Systemy zarządzania dystrybucją energii w energetyce rozproszonej

Klienci energetyki zdecentralizowanej będą mogli, a nawet musieli, wprowadzić nadzór nad odbiornikami energii. Tu najważniejszymi kryteriami działania będą efektywność, optymalizacja, redukcja kosztów, redukcja obciążenia szczytowego oraz możliwość podaży na rynku energii. To wszystko powoduje, że także na tym najniższym poziomie systemu energetycznego, u klientów energetyki będą instalowane systemy zarządzania dostawami energii. W zakładach przemysłowych, będzie to FEMS (z ang. Factory Energy Management System) – obecne dyspozycje mocy rozbudowane o moduły efektywności systemów dedykowanych dla energetyki rozproszonej. W domach wielorodzinnych BEMS (Building Energy Management System) lub jednorodzinnych, czyli HEMS (z ang. Home Energy Management System).

Na tym poziomie aktywny klient systemu energetycznego będzie miał możliwość wyboru scenariusza dostaw i odbioru energii. Będzie się to odbywało przy współudziale z właściwym dla klienta operatorem dystrybucyjnym lub operatorem jego sieci rozproszonej.

Sprzęgiem pomiędzy systemem klienta a dystrybutorem będzie infrastruktura liczników inteligentnych, czyli system AMI (z ang. Advanced Metering Infrastructure). Są to układy pomiarowe energii, wyposażone w inteligentne algorytmy informatyczne, prognostyczne i decyzyjne. Dzięki temu będzie można przekazywać dane pomiarowe dotyczące zużycia energii poszczególnych klientów, odbiorców, zarówno w bieżącej chwili, jak i prognozować przyszłe.

Na rysunku 1. przedstawiono, jakie zadania w tym systemie realizuje serwer AMI, będąc sprzęgiem lokalnego operatora (operatora OSD lub lokalnej sieci inteligentnej) i odbiorcy indywidualnego (czyli klienta energetyki). Komunikacja odbywa się po Indywidualnej Sieci Domowej (ISD).

Jako główne zadania systemu FEMS/BEMS/HEMS można wskazać uzyskanie efektywności:

• optymalizacja dostaw energii i ograniczenia jej konsumpcji, optymalizacja kosztowa;
• wspomaganie systemu energetycznego lokalnymi źródłami OZE z możliwością pracy w systemie wyspowym;
• dostęp i możliwość uczestnictwa w rynku energii.

Pojawią się także zadania techniczne:

• redukcja obciążeń szczytowych;
• wyrównanie krzywej obciążenia dobowego;
• redukcja zużycia energii;
• poprawa jakości energii u odbiorcy.

Zadanie optymalizacji wiąże się nie tylko z funkcją techniczną sterownika w module zarządzania. Ograniczenie dostaw energii można uzyskać przez świadomą autoredukcję zużycia i oszczędzanie. Być może jest to najważniejsze zadanie i wyzwanie dla transformacji społeczeństwa. Staramy się wychować społeczeństwo odpowiedzialne, które samo z siebie będzie dbało o optymalizację dostaw i świadome konieczności racjonalnego korzystania z energii w gospodarstwach domowych.

Można tego uczyć młode pokolenie już od najmłodszych lat, np. przypominając, że należy wyłączyć światło, gdy wychodzi się z domu czy mieszkania, a starsze pokolenie edukować, np. poprzez wskazanie na zalety zakupu energooszczędnych odbiorników. Wychowanie takiego odpowiedzialnego społeczeństwa będzie się odbywało zarówno przez system edukacyjny (tłumacząc, że jest to konieczność cywilizacyjna), ale także przez naciski prawne czy też zachęty i programy rządowe, a także kształtowanie cen za energię w zależności od aktywności klientów, czy też dodawania nowych podatków (choć tego bardzo nie lubimy). Programy DSR (z ang. Demand Side Response) sterujące zapotrzebowaniem na moc są aktualnie wdrażane u operatorów przesyłowych i dystrybucyjnych. Są to typowe moduły i funkcjonalności dla energetyki rozproszonej.

Wprowadzane są umowy PPA (z ang. Power Purchase Agreements), które regulują zasady zakupu energii elektrycznej bezpośrednio od producentów energii ze źródeł odnawialnych (corporate PPA). W Polsce są przewidziane różne modele tych umów. Może być to umowa PPA on-site, kiedy instalacja OZE producenta położona jest bezpośrednio przy instalacji odbiorczej oraz umowy PPA – near site direct wire, kiedy instalacja OZE położona jest w niedalekim sąsiedztwie odbiorcy, a prąd jest przesyłany dedykowaną linią dystrybucyjną, lub umowa PPA off-site, kiedy wytwarzana energia elektryczna z instalacji OZE przesyłana jest do odbiorcy za pośrednictwem linii dystrybucyjnej operatora. Zgodnie z umową PPA jest możliwe wybudowanie odcinka „prywatnej” sieci, którą gmina lub klient indywidualny (prosument), będzie zasilany.

Do oszczędzania energii czy jej produkcji na własny użytek, zmusi nas wysoka cena energii, dopłaty do instalacji OZE, prawne regulacje zakazujące produkcji odbiorników energochłonnych, naciski i regulacje prawne. Pojawiła się norma ISO 50001:2011 Energy Management System Standards, która przedstawia metodykę wprowadzania optymalnego zarządzania dostawami energii. Klienci energetyki poprzez systemy FEMS/BEMS/HEMS będą mogli realizować usługi dla energetyki. Będzie to realizowane poprzez współdziałanie lokalnego EMS i modułów DSR, PQ z dyspozytornią operatora. W przypadku redukcji mocy u odbiorców powinna być dołączana lokalna generacja OZE lub powinny być wyselekcjonowane odbiory ważne i mniej ważne, a te ostatnie odłączane. Generacja OZE u prosumentów może też być aktywnie wykorzystywana do kompensacji mocy biernej na żądanie modułu PQ dystrybucji.

Lokalni odbiorcy wyposażeni w systemy HEMS oraz BEMS mogą łączyć swoje systemy, wspomagając się lokalną generacją fotowoltaiczną czy magazynem energii.

Systemy FEMS/BEMS/HEMS będą konfigurowalne. Będą więc wyposażone w funkcje, które wspomogą użytkowników w ocenie ich efektywności energetycznej. Jest to realizowane przez:

• monitorowanie – systemy FEMS/BEMS/HEMS pozwolą zobaczyć, jak energia jest wykorzystywana lub wytwarzana w zakładzie czy w domu. Przedstawią, jakie jest obecnie zużycie, będą mogły wyświetlać taryfę, dane historyczne, popytowe, ustalać profil energetyczny lub na żądanie proponować najbardziej korzystny profil zasilania.
• kontrola – FEMS/BEMS/HEMS będzie wyposażone w system kontrolny przepływów energii. Będą umożliwiały użytkownikowi włączania i wyłączania urządzeń za pomocą aplikacji lub przez zaawansowany algorytm. Użytkownik będzie mógł automatycznie zarządzać zużyciem energii, jednocześnie maksymalizując jej wartość ze źródeł OZE, włączając w to magazynowanie energii w celu optymalnego wykorzystania taryfy.

Czynności, które należy podjąć, aby dobrze zaprogramować system zarządzania energią FEMS/BEMS/HEMS w zakładzie przemysłowym lub u klienta indywidualnego (jest to zgodne z zaleceniami normy ISO 50001:2011):

1. Należy rozpoznać potrzeby energetyczne zakładu/klienta i określić strategię zarządzania energią. System FEMS/BEMS/HEMS musi mieć algorytm do analizy konsumpcji energetycznej, który pomoże użytkowi zrozumieć jego wzorce zużycia, tzn. kiedy jest najbardziej intensywne zużycie energii i do jakich procesów się to przyczynia, jakie sprzęty mogą być włączane i wyłączane (np. do redukcji obciążenia). Można precyzyjnie określić straty energii dzięki zaawansowanej analizie danych. Pomoże to podjąć odpowiednie działania w celu zwiększenia wydajności i zmniejszenia zużycia (ustali bieżący i najbardziej efektywny profil zużycia). System FEMS/BEMS/HEMS przekaże dane dla poprawy współczynnika mocy, dotyczące mocy czynnej i biernej. Te wszystkie działania poprawią efektywność zużycia energii i obniżą koszty.
2. System FEMS/BEMS/HEMS pomoże śledzić kluczowe wskaźniki efektywności energetycznej, aby zmniejszyć koszty operacyjne w zakładzie lub budynku. Wydajność energetyczną budynku można również poprawić poprzez monitorowanie różnych części zakładu, budynku, wdrażając różne kluczowe wskaźniki efektywności, działania i wydajności. To wszystko jest określane mianem KPI (z ang. Key Performance Indicators). Wskaźniki te pomogą wytyczyć odpowiednie KPI w celu opracowania skutecznych strategii oszczędzania energii.
3. System FEMS/BEMS/HEMS pozwoli zmniejszyć zapotrzebowanie na energię elektryczną. Pomoże zidentyfikować profil dziennego obciążenia od najwyższego zapotrzebowania na moc (obciążenia) w określonym przedziale czasowym. Można na tej podstawie wprowadzić taryfę „moc na żądanie”, bilansować się magazynem energii lub lokalnym OZE.

Wymogi i założenia ISO 50001:2011 Energy Management System Standards

Potrzeby rynku, związane z polityką energetyczną i klimatyczną krajów Unii Europejskiej, uwzględniające podjęcie działań związanych z ograniczaniem popytu na energię energetyczną, znalazły odzwierciedlenie w działaniach normalizacyjnych. Został wprowadzony standard jakości ISO 50001:2011, który formalnie opisano w normie PN-EN 50001:2012 „Systemy Zarządzania Energią – wymogi i zalecenia użytkowania” [14]. Norma ta zastępuje BS EN 16001: 2009. Ten standard ISO został wprowadzony dla wyznaczenia nowych zasad konsumpcji energii, przedstawiając kierunki działań w celu osiągnięcia redukcji i optymalizacji zużycia energii oraz optymalizacji popytu. Ważnym kierunkiem działania standardu jest ograniczenia zużycia i kosztów energii, przez to pośrednio ograniczenie emisji CO2, zmniejszenie efektu cieplarnianego i emisji zanieczyszczeń.

Normy ISO 9001:2008, ISO 14001:2004, ISO 50001:2011 utworzyły trójkąt wzajemnie uzupełniających się przepisów, dla osiągnięcia „superinteligentnego”, „smart” przedsiębiorstwa, które zarządza odpowiednio zarządza polityką jakości (produkując wysokojakościowe produkty), uwzględnia wymogi środowiskowe i ma wdrożoną optymalną politykę energetyczną. W przytoczonych wydaniach norm ISO 9001:2008, ISO 14001:2004, ISO 50001:2011 nie było wzajemnego odnoszenia się. Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna „ISO” zaobserwowała, że takie normy można scalać, ułatwiając wdrażanie i integrację różnych systemów zarządzania. Szczególnie dotyczy to standardów uzupełniających się, jak te powyższe. Wychodząc naprzeciw temu ISO wprowadziła nową koncepcję norm polegającą na zapewnieniu zintegrowanego podejścia do zarządzania organizacją, zapewnieniu spójnych wymagań dla norm. Zostało to określone jako HLS – „High Level Structure”. Spowoduje to poprawę skuteczności funkcjonowania systemów ISO, zmniejszy koszty wdrażania i utrzymywania systemów. W takiej formule zostały wdrożone nowe edycje norm ISO:9001:2015, ISO:14001:2015 oraz ISO:50001:2018 (która jest jeszcze w okresie przejściowym). Normy są komplementarne, mają podobny proces certyfikacji i podobne dokumenty, uzupełniające się cele i procesy. Powoduje to, że przy wdrożeniu tych trzech standardów jest spójność certyfikacji i wyników działania. (powyższe zostało uzupełnione po konsultacji z ekspertem z dziedziny normalizacji [18]). W tabeli 1. zestawiono wymogi norm w ich kluczowych obszarach.

Po analizie założeń i wymogów standardu ISO 50001:2011 oraz ISO 50001:2018 wyciągamy zasadniczy wniosek. Wdrożony system zarządzania energią FEMS/BEMS/HEMS może i powinien ściśle współdziałać z celami tego standardu. Jeżeli taki system zarządzania energią funkcjonuje w danym zakładzie, to praktycznie jest on bazą w tym obszarze do wprowadzenia standardu ISO 50001, a uzyskane dane możemy wprowadzić jako wyniki pomiarów. Oczywiście musimy pod to wdrożyć odpowiednie procedury i procesy. Trzeba umocować odpowiedzialność kierownictwa, zadbać o spójność z polityką energetyczną, zapewnić planowanie energetyczne na podstawie bieżących danych z odczytu i prognoz. To wszystko podparte będzie wdrożeniem planów energetycznych, działaniami w kierunku efektywności energetycznej, stworzeniem księgi energetycznej (rejestr działania), wdrożeniem sprawdzenia i przeglądu procesów zarządzania. Ale przy działającym systemie FEMS/BEMS/HEMS wszystko wydaje się proste, automatyczne i pod kontrolą.

Ważnym elementem wdrożenia normy ISO 50001 jest audyt energetyczny. Zgodnie z [14], [17] ten audyt energetyczny musi obejmować:

• identyfikację źródeł generujących straty energii;
• określenie bazowego poziomu zużycia i efektywności energetycznej;
• analizę wskaźników energetycznych stosowanych urządzeń;
• analizę stanu technicznego instalacji energetycznej i urządzeń;
• ocenę procesów technologicznych;
• określenie działań dla redukcji strat energetycznych;
• prowadzenie monitoringu zużycia energii;
• określenie profilu zużycia energii, wykonanie działań w kierunku uzyskania efektywności energetycznej;
• wykonanie analiz techniczno-ekonomicznych dla uzyskania efektywności energetycznej;
• wyznaczenie działań dla uzyskania efektu energetycznego, ekologicznego i ekonomicznego.

Działania w normie ISO 50001 oparte są (podobnie jak normach ISO 9001 i ISO 14001) na regule Deminga: PDCA (ang. Plan-Do-Check-Act), czyli Zaplanuj-Zrób-Sprawdź-Wykonaj wdrożenie (zgodnie z [15], [16]). Jest to cykl, systematycznych działań, które możemy określić jako reakcję łańcuchową, gdzie wyniki poprzedniego działania są podstawą do kolejnego. To musi stały i powtarzalny cykl. Przedstawia to rysunek 3.

Zakończenie i podsumowanie

Nikt z nas nie ma wątpliwości, że musimy tak zmieniać nasze życie, bieżącą rzeczywistość, żeby nadążyć za potrzebą przemian cywilizacyjnych. Tą drogą powinien podążyć także sektor energetyki. Stoi on przed nowymi wyzwaniami i szansami, które wytycza wizja przyszłości. Nasuwa się pytanie: czy będzie wdrożona energetyka rozproszona i będą stosowane związane z nią systemy EMS/SEMS? Odpowiedź nie zawiera się w prostym: „tak” czy „nie”, ale w bardziej precyzyjnym i kategorycznym: „kiedy” i „w jakim zakresie”.

Musi być to proces ewolucyjny. Analitycy i projektanci systemów w spółkach dystrybucyjnych powinni znać trendy i tak planować rozwój systemów informatycznych i funkcjonalność nowych i modernizowanych urządzeń, aby docelowo stworzyć system przedstawiony w tym artykule.

Najważniejsze wytyczne dla energetyki można określić, zgodnie z [1], jako:

• Wprowadzić energetykę zorientowaną na klienta, uwzględniającą jego uczestnictwo w rynku energii elektrycznej.
• Skutecznie zarządzać aktywami, rozwiązać problemy starzenia się infrastruktury, uwzględniając konieczność modernizacji.
• Zwiększyć stopień automatyzacji dla uzyskania lepszej jakości usług.
• Zapewnić bezpieczeństwo dostaw przy braku tradycyjnych źródeł energii, zapewnić elastyczne magazynowanie, zwiększyć sieć i moc wytwórczą.
• Doprowadzić do zliberalizowania rynków.
• Doprowadzić do interoperacyjności europejskich sieci elektrycznych.
• Zapewnić wspieranie rynku wewnętrznego, efektywne zarządzanie przeciążeniami w sieci transgranicznej i tranzytowej.
• Zminimalizować straty przez stosowanie generacji rozproszonej i odnawialnych źródeł energii.
• Zwiększyć elastyczność systemu w stosunku do usług systemowych.
• Rozwiązać kwestie środowiskowe: osiągnięcie celów protokołu z Kioto, zmniejszenie strat.
• Zwiększyć odpowiedzialność społeczną i zapewnić zrównoważony rozwój.
• Wprowadzić zarządzanie popytem (DSM).
• Uwzględnić aspekty polityczne i regulacyjne państw i Unii Europejskiej.
• Uwzględnić aspekty społeczne i demograficzne: należy zweryfikować, jak zmieniło się zapotrzebowanie starzejącego się społeczeństwa wraz ze zwiększonym komfortem i jakością życia.

Literatura

1. „European Smart Grid Technology Platform Vision and Strategy for Europe’s Electricity Networks of the Future, Publication Office Directorate” wydanie General for Research Directorate – Energy Unit 2 – Energy Production and Distribution Systems /2006, www.smart.grids.eu
2. „System Sterowania i Nadzoru nad pracą sieci przesyłowej w PSE Operator S.A.”, Piotr Wójcicki, POMIARY AUTOMATYKA KONTROLA wyd. PAK vol. 55, nr 6/2009.
3. „Elastyczność krajowego systemu elektroenergetycznego. Diagnoza, potencjał, rozwiązania”, Leszek Bronk, Bogdan Czarnecki, Rafał Magulski, FORUM ENERGII, www.forum-energii.eu /02.2019
4. „Stacje Ładowania Pojazdów Elektrycznych w Koncepcji Smart Systemu”, Jacek Świątek, Elektro-Info, nr 5 / 2019.
5. „Koncepcja Smart Grid szansą dla rozwoju generacji rozproszonej”, Anna Kowalska-Pyżalska, Prace naukowe Instytutu Maszyn i Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 65, Seria Studia i Materiały, nr 31, 2011 r.
6. „Power electronic systems as a crucial part of Smart Grid infrastructure – a survey”, G. Benysek, M. Kazimierkowski, J. Popczyk, R. Strzelecki, BULLETIN OF THE POLISH ACADEMY OF SCIENCES TECHNICAL SCIENCES, Vol. 59, No. 4, 2011.
7. Materiały techniczne i katalogi firm: Mikronika, Apator COPA-DATA GmbH, dostępne na stronach internetowych firm.
8. Zarządzanie siecią dystrybucyjną (SN/nN) – DMS, https://www.mikronika.pl/zarzadzanie-siecia-dystrybucyjna-sn-nn-dms/
9. „Generacja rozproszona w nowoczesnej polityce energetyczne, wybrane problemy i wyzwania”. Praca zbiorowa pod red. Jana Rączka, Mariusza Swora, Wojciecha Stawiany, publikacja Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki, Warszawa 2012, http://forumees.pl/.
10. „Smart Grid – sieć przyszłości”, Wiesław Kopterski, Pomiary Automatyka Robotyka, 12/2010.
11. „Electric Energy Management System in a Building with Energy Storage”, Marek Pawłowski, Piotr Borkowski, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN 0033-2097, R. 88 NR 12b /2012.
12. „Koncepcja organizacji systemów zarządzania energią w sieciach automatyki budynkowej”, Jakub Grela, Napędy i Sterowanie, nr. 12-2014.
13. „Internet Rzeczy w systemach automatyki budynkowej”, Andrzej Ożadowicz, Napędy i Sterowanie, Nr 12, 12-2014 r.
14. ISO 50001 Energy Management Systems. International Organization for Standardization, 06-2018.
15. „Understanding the Requirements of the Energy Management Systems Certification”, G.T. Huang, Energy/Sustainability, SGS, www.SGS.com, 06-2012. i Częstochowskiej Zarządzanie Nr 22 (2016) s. 210–217. 
16. Systemy Zarządzania Energią jako Narzędzie Wspierające Proces Racjonalizacji Zużycia Energii w Organizacjach, Aleksandra Koszarek-Cyra, Zeszyty Naukowe Politechniki Częstochowskiej Zarządzanie Nr 22 (2016) s. 210–217. 
17. „Zarządzanie Energią Determinantą Ochrony Środowiska”, Marcin Olkiewicz, Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: Organizacja i Zarządzanie, z. 100 Nr kol. 1972, 2017.
18. Grzegorz Kaczmarek – ekspert z dziedziny standaryzacji, doświadczony Audytor Wiodący i trener w zakresie systemów zarządzania ISO, współwłaściciel i Prezes Zarządu BiuroNorma Sp. z o.o.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!