Prosument – nowa struktura instalacji elektroenergetycznych

Pojęcie to, jako zbitka słowna „producent” + „konsument”, zostało użyte później przez amerykańskiego futurystę, Alvina Tofflera w książce pt. „Trzecia fala” (1980 r.). Dotyczyło ono określenia procesu, jaki może zachodzić w wyniku indywidualnie podejmowanej aktywności przez postępowych odbiorców dóbr, polegającej na zacieraniu się kompetencji wytwarzania i konsumowania. Idea prosumectwa, zakorzeniona pierwotnie w wizjach rozwoju elektroenergetyki, zyskuje współcześnie coraz większą popularność, rozszerzając się na inne dziedziny gospodarki. Swoista filozofia znaczenia prosumenta jest adaptowana zarówno przez ruchy alterglobalistyczne, jak i sektor biznesu, przy czym jej główne postulaty są rozumiane przez wspomniane środowiska w odmienny sposób.

Poza problematyką społeczno-gospodarczą, rozwój energetyki prosumenckiej niesie za sobą nowe problemy techniczne. Prosumenckie podejście do generacji energii elektrycznej zmienia paradygmat funkcjonowania dotychczas rozwijanych systemów elektroenergetycznych.

Historia

U zarania dziejów nowoczesnej elektroenergetyki (końcówka XIX w.) starły się dwie koncepcje technologii przesyłu energii elektrycznej – stałoprądowa (DC) oraz zmiennoprądowa (AC). Literatura określa ten okres jako „wojna prądów”. Po stronie AC opowiedział się m.in. N. Tesla oraz G. Westinghouse, zaś obóz DC to przede wszystkim T. A. Edison, który forsował koncepcję budowy sieci DC o napięciu 110 V. W praktyce, efektywne dostarczanie energii siecią wg rozwiązania Edisona było możliwe w promieniu zaledwie ok. 1,5 km od generatora i to przy zastosowaniu grubych i ciężkich kabli miedzianych [1]. Transformacja prądu DC na wyższe poziomy napięć (do przesyłu na większe odległości) mogła być realizowana wówczas poprzez tandem silnik–prądnica.

Rozwiązanie to było kosztowne i awaryjne. Zwolennicy rozwiązań DC podkreślali jednak zalety, takie jak:

• bezpieczeństwo użytkowania – skutki porażenia przy identycznej wartości natężenia przez AC są znacznie poważniejsze niż w przypadku DC;
• dostarczanie energii przez układy DC jest możliwe z wykorzystaniem 2 przewodów (teoretycznie nawet jednego – droga powrotna może prowadzić przez ziemię), zaś AC wymaga układów wielofazowych;
• moc jest dostarczana cały czas przy wartości szczytowej (DC), a nie skutecznej, która dla prądu sinusoidalnego jest równa wartości szczytowej pomniejszonej Ö2 razy.

Z drugiej strony, na korzyść AC przemawiało:

• naturalne „przechodzenie” przebiegu przez „0”, co sprzyjało szybkiemu i efektywnemu gaszeniu łuku przy rozłączaniu obwodu;
• produkcja energii odbywająca się w jednostkach wielkoskalowej energetyki konwencjonalnej opiera się na generatorach synchronicznych;
• łatwość transformacji napięcia (transformatory – urządzenia bez elementów ruchomych i proste w eksploatacji).

Ta ostatnia z wymienionych cech AC ostatecznie zdecydowała o końcowym zwycięstwie koncepcji przesyłu AC w „wojnie prądów”. Prąd przemienny z łatwością można było transformować na dowolne poziomy napięć, ograniczając straty przesyłowe.

Dynamiczny rozwój sieci elektroenergetycznych, jaki nastąpił w XX w., umożliwił współpracę między elektrowniami. Podnoszono w owych czasach kwestie korzyści z takiej współpracy, polegające głównie na:

• zmniejszeniu szczytu łącznego współpracujących elektrowni,
• możliwości zmniejszenia łącznych rezerw mocy,
• umożliwieniu ekonomicznego rozdziału obciążeń między wytwórcami.

XX wiek to rozwój systemowej elektroenergetyki, opierającej się na sieciach prądu przemiennego. System elektroenergetyczny oparty na AC stał się więc spoiwem postępu i osiągnięć technicznych cywilizacji w XX wieku [2]. The National Academy of Sciences (Akademia Nauk USA) ogłosiła „system elektroenergetyczny największą maszyną świata” i w uznaniu za jego znaczenie i kompleksowość umieściła go na szczycie listy największych osiągnięć technicznych XX w.

Ze względu na strategiczne znaczenie energii elektrycznej, praktycznie do końca XX w. popularny w Europie był pogląd o konieczności utrzymywania sektora elektroenergetycznego w formie narodowych monopoli. Z początkiem XXI w. rozpowszechniano przekonanie, że energia elektryczna powinna być traktowana jak zwykły towar i podlegać prawom wolnego rynku. Pewnym przełomem było wprowadzenie zasady TPA (Third Party Access), powiązanej z rozdzieleniem wytwarzania, przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej (unbulding). Pojawiło się wówczas miejsce dla nowych podmiotów, oferujących usługi energetyczne, polegających początkowo jedynie na handlu energią. Brak sprzeciwu wobec konsolidacji pionowej branży spowodował, że europejski rynek energii został zdominowany przez koncerny agregujące wszystkie podsektory (od wytwarzania po dystrybucję).

Chronologię ważniejszych wydarzeń składających się na historię elektroenergetyki na osi czasu przedstawiono na rysunku 1.

Współczesność

Winę za postępującą degradację i zanieczyszczenie środowiska przypisuje się przede wszystkim sektorowi energetycznemu, w związku z czym główne kierunki światowej polityki energetycznej kładą nacisk na wykorzystywanie źródeł odnawialnych, elektryfikację transportu, poprawę efektywności energetycznej urządzeń i instalacji oraz zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego. Czynniki te będą miały wpływ na kierunek rozwoju systemów elektroenergetycznych.

Coraz większe znaczenie zyskują zagadnienia związane z efektywnością energetyczną łańcucha przemian energetycznych [3]. W tym miejscu warto zaznaczyć, że współcześnie coraz wyraźniej ujawniają się wady systemów prądu zmiennego AC, mianowicie:

• zjawisko naskórkowości (tendencja do przepływania prądu blisko powierzchni przewodu, co powoduje zwiększenie oporu i redukcję powierzchni przekroju);
• nieefektywnym jest przesłanie na AC kablami podmorskimi, a także podziemnymi (izolacja i płaszcz metaliczny powoduje przekształcenie się kabla w koncentryczny kondensator, co wymaga dodatkowego przepływu prądów i mocy biernych);
• sąsiednie systemy elektroenergetyczne nie muszą pracować synchronicznie, nie można więc wówczas wykonywać bezpośrednich połączeń AC;
• coraz popularniejsze staje się użytkowanie odbiorników o charakterze nieliniowym, które zmieniają kształt przebiegu napięcia (dotrzymanie standardów jakości energii staje się problemem);
• coraz więcej użytkuje się urządzeń, które naturalnie wymagają zasilania prądem DC (np. RTV, sprzęt IT, UPS, oświetlenie LED, nawet nowoczesny sprzęt AGD to silniki o napędach z przekształtnikami), co wymusza wyposażanie w układy konwersji AC/DC;
• postępująca penetracja źródeł energii odnawialnej (OŹE), naturalnie wytwarzających energię elektryczną na DC (np. fotowoltaika);
• efektywna transformacja napięcia DC nie stanowi aktualnie już problemu technicznego (przekształtniki i prostowniki tyrystorowe);
• obecne techniki przesyłu HVDC powodują, że bardziej opłacalne staje się przesyłanie energii na znaczne odległości za pomocą prądu stałego.

Odbiory wyłącznie zmiennoprądowe cechuje stopniowe zanikanie, nawet silniki przemysłowe prądu zmiennego doposażone są w elementy energoelektroniczne, konwertujące napięcie AC/DC/AC [4]. Sieci stałoprądowe zaczynają więc przeżywać renesans, zarówno w sektorze komunalnym, usługowym, jak i przemysłowym [2]. Nie należy jednak spodziewać się wyparcia sieci AC przez DC. Ewolucja będzie przechodziła w kierunku współegzystencji obu technik przesyłu. Opracowywane koncepcje sieci prosumenckich przewidują wydzielenie wielu rodzajów sieci [5, 6, 7].

Dziś, dzięki rozwojowi nowych technologii związanych z tzw. czystą energetyką i technik teleinformatycznych, stajemy przed kolejnym przełomem w branży. Prosumenctwo w odniesieniu do energetyki spowoduje pojawienie się nowych podmiotów, świadczących innowacyjne usługi. Dotychczas funkcjonujące wielkie przedsiębiorstwa energetyczne nie są już w awangardzie i będą musiały dokonać przeobrażenia. Świadczyć o tym mogą światowe notowania giełdowe, według których najbardziej rozpoznawalne korporacyjne przedsiębiorstwa energetyczne tracą na wartości (np. straty giełdowe w ciągu ostatnich 5 lat: RWE 50%, EON 40%, Gdf Suez 37%) [8], podczas gdy firmy wdrażające nowe technologie energetyczne (np. Tesla/ElonMusk, Google) zyskują.

Energetyka zaczyna ewoluować w kierunku struktury zrównoważonej, zarządzanej za pomocą rozproszonej infrastruktury smart grid (SG). Dziedziny takie jak transport, rolnictwo, budownictwo oraz telekomunikacja zaczną się przenikać, uzyskując jeden wspólny wymiar – energetyczny. Będzie to energetyka społeczeństwa wiedzy. Prof. J. Popczyk proponuje nowe określenie na taki stan rzeczy, mianowicie „synergetyka” [9]. Pojęcie to jest kolejną zbitką słowną (synergia + energetyka).

Prosument na rynku i w sieci elektroenergetycznej

Rozwój technologii opartych m.in. na OZE, umożliwiających wytwarzanie energii elektrycznej w niewielkich ilościach (w stosunku do jednostek systemowych), spowodował powstanie możliwości generacji energii przez pojedyncze osoby fizyczne, lokalne społeczności oraz małe firmy. Powstała w ten sposób mikrogeneracja, której cechą jest wykorzystywanie technologii (niekoniecznie odnawialnych) wytwarzania energii i wprowadzanie wytworzonej energii do sieci dystrybucyjnej nn [4]. Pojęcie mikrogeneratora znalazło się w normie PN-EN 50438:2010. Z pojęciem tym, w kontekście instalacji prosumenckich, wiążą się terminy mikroinstalacji oraz mikrosieci, rozumiane jako struktury sieci elektroenergetycznych, obejmujących pewien ograniczony obszar z własnym źródłem energii elektrycznej niewielkiej mocy (zazwyczaj opartym na zasobach odnawialnych).

Opierając się na licznych rozważaniach na temat struktury odbiorców we współczesnej energetyce (np. [4], [10]), ewoluującej w kierunku rozwiązań prosumenckich, można podzielić konsumentów energii elektrycznej na trzy kategorie: prosumenci, odbiorcy pasywni oraz zagrożeni ubóstwem energetycznym (rys. 2.).

Urzędnicy odpowiedzialni za kształt rynku energii powinni zwrócić szczególną uwagę na odbiorców, którzy mogą być zagrożeni tzw. ubóstwem energetycznym. Do takich odbiorców zalicza się gospodarstwa domowe, przeznaczające ok. 10% (wg standardu brytyjskiego) dochodu na pokrycie kosztów energii. Tacy odbiorcy, ze względu na sytuację materialną, często nie są w stanie pokryć bieżących kosztów energii, a więc tym bardziej nie będą inwestować we własne mikroźródła, wymagają oni dodatkowo ochrony przed nieuczciwymi praktykami sprzedawców.

Druga grupa, to odbiorcy pasywni, którzy będą ograniczać swoje uczestnictwo w rynku energii jedynie do opłacania faktur. Odbiorcy ci nie posiadają wiedzy na temat instalacji prosumenckich i nie wykazują zainteresowania w tym kierunku, oczekują jedynie możliwie najniższych cen energii, wymagają pewnej ochrony ze strony Państwa i akceptują regulację taryf przez organy państwowe.

Rodząca się nowa grupa odbiorców to prosumenci. Podstawowe cechy prosumenta to [10]:

• świadomość swojej pozycji (praw, obowiązków, możliwości i ograniczeń),
• gotowość do egzekwowania swoich praw,
• zainteresowanie liberalizacją rynku (uważając regulację taryf za zbędną ingerencję Państwa w gospodarkę),
• zainteresowanie techniką (śledzenie rozwoju technologii energetycznych, zwłaszcza smart meteringu i sieci domowych HAN),
• poważne podejście do spraw bezpieczeństwa danych (nie tylko osobowych),
• poważne podejście do kwestii ochrony środowiska.

Część prosumentów może instalować własne źródła z myślą o wykorzystywaniu wyprodukowanej energii tylko i wyłącznie do własnych celów, bez współpracy z siecią dystrybucyjną (praca wyspowa instalacji) – w trybie off grid. Jednakże nadmiar wyprodukowanej energii może być z powodzeniem odsprzedawana, co wymaga połączenia z siecią dystrybucyjną (tryb on grid), przy czym część prosumentów będzie instalować własne mikroźródła przede wszystkim z chęci czerpania zysków z produkcji i sprzedaży energii, podczas gdy pozostali będą to czynić głównie z myślą o obniżeniu rachunków za energię i/lub zwiększeniu niezawodności zasilania, poprzez częściowe uniezależnienie się od dostawcy. Doświadczenia europejskie (głównie brytyjskie) pokazują, że istnieje grupa prosumentów, która wręcz nie oczekuje żadnej korzyści z tytułu oddawania energii do sieci – uznając, że ewentualne niewielkie przychody będą niewspółmierne z obciążeniami formalnoadministracyjnymi (pojęcie „wycieku energii” – spilling) [4].

Możliwy jest jeszcze tzw. tryb semi off grid współpracy z siecią. Polega on na naprzemiennym stosowaniu trybów on grid i off grid przez interfejs sieciowy, realizujący określone strategie w zależności od aktualnej sytuacji w systemie elektroenergetycznym. Rozproszone instalacje prosumenckie pracujące w takim trybie mogą uczestniczyć wówczas w rynku usług systemowych na rzecz operatorów systemu. Wraz z rozwojem i rozpowszechnieniem się tego typu rozwiązań, sieci rozdzielcze przejęłyby funkcje sieci przesyłowych dla rozproszonych źródeł wytwórczych, stając się szkieletem energetyki prosumenckiej [11] oraz inteligentnych sieci elektroenergetycznych.

Smart Grid (SG)

Pojęcie inteligentnej sieci energetycznej (Smart Grid) zakorzeniło się we współczesnej energetyce. Definicja samego pojęcia może być rozpatrywana na wielu płaszczyznach, m.in. technicznej, ekonomicznej i społecznej, co sprawia, że desygnat tego pojęcia jest trudny do określenia. Wspólną częścią różnych definicji jest stwierdzenie, że chodzi o sieć, która jest różna od tej, jaka była budowana przed masowym wdrożeniem środków łączności i systemów komputerowych [12].

Z punktu widzenia biznesowego, SG to współdziałanie dostawcy energii i użytkownika, co wymaga nowego modelu współpracy przedsiębiorstw energetycznych i ich klientów [13]. Elektroenergetyczna sieć inteligentna ma na celu dostarczanie usług energetycznych, zapewniających obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności oraz zintegrowanie rozproszonych źródeł energii [14]. Techniczna definicja SG musi więc eksponować postulat istnienia dwustronnej komunikacji między uczestnikami rynku w celu uelastycznienia procesu dostarczania energii i optymalizacji jego sterowania. Wspomniane na początku niniejszego opracowania, główne cele szczegółowe tworzenia sieci i systemów elektroenergetycznych z przełomu XIX i XX w. (obniżenie szczytu wytwórczego i łącznych rezerw mocy, ekonomiczny rozdział obciążeń) nie zmieniły się. Współcześnie wynikają one jednak z nowych przesłanek i inne stają się techniczne metody ich realizacji. Ostatecznym celem ma być inteligentna integracja wszystkich uczestników procesu wytwarzania, przesyłu, dystrybucji i użytkowania, aby energia elektryczna była użytkowana w sposób bezpieczny, niezawodny, ekonomiczny, o odpowiedniej jakości i z uwzględnieniem wymogów ochrony środowiska. Za cel uogólniony SG można uznać dążenie do poprawy efektywności energetycznej, ekonomicznej oraz zrównoważonego rozwoju. Tymi aspektami zajmuje się nowa dyscyplina nazywana „racjonalnym użytkowaniem energii” [3].

Struktura SG jest pewnym uogólnieniem i rozbudowaniem inteligentnych instalacji budynkowych. W inteligentnym budynku systemy kontroli dostosowują pracę odbiorników do aktualnych wymogów, wynikających z warunków otoczenia, sprzyjając racjonalizacji użytkowania energii. Użytkownicy mogą zmienić nastawy automatyki, zależnie od własnych preferencji, mogą również upoważnić do wprowadzania takich zmian (zdalnie) dostawcę energii, stając się w ten sposób uczestnikiem na rynku usług systemowych (bilansowanie systemu). Dołączając do instalacji własne mikroźródła energii, budynek inteligentny wraz z pełnym systemem BMS/EMS może stać się częściowo samowystarczalną mikrosiecią, a przynajmniej instalacją prosumencką.

Wobec powyższego, można stwierdzić, że drugim filarem SG, poza wspomnianą inteligencją w zarządzaniu energią obiektu (budynku lub obszaru) jest możliwość wytwarzania energii w instalacjach prosumenckich (zarówno przydomowych, jak i przemysłowych i produkcji rolnej – odzysk energii z procesów produkcyjnych), to z kolei może być realizowane w ramach wydzielonych sieci (mikrosieci) z możliwością dobrowolnej współpracy z systemem elektroenergetycznym. Wszystkie te funkcjonalności sprzyjają realizacji, wspomnianego wyżej, ostatecznego celu SG. Poniżej wyliczono ważniejsze komponenty o będące podstawą funkcjonalności struktur SG (rys. 3.). 

Systemy zarządzania energią

Systemy EMS/BMS (Energy/Building Management System) są podstawowym elementem inteligentnej instalacji budynkowej. Korzenie systemów EMS z kolei tkwią w automatyzacji procesów przemysłowych. Zadaniem tych systemów jest: monitorowanie pracy, regulowanie, informowanie i prognozowanie [15]. System zarządzania energią, dysponujący aktualnymi i historycznymi informacjami pomiarowymi może, w oparciu o algorytmy, sterować urządzeniami, źródłami i odbiorami w mikrosieci, stając się nadrzędnym układem kontroli energii elektrycznej [5], pełniącym również rolę „lustra energetycznego”. Ostatecznym efektem ma być optymalizacja i racjonalizacja użytkowania energii oraz kosztów.

Smart Metering

Inteligentny system pomiarowy (smart metering) to system informatyczny, sprzyjający obserwowalności sieci w odpowiednim horyzoncie czasowym, zawierający liczniki energii, systemy telekomunikacyjne i inteligentne algorytmy informacyjne, prognostyczne i decyzyjne, składający się z [16]:

• zaawansowanej infrastruktury pomiarowej (AMI – Advanced Metering Infrastructure), tj. sprzętu i oprogramowania, umożliwiających szybki dostęp do danych pomiarowych;
• oprogramowania do zarządzania danymi (MDM – Meter Data Management), służącego do przetwarzania danych i rozliczeń.

Generacja rozproszona (Distributed Generation)

W zależności od kraju, różnie przyjmuje się wartość graniczną mocy źródła zaliczanego do rozproszonej generacji (Wielka Brytania: 100 MW, USA: 50 MW, Polska: 5 MW, Szwecja: 1,5 MW). Cechą jednostek rozproszonych wg CIGRE jest niezależność od scentralizowanego planowania rozwoju systemu. Minimalistyczna definicja podkreśla przyłączenie takich jednostek do sieci dystrybucyjnej lub zasilanie instalacji odbiorcy. W literaturze spotykane jest czasem określenie „generacja rozsiana” (dispersed generation), w odniesieniu tylko do źródeł autonomicznych. Źródła energii niewielkiej mocy są kluczowym elementem energetyki prosumenckiej.

Wirtualne elektrownie

Wirtualne elektrownie (VPP – Virtual Power Plant) to dobrowolne połączenia wielu jednostek generacji rozproszonej w organizację sieciową, kontrolowaną przez lokalny, zdecentralizowany system zarządzania. Jest to obiekt informatyczny, zdalnie sterowany, łączący różne źródła (wiatrowe, biogazowe, fotowoltaika itd.) oraz zasobniki energii [17, 18, 19]. Struktura ta powinna realizować usługi na rzecz systemu elektroenergetycznego we współpracy z jego operatorem, w tym zadania regulacji napięć i mocy, ponadto brać udział w planowaniu dobowym pokrycia zapotrzebowania na energię. Podstawowym środkiem realizacji zadania bilansowania systemu jest sterowanie poziomem wyprowadzanej mocy. Prosumenci, współtworzący wirtualną elektrownię, mogą w zależności od sygnałów sterujących, zmieniać wielkość wymiany energii z siecią, zarówno przez regulację pracy własnych źródeł, jak i zmieniając wielkość aktualnej konsumpcji przez użytkowane odbiorniki. Niezbędne w tym celu jest właściwe zarządzanie informacjami pomiarowymi, także nadzór i zdalna koordynacja pracą poszczególnych jednostek. Zadania te są już realizowane przez specjalistyczne firmy, oferujące usługi agregatorów energetycznych i reprezentujące zagregowanych właścicieli drobnych jednostek wytwórczych na rynku energii.

Centra jakości energii i lokalne obszary bilansowania

Różnorodność źródeł o odmiennych parametrach technicznych, nierównomiernej produkcji, zależnej od czynników zewnętrznych, może powodować zaburzenia napięcia w sieci do której są przyłączone. Z drugiej strony, odbiory można podzielić na poszczególne grupy, w zależności od ich wrażliwości na parametry jakości zasilania. Biorąc pod uwagę ewolucję systemów energetycznych oraz rozwój techniki mikroprocesorowej, informatycznej i energoelektroniki, postuluje się tworzenie centrów sterowania jakością energii w sieciach rozdzielczych lub w instalacjach odbiorczych [7]. Układy te mogą, wykorzystując m.in. łączniki tyrystorowe, urządzenia typu FACTS/CUPS, odpowiadać za kompensację mocy biernej i asymetrii, poprawę profilu napięcia i filtrację wyższych harmonicznych, efektywne zasilanie odbiorów stałoprądowych oraz niezawodność zasilania.

Sieć posiadająca własne centrum sterowania jakością energii może tworzyć logicznie wydzielone obszary, w których realizowane będzie równoważenie zapotrzebowania z wytwarzaniem energii w celu zapewnienia bezpieczeństwa dostaw i efektywności wykorzystania energii [20]. Struktury takie powinny być przygotowane do pracy wyspowej oraz do synchronizacji z siecią, wypełniając usługi systemowe w zakresie odbudowy systemu elektroenergetycznego po znaczącej awarii.

Magazyny energii

Niestabilność pracy źródeł odnawialnych może być ograniczana za pomocą układów zasobników energii. Zasobniki te mogą pomagać w utrzymaniu odpowiedniego profilu napięcia (ograniczanie zapadów) i stanowić środek realizacji usług systemowych (rezerwa mocy). Technologie magazynowania polegają na zamianie energii elektrycznej na inny rodzaj energii (np. kinetyczny – koło zamachowe, chemiczny – akumulatory, ogniwa paliwowe, potencjalny – elektrownie szczytowo-pompowe, sprężonego powietrza) lub na gromadzeniu energii w polu elektromagnetycznym (superkondensatory, nadprzewodzące cewki).

Znaczącą rolę w magazynowaniu energii mogą odegrać pojazdy elektryczne (Electric Vehicle EV). Dystrybutor energii może wykorzystywać akumulatory parkujących pojazdów do składowania nadmiarowej energii. Planuje się umieszczać stacje ładowania i rozładowania pojazdów jako moduł instalacji w ramach inteligentnego budynku, które obejmowałby również systemy płatności. Aktualne wymagania norm z zakresu stacji ładowania pojazdów elektrycznych przedstawiono w [21]. 

Nowe usługi w elektroenergetyce

Prosument w inteligentnej sieci może, poza produkcją i sprzedażą energii, świadczyć usługi na rzecz operatora systemu, czerpiąc z tego tytułu dodatkowe korzyści finansowe. Pojawia się również nowa nisza biznesowa dla działalności gospodarczej w sektorze usług, związanych z energetyką. Można tu wspomnieć o usługach polegających na [22]:

• bilansowaniu systemu elektroenergetycznego,
• dostarczaniu informacji potrzebnych konsumentowi (prosumentowi) do podejmowania decyzji o uczestniczeniu w rynku energii,
• informowaniu o pochodzeniu dostarczanej energii,
• dołączaniu/odłączaniu mikroźródła prosumenta od sieci dystrybucyjnej,
• zarządzaniu automatycznym włączaniem i wyłączaniem odbiorników energii – automatyczne zarządzanie odciążeniem sieci konsumenta,
• wykorzystaniu danych meteo do zarządzania działaniem źródeł i odbiorników energii,
• wykorzystaniu magazynów energii, (zwłaszcza samochodów elektrycznych do bilansowania energii w sieci lokalnej,
• mobilnym billingu – rozliczanie konsumenta niezależnie od miejsca poboru energii, np. za ładowanie pojazdu elektrycznego niezależnie od miejsca poboru energii w oparciu o elektroniczną identyfikację środka transportu,
• powiązaniu systemu zarządzania zakupem i sprzedażą energii, będącej w dyspozycji prosumenta w oparciu o dynamicznie zmienne plany taryfowe – optymalizacja kosztów korzystania z energii i mediów z wykorzystaniem dynamicznie zmiennych danych taryfowych,
• dostosowaniu urządzeń użytkownika do stanu sieci energetycznej w sytuacjach awaryjnych i nadzwyczajnych – powszechny system przeciwdziałający blackout’om,
• integracji usług dostawy ciepła, energii i wody na poziomie metrologicznym i billingowym (rozliczeniowym),
• zarządzaniu systemem mikroźródeł z konfiguracji elektrowni wirtualnej realizowanej i zarządzanej za pośrednictwem transmisji danych w tzw. technologii „Internet of Things” (Internet rzeczy).

W celu wykorzystania pełnego potencjału instalacji prosumenckich w ramach struktur SG, racjonalizującego wykorzystanie energii, potrzebny jest więc nowy podmiot na rynku energii, oferujący wymienione wyżej usługi energetyczne. Postuluje się powołanie instytucji agregatora, jako dostawcy usług elastyczności i zarządzania odbiorem, zarówno po stronie indywidualnych uczestników, jak i operatorów systemu (przesyłowego i dystrybucyjnego) [23]. Agregator powinien wykorzystywać narzędzia bezpośredniego sterowania odbiorem oraz modele optymalizacji. Ponadto, poza obrotem energią i techniczną realizacją usług związanych z aktywizacją prosumentów na ryku energii, agregator może pełnić funkcje doradcze, a nawet inwestycyjne (współfinansowanie urządzeń sterowalnych).

Potrzeba badań i projektów

Pełna identyfikacja możliwości, jakie dają sieci typu SG musi być poprzedzona wnioskami z wykonania odpowiednich projektów o charakterze badawczym (R&D – Research and Development) oraz demonstracyjno-pilotażowym (D&D – Demonstration and Deployment). Wyliczone powyżej, innowacyjne usługi, już są częściowo oferowane klientom w Europie Zachodniej. Istnieje grupa krajów (Francja, Wielka Brytania, Niemcy, Dania, Holandia, Włochy, Hiszpania), które stały się liderami we wdrażaniu inteligentnych sieci. Tam wydaje się najwięcej oraz realizuje się największą liczbę projektów SG.

Szacuje się, że w celu wdrożenia inteligentnych sieci w Unii Europejskiej, do 2030 r. należałoby wydać 500 mld EUR na rozbudowę sieci zarówno dystrybucyjnych jaki i przesyłowych – odpowiednio po 75% i 25% [24].

Instytut Energii i Transportu JRC (Joint Research Centre, Wspólne Centrum Badań) przy Komisji Europejskiej opracował bazę projektów dotyczących SG realizowanych w 47 krajach Europy (członkowie UE, kraje stowarzyszone oraz państwa aspirujące). Kompletna baza zawiera łącznie 459 projektów, realizowanych w latach 2002–2013 z udziałem 2900 uczestników. Całkowity budżet łączny projektów to 3,15 mld EUR, przy średniej na jeden projekt 7,5 mln EUR [25]. W statystykach europejskich projektów SG, polskie podmioty prezentują się w stopniu co najmniej niezadowalającym.

W kwestii liczebności prowadzonych projektów w podziale na poszczególne kraje europejskie, Polska zajęła 17. miejsce w zestawieniu. Wielkość budżetu przeznaczonego na polskie projekty SG uplasowała nasz kraj na 19 miejscu. Udział projektów polskich w łącznym budżecie projektów europejskich jest poniżej 0,5% (19. miejsce).

Najbardziej niekorzystnie wypada analiza wielkości inwestycji przeznaczonych na projekty SG w jednostkach względnych: Polska znalazła się na przedostatnim miejscu w zestawieniu nakładów na mieszkańca (przed Rumunią), zaś w zestawieniu nakładów na jednostkę poboru energii – na ostatnim miejscu w Europie (rys. 4.).

Podsumowanie

Instalacje prosumenckie stają się rzeczywistością, również w przestrzeni publicznej (fot. 1.). Postulat racjonalnego użytkowania energii, którego nadrzędnym celem jest ograniczenie negatywnego wpływu energetyki na środowisko, poprzez optymalne wykorzystanie zasobów odnawialnych (OŹE) i konwencjonalnych oraz poprawa efektywności energetycznej, jest możliwy do wdrożenia w wyniku zastosowania technik inteligentnych sieci energetycznych (SG). Fundamentem tych struktur są instalacje prosumenckie, tworzące generację rozproszoną, które zarządzane są przez inteligentne algorytmy (systemy zarządzania energią), stanowiące rozszerzenie funkcjonalności inteligentnych instalacji budynkowych. W tym celu należy wykorzystywać sygnały pomiarowe, których akwizycją zajmować się mogą rozbudowane systemy infrastruktury AMI oraz sygnały zdalnego sterowania urządzeniami w ramach instalacji prosumenckich, składających się na strukturę wirtualnej elektrowni.

Dodatkowym elementem, podwyższającym elastyczność infrastruktury i poprawiającym możliwość bilansowania systemu są układy magazynowania energii, ze szczególną rolą pojazdów elektrycznych. Instalacje prosumenckie mogą tworzyć samobilansujące się, lokalne struktury, zapewniające niezawodność zasilania przy zadowalającym poziomie jakości energii elektrycznej. Zgodnie z postulatem racjonalności, w sieciach SG równoprawne są technologie przesyłu energii elektrycznej oparte zarówno na AC, jak i DC.

Cała struktura SG wymaga zarządzania przez nowe podmioty rynku energii, oferujące innowacyjne usługi. Jest to więc nisza biznesowa dla nowej działalności gospodarczej i szansa na nowe miejsca pracy. Ewolucja energetyki w kierunku prosumenckim powoduje ewolucję dziedziny w kierunku interdyscyplinarnym. SG z instalacjami prosumenckimi to nie tylko technologia ale również informatyka i telekomunikacja, problematyka ekonomiczna, nowe uregulowania prawne oraz zagadnienia społeczne (zachowania użytkowników, problem ubóstwa energetycznego itd.).

Obecnie, udział polskich podmiotów na tle Europy w projektach wdrażania SG jest niewystarczający, poniżej narodowych ambicji i potencjału. Szansą na poprawę sytuacji i zbliżenie się do przodujących Państw Członkowskich może być wykorzystanie możliwości, jakie oferuje nowy program operacyjny UE, mianowicie „Horyzont 2020”.

*  *  *

Praca współfinansowana w ramach Grantu Dziekańskiego 504/01498 (Porozumienie z Dziekanem Wydziału MEiL PW z dnia 11.06.2014 r.)

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!