania takiego typu usług. Rynek usług systemowych jest rynkiem pomocniczym, którego funkcjonowanie ma umożliwić realizację zadań przez rynek podstawowy, jakim jest rynek energii elektrycznej. Proces produkcji i dostawy energii elektrycznej podlega szeregowi ograniczeń natury technicznej. Dla sprawnej i bezpiecznej pracy systemu OSP musi dysponować odpowiednimi
narzędziami, które pozyskuje jako usługi bilansujące i regulacyjne. Obecnie usługi te kontraktowane są przez OSP w elektrowniach systemowych. Model ten w perspektywie roku 2020 (i zwłaszcza dalszej) musi zostać zmieniony; pojawia się miejsce dla OSD jako dostawcy tego rodzaju usług. Dodatkowo niezbędne jest opracowanie i wdrożenie nowych rozwiązań technicznych, w szczególności w zakresie integracji systemów zarządzających usługami systemowymi na poziomie sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. Pojawi się także konieczność wdrożenia nowych rozwiązań w obszarze regulacji napięć i jakości energii. Usługi systemowe są świadczone na rzecz Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE) w celu zapewnienia prawidłowego funkcjonowania, niezawodności pracy i utrzymywania parametrów jakościowych energii elektrycznej. Obecnie podmiotami świadczącymi usługi systemowe są głównie wytwórcy. OSP kontraktuje od nich usługi zapewniające pokrycie ilościowe oraz odpowiednią jakość tych usług we właściwym rozkładzie geograficznym i czasowym. Działania te wymagają od OSP posiadania adekwatnej infrastruktury technicznej, w tym teleinformatycznej oraz systemu akwizycji wymaganych usług i ruchowego zabezpieczenia ich realizacji. Obecnie OSD realizuje usługi na rzecz KSE w dość ograniczonym zakresie. Obejmuje to głównie regulację zaczepów transformatorów, zapewnienie jakości energii, prowadzenie ruchu i zarządzanie majątkiem sieciowym. Koszty tej działalności są uznawane za koszty uzasadnione przy budowie taryfy. Koncepcja bilansowania lokalnego zakłada, że zakres usług systemowych oferowanych przez OSD zostanie znacznie poszerzony. Docelowo, do roku 2050, szacuje się, że udział elektrowni systemowych w pokryciu zapotrzebowania na energię będzie niższy niż udział generacji rozproszonej. Spowoduje to dalszy wzrost zapotrzebowania na usługi systemowe realizowane w systemie dystrybucyjnym. W pierwszej kolejności obejmować to może regulację częstotliwości, interwencyjną regulację rezerwy mocy w krótkim i dłuższym okresie czasu oraz regulację napięcia i mocy biernej. Po zbudowaniu obszaru bilansowania bazującego na koncepcji VPP, operator systemu dystrybucyjnego będzie mógł oferować zakres usług systemowych: - równoważących regulację pierwotną, wtórną i trójną, - rezerwy mocy interwencyjnej, - regulacji napięcia i mocy biernej, - tzw. black start systemu po głębokiej awarii. Istotnym punktem odniesienia dla oceny perspektyw rozwoju rynku usług systemowych i regulacyjnych jest rynek niemiecki, położony w podobnej strefie geograficzno-klimatycznej, odpowiednio duży, a jednocześnie zdecydowanie bardziej uzależniony w porównaniu do
Polski od odnawialnych źródeł energii. Należy przypuszczać, że polski system energetyczny, zwiększając udział OZE, będzie podążać w kierunku wytyczonym przez naszych zachodnich sąsiadów. Z tego względu przeprowadzono przegląd rynku usług regulacyjnych i systemowych w Niemczech. W krótkim podsumowaniu: nacisk na rozwój OZE powoduje tak duże wahania, wynikające z udziału energetyki wiatrowej i solarnej, że pojawił się i rośnie rynek usług regulacyjnych i systemowych, stabilizujących system energetyczny Niemiec. Korzystają z tego m.in. OSD, których przychody w coraz bardziej znaczącej części pochodzą ze świadczenia takich właśnie usług na rzecz OSP. W roku 2013 wartość tego rynku w Niemczech szacuje się na 800 mln euro, tylko z tytułu podpisanych umów na interwencyjne zwiększenie lub obniżenie mocy w krótkim czasie (do 15 minut). Przychody z tego tytułu osiąga dwadzieścia firm energetycznych w tym najwięksi operatorzy i wytwórcy energii, tacy jak EON SE oraz RWE AG. Poziom kontraktowanej rezerwy w lipcu 2014 wynosił prawie 4 tys. MW. W Polsce udział OSD w rynku usług systemowych i regulacyjnych jest obecnie zerowy. Rynek ten dla usług systemowych kontraktowanych przez OSP w OSD dopiero tworzy się i będzie zależał od elastyczności systemu dystrybucyjnego. Z dużą dozą prawdopodobieństwa rynek ten będzie rósł wraz ze wzrostem udziału OZE w strukturze wytwarzanej energii. Żaden z OSD na polskim rynku nie wykorzystuje magazynów energii do świadczenia usług systemowych. W skali światowej takie rozwiązania mają już zastosowanie. Ponad 900 MW w magazynach energii bierze udział w regulacji pierwotnej. Energa-Operator buduje pierwszy w Polsce LOB w okolicach Pucka. W zakresie projektu dofinansowanego w ramach programu GEKON zostanie zakupiony system magazynowania energii o mocy 0,75 MW i 1,5 MWh pojemności oraz farma fotowoltaiczna o mocy ok. 80 kw. W połączeniu z istniejącymi źródłami wiatrowymi, biogazownią i odbiorcami powstanie obszar, na którym będzie testowane świadczenie usług systemowych i regulacyjnych.
Stan obecny
Sieć przyszłości
Idea wirtualnej elektrowni