Opłaty za energię bierną według krajowego systemu rozliczeń
Charges for reactive energy according to the Polish settlement system
![Rys. Schemat blokowy realizacji rozliczeń za użytkowanie energii biernej w Polsce wg rozporządzenia [7]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/202011/schemat-blokowy-energii-biernej-rysglowne.jpg)
Rys. Schemat blokowy realizacji rozliczeń za użytkowanie energii biernej w Polsce wg rozporządzenia [7]
Abstrahując od kwestii definicyjnych w ramach różnych koncepcji teorii mocy [1], moc bierną uznaje się za wielkość niezwiązaną z bezpośrednią konwersją energii elektrycznej na inne formy, ale wymaganą podczas pracy różnych urządzeń zasilanych prądem przemiennym. Jej interpretacja fizyczna, jako amplituda oscylacji na oscylogramie mocy między źródłem a odbiornikiem (elementami reaktancyjnymi przeciwnych charakterów) jest prawdziwa tylko dla obwodów jednofazowych z przebiegami sinusoidalnymi. Mimo braku konsensusu co do szczegółowej definicji mocy biernej (dla dowolnych warunków pracy obwodu), do pojęcia mocy lub energii biernej odwołują się krajowe akty prawne wysokiego rzędu (ustawa Prawo energetyczne oraz ustawa o efektywności energetycznej) wraz z odpowiednimi aktami wykonawczymi.
Zobacz także
dr inż. Karol Kuczyński Cel stosowania przekładników prądowych oraz sposoby kompensacji mocy biernej
Rozwój elektryczności spowodował potrzebę mierzenia wielkości elektrycznych w szczególności napięcia i prądu elektrycznego. Dodatkowo pomiary różnych wielkości elektrycznych, w tym nocy biernej, są stosunkowo...
Rozwój elektryczności spowodował potrzebę mierzenia wielkości elektrycznych w szczególności napięcia i prądu elektrycznego. Dodatkowo pomiary różnych wielkości elektrycznych, w tym nocy biernej, są stosunkowo łatwe do zrealizowania, szybkie i względnie dokładne.
ASTAT Sp. z o.o. Wykonywanie pomiarów w przemyśle i energetyce zawodowej analizatorami przenośnymi PQ-Box
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
Dobra jakość zasilania charakteryzuje się tym, że napięcie sieciowe faktycznie docierające do odbiorcy odpowiada napięciu sieciowemu obiecanemu przez zakład energetyczny.
ASTAT Sp. z o.o. Komunikacja zdalna ze stacjonarnymi analizatorami jakości energii PQI-DA Smart
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim...
Coraz częściej podnoszonym tematem w zakresie sieci elektroenergetycznych każdego poziomu napięć oraz instalacji przemysłowych jest jakość energii elektrycznej. Jakość ta określana jest przede wszystkim przez dwa dokumenty. Pierwszy to norma PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych. Drugi to Rozporządzenie Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 22 marca 2023 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. 819).
StreszczenieW artykule opisano i przeanalizowano krajowy system rozliczeń za użytkowanie energii biernej. Podano warunki, po których spełnieniu możliwym jest w krajowym systemie taryfikacji zmniejszenie łącznych opłat za energię czynną i bierną w wyniku poprawy współczynnika mocy, polegającej nie na kompensacji mocy biernej, lecz na zwiększeniu poboru energii czynnej przy niezmienionym poborze energii biernej indukcyjnej. Obecne wartości parametrów w obowiązujących taryfach sprawiają, że sytuacja taka jest mało prawdopodobna, aczkolwiek może się ona zmienić w wyniku niewłaściwej nowelizacji wartości współczynników określanych w taryfach. AbstractCharges for reactive energy according to the Polish settlement system |
W prawie europejskim odwołania do mocy biernej pojawiają się dopiero na etapie rozporządzeń Komisji UE (np. [2]), przy czym w aktach prawnych UE podane jest wyjaśnienie, zgodnie z którym moc bierną traktuje się jako składową bierną mocy pozornej przy częstotliwości podstawowej. Podobnego objaśnienia desygnatu próżno szukać w polskich aktach prawnych. Liczniki energii z kolei są konstruowane zgodnie ze standardem IEEE 1459-2010 [3], opartym na koncepcji rumuńskiego inżyniera Constantina Budeanu przyjętej w 1926 roku. Również Polskie Normy w zakresie liczników energii biernej przyjmują definicję, według której moc i energię bierną wyznacza się ze składowych napięć i prądów o częstotliwości podstawowej [4] lub opierają się na definicji dla przebiegów prądów i napięć zawierających tylko częstotliwość podstawową [5].
Zasady rozliczania odbiorców za użytkowanie energii biernej
W większości krajów naliczane opłaty za tzw. energię bierną zależą bezpośrednio od ilości tej energii (pobranej lub oddanej do sieci). Stosuje się dwie formy stanowienia opłat za energię bierną [6]:
- stawki taryfowe: do każdej jednostki kvarh pobranej i/lub oddanej energii reaktywnej stosuje się regularną stawkę według ustalonej taryfy;
- opłaty karne: opłata za użytkowanie energii biernej jest naliczana wtedy, gdy spełnione są określone warunki (najczęściej w postaci przekroczenia dopuszczalnego współczynnika cos φ lub tg φ w danym okresie).
W każdym kraju obowiązują odmienne reguły naliczania opłat za energię bierną. Różnice dotyczą nie tylko wysokości stawek opłat, ale również np. kategoryzacji odbiorców obarczanych takimi opłatami, liczby i poziomów progów, po przekroczeniu których opłata proporcjonalnie się zwiększa, a także samej metodyki wyliczania opłaty. W Polsce, w porównaniu z innymi krajami obowiązują dość specyficzne zasady naliczania opłat dla odbiorców końcowych za użytkowanie energii elektrycznej. Szczegółowy sposób rozliczania za energię bierną został określony w rozporządzeniu Ministra Energii [7].
Zgodnie z rozporządzeniem [7] rozliczeniem za ponadumowny pobór energii biernej może praktycznie być objęty każdy odbiorca, gdyż mimo że w §45 ust. 2 czytamy, iż takimi rozliczeniami mogą być objęci odbiorcy zasilani z sieci co najmniej średniego napięcia, to w tym samym ustępie zapisano, że odbiorcy zasilani z sieci o napięciu znamionowym nie wyższym od 1 kV również mogą być objęci takimi rozliczeniami w uzasadnionych przypadkach, jeżeli użytkują odbiorniki o charakterze indukcyjnym. Tymczasem, praktycznie każdy odbiorca użytkuje jakiś odbiornik o charakterze indukcyjnym (np. oświetlenie, AGD), ponadto przepisy nie definiują wspomnianego „uzasadnionego przypadku” [8]. Z punktu widzenia każdego odbiorcy należy więc w tym kontekście zwracać uwagę na zapisy w umowie o świadczenie usług dystrybucji energii elektrycznej lub umowie kompleksowej bądź w warunkach przyłączenia (§45 ust. 2 [7]).
Według [7] inaczej rozliczane jest użytkowanie energii biernej indukcyjnej (§45 ust. 3–7), a inaczej pojemnościowej (§45 ust. 8). Przewidziano również dwa tryby określania współczynnika tg φ, będącego podstawą rozliczenia za energię bierną indukcyjną, mianowicie jako:
- iloraz energii biernej pobranej [kvarh] i energii czynnej [kWh] – pobranych całodobowo lub w strefach czasowych, w których jest dokonywana kontrola poboru energii elektrycznej (§45 ust. 5);
- dopuszczalna wartość współczynnika tg φ powiększona o wielkość stosunku zmierzonej nadwyżki energii biernej do energii czynnej pobranej w okresie rozliczeniowym (§45 ust. 7).
Drugi z wymienionych trybów dotyczy uzasadnionych przypadków odbiorców, u których występują szybkozmienne obciążenia mocą bierną, przy czym w rozporządzeniu [7] nie ma mowy o kryteriach uznania takich przypadków za „uzasadnione”. Sposób przeprowadzania rozliczeń za energię bierną zgodnie z zasadami określonymi w [7] przedstawiono w postaci schematu blokowego na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat blokowy realizacji rozliczeń za użytkowanie energii biernej w Polsce wg rozporządzenia [7]. Wyjaśnienia symboli w formułach obliczeniowych w tabeli 1.
Analiza krajowego systemu rozliczania energii biernej indukcyjnej
Interpretacja
Wykorzystując przekształcenie trygonometryczne:
gdzie:
cos φ0 – dopuszczalny współczynnik mocy wynikający z dopuszczalnej wartości współczynnika tg φ0;
cos φ – analog trygonometryczny do wyznaczonego wartości współczynnika tg φ w jednym okresie rozliczeniowym;
można pokazać opłatę za użytkowanie energii biernej indukcyjnej w Polsce jest proporcjonalna do różnicy dwóch wielkości:
- hipotetycznej wartości uśrednionej mocy czynnej w okresie rozliczeniowym, związanej z ilością energii czynnej, jaką pobrałby odbiorca w ciągu okresu rozliczeniowego przy zachowaniu tej samej wartości mocy pozornej S (powstałej przy faktycznie zarejestrowanych uśrednionych w okresie rozliczeniowym obciążeniach mocą czynną oraz mocą bierną) ale przy dopuszczalnej wartości współczynnika tg φ0;
- rzeczywistego, uśrednionego w okresie rozliczeniowym obciążenia mocą czynną.
Szczegóły można odnaleźć m.in. w [9], [10].
Stosowany w Polsce sposób rozliczenia za energię bierną indukcyjną utrudnia przewidzenie wysokości opłaty na podstawie samych pomiarów obciążenia mocą bierną indukcyjną. Sposób naliczenia opłaty za energię bierną pojemnościową zależy bezpośrednio od jej wolumenu, co jest znacznie prostsze lecz prowadzi do wyższych opłat za jednostkę tej energii w porównaniu do energii biernej indukcyjnej (przy czym z uwagi na nieliniowość opłat za energię indukcyjną przy indukcyjnym tg φ > 1,15 opłata za jednostkę energii indukcyjnej będzie przewyższać opłatę za jednostkę energii pojemnościowej [11]).
Struktura rozliczeń powinna stymulować do efektywnego gospodarowania zasobami mocy biernej i dostarczać zachęt do racjonalnych inwestycji w źródła mocy biernej [12]. Mierzona energia bierna nie jest bezpośrednim nośnikiem kosztów jej dostawy [13], [10].
Czy opłacalne może być zwiększenie obciążenia rezystancyjnego „na jałowo” w celu poprawy współczynnika mocy?
Pomijając specjalne upusty, bonusy czy dodatkowe kary, a przyjmując, że opłata za pobór energii czynnej odbiorcy w okresie rozliczeniowym jest wprost proporcjonalna do poboru energii czynnej oraz odbiorca w chwilach kontroli poboru energii biernej płaci tę samą stawkę taryfową za energię czynną, można zapisać, że łączne koszty poboru energii K odbiorcy (w okresie rozliczeniowym) wynoszą:
gdzie:
C – cena jednostki energii czynnej,
KP – opłata za energię czynną,
KQ – opłata za energię bierną (indukcyjną), pozostałe oznaczenia jak w tabeli 1.
Tab. 1. Oznaczenia zastosowane w formułach rozliczeń za energię bierną z rysunku 1.
Wprowadźmy parametr ξ będący stosunkiem ceny jednostki energii czynnej C płaconej przez odbiorcę (obejmującej składnik opłaty za sprzedaż i dystrybucję) do ceny uśrednionej, stosowanej w rozliczeniach za energię bierną Crk:
Zależność (2), uwzględniając (1) i (3) możemy więc przepisać [14], [11]:
gdzie:
czyli Q i P to obciążenie odpowiednio mocą bierną i czynną uśrednione w okresie rozliczeniowym T.
Funkcja kosztów (4) może posiadać ekstremum względem wartości pobranej energii czynnej A w miejscu zależnym od wartości pozostałych parametrów równania (4) – przykład na rysunku 2.
Rys. 2. Koszty z tytułu rozliczenia energii czynnej KP, biernej KQ oraz łączne K w funkcji poboru energii czynnej A w okresie rozliczeniowym przy uśrednionym obciążeniu Q = 1 p.u.; współczynnikach k = 1; tg φ0 = 0,4 i cenie: C = 0,7 Crk (a), C = 1,1 Crk (b) zgodnie z (4) [14], [11]
Czy możliwe będzie zatem zmniejszenie łącznych kosztów użytkowania za energię czynną i bierną K poprzez samo zwiększenie zużycia energii czynnej? Innymi słowy, czy w krajowym systemie opłat jest możliwa sytuacja, w której zwiększenie poboru energii czynnej (przy braku działań w zakresie ograniczania poboru energii biernej) na tyle poprawi rozliczeniowy współczynnik mocy, że opłata za energię bierną indukcyjną zmniejszy się o większą kwotę niż kwota związana ze wzrostem opłaty za wzrost zużycia energii czynnej? W takiej sytuacji zamiast urządzeń kompensujących opłacalnym byłoby załączanie dodatkowych odbiorników rezystancyjnych, co nie prowadziłoby do racjonalnego wykorzystywania zasobów energetycznych.
Analitycznie można wyznaczyć przedział, w którym funkcja ta będzie malejąca:
Analizując uzyskaną nierówność można zauważyć, że:
warunkiem wystąpienia opisanej sytuacji jest, aby:
opłata jest naliczana, gdy cos φ < cos φ0, więc na mocy (5):
Dla najczęściej przyjmowanej w Polsce wartości dopuszczalnego współczynnika tg φ (na poziomie 0,4) relacja między krotnością opłaty za energię czynną w stosunku do ceny średniej ξ i parametrem k określonym w taryfie zgodnie z (7) prezentuje się jako:
Maksymalne wartości krotności ceny w grupach odbiorców, do których przypisywane są obecnie stosowane współczynniki k wraz z maksymalnymi wartościami cen za energię czynną (wyznaczonymi orientacyjnie na podstawie ceny średniej wg URE w IV kwartale 2019 r. [15]) zestawiono w tabeli 2.
Największe wartości współczynnika krotności ξ oraz cen energii czynnej C, przy cenie średniej Crk = 241,41 PLN/MWh (IV kwartał 2019 r. wg URE [15]) dla różnych grup odbiorców (współczynników k wg obowiązujących taryf) – zgodnie z warunkiem (8)
Poniżej tych wartości bez względu na wartość współczynnika mocy (o ile współczynnik tg φ nie spadnie poniżej wartości dopuszczalnej, zwalniającej z opłaty za energię bierną) nastąpi ograniczenie opłat za łącznych (K) za zużycie energii czynnej i biernej w wyniku zwiększenia obciążenia mocą czynną. Powyżej tych wartości nadal możliwa jest sytuacja ograniczenia opłat poprzez zwiększenie poboru energii czynnej, lecz do granicznej wartości współczynnika mocy – podanej w warunku (5). Wykres maksymalnych wartości współczynników mocy zgodnie z (5) w funkcji krotności ceny (3) przedstawiono na rysunku 3. Widać więc, że warunkiem wykluczenia opłacalności wspomnianych działań jest niespełnienie warunku (6).
Wyznaczone maksymalne wartości cen jednostkowych obejmują składową dystrybucji i za zużycie. Maksymalne stawki z tabeli 2. są tak niskie, że w obecnej sytuacji praktycznie wykluczają możliwość zmniejszania kosztów przez zwiększenie poboru energii czynnej.
Rys. 3. Graficzna prezentacja warunku (5) w zależności od krotności ceny względem ceny średniej ξ (3) i współczynnika k przy założeniu dopuszczalnego tangensa mocy tg φ0 = 0,4 [14]
Podsumowanie
Warunek (7) ma znaczenie praktyczne przy ustalaniu współczynników k w taryfach oraz ewentualnego ustalania dopuszczalnego współczynnika mocy w umowie z odbiorcą. Warunek ten określa zakres relacji między wartościami jednostkowej ceny energii, dopuszczalnego współczynnika mocy oraz współczynnika k, przy których zaistnieje opłacalność zwiększania poboru energii czynnej w celu ograniczenia łącznych kosztów za energię czynną i bierną i to niezależnie od wartości wyjściowej współczynnika mocy. Oznacza to możliwość poprawy współczynnika mocy nie poprzez kompensację mocy biernej, lecz dołączanie dodatkowych odbiorów rezystancyjnych, co spowoduje, że na skutek specyfiki systemu rozliczeń, nastąpi ograniczenie opłat za energię bierną indukcyjną (mimo nie zmienionego wolumenu jej poboru), które to ograniczenie opłat przewyższy ich wzrost w związku z celowym zwiększeniem poboru energii czynnej. Działanie to w większości przypadków trudno będzie można uznać za efektywne lub racjonalne użytkowanie energii. Należy więc zwrócić uwagę, że na etapie ustalania wielkości współczynników w nowych taryfach – zwykłe podniesienie wartości parametru k w intencji zwiększenia opłat za energię bierną, jednocześnie rozszerzy zakres spełnienia zakresu warunku opłacalności wspomnianego działania. Obecne ceny energii i wartości współczynników praktycznie wykluczają opłacalność takiego działania, lecz proste zwiększenie wartości samych parametrów k w taryfie może zmienić tę sytuację.
Mimo ustalonych zasad rozliczania energii biernej na poziomie rozporządzenia ministra [7], krajowy system pozostawia szereg aspektów jako uznaniowych (przy braku opracowanych wytycznych lub dobrych praktyk w zakresie interpretacji „uzasadnionych przypadków”), które mają wpływ na wysokość rachunków u odbiorcy. Są to między innymi możliwości:
- narzucenia rozliczeń praktycznie wszystkim odbiorcom energii;
- zmniejszenia dopuszczalnego współczynnika tg φ do poziomu 0,2;
- zmiany okresu rozliczeniowego;
- wyznaczania przekroczenia poziomu dopuszczalnego współczynnika mocy cos φ na podstawie sumowania nadwyżek energii biernej lub uśredniania ilości energii w okresie rozliczeniowym.
Bardziej kosztochłonne jest użytkowanie energii biernej pojemnościowej, co może być dotkliwe zwłaszcza odbiorców niskonapięciowych. Coraz powszechniejszym stają się urządzenia, które stanowią obciążenia pojemnościowe, w tym sprzęt biurowy [16]. Brak dopuszczalnego poziomu tolerancji dla energii biernej pojemnościowej (na wzór dopuszczalnego indukcyjnego tangensa mocy) będzie powodować większe obciążenie układów kompensujących (również zwiększenie liczby cykli łączeniowych), co przełoży się na ich trwałość i możliwe uszkodzenia elementów (zwłaszcza styczników).
Większymi opłatami za energię bierną są obarczani odbiorcy z niższych napięć, co jest uzasadnione w tradycyjnej – hierarchicznej strukturze systemu (przepływ energii od większych jednostek wytwórczych przez sieć przesyłową i dystrybucyjną do odbiorcy), gdzie operatorzy sieci dystrybucyjnej na niskim napięciu mają ograniczone możliwości kompensacji mocy biernej. Należy jednak wziąć pod uwagę, iż udział w bilansie mocy biernej mają również elementy infrastruktury (reaktancje poprzeczne i podłużne odcinków linii oraz transformatorów).
Odbiorca może użytkować odbiorniki o charakterze zarówno pojemnościowym jak i indukcyjnym, jest więc naturalnym prosumentem energii biernej. Z kolei, najbardziej efektywna z technicznego punktu widzenia jest kompensacja mocy biernej realizowana jak najbliżej miejsca jej zapotrzebowania. Technologie smart grid i smart metering dają możliwości do bieżącej identyfikacji przepływów energii biernej. Moc bierna powinna być bilansowana na poziomie lokalnym, więc sprzyjające temu obciążenia mocą bierną należałoby też odpowiednio nagradzać. Wymaga to zmiany reguł rozliczeń za energię bierną i ukierunkowania na rozwój usług systemowych [14], [12], [11]. Rewizji powinny być poddane zakresy dopuszczalnych progów tolerancji, od których naliczana jest opłata za zarówno energię bierną indukcyjną jak i pojemnościową, zaś wysokości opłat uzależnione od rzeczywistych kosztów, jakie ponoszą operatorzy systemu na skutek konieczności bilansowania mocy biernej. Wymaga to odpowiednich, szerokich analiz problemu w ujęciu holistycznym. Póki co, stosowany system rozliczeń motywuje odbiorców, którzy podlegają takim rozliczeniom do stosowania odpowiednich układów kompensacji mocy biernej, aby uzyskać efekt względem punktu poboru energii.
Literatura
- Firlit A.: Teorie mocy w obwodach prądu przemiennego. Elektro.info 12/2009.
- Rozporządzenie Komisji (UE) 2016/631 z dnia 14 kwietnia 2016 r. ustanawiające kodeks sieci dotyczący wymogów w zakresie przyłączenia jednostek wytwórczych do sieci Dz.U.UE L112/1
- IEEE Std 1459-2010: IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced or Unbalanced Conditions.
- PN-EN 62053-24:2015-03 Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej (prądu przemiennego) – Wymagania szczegółowe -- Część 24: Liczniki statyczne energii biernej dla częstotliwości podstawowej (klas 0,5 S, 1 S i 1).
- PN-EN 62053-23:2006 Urządzenia do pomiarów energii elektrycznej (prądu przemiennego) -- Wymagania szczegółowe -- Część 23: Liczniki statyczne energii biernej (klas 2 i 3).
- ENTSO-E Overview of Transmission Tariffs in Europe: Synthesis 2019. June 2019.
- Rozporządzenie Ministra Energii z dnia 6 marca 2019r. w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną. DzU. Z 2019r. poz.503.
- Kurkowski M., Mirowski J., Popławski T., Pasko M., Białoń T. Pomiary energii biernej w instalacjach niskiego napięcia. Przegląd Elektrotechniczny nr 4/2016, s.144-147.
- Ciura Sz. Opłaty dystrybucyjne związane z poborem mocy biernej przez odbiorców. Energia Elektryczna nr 2/2011.
- Bielecki S.: Opłaty za pobór mocy biernej. Czy są słuszne? Elektro.info 12/2013, s.23-25.
- Bielecki S.: Aspekty użytkowania i zarządzania mocą bierną w energetyce. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2019.
- Bielecki S., Skoczkowski T., Potrzeba zmian rozliczeń za moc bierną. Rynek Energii 4(119) 2015, s.21-26.
- Bućko P., Wilczyński A. Rozliczenia za energię bierną w taryfach operatorów w Polsce. Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki PG, ISSN 2353-1290, Nr 42/2015, s.201-204.
- Bielecki S.: Specyfika formuły naliczania opłat za użytkowanie energii biernej w Polsce. Rynek Energii 5(138) 2018, s.65-72.
- Informacja Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki nr 21/2020 w sprawie średniej ceny sprzedaży energii elektrycznej na rynku konkurencyjnym w IV kwartale 2019 roku, 30 marca 2020 r.
- Bielecki S.: Analiza wybranych parametrów energii elektrycznej w budynku biurowym. Elektro.info 6/2017, s.76-80.
