Generacja z OZE a straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych

Aktualnie niezmiernie ważnym problemem dla energetyki jest oszczędność energii, podkreślana w wielu światowych dokumentach. Zapisy dokumentów wymuszają konkretne działania, które mają ograniczyć zużycie energii, zwiększając efektywność energetyczną. Pierwszym z dokumentów podpisanych przez Polskę jest „Protokół z Kioto” do Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu, sporządzony w Kioto dnia 11 grudnia 1997 r. W ślad za ww. protokołem w Unii Europejskiej ustalono wymagania dotyczące ograniczeń w zużyciu energii. W Polsce wprowadzono zapisy w Prawie energetycznym dotyczące wagi efektywności energetycznej gospodarki w Polityce Energetycznej Polski. Ponadto uchwalono Ustawę o efektywności energetycznej, która zawiera m.in. następujące wytyczne:

Art. 1. Ustawy określa:

1) zasady opracowywania krajowego planu działań dotyczącego efektywności energetycznej;

2) zadania jednostek sektora publicznego w zakresie efektywności energetycznej;

3) zasady realizacji obowiązku uzyskania oszczędności energii;

4) zasady przeprowadzania audytu energetycznego przedsiębiorstwa.

Art. 19.1. Ustawy podaje, że poprawie efektywności energetycznej powinny służyć przedsięwzięcia prowadzące do ograniczenia sieciowych strat energii wynikających z przesyłu lub dystrybucji energii elektrycznej.

Nowe regulacje, wprowadzane znowelizowaną ustawą, mają spowodować zmniejszenie zużycia energii i uzyskanie poziomu tzw. efektywnego zużycia energii.

W XXI wieku nastąpił w Polsce znaczny przyrost mocy wytwórczych w źródłach OZE. Źródła te lokalizowane są w bliskich odległościach od odbiorców, czyli konsumentów energii elektrycznej. W konsekwencji zmieniają się przepływy mocy przy niższych rezystancjach połączeń sieciowych, co powoduje zmianę poziomu strat energii elektrycznej. Stąd w prezentowanym artykule skoncentrowano się głównie na:

1. zbadaniu wpływu ilości energii wprowadzonej do sieci dystrybucyjnej z OZE na poziom strat energii elektrycznej;

2. odpowiedzi na pytanie: czy źródła OZE powodują spadek poziomu tych strat, czyli zwiększają efektywność energetyczną w działaniach operatorów systemu przesyłowego i systemów dystrybucyjnych?

Straty energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE)

Autorzy artykułu od wielu lat prowadzą analizę statystyczną strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE). Rezultaty analiz, przeprowadzonych na podstawie danych zawartych w rocznikach Agencji Rynku Energii „Statystyka Elektroenergetyki Polskiej” [1], przedstawiono dla wcześniejszych okresów w autorskich rozdziałach monografii [2] i [3], a także w referatach prezentowanych na kolejnych konferencjach dotyczących strat energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych [4-8, 10].

W niniejszym artykule – na podstawie danych z lat 2015–2021 – przedstawiono wyniki analiz strat w polskich sieciach elektroenergetycznych, biorąc pod uwagę wartości:

• energii elektrycznej wprowadzonej (dostarczonej) do sieci,
• strat i różnic bilansowych energii elektrycznej,
• wskaźnika strat i różnic bilansowych

w podziale na sieci poszczególnych poziomów napięć.

Rozpatrzono dynamikę zmian poziomu ww. wielkości, przyjmując rok 2000 jako rok odniesienia lub rok 2002 dla sieci SN i nN. Należy podkreślić, że statystyka strat energii [1] do 2001 roku podawała wartości strat łącznie dla sieci średniego i niskiego napięcia, a dopiero od 2002 roku – zindywidualizowane wartości dla ww. sieci.

Podstawową analizowaną w referacie wielkością jest – podobnie jak w poprzednich opracowaniach – wskaźnik strat i różnic bilansowych ΔE_%, określony następującym wzorem:

gdzie:

ΔE – straty i różnice bilansowe w sieci na danym poziomie napięcia, w GWh/a;

E_wp – energia elektryczna wprowadzona do sieci na danym poziomie napięcia, w GWh/a.

Średnioroczne zmiany α analizowanej wielkości X – w różnych przedziałach czasu – obliczano według następującej ogólnej zależności:

gdzie:

ΔT = T₂ – T₁ – okresy przyjęte do analizy zmian, zgodne z danymi w tabelach 1–4;

T₂ – odpowiednio 2021 lub 2015;

T₁ – odpowiednio 2000 lub 2002, 2015, 2020.

Ponadto dla oceny zmian wartości poszczególnych wielkości w przyjętym okresie czasu wprowadzono następujące bezwymiarowe wskaźniki oznaczone symbolami „w₁”, „w₂” i „w₃”, gdzie:

• wskaźnik „w₁” określa stosunek ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci Ewp w danym roku do analogicznej ilości energii w roku 2000 lub 2002;
• wskaźnik „w₂” określa stosunek wartości rzeczywistych strat i różnicy bilansowej w sieci ΔE w danym roku do analogicznej wartości w roku 2000 lub 2002;
• wskaźnik „w₃” określa stosunek wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE_% w danym roku do wartości analogicznego wskaźnika w roku 2000 lub 2002.

Wartości energii wprowadzonej E_wp, rzeczywistych ΔE i procentowych ΔE_% strat energii, wskaźników „w1”, „w2” i „w3” oraz średnioroczne zmiany α analizowanych wielkości w badanym okresie czasu zestawiono w następujących tabelach:

• tabela 1. – sieci 400 kV i 220 kV,
• tabela 2. – sieci 110 kV,
• tabela 3. – sieci średniego napięcia SN,
• tabela 4. – sieci niskiego napięcia nN.

Ilustrację graficzną danych zestawionych w tabelach 1–4 stanowią rysunki 1–6, na których przedstawiono w podziale na sieci poszczególnych poziomów napięć:

• względne zmiany ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci E_wp (wskaźniki „w₁”);
• względne zmiany wartości strat i różnic bilansowych ΔE (wskaźniki „w₂”);
• względne zmiany wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE_% (wskaźnik „w₃”).

Analizując dane liczbowe zawarte w tabelach 1–4 oraz zilustrowane na rysunkach 1–6, można wysnuć następujące wnioski – opisane poniżej – dotyczące poziomu strat energii elektrycznej w polskich sieciach elektroenergetycznych na poszczególnych poziomach napięć.

Sieci 400 kV i 220 kV

W sieciach najwyższych napięć obserwuje się najwyższy względny wzrost ilości energii wprowadzonej (wskaźnik „w₁”) w porównaniu do sieci pozostałych poziomów napięć, a mianowicie:

W roku 2021 wystąpiły znaczne zmiany w wartościach wskaźników α analizowanych wielkości w stosunku do roku 2020 w porównaniu do rocznych zmian między rokiem 2021 a rokiem 2000, a mianowicie:

Podkreślenia wymaga fakt wzrostu wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE_% w ostatnim analizowanym roku w porównaniu z tendencją malejącą tego wskaźnika w całym rozpatrywanym okresie czasu.

Sieci 110 kV

W przypadku sieci 110 kV występuje wyrównany wzrost ilości energii wprowadzanej do tej sieci w całym rozpatrywanym okresie, co odzwierciedlają średnioroczne wskaźniki przyrostu α na poziomie ok. 1%. Wyjątek stanowi znaczący wzrost ilości energii wprowadzonej w ostatnim roku (podobnie jak dla sieci NN), a mianowicie α_2021/2020 = 4,87%.

Dla sieci 110 kV można mówić o stałej tendencji zmniejszania się strat energii elektrycznej – wskaźniki α w całym rozpatrywanym okresie czasu wyniosły:

• dla wartości strat i różnic bilansowych ΔE α_2021/2000 = –1,84%;
• dla wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE_% α_2021/2000 = –2,92%.

Pewna zmiana wystąpiła dla roku 2021, w którym – mimo wzrostu wartości strat i różnic bilansowych ΔE (α_2021/2020 = 1,81%) – wartość procentowego wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE_% zmalała (α_2021/2020 = –2,91%).

Sieci średniego napięcia SN

Średnioroczne wzrosty ilości energii elektrycznej wprowadzanej do sieci SN w całym rozpatrywanym okresie lat 2021–2002 wyniosły α_2021/2002 = 1,68%, natomiast w ostatnim roku ten wzrost był znacznie wyższy: α_2021/2020 = 3,69%.

Obserwuje się stałą tendencję spadku wartości strat i różnic bilansowych ΔE o 33% i wskaźnika ΔE_% o 51% w całym okresie lat 2021–2002, z wyraźnie szybszym ich obniżaniem od roku 2015 – średnioroczne spadki obu wielkości wynoszą odpowiednio:

Sieci niskiego napięcia nN

W okresie lat 2021–2002 wystąpił najniższy przyrost ilości energii wprowadzanej do sieci nN w porównaniu z przyrostami w sieciach wyższych napięć, a mianowicie α_2021/2002 = 0,90%.

Analizując poziom strat energii w sieciach nN w latach 2021–2002, można zauważyć, że straty i różnice bilansowe ΔE zmalały o 58%, a wskaźnik strat i różnic bilansowych ΔE_% zmalał o 64%. Średnioroczne zmiany tych wielkości w wybranych przedziałach czasowych były następujące:

Generacja z odnawialnych źródeł energii

Usytuowania źródeł wytwórczych OZE w różnych punktach sieci zmieniły przepływy mocy. Na wcześniejszych konferencjach w latach 2016, 2018 i 2020 [6–8] autorzy starali się odpowiedzieć na stawiane pytanie: czy uzupełnianie bilansu energii elektrycznej źródłami OZE zmieni tak znacząco przepływy mocy, że wywołają one mniejsze straty energii? Stąd w niniejszym artykule przeanalizowano wyniki badań uwzględniających poszerzony materiał statystyczny, tzn. dane z lat 2002–2021 dotyczące produkcji energii elektrycznej z OZE, oraz sprawdzono, czy wniosek z poprzednich badań nadal jest aktualny.

W tabeli 5. przedstawiono dla poszczególnych poziomów napięć:

• ilość energii dostarczonej z OZE w badanym okresie czasu;
• udział energii dostarczonej z OZE w całkowitej energii dostarczonej do sieci (wskaźnik „w₄”);
• iloraz energii dostarczonej z OZE do sieci w kolejnych latach do energii dostarczonej z OZE w roku 2002 (wskaźnik „w₅”).

Natomiast w tabeli 6. zestawiono średnioroczne przyrosty α dostaw energii z OZE na różnych poziomach napięć w przedziałach czasu podobnych do przyjętych w analizie strat, a na rysunkach 7–9 ilustrację graficzną ww. przyrostów.

Udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej ilości energii elektrycznej dostarczanej do sieci 110 kV wzrósł od 0,4‰ w roku 2002 do 66,9‰ w roku 2021. Warto podkreślić, że najwyższy – blisko 280-krotny – przyrost energii dostarczanej z OZE wystąpił w sieciach 110 kV w roku 2020, i w konsekwencji średnioroczny przyrost dla okresu lat 2021–2002 był równy α_2021/2002 = 32,9%, a maksymalny dla okresu lat 2015–2002 wyniósł α_2015/2002 = 47,8%.

Udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej ilości energii elektrycznej dostarczanej do sieci SN wzrósł od 1,5‰ w roku 2002 do 53,1‰ w roku 2021. Wprawdzie znacznie niższy niż w sieciach 110 kV, ale także ponad 50-krotny przyrost ilości energii dostarczanej z OZE zaobserwować można w sieciach SN, dla których średnioroczny przyrost dla okresu lat 2021–2002 był równy α_2021/2002 = 22,9% (maksymalny dla okresu lat 2015–2002 wynosił α_2015/2002 = 29,8%).

Zupełnie nietypowe są podobne wartości w sieciach nN. Dla tych sieci dopiero w ostatnich latach wystąpił zauważalny wzrost ilości energii dostarczanej z OZE. Udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej ilości energii elektrycznej dostarczanej do sieci nN zmieniał się od 2,2‰ w roku 2002 do 45,4‰ w roku 2021. Średnioroczny przyrost energii dostarczanej z OZE dla okresu lat 2021–2002 jest równy tylko α_2021/2002 = 18,3%, a maksymalny wystąpił w ostatnim roku, a mianowicie α_2021/2020 = 133,1%.

Należy podkreślić, że zaproponowany w roku 2019 przez Ministerstwo Klimatu i Środowiska i wprowadzony w życie program „Mój Prąd” a tak znaczący przyrost energii wytwarzanej w źródłach OZE o małych mocach, czyli rozwój energetyki prosumenckiej. Priorytetowy program „Mój Prąd” jest wyjątkową propozycją w Polsce, na niespotykaną dotąd skalę, która wpłynęła na niezwykle dynamiczny rozwój energetyki prosumenckiej. Dowodem na silną dynamikę wzrostu prosumentów w naszym kraju jest poniższe zestawienie:

Wdrożenie programu było silnym impulsem do dalszego rozwoju energetyki prosumenckiej i znacząco przyczyniło się do spełnienia międzynarodowych zobowiązań Polski w zakresie rozwoju energetyki odnawialnej.

Podsumowanie

Autorzy prezentowanego artykułu dokonali próby oceny korelacji między poziomem wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych w sieciach poszczególnych poziomów napięć a ilością energii elektrycznej wprowadzanej do sieci ze źródeł odnawialnych. Najsilniejsza współzależność między wskaźnikiem strat i różnic bilansowych a ilością energii elektrycznej wprowadzonej z OZE wystąpiła dla sieci średniego napięcia SN. Wskazuje na to wysoka wartość współczynnika korelacji R = –0,96. Warto podkreślić, że wartość R jest na podobnym poziomie jak w poprzednio analizowanych okresach przedstawionych w [6–8]. Niższą współzależność zauważa się przy analogicznej analizie dla sieci 110 kV, chociaż – biorąc pod uwagę wartość R = –0,68 – można ją określić jako średnią. W początkowych latach XXI wieku poziom strat energii w tych sieciach zmieniał się nieregularnie, a dopiero w następnych latach zauważa się stałą tendencję spadkową, i stąd niższa bezwzględna wartość współczynnika korelacji R.

Obserwując sieciowe straty dla poszczególnych poziomów napięć, można zauważyć wyraźną tendencję spadkową tak rzeczywistych jak i procentowych strat energii. Autorzy zadali sobie pytanie (podobnie jak przy opracowywaniu wcześniejszych analiz) – jaki jest udział strat w całkowitej energii wyprodukowanej w Polsce. Aby odpowiedzieć na to pytanie, w tabeli 7. zestawiono energię wyprodukowaną E_prod w polskich elektrowniach w latach 2000–2021 i sumę strat energii ΔE w tym okresie. 

Na podstawie ww. danych wyznaczono łączne procentowe straty energii ΔE_% w stosunku do globalnie wytworzonej ilości energii E_prod. Graficzną ilustrację tych danych przedstawiono na rysunku 10.

Z analizy danych zestawionych w tabeli 7. i na rysunku 10. można sformułować następujące spostrzeżenia:

• łączne rzeczywiste straty energii w ciągu 21 lat zmalały o ok. 30% (w roku 2021 o 28%) przy wzroście produkcji energii na poziomie 30%;
• w tym samym przedziale czasu zmalał w większym stopniu procentowy wskaźnik strat energii, a mianowicie o prawie 50% (w roku 2021 o 45%).

Reasumując, można stwierdzić, że zmniejszenie sieciowych strat energii elektrycznej skutkuje poprawą efektywności energetycznej procesu przesyłu energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym i świadczy o wywiązywaniu się z działań wynikających z wymogów Unii Europejskiej i Ustawy o efektywności energetycznej. Porównanie poziomu strat energii prezentowanego we wcześniejszych pracach [4–9] z aktualnymi danymi pozwala stwierdzić, że procentowy wskaźnik strat energii ΔE_% ma nadal tendencję spadkową.

Literatura

1. Statystyka Elektroenergetyki Polskiej 2000–2021. Agencja Rynku Energii S.A., Warszawa 2001–2022.
2. Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza strat energii elektrycznej w sektorze dystrybucji, w: Ograniczanie strat energii elektrycznej w elektroenergetycznych sieciach rozdzielczych. Wyd. PTPiREE, Poznań 2002, s. 147–178.
3. Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza strat energii elektrycznej w sektorze dystrybucji, w: Straty energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych. Wyd. PTPiREE, Poznań 2009, s. 51–70.
4. Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym, w: Materiały V Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Kołobrzeg 2011, s. 1–10.
5. Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w KSE dla lat 2002-2012, w: Materiały VI Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Rawa Mazowiecka 2014, s. 1–7.
6. Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w krajowym systemie elektroenergetycznym w ostatnim piętnastoleciu, w: Materiały VII Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Kołobrzeg 2016, s.7–18.
7. Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym w XXI wieku, w: Materiały VIII Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Wrocław 2018, s. 7–15.
8. Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym, w: Materiały IX Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Poznań 2020, http://www.straty.ptpiree.pl 
9. Niewiedział E., Niewiedział R., Poprawa efektywności energetycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym, „elektro.info” 3/2021, s. 42–46.
10. Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym, w: Materiały X Konferencji Naukowo-Technicznej „Generacja rozproszona i straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Wisła 2023, s. 5–19.