Tradycyjne sieci elektroenergetyczne a sieci inteligentne

Technologie wspierające rozwój sieci inteligentnych

Agenda

Aspekty socjologiczne i ekologiczne rozwoju sieci inteligentnych

Społeczeństwo prosumentów

2

3

Tradycyjny system elektroenergetyczny w Polsce cechuje się:

• wykorzystaniem paliw kopalnych

• przestarzałą infrastrukturą

• scentralizowaną strukturą

• przesyłaniem energii elektrycznej na znaczne odległości

• jednokierunkowym przepływem energii od producenta do konsumenta

• bierną rolą odbiorcy energii.

4

Można stwierdzić, iż globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrasta oraz, iż ten trend utrzyma się w najbliższych latach.

Zaspokajanie rosnącej podaży za pomocą dotychczasowych metod wytwarzania energii bazujących na węglu, skutkowałoby znacznym wzrostem emisji gazów cieplarnianych.

Prowadzi to do poszukiwania nowych rozwiązań pozwalających na dynamiczne zarządzanie popytem i podażą na energię elektryczną (wdrażanie nowych metod zarządzanie popytem i podażą na energię elektryczną (wdrażanie nowych metod zarządzania oraz nowych zawodów), efektywne jej wytwarzanie oraz redukcję

negatywnego oddziaływania na środowisko.

5

Infrastruktura energetyczna w wielu krajach została wybudowana kilkadziesiąt lat

temu.

Pociąga to za sobą konieczność modernizacji, ze względu na jej stan techniczny, jak również wzrastający podaż i popyt.

Należy zatem podjąć decyzję, czy opłacalne jest inwestowanie w rozwój istniejącej infrastruktury i dostosowywanie jej, czy też wprowadzenie nowoczesnych rozwiązań takich jak zdecentralizowane sieci inteligentne.takich jak zdecentralizowane sieci inteligentne.

6

Sieć inteligentna (smart grid) oznacza wdrożenie narzędzi umożliwiających:

Monitorowania w czasie

rzeczywistym

Zaawansowanej komunikacji

Zaawansowanego odczytu danych

Integrację istniejących

i nowych jednostek wytwórczych

Zmianę postawy odbiorcy z biernej

na aktywną

7

Wśród najważniejszych cech sieci inteligentnych wymienić zatem należy:

• dwustronny przepływ energii, kapitału i informacji,

• skuteczne zarządzanie generacją rozproszoną,

• automatyczne naprawianie się,

• możliwość przełączania się w wyspowy tryb pracy,

• kompletną informację o aktualnej cenie energii,

• interaktywność polegającą na umożliwieniu aktywnej partycypacji odbiorców końcowych w zarządzaniu popytem,

• wyższą jakość i stabilność dostaw energii.

8

9

Rozwój sieci inteligentnych jest bardzo ściśle powiązany z upowszechnianiem się małych, zdecentralizowanych elektrowni, bardzo często wykorzystujących odnawialne źródła energii.

Jest to przejście od scentralizowanego systemu elektroenergetycznego do systemu o rozproszonej architekturze.

Oznacza to przesył energii na mniejsze odległości, co implikuje z kolei mniejsze jej straty.straty.

10

Odnawialne Źródła Energii stanowią zatem istotny element sieci inteligentnych.

Przyczyniają się do redukcji emisji dwutlenku węgla, kreowania społeczeństwa prosumentów oraz wpisują się w ideę zrównoważonego rozwoju.

Jednakże zwiększanie udziału odnawialnych źródeł energii w ogólnym bilansie paliwowo-energetycznym może przyczynić się do niestabilności sieci.

Odpowiednie mechanizmy zarządzania popytem i podażą na energię elektryczną, Odpowiednie mechanizmy zarządzania popytem i podażą na energię elektryczną, w jakie jest wyposażona sieć inteligentna, powinny przyczynić się do znacznej redukcji tej niestabilności.

11

Zarządzanie popytem na energię elektryczną.

Liczba odbiorców z grupy taryfowej G, którzy dokonali zmiany sprzedawcy energii.

Źródło: opracowanie własne na podstawie informacji URE

12

Od 2007 roku odbiorcy końcowi otrzymali możliwość zmiany sprzedawcy energii

dzięki zasadzie TPA (Third Party Access).

W ostatnich dwóch latach widać wzrost zainteresowania ze strony odbiorców końcowych możliwością zarządzania swoim popytem na energię elektryczną za pomocą wyboru taryfy dostosowanej do indywidualnych potrzeb.

Sieci inteligentne umożliwiają jednakże bardziej zaawansowane metody zarządzania popytem na energię elektryczną określane mianem programów zarządzania stroną popytem na energię elektryczną określane mianem programów zarządzania stroną

popytową (Demand Response).

13

Programy zarządzania stroną popytową oferują odbiorcy końcowemu benefity

w zamian za odłożenie w czasie konsumpcji energii, najczęściej z okresów szczytowych na pozaszczytowe.

Wśród korzyści programów zarządzania stroną popytową wymienia się:• większą aktywność oraz świadomość odbiorców końcowych,• zwiększenie efektywności systemu elektroenergetycznego,• wzrost poziomu niezawodności i stabilności dostaw energii,• poprawę bilansowania popytu i podaży,• poprawę bilansowania popytu i podaży,• zarządzanie kosztami energii,• zarządzanie obciążeniem.

14

Wprowadzenie programów „smart DR”, wykorzystujących sieci inteligentne prowadziłoby do scedowania większych uprawnień na odbiorcę. Kwestia ta jest postrzegana jako kluczowy czynnik wprowadzania sieci inteligentnych.

Przewiduje się, że w niedalekiej przyszłości na rynku będą dostępne „inteligentne” urządzenia gospodarstwa domowego, które zostaną wyposażone w moduły komunikacyjne bazujące na falach radiowych. Połączone w sieć, będą mogły same sterować cyklem wykonywanej pracy tak, by minimalizować pobór energii w okresach gdy osiąga ona ceny szczytowe.

Implikuje to konieczność wprowadzania systemów informatycznych ułatwiających odbiorcy energii łatwe wejście w rolę prosumenta.

15

Kolejną technologią oddziałującą na rozwój sieci inteligentnych są pojazdy

elektryczne.

Rosnące ceny paliw oraz dążenie do redukcji emisji dwutlenku węgla skłaniają do działań na rzecz popularyzacji pojazdów elektrycznych.

Ich rozwój powinien być ściśle powiązany ze wzrostem udziału źródeł odnawialnych w ogólnym bilansie paliwowo-energetycznym, gdyż ładowanie baterii pojazdów za pomocą energii wytworzonej w konwencjonalnych elektrowniach skutkuje podobną emisją gazów cieplarnianych co użytkowanie tradycyjnych samochodów.emisją gazów cieplarnianych co użytkowanie tradycyjnych samochodów.

16

Do upowszechniania pojazdów elektrycznych konieczny jest rozwój infrastruktury, zapewniającej możliwość ładowania akumulatorów w sposób ogólnie dostępny,

dogodny i względnie szybki.

Zarządzanie systemem ładowania baterii pojazdów obejmować powinno ponadto współpracę z lokalnymi źródłami odnawialnymi, tak by łagodzić niestabilny charakter pracy tych źródeł. Funkcja owa polega na magazynowaniu nadwyżek energii i oddawaniu jej do systemu w okresie niedoborów i jest zwana Vehicle-to-Grid.

17

Infrastruktura obsługująca flotę pojazdów elektrycznych powinna:

• zapewniać możliwość sterowania rozproszonymi na określonym terenie bateriami pojazdów elektrycznych, • agregować dostępną pojemność baterii w celu obliczenia możliwości magazynowania nadwyżek energii,• sterować procesem rozładowywania baterii w celu uzupełnienia niedoboru podaży energii elektrycznej w okresach szczytowego zapotrzebowania,• umożliwiać klientowi różne tryby ładowania,• prognozować przewidywane zdolności magazynowania oraz ilość energii, którą • prognozować przewidywane zdolności magazynowania oraz ilość energii, którą można wprowadzić do systemu,• optymalizować proces ładowania baterii pojazdu, wykorzystując – w miarę możliwości –okresy o niskim zapotrzebowaniu na energię elektryczną.

18

Sprawne zarządzanie taką infrastrukturą wymaga opracowania odpowiedniego systemu sterowania, który zapewniałby:

• zarządzanie dodatkową wydajnością dostarczaną przez baterie oraz zmiennym trybem pracy OZE,• gromadzenie i analizę danych pochodzących z punktów ładowania oraz z systemu elektroenergetycznego,• analizowanie profilów preferencji klientów, • kontrolowanie bieżącej wydajności sieci oraz sporządzanie jej prognoz,• bezpieczną i wydajną infrastrukturę komunikacyjną wykorzystującą narzędzia • bezpieczną i wydajną infrastrukturę komunikacyjną wykorzystującą narzędzia internetowe,• optymalizowanie procesu ładowania baterii pojazdu bez wywoływania jakiegokolwiek poczucia dyskomfortu u klienta.

Jednym z rozwiązań wdrożenia takiego systemu jest zintegrowanie go z siecią

inteligentną.

19

We wdrażaniu pojazdów elektrycznych upatruje się licznych korzyści:

• redukcję emisji szkodliwych substancji do atmosfery,• prostszą konstrukcję silników elektrycznych w porównaniu do spalinowych,• wysoki moment obrotowy w pełnym zakresie obrotów silnika, przekładający się na możliwość dynamicznej jazdy,• bardzo cichą pracę silnika elektrycznego,• większą przewidywalność cen energii elektrycznej w porównaniu do cen paliw,• dodatkowe benefity dla posiadaczy pojazdów elektrycznych.

Należy jednak pamiętać o barierach w ich upowszechnianiu wynikających nie tylko z uwarunkowań technicznych, lecz także – w ogromnej mierze – socjologicznych.

20

Istotnym elementem w kształtowaniu społeczeństwa prosumentów oraz rozwoju sieci inteligentnych jest budownictwo „inteligentne”.

Ok. 50% populacji żyje w miastach

zużywając blisko 2/3

energii pierwotnej

70% światowej emisji dwutlenku węgla

pochodzi z obszarów zurbanizowanych

W 2030 roku mieszkańcy miast będą stanowić 60% globalnej populacji

a miasta będą pochłaniały 75%

wytwarzanej na świecie energii

21

W przypadku, w którym rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną miałoby być pokrywane za pomocą energetyki wykorzystującej paliwa kopalne, nieunikniony

byłby znaczny wzrost emisji gazów cieplarnianych do atmosfery.

W efekcie wyłania się termin zrównoważonego rozwoju energetycznego miast. Oznacza on taki sposób zarządzania energią, który zapewni zaspokojenie zarówno aktualnych potrzeb energetycznych jak i potrzeb przyszłych pokoleń przy jednoczesnym minimalizowaniu negatywnego wpływu na środowisko naturalne zarówno w skali lokalnej, jak i globalnej.

22

Miasta dążące do realizacji zrównoważonego rozwoju energetycznego oraz zintegrowanego planowania energetycznego przekształcać się będą w tzw. „inteligentne” miasta.

Termin ten odnosi się do obszarów posiadających wdrożone nowoczesne technologie

takie jak źródła odnawialne, inteligentne budynki zero energetyczne, mikrosieci, inteligentne systemy opomiarowania czy infrastrukturę umożliwiającą upowszechnianie pojazdów elektrycznych.

Jednocześnie w miastach tych zarządza się zarówno podażą jak i popytem na energię Jednocześnie w miastach tych zarządza się zarówno podażą jak i popytem na energię elektryczną, budując społeczeństwo aktywnych odbiorców zwanych prosumentami.

Celem nadrzędnym jest zapewnianie lokalnej społeczności zrównoważonego

dobrobytu przy jednoczesnym poszanowaniu środowiska naturalnego.

23

Trzy poziomy zarządzania popytem na energię elektryczną:

System elektroenergetyczny

Lokalna mikrosiećLokalna mikrosieć

Gospodarstwo domowe

Źródło: opracowanie własne

24

„Inteligentne” gospodarstwo domowe wyposażone może być w liczne odbiory

cechujące się różnym poborem mocy i uruchamiane w dowolnym momencie w ciągu doby.

Z drugiej strony, zainstalowane w budynku małe wiatraki czy ogniwa fotowoltaiczne

produkują energię w zależności od warunków atmosferycznych.

Co więcej, wyprodukowana energia może być zużyta na własne potrzeby, sprzedana

lub zmagazynowana.

Inteligentne opomiarowanie w czasie rzeczywistym informuje o aktualnych i przewidywanych cenach energii.

Ta wieloaspektowość może zrażać przeciętnego odbiorcę i zniechęcać do aktywnej partycypacji w mikrosieci.

25

Rozwiązanie może stanowić informacyjny system zarządzania umożliwiający odbiorcy zarządzanie popytem i podażą na energię elektryczną w sposób bardziej intuicyjny i przejrzysty.

Źródło: opracowanie własne

26

Istotną rolę w rozwoju społeczeństwa prosumentów pełnią czynniki socjologiczne.

Uwarunkowania socjologiczne wynikają między innymi z kultury energetycznej

danego regionu.

Jest to zbiór postaw cechujących całe społeczeństwo, zarówno ze strony odbiorców jak i producentów energii.

Do składników kultury energetycznej zalicza się: oszczędzanie energii, dekarbonizację działalności człowieka, poprawę sprawności przetwarzania energii pierwotnej działalności człowieka, poprawę sprawności przetwarzania energii pierwotnej i wykorzystania nośników, zapewnienie społeczeństwu dostępu do taniej energii oraz stabilnego zasilania oraz sytuacja ekonomiczna kraju.

27

Kultura wschodnioeuropejska

Wysoka energochłonność przy niższym zużyciu energii elektrycznej na jednego mieszkańca

Wykorzystanie paliw kopalnych

Energetyka „transparentna”

Paternalizm

Źródło: opracowanie własne

28

Przyczyny braku akceptacji mogą mieć podłoże obiektywne lub subiektywne.

Jeżeli konkretna inwestycja jest nierentowna, wadliwa technicznie lub ma ujemny wpływ na środowisko czy gospodarkę, opór przeciwko niej ma charakter obiektywny.

W przypadku natomiast gdy wynika on z pominięcia obaw społeczeństwa co do bezpieczeństwa danej inwestycji, nieznajomości techniki, poczucia braku korzyści lub narzucenia decyzji bez zgody mieszkańców, przyczyny przybierają postać subiektywną.

Brak zrozumienia i zlekceważenie tych objawów ze strony władz lokalnych i inwestorów może przyczynić się do nasilenia oporu i protestów.

29

Z brakiem poparcia wiąże się termin syndromu NIMBY (ang. not in my backyard).

Wskazuje on na spotykane powszechnie zjawisko oporu społecznego przed inwestycją, która – w jakimkolwiek stopniu – wpływa na poczucie dyskomfortu lub zagrożenia mieszkańców okolicy, w której ma być zrealizowana.

Protesty, demonstracje, strajki, blokady, petycje oraz inne formy przejawiania sprzeciwu prowadzą do wstrzymania inwestycji a niejednokrotnie do jej całkowitego

zaniechania.

30

Struktura demograficzna społeczności również może oddziaływać na poziom akceptacji:• wzrost akceptacji wraz ze wzrostem wykształcenia,• osoby młodsze są bardziej skłonne do akceptacji nowych rozwiązań,• osoby mieszkające w miastach również wykazują wyższy poziom otwartości.

Informacje te powinny być wykorzystywane w trakcie prowadzenia dialogu z lokalną społecznością.

31

W przypadku konieczności zmiany postawy lokalnej społeczności możliwe jest zastosowanie następujących metod:

• rzetelne informowanie o konkretnej, planowanej inwestycji,• podnoszenie poziomu wiedzy z zakresu odnawialnych źródeł energii, zarządzania popytem na energię elektryczną, pojazdów elektrycznych, czy „inteligentnego” opomiarowania,• stosowanie metod opartych na sprzężeniu zwrotnym,• organizowanie wycieczek w miejsca gdzie nowoczesne rozwiązania były wdrażane,• przeprowadzanie debat,• przeprowadzanie debat,

• wypłata odszkodowań.

32

W przeprowadzaniu inwestycji wspierających rozwój społeczeństwa prosumentów istotny jest także rachunek ekonomiczny.

Powinien on uwzględniać kryteria takie jak struktura finansowania, specyfika danej inwestycji, lokalizacja czy całkowity koszt inwestycji oraz prawdopodobne koszty wypłaty odszkodowań w przypadku oporu ze strony lokalnej społeczności.

33

Oszacowanie ekonomicznej efektywności może zostać wykonane przy pomocy dwóch metod dynamicznych: zaktualizowanej wartości kapitałowej netto NPV oraz wewnętrznej stopy zwrotu IRR, które uwzględniają rozkład przepływów finansowych zarówno w okresie budowy inwestycji jak i w czasie jej późniejszej eksploatacji.

Charakterystyczną cechą tych metod jest uwzględnianie relatywnej wartości pieniądza w czasie za pomocą stopy dyskontowej.

34

Metoda zaktualizowanej wartości kapitałowej netto polega na wyznaczeniu wartości NPV będącej sumą zaktualizowanych przepływów pieniężnych (dodatnich w przypadku zysku i ujemnych dla strat) na przyjęty moment zerowy.

Warunki brzegowe dla obliczonej wartości zaktualizowanej netto przedstawiają się następująco:• NPV < 0, projekt inwestycji należy odrzucić,• NPV = 0, projekt może zostać przyjęty, poniesione nakłady inwestycyjne zostaną zwrócone i zaowocują wymaganą stopą dochodu z kapitału,• NPV > 0, projekt jest opłacalny.• NPV > 0, projekt jest opłacalny.

35

Druga metoda dynamiczna polega na wyznaczeniu wewnętrznej stopy zwrotu IRR, która oznacza taką stopę dyskontową IRR, przy której wartość NPV wynosi zero.

Innymi słowy, wartość IRR wyznacza stopę dyskontową, przy której zdyskontowane

wpływy oraz wydatki zrównają się ze sobą.

Kryterium oceny efektywności ekonomicznej inwestycji za pomocą wartości IRR

polega na jej odniesieniu do przyjętej wartości stopy dyskontowej, zwanej stopą graniczną pg w następujący sposób:• jeżeli IRR ≥ p , inwestycja jest opłacalna,• jeżeli IRR ≥ pg, inwestycja jest opłacalna,• jeżeli IRR < pg, inwestycja jest nieopłacalna.

36

W przypadku analiz dla energetyki wiatrowej w Polsce rachunek ekonomiczny często wskazywał na opłacalność inwestycji.

Należy jednak pamiętać o trudnych do przewidzenia kosztach wynikających z oporu lokalnych społeczności.

W trakcie odnoszenia całkowitych kosztów inwestycji w źródła odnawialne do budowy tradycyjnych elektrowni, okazują się one wyższe. Należy jednak pamiętać o kosztach środowiskowych wynikających z produkowania energii elektrycznej z węgla.z węgla.

37

Zastępowanie istniejących, tradycyjnych źródeł wytwórczych za pomocą odnawialnych skutkuje efektem ekologicznym w postaci zmniejszenia emisji

szkodliwych substancji do atmosfery obecnych w procesie spalania węgla, gdyż wyprodukowanie 1 MWh energii elektrycznej przełoży się na wyemitowanie do atmosfery:

850 kilogramów dwutlenku

węgla

11 kilogramów tlenku węgla

10 kilogramów dwutlenku

siarki węgla tlenku węgla

siarki

4 kilogramów tlenków azotu

38

Redukcja emisji do atmosfery substancji szkodliwych w ciągu roku na 1 MW mocy zainstalowanej na skutek zastąpienia energetyki konwencjonalnej energetyką wiatrową.

Jednostka 2 000 MWh 2 400 MWhCO2 kg 1 700 000 2 040 000CO kg 22 000 26 400SO2 kg 20 000 24 000NO kg 8 000 9 600NOx kg 8 000 9 600

Źródło: opracowanie własne.

39

40

Sektor energetyki podlega ciągłym, dynamicznym i poważnym zmianom. Dotyczą one jego struktury, występujących podmiotów, wdrażania nowych i niespotykanych dotąd technologii czy roli, jaką odgrywa odbiorca końcowy.

Idea rozproszonej energetyki odnawialnej zarządzanej za pomocą lokalnych mikrosieci poprawia jakość i stabilność zasilania obszarów, które dotychczas cechowały się wysoką awaryjnością.

Dostępne ponadto stają się nowe usługi takie jak programy zarządzania stroną

popytową, które dodatkowo przyczyniają się do zwiększenia efektywności popytową, które dodatkowo przyczyniają się do zwiększenia efektywności wykorzystywania wyprodukowanej energii.

41

Przeniesienie wytwarzania części energii na odbiorcę końcowego pozwala na wykształcenie w nim aktywnej postawy do sterowania własnym popytem, zwiększa poziom akceptacji dla inwestycji w energetykę odnawialną oraz wyrabia przyzwyczajenie poszanowania energii i jej świadomej konsumpcji.

Inwestycje przeprowadzane u odbiorców końcowych znajdują się ponadto blisko obszarów faktycznie cechujących się problemami z dostawą energii oraz ograniczają

ryzyko przerw w zasilaniu spowodowanych warunkami atmosferycznymi, zerwaniem linii napowietrznych czy innymi awariami infrastruktury sieciowej.

Inwestycje w wielkie elektrownie odnawialne nie osiągają powyższych korzyści.

42

Dziękuję za uwagę

mjablonska@uni.lodz.pl

43