ABC inteligentnych sieci energetycznych – wprowadzenie do tematyki dr inż. Olgierd Małyszko
Katedra Elektroenergetyki i Napędów Elektrycznych Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie ul. Sikorskiego 37 70-313 Szczecin
Toruń, 20-21.XI.2014 r.
Sieci elektroenergetyczne
Sieć elektroenergetyczna jest to zbiór linii napowietrznych i kablowych oraz innych urządzeń elektroenergetycznych takich jak: stacje, transformatory, urządzenia kontrolne, pomiarowe, zabezpieczające itp. przeznaczonych do przesyłania, przetwarzania i rozdziału energii elektrycznej.
Inteligentna sieć elektroenergetyczna (ISE) -- Smart Grid -Jest to sieć elektroenergetyczna, która: potrafi integrować zachowania i działania wszystkich przyłączonych do niej użytkowników (wytwórców, dystrybutorów, odbiorców), w której istnieje dwukierunkowa komunikacja między wszystkimi uczestnikami rynku energii.
Jak na razie nie ma jednej powszechnie akceptowalnej definicji, sama koncepcja ewoluuje w czasie. 2006 r. – narodziny inteligentnych sieci, firma IBM przedstawiła rozwiązanie „Smart Grid”
Inteligentny pomiar -- Smart Metering -Jest to najważniejszy składnik ISE. W skład inteligentnego systemu pomiarowego wchodzą: • inteligentne liczniki, • systemy komunikacyjne, • aplikacje do gromadzenia, przechowywania, przetwarzania i zarządzania danymi pomiarowymi.
Inteligentny pomiar -- Smart Metering -Cel: • pomiar (wielu) parametrów energii, • zbieranie informacji w czasie rzeczywistym, • dwukierunkowy przepływ informacji. Częściami tego systemu są: • AMI (Advanced Metering Infrastructure ) – Zaawansowana infrastruktura pomiarowa. • MDM (Meter Data Management) – Oprogramowanie do zarządzania danymi pomiarowymi. • IHD (In-home display) - Wyświetlacz domowy.
Inteligentny licznik Źródło: http://www.energa-operator.pl/25239.xml
• Rejestracja danych (moce czynne odbierane i produkowane, moce bierne indukcyjne, pojemnościowe, produkowane, odbierane, napięcia, cos(ϕ), U2, I2, harmoniczne, wartości maksymalne, …). • Zdalna konfiguracja licznika. • Zdalny upgrade firmware. • Rejestracja zdarzeń (otwarcie osłony, obecność silnego pola magnetycznego, przerwy w dostawie energii, zanik zasilania w fazie, itp.). • Komunikacja dwukierunkowa. • Opcjonalnie możliwość wyświetlania przez licznik informacji dla konsumenta. • Informacje dodatkowe.
Przykładowa struktura zaawansowanej infrastruktury pomiarowej
Cel wdrażania ISE Zwiększenie efektywności końcowego wykorzystania energii dzięki zmianom technologicznym i gospodarczym, oraz zmianom zachowań konsumentów energii. Efektywność energetyczna: racjonalne wykorzystanie energii w produkcji, usługach i gospodarstwach domowych.
Cel wdrażania ISE • Tworzenie przepustowej sieci przy minimalizowaniu wpływu na środowisko. • Zwiększenie wykorzystania zasobów. • Zarządzanie i sterowanie rozpływami mocy tak, aby redukować straty energii oraz zapotrzebowanie w szczytach obciążeń. • Przyłączenie i zarządzanie OZE. • Integrowanie i optymalizacja akumulatorów oraz samochodów w celu magazynowania energii i redukcji obciążenia. • Wykrywanie i izolowanie zakłóceń w sieci, szybkie przywracanie zasilania. • Ukierunkowanie zachowań klientów w celu zmniejszenia obciążenia sieci i optymalizacji wykorzystania zasobów. Istota sieci: • Czujniki są wszędzie i zapewniają stałe monitorowanie. • Dwukierunkowy przepływ danych. • Komunikacja w czasie rzeczywistym.
Co zrobić aby „nic nie robiąc” poprawić efektywność wykorzystania energii Przykład 1: Mamy dwa odbiorniki zasilane napięciem U=230 V o mocy 2300 W (czyli pobierają prąd I =10 A każdy). Załączamy odbiorniki najpierw razem a następnie po kolei. Czas pracy t=1 godzina. Rezystancja linii zasilającej R=1Ω (dla łatwiejszej analizy wyników).
Odbiorniki pracują jednocześnie
Odbiorniki pracują „jeden po drugim”
Energia pobrana Energia stracona na przesyle Wniosek: Załączając odbiorniki po kolei a nie jednocześnie możemy znacznie zmniejszyć straty przesyłowe (obecnie około 10% energii elektrycznej tracona jest w czasie przesyłu!).
Co zrobić aby „nic nie robiąc” poprawić efektywność wykorzystania energii Przykład 2: Zapotrzebowanie mocy KSE w dniu 15-11-2014 r. 22000 21000
P [MW]
20000 19000 18000 17000 16000
Dolina obciążenia = tania energia
Szczyty obciążenia = droga energia
00:15 01:00 01:45 02:30 03:15 04:00 04:45 05:30 06:15 07:00 07:45 08:30 09:15 10:00 10:45 11:30 12:15 13:00 13:45 14:30 15:15 16:00 16:45 17:30 18:15 19:00 19:45 20:30 21:15 22:00 22:45 23:30
15000
Wniosek: Jeśli jest taka możliwość, to odbiorniki należy włączać w czasie, gdy cena za energię jest najniższa.
Źródło: http://www.pse-operator.pl
Co zrobić aby „nic nie robiąc” poprawić efektywność wykorzystania energii Przykład 3:
Źródło: http://www.pse-operator.pl Przykładowe dane za cały 2008 r.: Czas zapotrzebowania na moc powyżej: • 25 000 MW wynosił 45 minut, • 24 600 MW wynosił 3 godziny, • 24 000 MW wynosił 12,75 godziny, • 23 000 MW wynosił 116 godzin. Wniosek: Wyłączenie szczytowego obciążenia przez 116 godz. w roku umożliwia zmniejszenia obciążenia o ponad 2000 MW. Nie opłaca się budować elektrowni o mocy ponad 2000 MW która pracowałaby jedynie 116 godzin w roku.
Zarzadzanie popytem Zarządzanie popytem lub sterownie stroną popytową (DSM – Demand Side Management) - jest to proces zarządzania zużycia energii przez odbiorców w celu optymalizacji wykorzystania dostępnych mocy wytwórczych oraz planowania budowy nowych. Cele: •
Ograniczenie zużycia energii (oszczędzanie energii, stosowanie energooszczędnych urządzeń)
•
Wyrównanie krzywej obciążenia. Sterowanie urządzeniami przez licznik
•
Klimatyzacja – czy odbiorca się zgodzi?
•
Ogrzewanie akumulacyjne.
•
Pralki, zmywarki.
•
Ochrona przed spadkami częstotliwości.
Zarzadzanie popytem Taryfy: •
Płaska – jednostrefowa.
•
Wielostrefowa.
•
Taryfy z ceną krytyczną (w szczycie obowiązuje wysoka cena).
•
Taryfa czasu rzeczywistego.
•
Taryfy z wyłączaniem. W umowie z odbiorcą zawarta jest klauzula, że odbiorca akceptuje przerwy w dostawie części lub całości energii (wyłączanie odbiorcy w czasie szczytu obciążenia)
Korzyści dla odbiorców energii Wyświetlacz domowy IHD (In-home display) (Źródło: PTPiREE- Studium wdrożenia inteligentnego pomiaru energii elektrycznej w Polsce )
• Wyświetlacz domowy umożliwia śledzenie na bieżąco danych na temat cen energii, wielkości zużycia i płatności w danym okresie rozliczeniowym. • Umożliwia również sprawdzanie parametrów jakości energii elektrycznej, a w razie ich niedotrzymania odbiorca może ubiegać się o bonifikaty w płatnościach.
Korzyści dla odbiorców energii Alternatywa dla wyświetlaczy IHD Portal konsumencki Alternatywą dla wyświetlaczy IHD może być stworzenie portalu konsumenckiego przez strony www, gdzie każdy z odbiorców posiadałby swoje konto, na którym znajdowałyby się wszystkie potrzebne informacje, związane poborem energii elektrycznej pomocne w jej efektywniejszym zarządzaniu.
Źródło: http://www.energa-operator.pl/25241.xml
Korzyści dla odbiorców energii Alternatywa dla wyświetlaczy IHD Urządzenia mobilne Aplikacja mobilna „Mój Licznik” umożliwia bieżące monitorowanie zużycia energii elektrycznej. Użytkownik może sprawdzić zużycie prądu w domu z każdej zakończonej doby, porównać, kiedy ta wartość była najwyższa oraz przekonać się, czy zużywa tyle energii elektrycznej, co osoby korzystające z tej samej taryfy. Aplikację udostępnia swoim klientom posiadającym liczniki zdalnego odczytu EnergaOperator. Można już pobrać z Google Play (na urządzenia z systemem Android) oraz AppStore(na urządzenia z systemem iOS).
Źródło: http://www.energa-operator.pl/25241.xml
Korzyści dla odbiorców energii Dzięki ISE odbiorca będzie miał możliwość: •
dostosowania taryfy rozliczeń do swojego dobowego profilu zużycia.
•
efektywniejszego zarządzania poborem energii - włączanie energochłonnych odbiorników w strefach czasowych o niższej cenie. Aktualnie:
•
Taryfa energii dla odbiorców indywidualnych (G11 ) nie skłania do racjonalnego zużycia energii (brak stref czasowych).
•
We wszystkich taryfach brak elastycznych stref czasowych.
Korzyści dla prosumentów Prosument (producer + consumer) jest to odbiorca, który dysponuje własnym źródłem energii, przeznaczonym w pierwszej kolejności na zaspokajanie własnych potrzeb energetycznych, ale w przypadku dysponowania nadwyżkami, może także energię dostarczać i sprzedawać do sieci.
Źródło: http://www.deltaenergia.pl/mikrogeneracja-domowa/attachment/mikrogeneracja/
Korzyści dla prosumentów Dzięki ISE będzie możliwość: • funkcjonowania generacji energii z przydomowych źródeł odnawialnych, oprócz produkcji energii na własne potrzeby będzie możliwość sprzedaży energii do sieci (w zasadzie już jest taka możliwość). • przyłączania akumulatorów i świadczenia usług systemowych. Obecnie: • Problemy z przyłączaniem do sieci małych (przydomowych) źródeł energii (konieczność podpisania stosownej umowy, konieczność instalacji liczników do pomiaru energii produkowanej). • Do niedawna (do 2013 r.) konieczność rozpoczęcia działalności gospodarczej (w tym opłaty do ZUS-u).
Korzyści dla prosumentów Generacja rozproszona (DG – Distributed Generation) • • • • • • • • • •
Turbiny wiatrowe. Ogniwa fotowoltaiczne. Generatory na olej napędowy. Generatory na gaz. Ogniwa paliwowe. Małe elektrownie wodne. Biogaz. Biomasa. Energia geotermalna. Biopaliwo do pieców olejowych.
Inteligentny dom • Posiada system czujników i detektorów oraz zintegrowany system zarządzania wszystkimi instalacjami w budynku. • Jest autonomiczny energetycznie, zdolny do przekazywania nadmiaru wytwarzanej energii i traktujący sieć jako źródło rezerwowe. • Dzięki inteligentnemu opomiarowaniu możliwym staje się samoczynne ograniczanie poboru mocy (i energii) w okresach szczytowego obciążenia bez naruszenia jakości życia mieszkańców
Inteligentny dom Energia słoneczna
Energia wiatru 120,0%
120,0%
100,0%
100,0%
80,0%
80,0%
60,0%
60,0%
40,0%
40,0%
20,0%
20,0%
0,0%
0,0% Sty Lut Mar Kwi Maj Cze Lip Sie Wrz Paź Lis Gru
Zapotrzebowanie na ciepło
Zapotrzebowanie na energię elektr. 120,0%
120,0%
100,0%
100,0%
80,0%
80,0%
60,0%
60,0%
40,0%
40,0%
20,0%
20,0%
0,0%
0,0%
Inteligentny dom
Inteligentny dom
Korzyści dla OZE Przykład 6: Mamy w swojej okolicy zlokalizowaną dużą farmę wiatrową. Obecnie: jak wieje wiatr produkowana energia jest wysyłana do systemu, jak nie wieje to lokalni konsumenci pobierają energię z systemu – czyli generujemy straty przesyłowe. Co można osiągnąć dzięki ISE: jeśli prognozy przewidują dostateczny wiatr dzięki elastycznym taryfom będzie można obniżyć cenę energii dla lokalnej społeczności aby zachęcić do konsumpcji energii w miejscu jej wytwarzania.
Zasobniki energii • Kinetyczne zasobniki energii FES. • Pneumatyczne zasobniki energii CAES. • Superkondensatory. • Nadprzewodnikowe zasobniki energii SMES. • Bateryjne zasobniki energii BES. • Elektrownie szczytowo-pompowe. • Samochody elektryczne EV jako zasobniki energii.
Fundamentalne cele idei ISE Fundamentalne cele idei ISE: •
Aspekt techniczny – poprawa bezpieczeństwa pracy KSE,
•
Aspekt ekonomiczny – poprawa konkurencyjności na rynku energii,
•
Aspekt ekologiczny – wzrost udziału OZE,
•
Aspekt społeczny – konsument z biernego odbiorcy stanie się aktywnym uczestnikiem rynku energii. Konsekwencje wprowadzenia ISE:
•
Wytwarzanie – odejście od elektrowni systemowych w kierunku rozproszonych źródeł w pobliżu odbiorów,
•
Przesył – ograniczenie roli przesyłu dzięki bliskości rozproszonych źródeł,
•
Dystrybucja – wykorzystanie ISE do sterowania poziomem zużycia energii, pracą magazynów energii w celu wyrównywania krzywej obciążenia, pracą źródeł odnawialnych i elektrowni systemowych,
•
Konsumpcja – optymalizacja zużycia energii poprzez oddziaływanie na odbiorców (zmianę nieefektywnych zachowań).
Projekt EcoGrid Cel projektu: przetestowanie systemów dystrybucji energii elektrycznej pochodzącej z energii wiatrowej, aktualnie na Bornholmie 50% energii elektrycznej pochodzi z energii wiatru. Miejsce: wyspa Borholm. Wykonanie: 2000 odbiorców energii otrzyma urządzenia regulujące zapotrzebowanie energii umożliwiających programowanie automatycznych preferencji zapotrzebowania oraz podających informacje w czasie rzeczywistym, w okresach zbyt słabego lub silnego wiatru odbiorcy będą redukować swoje zużycie, w zamian otrzymają tańszą taryfę w czasie „dobrych wiatrów”, Smart grid w automatyczny sposób odłącza ustalony odsetek zużycia każdego odbiorcy w czasie wysokich cen energii i umożliwia zwiększenie zużycia przy niskich cenach. W ramach projektu opracowany zostanie system komputerowy, który będzie obliczał cenę energii na podstawie sytuacji w układzie produkującym i dystrybucyjnym. Spodziewany efekt: odbiorcy mają rozwiązać problem niedoboru energii w okresach słabych wiatrów zamiast wykorzystywać do tego turbiny gazowe lub import energii z innych rejonów. Budżet projektu: 21 mln Euro, czas realizacji: 2011-2015.
Inteligentne liczniki w Europie • Wielka Brytania – plan zainstalowania 53 mln inteligentnych liczników energii i gazu do 2019 r. • Francja – do 2016 r. montaż inteligentnych liczników u wszystkich odbiorców. • Szwecja – w 2010 r. 100% odbiorców posiadało inteligentne liczniki. • Włochy – do końca 2010 r. było 33,5 mln inteligentnych liczników (90% odbiorców).
ISE w Polsce Do 2020 r. co najmniej 80% konsumentów musi zostać wyposażona w inteligentne liczniki.
W Polsce każda spółka dystrybucyjna rozpoczęła pilotażowe programy.
Na przykład w Energa-Operator zainstalowano ok. 100 tyś. liczników w Kaliszu, w okolicach Drawska Pomorskiego oraz na półwyspie Helskim, trwają prace nad integracją komunikacyjną liczników. Docelowo ma być ok. 2,5 mln odbiorców komunalnych (taryfa G) i ok. 290 tyś. odbiorców biznesowych (taryfy C1).
ISE w Polsce Zakres projektu na Helu (pierwszy w Polsce pilotażowy projekt inteligentnej sieci): • Pełne wdrożenie inteligentnych liczników, • Wdrożenie rozwiązań DMS do monitorowanie sieci nn (SCADA nn), • Automatyczne wykrywanie i lokalizacja miejsca uszkodzenia, • Automatyczna rekonfiguracja sieci, • Zaawansowany system kontroli i regulacji napięcia w sieci SN, • Wizualizacja sieci w układzie geograficznym, • Integracja z systemem GIS, • Umożliwienie pracy wyspowej systemu dystrybucyjnego, • Stworzenie podstaw do świadczenia nowych usług i integracji z generacją rozsianą.
Zagrożenia Koszty wdrażania systemu • Oszacowanie rzeczywistych kosztów wdrożenia systemu SmartMetering jest bardzo trudne. • Programy pilotażowe uruchomione przez OSD prowadzone są na zbyt małą skalę i działają zbyt krótko, aby mogły stanowić miarodajną podstawę do oszacowania kosztów całego projektu. • Koszty poniesione w krajach w których już funkcjonuje system AMI, w przeliczeniu na układ pomiarowy wahają się od 280 zł we Włoszech, do 872 zł w Szwecji. • W Polsce według raportu PTPiREE, łączne nakłady w cenach stałych roku 2010 wyniosłyby ok. 7,8 mld zł w scenariuszu optymistycznym, oraz 10,2 mld zł w scenariuszu pesymistycznym.
ZagroĹźenia
Dodatkowe korzyści dla OSD 1.
Zmniejszenie kosztów bezpośredniej obsługi technicznej układów pomiarowych dzięki ograniczeniu ilości wyjazdów monterów do liczników.
2.
Ograniczenie kosztów odczytów liczników, brak pomyłek odczytowych.
3.
Zmniejszenie strat z powodu kradzieży energii elektrycznej. Odczyt liczników w czasie rzeczywistym, pozwala na zbilansowanie wybranych fragmentów sieci i szybkie wychwycenie różnic bilansowych pomiędzy licznikiem kontrolnym a energią zmierzoną przez liczniki zabudowane u odbiorców.
4.
Docelowe obniżenie kosztów legalizacji układów pomiarowych. Wdrożenie AMI spowoduje docelowo zmianę przepisów metrologicznych w zakresie legalizacji liczników. Zamiast funkcjonującej obecnie legalizacji ponownej, przejście na legalizację statystyczną. Jest to konieczne z tego względu, iż liczniki indukcyjne posiadały 15 letni okres legalizacji, dla liczników inteligentnych jest to 8 lat.
5.
Umożliwienie funkcjonowania w systemie energetycznym generacji rozproszonej, w postaci małych przydomowych źródeł odnawialnych energii elektrycznej.
Dodatkowe korzyści dla odbiorców energii 1.
Na bieżąco można śledzić dane na temat ceny energii, wielkości zużycia i płatności w danym okresie rozliczeniowym.
2.
Możliwość sprawdzania parametrów jakościowych energii elektrycznej, w razie ich niedotrzymania można ubiegać się o bonifikaty w płatnościach.
3.
Dostosowanie taryfy rozliczeń do swojego dobowego profilu zużycia.
4.
Możliwość efektywniejszego zarządzania poborem energii - włączanie energochłonnych odbiorników w strefach czasowych o niższej cenie, podejmowanie działań zmierzających do oszczędzania energii.
5.
Możliwość funkcjonowania generacji energii z przydomowych źródeł odnawialnych, oprócz produkcji energii na własne potrzeby możliwość sprzedaży energii do sieci.
Dodatkowe korzyści dla spółek sprzedaży energii 1.
Zmniejszenie kosztów obsługi klientów – możliwość zdalnego rozpatrzenia zasadności wielu reklamacji (np. błędnego odczytu licznika).
2.
Praktycznie wyeliminowanie strat z tytułu zaległości za energię elektryczną możliwość zdalnego wyłączania odbiorcy.
3.
Znaczne ograniczenie kradzieży energii elektrycznej.
4.
Ułatwiony dostęp do klienta przez terminal domowy lub portal konsumencki.
5.
Zwiększanie atrakcyjności oferty handlowej poprzez tworzenie nowych planów taryfowych, stosowanie różnych bonusów za pobór energii w określonych godzinach.
6.
Dokładniejszy pomiar energii przez liczniki elektroniczne – liczniki indukcyjne posiadają duży moment rozruchowy powodujący, że pobór energii przez odbiorniki pozostawione na czuwaniu a nawet żarówki małej mocy, nie powodował reakcji licznika (np. dla liczników półpośrednich przy przekładni 200/5 pobór energii o mocy 1kW nie powodował obrotów tarczy licznika). Częste są przypadki zgłaszania przez odbiorców wzrostu wskazań, po wymianie licznika na elektroniczny.
Dodatkowe korzyści dla OSP (Operator Systemu Przesyłowego) 1.
Zwiększenie bezpieczeństwa Krajowego Systemu Elektroenergetycznego dzięki pełniejszej informacji na temat wielkości pobieranej mocy, łatwiejsze zaplanowanie poziomu rezerwy mocy w systemie.
2.
Możliwość wyłączania lub ograniczenia poboru mocy u odbiorców końcowych w przypadku awarii katastrofalnej systemu.
3.
Dokładna informacja o pracy generacji rozproszonej przyłączonej do sieci OSD pozwoli na lepsze planowanie pracy sieci przesyłowej oraz wytwórców systemowych.
ABC inteligentnych sieci energetycznych – wprowadzenie do tematyki
Dziękuję za uwagę
Toruń, 20-21.XI.2014 r.