Wpływ mikroinstalacji prosumenckich na zużycie energii przez odbiorniki
arch. redakcji
W 2012 roku znowelizowano ustawę [4] wprowadzając pewne ułatwienia w przyłączaniu mikroinstalacji wytwórczych w sieciach elektroenergetycznych, szczególnie niskiego napięcia.
Zobacz także
dr inż. Karol Kuczyński Wymagania unijne dla transformatorów rozdzielczych SN/nn
Publikacja zawiera przegląd najważniejszych norm technicznych i prawnych weryfikujących rynek transformatorów rozdzielczych SN/nn w Polsce.
Publikacja zawiera przegląd najważniejszych norm technicznych i prawnych weryfikujących rynek transformatorów rozdzielczych SN/nn w Polsce.
WAGO ELWAG Sp. z o.o. Optymalny rozdział potencjałów dzięki nowym złączkom TOPJOB® S
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych...
Rodzina złączek listwowych TOPJOB® S poszerzyła się ostatnio o nowe rozwiązanie – kompaktowe bloki rozdzielcze, które pozwalają na wydajny rozdział potencjałów za pomocą jednej tylko złączki – bez żadnych dodatkowych elementów.
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
„Mały trójpak energetyczny” wprowadził definicję mikroinstalacji, rozumianej jako odnawialne źródło energii, o łącznej mocy zainstalowanej elektrycznej nie większej niż 40 kW, przyłączone do sieci elektroenergetycznej o napięciu znamionowym niższym niż 110 kV lub o łącznej mocy zainstalowanej cieplnej nie większej niż 120 kW.
Za przyłączenie mikroinstalacji, którą planuje się przyłączyć do elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej, nie pobiera się opłaty. W przypadku gdy podmiot ubiegający się o przyłączenie mikroinstalacji do sieci dystrybucyjnej jest przyłączony do sieci jako odbiorca końcowy, a moc zainstalowana mikroinstalacji, o przyłączenie której ubiega się ten podmiot, nie jest większa niż określona w wydanych warunkach przyłączenia, przyłączenie do sieci odbywa się na podstawie zgłoszenia przyłączenia mikroinstalacji.
Zapis ten ogranicza moc zainstalowaną mikroinstalacji z 40 kW (wartość definiowana wg [4]) do wartości mocy określonej w warunkach przyłączenia odbiorcy końcowego.
Na podstawie zgłoszenia złożonego w przedsiębiorstwie energetycznym, do sieci którego ma być przyłączona mikroinstalacja, to przedsiębiorstwo instaluje odpowiednie układy zabezpieczające i układ pomiarowo-rozliczeniowy.
Koszt instalacji układu zabezpieczającego i układu pomiarowo-rozliczeniowego ponosi operator elektroenergetycznego systemu dystrybucyjnego.
W 2015 roku uchwalono długo oczekiwaną ustawę o odnawialnych źródłach energii [3], która od razu stała się kontrowersyjna. Prezydent RP podpisał tę ustawę 11 marca 2015 r., a Ministerstwo Gospodarki 18 marca 2015 r. przedstawiło zakres zmian w tekście ustawy. Krytyczne uwagi na temat tej ustawy i trybu jej uchwalania przedstawiono również w artykule [2].
Ustawa [3] zawiera wszystkie wykazane wyżej elementy „Małego trójpaku energetycznego”. Natomiast w tekście tej ustawy nie ma sformułowania „prosument”. W ujęciu energetycznym, prosument jest to użytkownik i konsument energii, który również wytwarza energię w celu jej skonsumowania we własnym zakresie, wytwarza energię na własny użytek. Taka jest też idea promowania odnawialnych źródeł energii, aby pozyskana energia była spożytkowana najlepiej w miejscu jej pozyskania. Ewentualna nadwyżka energii powinna być wprowadzona do wspólnej sieci dystrybucyjnej, żeby uniknąć konieczności odłączania źródła energii, gdy ma ono zdolności jej generacji.
Mikroinstalacja prosumencka jest to instalacja stanowiąca wyodrębniony zespół urządzeń służących do wytwarzania energii i wyprowadzania mocy, o łącznej mocy zainstalowanej elektrycznej nie większej niż 40 kW, przyłączonych w jednym miejscu z instalacją odbiorczą energii, w których energia elektryczna lub ciepło są wytwarzane z jednego rodzaju odnawialnych źródeł energii, a także magazyn energii elektrycznej przechowujący wytworzoną energię elektryczną, połączony z tym zespołem urządzeń.
Od 1 stycznia 2016 r. obowiązują mechanizmy i instrumenty wspierające wytwarzanie energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii, biogazu rolniczego oraz ciepła, w instalacjach odnawialnego źródła energii [3]. Sprzedawca ma obowiązek zakupu energii elektrycznej z nowo wybudowanych instalacji odnawialnego źródła energii, od wytwórcy energii z mikroinstalacji o mocy do 3 kW włącznie po określonej stałej cenie jednostkowej. W przypadku energii elektrycznej pozyskanej z hydroenergii, energii wiatru na lądzie oraz energii promieniowania słonecznego, cena ta wynosi 0,75 zł za 1 kWh. Podana cena będzie obowiązywała do momentu, gdy łączna moc oddanych do użytku źródeł nie przekroczy 300 MW lub do zmiany ich wysokości rozporządzeniem właściwego ministra do spraw gospodarki.
W przypadku mikroinstalacji o mocy powyżej 3 kW do 10 kW włącznie cena jednostkowa zakupu energii z trzech wymienionych wyżej rodzajów źródeł odnawialnych wynosi 0,65 zł za 1 kWh. Cena ta będzie obowiązywała do momentu, gdy łączna moc oddanych do użytku źródeł nie przekroczy 500 MW lub do zmiany ich wysokości rozporządzeniem właściwego ministra do spraw gospodarki.
Pojawienie się możliwości sprzedaży nadwyżki energii wytwarzanej w mikroinstalacji prosumenckiej, powszechnie uważane przez społeczeństwo jako zarabianie pieniędzy, często prowadzi do zwiększonego zainteresowania otoczenia (sąsiedztwa) i próby weryfikacji, czy zarobkowe działania sąsiada nie powodują strat dla innych w jego otoczeniu.
Zmiana napięcia w sieci dystrybucyjnej z generacją rozproszoną
W sposób dość prosty można zauważyć (np. obserwując wartości napięć wskazywane przez liczniki energii elektrycznej lub podłączając do gniazdka zwykły woltomierz cyfrowy), że wartość skuteczna napięcia w instalacji elektrycznej, np. w domku jednorodzinnym, zmienia się w czasie.
Jeżeli do sieci podłączona jest mikroinstalacja prosumencka, np. wykorzystująca energię promieniowania słonecznego (panele fotowoltaiczne), to można zauważyć, że w przedziale czasu, gdy słońce świeci intensywnie, wzrasta wartość skuteczna napięcia. Fakt ten często potęguje podejrzenia i wątpliwości sąsiadów właściciela mikroinstalacji odnośnie jej oddziaływania na otoczenie. Często nie zauważa się lub nie pamięta się, że gdy nie było mikroinstalacji, to wartość skuteczna napięcia też się zmieniała. W celu zapoznania się ze zjawiskami zachodzącymi w tego typu przypadkach w dalszej części rozpatrzono przykładowy obwód elektryczny.
Rys. 1. Schemat analizowanego obwodu elektrycznego; rys. autora
Na rysunku 1. przedstawiono schemat obwodu elektrycznego, który jest schematem zastępczym jednej fazy linii niskiego napięcia, do której przyłączone są dwa odbiory O1 i O2. Dla uproszczenia uwzględnia się tylko rezystancje poszczególnych elementów.
Obwód zasilany jest ze źródła napięcia US.
Rezystancja RSL1 reprezentuje rezystancję wewnętrzną źródła zasilającego oraz rezystancję odcinka linii napowietrznej wykonanej przewodami AL 70 mm2, o długości 1,5 km.
Rezystancja RL2 reprezentuje rezystancję kolejnego odcinka tej linii wykonanego przewodami AL 50 mm2, o długości 100 m.
Odbiór O1 jest przykładem konsumenta energii elektrycznej, który ma zamiar przekształcić się w prosumenta.
Odbiór O1 jest charakteryzowany przez rezystancję RO1 oraz przez prąd Iw jednostki wytwórczej zainstalowanej w mikroinstalacji prosumenckiej.
Napięcie UO1 jest to napięcie w węźle elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia, w którym jest przyłączony odbiór O1 (np. napięcie w przyłączu elektroenergetycznym domku jednorodzinnego odbiorcy O1).
Odbiór O2 jest sąsiadem prosumenta O1 posiadającego mikroinstalację.
Odbiór O2 charakteryzowany jest przez rezystancję RO2.
Napięcie UO2 jest to napięcie w węźle sieci, w którym jest przyłączony odbiór O2 i w którym zainstalowany jest licznik energii elektrycznej.
W analizie przyjęto następujące dane: US = 235 V; RSL1 = 1,25 Ω; RL2 = 118 mΩ; RO2 = 200 Ω.
Na rysunku 2. przedstawiono zależność wartości napięć w punktach przyłączenia do sieci prosumenta O1 i odbiorcy O2 od wartości natężenia prądu jednostki wytwórczej w mikroinstalacji prosumenckiej O1. Rezystancja odbioru O1, w tej części eksperymentu jest stała RO1 = 40 Ω.
Jeżeli natężenie prądu jednostki wytwórczej jest równe zero (nie ma jednostki lub nie ma warunków do generacji energii), to:
- napięcie UO1 = 226,51 V, moc pobierana z sieci przez odbiór O1 równa jest 1,283 kW,
- napięcie UO2 = 226,37 V (wartość zaznaczona dolną linią kreskową na rysunku 2.), moc pobierana z sieci przez odbiór O2 równa jest 256 W.
Rys. 2. Zmiana wartości skutecznych napięć w punktach przyłączenia prosumenta O1 i odbiorcy O2 do sieci w zależności od natężenia prądu jednostki wytwórczej; rys. autora
Wraz ze wzrostem mocy jednostki wytwórczej, zwiększa się wartość natężenia prądu oraz zwiększają się wartości napięć UO1 i UO2.
Dla Iw = 4,258 A, napięcie UO1 = 231,64 V, moc pobierana przez odbiór O1 równa jest 1,341 kW (z jednostki wytwórczej 986 W, reszta z sieci), napięcie UO2 = 231,50 V (wartość zaznaczona górną linią kreskową na rysunku 2.), moc pobierana z sieci przez odbiór O2 równa jest 268 W.
Fakty są takie, że na skutek generacji energii w mikroinstalacji prosumenckiej w O1, wartość napięcia w punkcie przyłączenia odbioru O2 wzrosła o 5,13 V (2,3%) przez co wartość mocy wzrosła o 12 W (4,7%). Wzrost wartości mocy pobieranej z sieci, bez żadnych zmian w strukturze odbiorczej odbioru O2, spowoduje większy pobór energii elektrycznej, co pozornie może być powodem do niepokoju odbiorcy O2.
Odbiorca O2 nie może mieć jednak pretensji do prosumenta O1, że przyłączenie jednostki wytwórczej w mikroinstalacji O1 powoduje to, że będzie on więcej płacił za energię elektryczną. Wyjaśnienie tego wymaga uwzględnienia oprócz przytoczonych faktów również sposobu funkcjonowania elektroenergetycznych sieci dystrybucyjnych niskiego napięcia.
Odbiorca przyłączany do elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia godzi się na określone parametry jakości napięcia zasilającego, w tym m.in. że wartość skuteczna napięcia zgodnie z [5] może zmieniać się w przedziale ±10% wartości znamionowej napięcia sieci (czyli napięcie musi się mieścić w przedziale 230 V ±10%). Zatem jeżeli wartość napięcia w punkcie przyłączenia odbioru nie przekroczy 253 V, nie ma podstaw do reklamacji. To jeszcze może nie przekonać odbiorcy O2, ponieważ jego licznik energii elektrycznej zarejestruje większe jej zużycie.
W tym miejscu należy zastanowić się, jakie są możliwe techniczne przyczyny zmiany wartości skutecznej napięcia w sieci.
Po pierwsze, zmiany wartości skutecznej napięć w sieci mogą być spowodowane procesami regulacyjnymi (np. automatyczna regulacja napięcia w stacji transformatorowej 110/15 kV tj. w GPZ, z wykorzystaniem podobciążeniowego przełącznika zaczepów uzwojeń transformatora), stosowanymi właśnie dlatego, aby zapewnić w całej sieci (również w węzłach bardzo odległych od GPZ-tu) odpowiednią wartość skuteczną napięcia.
Po drugie, zmiany te mogą być spowodowane zmianami obciążenia u poszczególnych odbiorców przyłączonych do tej sieci.
W celu wykazania wpływu zmian obciążenia odbiorców na wartości napięcia w poszczególnych węzłach sieci wykonano drugi eksperyment. Nie ma jednostki wytwórczej w O1, a zmianie ulega jedynie rezystancja odbioru O1.
Odbiorca O1 może załączać u siebie różne odbiorniki energii elektrycznej, co powoduje zwiększenie mocy i zmniejszenie wartości rezystancji wypadkowej RO1 (z formalnego punktu widzenia odbiorniki połączone są równolegle).
Odbiorca O1 może wyłączać różne odbiorniki energii elektrycznej, co powoduje zmniejszenie mocy i zwiększenie wartości rezystancji wypadkowej RO1.
Na rysunku 3. przedstawiono charakterystyki napięć w punktach przyłączenia do sieci obu odbiorów w zależności od rezystancji odbioru O1.
Jeżeli rezystancja O1 będzie równa 40 Ω, to będzie taki sam stan pracy, jak rozpatrywano na początku pierwszego eksperymentu:
- napięcie UO1 = 226,51 V, moc pobierana z sieci przez odbiór O1 równa jest 1,283 kW,
- napięcie UO2 = 226,37 V (wartość zaznaczona dolną linią kreskową na rysunku 3.), moc pobierana z sieci przez odbiór O2 równa jest 256 W.
Wraz ze wzrostem wartości rezystancji (zmniejszaniem się mocy) odbioru O1, zwiększają się wartości napięć UO1 i UO2.
Dla RO1 = 151 Ω, napięcie UO1 = 231,64 V, moc pobierana przez odbiór O1 równa jest 355 W, napięcie UO2 = 231,50 V (wartość zaznaczona górną linią kreskową na rysunku 3.), moc pobierana z sieci przez odbiór O2 równa jest 268 W.
Rys. 3. Zmiana wartości skutecznych napięć w punktach przyłączenia odbiorów O1 i O2 do sieci w zależności od rezystancji odbioru O1; rys. autora
Rozpatrując wyniki dwóch przedstawionych eksperymentów z punktu widzenia odbiorcy O2, zmiana stanu pracy sieci elektroenergetycznej z pracującą jednostką wytwórczą wywołała takie same skutki w punkcie przyłączenia O2, jak praca sieci bez tej jednostki.
Zatem ewentualne pretensje odbiorcy O2 kierowane do odbiorcy O1, że wyłączył w swoim gospodarstwie niektóre odbiorniki, zmniejszając moc z 1,283 kW do 355 W, co powoduje zwiększenie o 4,7% mocy u odbiorcy O2, są nieuzasadnione. Jest to wynik normalnego funkcjonowania elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej niskiego napięcia.
Poza tym wnioskowanie o zwiększonym poborze energii elektrycznej przez odbiorniki niskiego napięcia, tylko na podstawie obserwacji zmian napięcia zasilającego, często jest błędne.
Klasyfikacja odbiorów energii elektrycznej w sieci niskiego napięcia
Ze względu na zależność mocy pobieranej przez odbiornik od wartości napięcia zasilającego można klasyfikować odbiorniki niskiego napięcia jako:
- odbiorniki o mocy niezależnej od napięcia oraz
- odbiorniki o mocy zmieniającej się w zależności od wartości napięcia zasilającego.
W analizowanych wyżej przypadkach zastosowano odbiornik o mocy zmieniającej się wraz ze zmianą napięcia zasilającego. Rozwój elektroniki i energoelektroniki prowadzi do tego, że coraz więcej odbiorników w gospodarstwach domowych zawiera zasilacze oparte na energoelektronicznych przetwornicach napięcia.
Rys. 4. Schemat zastępczy odbiornika energii elektrycznej niskiego napięcia z wyidealizowanym stabilizatorem napięcia, gdzie: S – stabilizator; rys. autora
Potoczna nazwa „elektronika domowa” obejmuje takie urządzenie jak: komputery, telewizory, odtwarzacze CD i DVD, kino domowe itp. Odbiorniki te są wyposażone w zasilacze ze stabilizacją napięcia (lub prądu) wyjściowego. Schemat zastępczy wyidealizowanego stabilizatora napięcia w odbiorniku energii elektrycznej niskiego napięcia przedstawiono na rysunku 4.
Stabilizator napięcia S pośredniczy w przesyłaniu energii elektrycznej z sieci zasilającej do właściwego odbiornika R.
Stabilizacja napięcia UZ powoduje, że odbiornik właściwy, o stałej rezystancji R, pobiera zawsze taką samą wartość mocy.
Współcześnie konstruowane energoelektroniczne przetwornice napięcia charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością.
Zatem jeżeli moc na wyjściu przetwornicy jest taka sama, to również moc pobierana z sieci praktycznie nie ulega zmianie.
Rys. 5. Zależność natężenia prądu oraz mocy pobieranej przez odbiornik energii elektrycznej niskiego napięcia z wyidealizowanym stabilizatorem napięcia S od zmian napięcia zasilającego; rys. autora
Na rysunku 5. przedstawiono zależność natężenia prądu oraz mocy pobieranej przez odbiornik energii elektrycznej niskiego napięcia z wyidealizowanym stabilizatorem napięcia od wartości napięcia zasilającego.
Linią kreskową zaznaczono znamionową wartość napięcia zasilającego ten odbiornik (230 V). Zmniejszenie wartości napięcia powoduje zwiększenie wartości natężenia prądu, ale wartość mocy pobieranej z sieci się nie zmienia. Zwiększenie wartości napięcia powoduje zmniejszenie wartości natężenia prądu, a wartość mocy pobieranej z sieci pozostaje taka sama.
Można podsumować, że dla tego typu odbiorników energii elektrycznej niskiego napięcia moc pobierana z sieci nie zależy od wartości napięcia zasilającego.
Przedstawiony przykład dowodzi, że w praktyce sam pomiar napięcia nie jest wystarczający do właściwej oceny wpływu wzrostu napięcia zasilającego odbiór niskiego napięcia na zwiększenie pobieranej przez niego energii elektrycznej.
Wpływ zmian napięcia na zużycie energii przez odbiorniki
Dla potwierdzenia wcześniej omawianych przypadków wykonano eksperyment pomiarowy kilku odbiorników domowych.
Rys. 6. Zależność natężenia prądu i mocy w funkcji napięcia zasilającego dla: 1) komputera osobistego, 2) halogenowego źródła światła oraz 3) świetlówki kompaktowej; rys. autora
Na rysunku 6. przedstawiono zależność natężenia prądu oraz mocy w funkcji napięcia zasilającego:
- komputer osobisty,
- halogenowe źródło światła oraz
- świetlówkę kompaktową.
Wyraźnie widać, że w przypadku źródeł światła następuje rzeczywiście zwiększenie mocy na skutek zwiększenia wartości napięcia. W przypadku komputera osobistego wzrost mocy nie występuje. Wartość napięcia zwiększa się, ale natężenie prądu maleje, co w efekcie powoduje pozostanie wartości mocy na tym samym poziomie, niezależnie od wartości napięcia. Taki efekt uzyska się w przypadku stosowania zasilaczy z zaawansowanymi układami energoelektronicznymi (np. przetwornice impulsowe), które stabilizują napięcie lub prąd zasilający bezpośrednio odbiornik energii elektrycznej.
Podsumowanie
Prosument jest to użytkownik i konsument energii, który również wytwarza energię w celu jej skonsumowania we własnym zakresie, wytwarza energię na własny użytek. Idea prosumpcji w kontekście promowania odnawialnych źródeł energii jest korzystna i pożądana w polityce energetycznej państwa. Dąży się do stanu, w którym pozyskana energia jest spożytkowana najlepiej w miejscu jej pozyskania, a ewentualna nadwyżka energii powinna być magazynowana lub wprowadzona do wspólnej sieci dystrybucyjnej.
Przyłączanie mikroinstalacji do elektroenergetycznych sieci dystrybucyjnych nn może spowodować problemy z utrzymaniem wartości napięć we wszystkich jej węzłach na poziomie zgodnym z wymaganiami rozporządzenia [5]. Obowiązkiem operatora sieci jest zapewnienie technicznych warunków funkcjonowania sieci zgodnie z obowiązującymi przepisami. Wymusi to potrzebę regulacji napięcia w sieciach nn z mikroinstalacjami.
Jeżeli wartości napięć w węzłach linii elektroenergetycznej nn będą utrzymywane w przedziale dopuszczalnym napięcia znamionowego sieci (Un ±10% [5]), to nie ma podstaw do formułowania zarzutów o niekorzystnym wpływie mikroinstalacji prosumenckich na odbiorniki „sąsiednie” w zakresie skutków zwiększenia mocy, a w konsekwencji zwiększenia poboru energii elektrycznej.
Artykuł jest modyfikacją referatu wygłoszonego przez autora na XVIII Sympozjum z cyklu „Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne i informatyczne” [1].
Literatura
- S. Cieślik, Wpływ zmiany napięcia w sieciach dystrybucyjnych niskiego napięcia na zużycie energii przez odbiorniki, Materiały XVIII Sympozjum z cyklu „Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne i informatyczne”, 2015, s. 26–29.
- P. Kacejko, P. Pijarski, K. Gałązka, Prosument – krajobraz po bitwie, „Rynek Energii” Nr 2 (117), 2015, s. 40–44.
- Ustawa o odnawialnych źródłach energii z dnia 20 lutego 2015 r. (DzU 2015, poz. 478).
- Ustawa Prawo Energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 r. (tekst jednolity: DzU z 2012 roku poz. 1059 z poźn. zmianami).
- Rozporządzenie ministra gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (DzU nr 93/2007, poz. 623 z poźn. zmianami).
