Poprawa efektywności energetycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym
Rys. 1. Procentowy wskaźnik strat ΔE% w sieciach NN i WN
Autorzy: E. Niewiedział, R. Niewiedział
W Krajowym Systemie Elektroenergetycznym operatorzy sieci przesyłowych (OSP) i dystrybucyjnych (OSD) – zarządzając sieciami elektroenergetycznymi – odpowiedzialni są za dostawy energii elektrycznej odbiorcom. Zdają sobie przy tym sprawę w tego, że sieci elektroenergetyczne (tak jak każde inne urządzenie elektryczne) zużywają energię na potrzeby własne. Zużycie to w wieloletniej praktyce nazywane jest stratami energii. Można zatem stwierdzić, że straty energii są jednym ze składników bilansu energii elektrycznej w systemie elektroenergetycznym.
Zobacz także
dr hab. inż. Waldemar Dołęga Awarie sieciowe i systemowe w krajowej sieci przesyłowej
Krajowa sieć elektroenergetyczna stanowi ogniwo łączące źródła wytwarzania z odbiorcami i obejmuje: sieć przesyłową 400 i 220 kV, sieć dystrybucyjną (tzw. wstępnego rozdziału) 110 kV oraz sieć dystrybucyjną...
Krajowa sieć elektroenergetyczna stanowi ogniwo łączące źródła wytwarzania z odbiorcami i obejmuje: sieć przesyłową 400 i 220 kV, sieć dystrybucyjną (tzw. wstępnego rozdziału) 110 kV oraz sieć dystrybucyjną (rozdzielczą) SN (6, 10, 15, 20 i 30 kV) i sieć nn (0,4 kV). W jej skład wchodzą zarówno stacje elektroenergetyczne, jak i linie napowietrzne i kablowe oraz urządzenia i aparaty elektroenergetyczne, które współpracują ze sobą w celu realizacji zadania, jakim jest przesył lub dystrybucja energii...
dr inż. Marek Szuba Oddziaływanie pola elektromagnetycznego
W niektórych regionach kraju budowa linii napowietrznych najwyższych napięć (400 kV) wiąże się z koniecznością ich lokalizacji na terenach, na których prowadzona jest intensywna gospodarka sadownicza....
W niektórych regionach kraju budowa linii napowietrznych najwyższych napięć (400 kV) wiąże się z koniecznością ich lokalizacji na terenach, na których prowadzona jest intensywna gospodarka sadownicza. Przykładem niech będzie budowana aktualnie w centralnej Polsce dwutorowa linia o napięciu 400 kV, której kilkanaście przęseł przecina intensywnie prowadzone od lat uprawy sadownicze. Sytuacja taka, sygnalizowana w postaci obaw, niepokojów, a niekiedy protestów właścicieli upraw sadowniczych, każe rozważyć...
dr inż. Andrzej Książkiewicz - Astat Sp. z o.o. Stacjonarny analizator PQI-DA Smart – niezawodne narzędzie do monitorowania i rejestracji zakłóceń w sieciach elektroenergetycznych
Współczesne sieci elektroenergetyczne – zarówno publiczne, jak i przemysłowe – stawiają czoła rosnącym wyzwaniom związanym z jakością energii elektrycznej. Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii,...
Współczesne sieci elektroenergetyczne – zarówno publiczne, jak i przemysłowe – stawiają czoła rosnącym wyzwaniom związanym z jakością energii elektrycznej. Dynamiczny rozwój odnawialnych źródeł energii, elektromobilności oraz urządzeń energoelektronicznych powoduje wzrost zjawisk zakłócających, takich jak poziom harmonicznych, asymetria napięć, migotanie światła czy wahania napięcia. W odpowiedzi na te wyzwania firma A. Eberle proponuje stacjonarny analizator PQI-DA Smart – urządzenie, które przeobraża...
StreszczenieUstawa o efektywności energetycznej określa zadania jednostek sektora publicznego w zakresie efektywności energetycznej. Poprawie efektywności energetycznej służy m.in. ograniczanie sieciowych strat energii w całym systemie elektroenergetycznym (w ciągach liniowych oraz w transformatorach). W artykule przedstawiono analizę strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE) w latach 2002-2019 oraz zmniejszanie poziomu strat energii w wyniku wzrostu ilości energii elektrycznej dostarczanej za źródeł odnawialnych (OZE). Praca stanowi kontynuację tematyki prezentowanej już wcześniej w „elektro.info” [9]. |
AbstractImprovement of energy efficiency in the national electric power system The Act on energy efficiency defines the tasks of public sector companies in the scope of energy efficiency. The improvement of energy efficiency is achieved by reducing network energy losses in the entire power system (in power transmission lines and in transformers). The article presents an analysis of electricity losses in the Polish Power Grid (KSE) in the years 2002-2019 and the reduction of the level of energy losses as a result of an increase in the amount of electricity supplied from renewable sources (RES). The work is a continuation of the subject previously presented in elektro.info magazine [9]. |
Światowe tendencje ukierunkowane są na zmniejszenie zużycia energii we wszystkich jej postaciach (w tym elektrycznej), które ograniczy zużycie energii pierwotnej, a w konsekwencji wyczerpywanie zasobów kopalnych oraz zmniejszy ujemny wpływ energetyki na środowisko. Stąd ograniczenie zużycia energii jest jednym z podstawowych zadań stojących przed wszystkimi użytkownikami energii w Polsce i prowadzi do wzrostu efektywności energetycznej.
W 2011 roku uchwalono w Polsce pierwszą wersję Ustawy o efektywności energetycznej. Aktualna wersja ustawy z 2016 roku w art. 1. określa między innymi:
- zadania jednostek sektora publicznego w zakresie efektywności energetycznej;
- zasady realizacji obowiązku uzyskania oszczędności energii.
Natomiast w art. 19. 1. ustawa wskazuje rodzaje działań, które mają ograniczyć straty energii w sieciach elektroenergetycznych, czyli służyć poprawie efektywności energetycznej procesu przesyłania mocy i energii od wytwórcy do odbiorcy. Podaje następujące przedsięwzięcia ograniczające straty:
- związane z poborem energii biernej,
- sieciowe związane z przesyłaniem lub dystrybucją energii elektrycznej,
- na transformacji.
Rys. 1. Procentowy wskaźnik strat ΔE% w sieciach NN i WN
Rys. 4. Procentowy wskaźnik strat ΔE% w sieciach SN i nn
Rys. 2. Przyrost ilości energii wprowadzonej do sieci NN i WN (wskaźnik w1)
Rys. 5. Przyrost ilości energii wprowadzonej do sieci SN i nn (wskaźnik w1)
Rys. 3. Zmiany procentowych strat energii w sieciach NN i WN (wskaźnik w3)
Rys. 6. Zmiany procentowych strat energii w sieciach SN i nn (wskaźnik w3)
Z zapisów ustawy wyraźnie widać, że Operatorzy Sieci Przesyłowej (OSP) i Operatorzy Sieci Dystrybucyjnej (OSD) muszą wprowadzać takie rozwiązania eksploatacyjne, które ograniczą straty energii w tych sieciach.
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].
W niniejszym artykule – uwzględniając dane z ostatnich lat – przedstawiono wyniki analiz strat w polskich sieciach elektroenergetycznych na podstawie wartości:
- energii elektrycznej wprowadzonej (dostarczonej) do sieci,
- strat i różnic bilansowych energii elektrycznej,
- wskaźnika strat i różnic bilansowych,
w wybranych okresach czasu z lat 2002–2019 w podziale na sieci poszczególnych poziomów napięć. Rozpatrzono dynamikę zmian poziomu ww. wielkości przyjmując jako rok odniesienia rok 2002 oraz współzależność między wartościami strat i energii wprowadzonej do sieci poszczególnych poziomów napięć.
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. Stąd w analizie pominięto pierwsze lata XXI wieku – 2000 i 2001. Według Autorów okres 2002–2019 jest wystarczająco długim okresem, na podstawie którego można analizować zmiany tak energii wprowadzonej do sieci jak i zmiany strat.
Ponadto dokonano próby oceny korelacji między poziomem wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych w sieciach poszczególnych poziomów napięć, a ilością energii elektrycznej wprowadzanej do sieci łącznie oraz wprowadzonej ze źródeł odnawialnych.
Podstawową analizowaną 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,
Ewp – energia elektryczna wprowadzona do sieci na danym poziomie napięcia, w GWh/a.
Do wyznaczenia względnych zmian wartości analizowanych wielkości wykorzystano średnioroczne przyrosty w różnych przedziałach czasu obliczone według następującej ogólnej zależności:
gdzie:
T = T2 ÷ T1 – okresy przyjęte do analizy zgodne z danymi w tabelach 1–4,
T2 – odpowiednio 2019 lub 2015,
T1 – odpowiednio 2002, 2005, 2010, 2015, 2018.
Ponadto dla oceny zmian wartości poszczególnych wielkości w przyjętym okresie wprowadzono następujące bezwymiarowe wskaźniki oznaczone symbolami „w1”, „w2” i „w3”:
- wskaźnik „w1” określa stosunek ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci Ewp w danym roku do analogicznej ilości energii w roku 2002,
- wskaźnik „w2” określa stosunek wartości rzeczywistych strat i różnicy bilansowej w sieci ΔE w danym roku do analogicznej wartości w roku 2002,
- wskaźnik „w3” określa stosunek wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE% w danym roku do wartości analogicznego wskaźnika w roku 2002.
Wartości energii wprowadzonej, rzeczywistych i procentowych strat energii, wskaźników „w1”, „w2” i „w3” oraz średniorocznych przyrostów w badanym okresie zestawiono w następujących tabelach:
- tabela 1. – sieci 400 i 220 kV,
- tabela 2. – sieci 110 kV,
- tabela 3. – sieci średniego napięcia,
- tabela 4. – sieci niskiego napięcia
w podziale na sieci poszczególnych poziomów napięć.
Tab. 1. Straty i różnice bilansowe energii elektrycznej w sieci 400 i 220 kV KSE
Tab. 2. Straty i różnice bilansowe energii elektrycznej w sieci 110 kV KSE
Tab. 3. Straty i różnice bilansowe energii elektrycznej w sieci średniego napięcia KSE
Tab. 4. Straty i różnice bilansowe energii elektrycznej w sieci niskiego napięcia KSE
Ilustrację graficzną danych zestawionych w tabelach 1–4 stanowią rysunki 1–6, na których przedstawiono dla przyjętego przedziału lat i sieci wszystkich poziomów napięć:
- procentowe wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE%;
- względne zmiany energii elektrycznej wprowadzonej do sieci Ewp (wskaźniki „w1”);
- względne zmiany strat i różnic bilansowych ΔE% (wskaźniki „w3”).
Analizując dane liczbowe zawarte w tabelach 1–4 oraz zilustrowane na rysunkach 1–6 nasuwają się następujące wnioski dotyczące poziomu strat energii elektrycznej w polskich sieciach elektroenergetycznych na poszczególnych poziomach napięć.
SIECI NAJWYŻSZYCH NAPIĘĆ (400 i 220 kV):
- w analizowanym okresie obserwuje się coraz wolniejszy wzrost ilości energii wprowadzonej do sieci NN, a mianowicie α2019–2002 = 1,75 przy α2019–2015 = 0,89, a nawet jej zmniejszenie w ostatnim roku α2019–2018 = –1,37;
- po początkowym wzroście procentowego wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE% w3(2005) = 1,13 > w3(2002) = 1,0 w następnych latach wystąpił szybszy spadek wartości wskaźnika ΔE% – w ostatnim roku α2019–2018 = – 7,11.
SIECI 110 kV:
- w analizowanym okresie obserwuje się wyrównany wzrost ilości energii wprowadzanej do sieci 110 kV – średnioroczne przyrosty są na poziomie około 1%, ale podobnie jak w sieciach NN obserwuje się spadek ilości wprowadzanej energii w ostatnim roku α2019–2018 = – 1,96%;
- znaczące obniżenie procentowego wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE% w całym okresie 17-tu lat wystąpiło w sieciach 110 kV, a mianowicie α2019–2002 = – 3,49% w porównaniu z sieciami NN, dla których α2019–2002 = – 1,86%.
SIECI ŚREDNIEGO NAPIĘCIA (SN):
- średnioroczne przyrosty energii wprowadzonej w sieciach SN w całym okresie 17 lat były równe α2019–2002 = 1,80% i są zbliżone do wartości przyrostów w sieciach NN, które wynosiły α2019–2002 = 1,75%;
- wystąpiło również obniżenie ilości wprowadzanej energii do sieci SN w ostatnim roku, a mianowicie α2019–2018 = – 0,42%;
- obserwuje się stałą tendencję spadku wartości strat i różnic bilansowych ΔE o 28% i wskaźnika procentowego strat ΔE% o 47% w całym okresie 17 lat z wyraźnie szybszym ich obniżaniem w ostatnim czasie – średnioroczne spadki obu wielkości wynoszą odpowiednio:
- dla ΔE α2019–2015 = ok. – 4%,
- a dla ΔE% α2019–2015 = ok. – 7%.
SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA (nn):
- średnioroczny przyrost ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci nn w okresie 17 lat był równy α2019–2002 = 0,75% i był najniższy w porównaniu z przyrostami w pozostałych sieciach wyższych napięć;
- porównując zmiany strat energii w sieciach nn w stosunku do strat energii w sieciach wyższych napięć to widoczny jest najwyższy spadek poziomu strat w całym okresie 17 lat – tak w wartościach strat i różnic bilansowych ΔE o 61% jak i wartościach wskaźnika procentowego strat ΔE% o 66%;
- natomiast średnioroczne zmiany obu wielkości ΔE i ΔE% we wszystkich analizowanych przedziałach czasowych były liczbowo zbliżone, np.:
- dla ΔE α2019–2015 = – 6,23%,
- a dla ΔE% α2019–2015 = – 6,71%.
Ustalenia Unii Europejskiej, w ślad za Protokołem z Kioto z 11 grudnia 1997 r., zobowiązały kraje członkowskie do wprowadzenia na szeroką skalę źródeł energii elektrycznej OZE wykorzystujących odnawialne źródła energii. Warto podkreślić, że źródła te początkowo przyłączane były w większości do sieci średniego napięcia, natomiast po kilku latach powstawały i dynamicznie się rozwijały źródła OZE, które przyłączano do sieci 110 kV, czyli sieci wysokich napięć.
Tab. 5. Dostawy energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych
Tab. 6. Średnioroczne przyrosty α, w [%] dostaw energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na różnych poziomach napięcia
Tab. 7. Straty i różnice bilansowe w syntetycznym bilansie energii elektrycznej
Usytuowania źródeł wytwórczych OZE w różnych punktach sieci zmieniły przepływy mocy. Na wcześniejszych konferencjach w roku 2016 i 2018 [6, 7]. Autorzy starali się odpowiedzieć na stawiane pytanie – czy uzupełnianie bilansu energii elektrycznej elektrowniami OZE zmieni znacząco przepływy mocy, które wywołają mniejsze straty energii. W referacie na konferencji w roku 2020 [8] oraz w niniejszym artykule przeanalizowano wyniki badań o poszerzony materiał statystyczny, tzn. dane z lat 2015–2019 dotyczące produkcji energii elektrycznej z OZE i 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;
- 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 analogicznych do przyjętych w analizie strat, a na rysunkach 7–9 ilustrację graficzną ww.
Rys.7. Przyrost ilości energii ze źródeł odnawialnych dostarczanej do sieci 110 kV (wskaźnik w5)
Rys. 8. Przyrost ilości energii ze źródeł odnawialnych dostarczanej do sieci SN (wskaźnik w5)
Rys. 9. Przyrost ilości energii ze źródeł odnawialnych dostarczanej do sieci nn (wskaźnik w5)
Rys. 10. Względne zmiany produkcji energii w polskich elektrowniach (wskaźnik w6) oraz względne zmiany procentowego wskaźnika strat energii w KSE (wskaźnik w7) w latach 2010–2019
Warto podkreślić, że najwyższy – ponad 200-krotny – przyrost energii dostarczanej z OZE wystąpił w sieciach 110 kV i w konsekwencji średnioroczny przyrost dla okresu lat 2019 ÷ 2002 był równy α = 37,2% (maksymalny dla okresu lat 2015 ÷ 2002 wynosił α = 47,8%). Znacznie niższy, ale ponad 40-krotny przyrost ilości energii dostarczanej z OZE zaobserwować można w sieciach SN, w których średnioroczny przyrost dla okresu lat 2019–2002 był równy α = 24,6% (maksymalny dla okresu lat 2015 ÷ 2002 wynosił α = 29,8%). Zupełnie nietypowe są analogiczne wartości w sieciach nn, dla których dopiero w ostatnich latach (od 2015 roku) wystąpił zauważalny wzrost ilości energii dostarczanej z OZE. Średnioroczny przyrost energii dostarczanej z OZE dla okresu lat 2019–2002 był równy tylko α = 7,8%, a maksymalny wystąpił w ostatnich latach 2019–2018, a mianowicie α = 102,5%.
Najsilniejszą współzależność pomiędzy obniżeniem wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych w miarę wzrostu ilości energii elektrycznej wprowadzonej ze źródeł odnawialnych zauważa się dla sieci SN. Wysoka wartość współczynnika korelacji R = – 0,97 jest na podobnym poziomie jak w poprzednio analizowanych okresach przedstawionych w [6, 7]. Niższą współzależność zauważa się przy analogicznej analizie dla sieci 110 kV, chociaż – biorąc pod uwagę wartość R = – 0,81 – 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 wartość współczynnika korelacji R.
Obserwując sieciowe straty dla poszczególnych poziomów napięć widać wyraźnie tendencję spadkową zarówno rzeczywistych, jak i procentowych strat energii. Autorzy zadali sobie pytanie (podobnie jak przy opracowywaniu wcześniejszych referatów) – jaki jest udział strat w całkowitej energii wyprodukowanej w Polsce. Aby odpowiedzieć na to pytanie zestawiono w tabeli 7. energię wyprodukowaną Eprod w polskich elektrowniach w latach 2010–2019 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 Eprod. 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 9 lat zmalały o 25,1% przy wzroście produkcji energii na poziomie 15,3%;
- w tym samym przedziale czasu w większym stopniu zmalał procentowy wskaźnik strat energii, a mianowicie o 35,1%.
Interesującą sprawą jest zmiana udziału bezwzględnej wartości strat energii na poszczególnych poziomach napięć w łącznych stratach energii w systemie. Dla sieci niskiego napięcia udział ten w przedziale lat 2010–2019 zmalał z ok. 36% na ok. 28%. Świadczyć to może o osiągnięciach operatorów systemów dystrybucyjnych (OSD) w zakresie minimalizowania strat energii w niskonapięciowych sieciach dystrybucyjnych.
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 ÷ 7] z aktualnymi danymi pozwala stwierdzić, że procentowy wskaźnik strat energii ΔE% ma nadal tendencję spadkową.
LITERATURA
[1] Statystyka Elektroenergetyki Polskiej 2002 ÷ 2019. Agencja Rynku Energii S.A., Warszawa 2003 ÷ 2020.
[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: Mat. V Konferencji Nauk.-Techn. n.t. „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Kołobrzeg 2011, s. 01-1 ÷ 01-10.
[5] Niewiedział E., Niewiedział R.: Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w KSE dla lat 2002-2012. W: Mat. VI Konferencji Nauk.-Techn. n.t. „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Rawa Mazowiecka 2014, s. 1-1 ÷ 1-7.
[6] Niewiedział E., Niewiedział R.: Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w krajowym systemie elektroenergetycznym w ostatnim piętnastoleciu. W: Mat. VII Konferencji Nauk.-Techn. n.t. „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Kołobrzeg 2016, s.7 ÷ 18.
[7] Niewiedział E., Niewiediał R.: Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym w XXI wieku. W: Mat. VIII Konferencji Nauk.-Techn. n.t. „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: Mat. IX Konferencji Nauk.-Techn. n.t. „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Poznań 2020, http://www.straty.ptpiree.pl
[9] Niewiedział E., Efektywność energetyczna a straty energii elektrycznej, elektro.info, 2017, nr 5 (154), s. 47÷53.
