Generacja z OZE a straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych
RES generation and electric power losses in electric power networks
Czy odnawialne źródła energii powodują spadek poziomu strat energii elektrycznej w sieci? Fot. Pixabay
Długoterminowe światowe prognozy energetyczne opracowywane od schyłku XX wieku przewidują wzrost ogólnego zapotrzebowania na energię, w tym szczególnie energię elektryczną. Konsekwencją tego wzrostu jest konieczność budowy nowych źródeł wytwórczych (elektrowni). Jednak ekolodzy wskazują na wzrastające zanieczyszczenie atmosfery wynikające w dużym stopniu z eksploatacji elektrowni wykorzystujących do produkcji energii paliwa kopalne. W związku z taką sytuacją zaczęto rozważać rozwój źródeł opartych na odnawialnych źródłach energii (OZE), które ograniczą emisję zanieczyszczeń do atmosfery oraz uwzględnią aktualne prognozy wystarczalności paliw kopalnych.
W artykule:
|
StreszczenieUstawa o efektywności energetycznej określa zadania jednostek sektora publicznego w zakresie oszczędności energii. Poprawie efektywności energetycznej służy m.in. ograniczanie sieciowych strat energii w całym systemie elektroenergetycznym – tak w sieci przesyłowej (400 i 220 kV), jak i w sieciach dystrybucyjnych (110 kV, średniego napięcia SN oraz niskiego napięcia nN). W artykule przedstawiono analizę strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE) w latach 2015–2021 oraz wykazano zmniejszanie strat energii w wyniku wzrostu ilości energii elektrycznej dostarczanej z odnawialnych źródeł energii (OZE). Praca stanowi kontynuację tematyki prezentowanej we wcześniejszej publikacji zamieszczonej w „elektro.info” [9]. AbstractThe Energy Efficiency Act defines the tasks of public sector companies in the field of electrical energy efficiency. The improvement of energy efficiency is obtained, among others, by reducing energy losses in the entire power system, both in the high voltage HV transmission network (400 kV and 220 kV) and in distribution networks (110 kV), as well as in medium MV and low LV voltage grids. The article presents an analysis of electric power losses in the National Power System (NPS/KSE) in the years 2015-2021 and reducing the level of energy losses as a result of increasing the amount of energy supplied from renewable energy sources (RES). The work is a continuation of problem previously presented in elektro.info [9].
|
Aktualnie niezmiernie ważnym problemem dla energetyki jest oszczędność energii, podkreślana w wielu światowych dokumentach. Zapisy dokumentów wymuszają konkretne działania, które mają ograniczyć zużycie energii, zwiększając efektywność energetyczną. Pierwszym z dokumentów podpisanych przez Polskę jest „Protokół z Kioto” do Ramowej Konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu, sporządzony w Kioto dnia 11 grudnia 1997 r. W ślad za ww. protokołem w Unii Europejskiej ustalono wymagania dotyczące ograniczeń w zużyciu energii. W Polsce wprowadzono zapisy w Prawie energetycznym dotyczące wagi efektywności energetycznej gospodarki w Polityce Energetycznej Polski. Ponadto uchwalono Ustawę o efektywności energetycznej, która zawiera m.in. następujące wytyczne:
Art. 1. Ustawy określa:
1) zasady opracowywania krajowego planu działań dotyczącego efektywności energetycznej;
2) zadania jednostek sektora publicznego w zakresie efektywności energetycznej;
3) zasady realizacji obowiązku uzyskania oszczędności energii;
4) zasady przeprowadzania audytu energetycznego przedsiębiorstwa.
Art. 19.1. Ustawy podaje, że poprawie efektywności energetycznej powinny służyć przedsięwzięcia prowadzące do ograniczenia sieciowych strat energii wynikających z przesyłu lub dystrybucji energii elektrycznej.
Nowe regulacje, wprowadzane znowelizowaną ustawą, mają spowodować zmniejszenie zużycia energii i uzyskanie poziomu tzw. efektywnego zużycia energii.
W XXI wieku nastąpił w Polsce znaczny przyrost mocy wytwórczych w źródłach OZE. Źródła te lokalizowane są w bliskich odległościach od odbiorców, czyli konsumentów energii elektrycznej. W konsekwencji zmieniają się przepływy mocy przy niższych rezystancjach połączeń sieciowych, co powoduje zmianę poziomu strat energii elektrycznej. Stąd w prezentowanym artykule skoncentrowano się głównie na:
1. zbadaniu wpływu ilości energii wprowadzonej do sieci dystrybucyjnej z OZE na poziom strat energii elektrycznej;
2. odpowiedzi na pytanie: czy źródła OZE powodują spadek poziomu tych strat, czyli zwiększają efektywność energetyczną w działaniach operatorów systemu przesyłowego i systemów dystrybucyjnych?
Straty energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym (KSE)
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, 10].
W niniejszym artykule – na podstawie danych z lat 2015–2021 – przedstawiono wyniki analiz strat w polskich sieciach elektroenergetycznych, biorąc pod uwagę wartości:
- energii elektrycznej wprowadzonej (dostarczonej) do sieci,
- strat i różnic bilansowych energii elektrycznej,
- wskaźnika strat i różnic bilansowych
w podziale na sieci poszczególnych poziomów napięć.
Rozpatrzono dynamikę zmian poziomu ww. wielkości, przyjmując rok 2000 jako rok odniesienia lub rok 2002 dla sieci SN i nN. Należy podkreślić, że 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.
Podstawową analizowaną w referacie 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.
Średnioroczne zmiany α analizowanej wielkości X – w różnych przedziałach czasu – obliczano według następującej ogólnej zależności:
gdzie:
ΔT = T2 – T1 – okresy przyjęte do analizy zmian, zgodne z danymi w tabelach 1–4;
T2 – odpowiednio 2021 lub 2015;
T1 – odpowiednio 2000 lub 2002, 2015, 2020.
Ponadto dla oceny zmian wartości poszczególnych wielkości w przyjętym okresie czasu wprowadzono następujące bezwymiarowe wskaźniki oznaczone symbolami „w1”, „w2” i „w3”, gdzie:
- wskaźnik „w1” określa stosunek ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci Ewp w danym roku do analogicznej ilości energii w roku 2000 lub 2002;
- wskaźnik „w2” określa stosunek wartości rzeczywistych strat i różnicy bilansowej w sieci ΔE w danym roku do analogicznej wartości w roku 2000 lub 2002;
- wskaźnik „w3” określa stosunek wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE% w danym roku do wartości analogicznego wskaźnika w roku 2000 lub 2002.
Wartości energii wprowadzonej Ewp, rzeczywistych ΔE i procentowych ΔE% strat energii, wskaźników „w1”, „w2” i „w3” oraz średnioroczne zmiany α analizowanych wielkości w badanym okresie czasu zestawiono w następujących tabelach:
- tabela 1. – sieci 400 kV i 220 kV,
- tabela 2. – sieci 110 kV,
- tabela 3. – sieci średniego napięcia SN,
- tabela 4. – sieci niskiego napięcia nN.
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 w podziale na sieci poszczególnych poziomów napięć:
- względne zmiany ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci Ewp (wskaźniki „w1”);
- względne zmiany wartości strat i różnic bilansowych ΔE (wskaźniki „w2”);
- względne zmiany wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE% (wskaźnik „w3”).
Rys. 1. Zmiany ilości energii wprowadzonej Ewp do sieci NN i 110 kV (wskaźnik „w1”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Rys. 2. Zmiany strat i różnic bilansowych ΔE w sieciach NN i 110 kV (wskaźnik „w2”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Rys. 3. Zmiany procentowych strat i różnic bilansowych ΔE% w sieciach NN i 110 kV (wskaźnik „w3”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Rys. 4. Zmiany ilości energii wprowadzonej Ewp do sieci SN i nN (wskaźnik „w1”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Rys. 5. Zmiany strat i różnic bilansowych ΔE w sieciach SN i nN (wskaźnik „w2”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Rys. 6. Zmiany procentowych strat i różnic bilansowych ΔE% w sieciach SN i nN (wskaźnik „w3”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Analizując dane liczbowe zawarte w tabelach 1–4 oraz zilustrowane na rysunkach 1–6, można wysnuć następujące wnioski – opisane poniżej – dotyczące poziomu strat energii elektrycznej w polskich sieciach elektroenergetycznych na poszczególnych poziomach napięć.
Sieci 400 kV i 220 kV
W sieciach najwyższych napięć obserwuje się najwyższy względny wzrost ilości energii wprowadzonej (wskaźnik „w1”) w porównaniu do sieci pozostałych poziomów napięć, a mianowicie:
W roku 2021 wystąpiły znaczne zmiany w wartościach wskaźników α analizowanych wielkości w stosunku do roku 2020 w porównaniu do rocznych zmian między rokiem 2021 a rokiem 2000, a mianowicie:
Podkreślenia wymaga fakt wzrostu wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE% w ostatnim analizowanym roku w porównaniu z tendencją malejącą tego wskaźnika w całym rozpatrywanym okresie czasu.
Sieci 110 kV
W przypadku sieci 110 kV występuje wyrównany wzrost ilości energii wprowadzanej do tej sieci w całym rozpatrywanym okresie, co odzwierciedlają średnioroczne wskaźniki przyrostu α na poziomie ok. 1%. Wyjątek stanowi znaczący wzrost ilości energii wprowadzonej w ostatnim roku (podobnie jak dla sieci NN), a mianowicie α2021/2020 = 4,87%.
Dla sieci 110 kV można mówić o stałej tendencji zmniejszania się strat energii elektrycznej – wskaźniki α w całym rozpatrywanym okresie czasu wyniosły:
- dla wartości strat i różnic bilansowych ΔE α2021/2000 = –1,84%;
- dla wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE% α2021/2000 = –2,92%.
Pewna zmiana wystąpiła dla roku 2021, w którym – mimo wzrostu wartości strat i różnic bilansowych ΔE (α2021/2020 = 1,81%) – wartość procentowego wskaźnika strat i różnic bilansowych ΔE% zmalała (α2021/2020 = –2,91%).
Sieci średniego napięcia SN
Średnioroczne wzrosty ilości energii elektrycznej wprowadzanej do sieci SN w całym rozpatrywanym okresie lat 2021–2002 wyniosły α2021/2002 = 1,68%, natomiast w ostatnim roku ten wzrost był znacznie wyższy: α2021/2020 = 3,69%.
Obserwuje się stałą tendencję spadku wartości strat i różnic bilansowych ΔE o 33% i wskaźnika ΔE% o 51% w całym okresie lat 2021–2002, z wyraźnie szybszym ich obniżaniem od roku 2015 – średnioroczne spadki obu wielkości wynoszą odpowiednio:
Sieci niskiego napięcia nN
W okresie lat 2021–2002 wystąpił najniższy przyrost ilości energii wprowadzanej do sieci nN w porównaniu z przyrostami w sieciach wyższych napięć, a mianowicie α2021/2002 = 0,90%.
Analizując poziom strat energii w sieciach nN w latach 2021–2002, można zauważyć, że straty i różnice bilansowe ΔE zmalały o 58%, a wskaźnik strat i różnic bilansowych ΔE% zmalał o 64%. Średnioroczne zmiany tych wielkości w wybranych przedziałach czasowych były następujące:
Generacja z odnawialnych źródeł energii
Usytuowania źródeł wytwórczych OZE w różnych punktach sieci zmieniły przepływy mocy. Na wcześniejszych konferencjach w latach 2016, 2018 i 2020 [6–8] autorzy starali się odpowiedzieć na stawiane pytanie: czy uzupełnianie bilansu energii elektrycznej źródłami OZE zmieni tak znacząco przepływy mocy, że wywołają one mniejsze straty energii? Stąd w niniejszym artykule przeanalizowano wyniki badań uwzględniających poszerzony materiał statystyczny, tzn. dane z lat 2002–2021 dotyczące produkcji energii elektrycznej z OZE, oraz 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 czasu;
- 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”).
Tab. 5. Dostawy energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych
Natomiast w tabeli 6. zestawiono średnioroczne przyrosty α dostaw energii z OZE na różnych poziomach napięć w przedziałach czasu podobnych do przyjętych w analizie strat, a na rysunkach 7–9 ilustrację graficzną ww. przyrostów.
Tab. 6. Średnioroczne zmiany α, w [%], dostaw energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na różnych poziomach napięcia
Rys. 7. Względne (odniesione do roku 2002) ilości energii ze źródeł odnawialnych dostarczanej do sieci 110 kV (wskaźnik „w5”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Rys. 8. Względne (odniesione do roku 2002) ilości energii ze źródeł odnawialnych dostarczanej do sieci SN (wskaźnik „w5”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Rys. 9. Względne (odniesione do roku 2002) ilości energii ze źródeł odnawialnych dostarczanej do sieci nN (wskaźnik „w5”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej ilości energii elektrycznej dostarczanej do sieci 110 kV wzrósł od 0,4‰ w roku 2002 do 66,9‰ w roku 2021. Warto podkreślić, że najwyższy – blisko 280-krotny – przyrost energii dostarczanej z OZE wystąpił w sieciach 110 kV w roku 2020, i w konsekwencji średnioroczny przyrost dla okresu lat 2021–2002 był równy α2021/2002 = 32,9%, a maksymalny dla okresu lat 2015–2002 wyniósł α2015/2002 = 47,8%.
Udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej ilości energii elektrycznej dostarczanej do sieci SN wzrósł od 1,5‰ w roku 2002 do 53,1‰ w roku 2021. Wprawdzie znacznie niższy niż w sieciach 110 kV, ale także ponad 50-krotny przyrost ilości energii dostarczanej z OZE zaobserwować można w sieciach SN, dla których średnioroczny przyrost dla okresu lat 2021–2002 był równy α2021/2002 = 22,9% (maksymalny dla okresu lat 2015–2002 wynosił α2015/2002 = 29,8%).
Zupełnie nietypowe są podobne wartości w sieciach nN. Dla tych sieci dopiero w ostatnich latach wystąpił zauważalny wzrost ilości energii dostarczanej z OZE. Udział energii ze źródeł odnawialnych w całkowitej ilości energii elektrycznej dostarczanej do sieci nN zmieniał się od 2,2‰ w roku 2002 do 45,4‰ w roku 2021. Średnioroczny przyrost energii dostarczanej z OZE dla okresu lat 2021–2002 jest równy tylko α2021/2002 = 18,3%, a maksymalny wystąpił w ostatnim roku, a mianowicie α2021/2020 = 133,1%.
Należy podkreślić, że zaproponowany w roku 2019 przez Ministerstwo Klimatu i Środowiska i wprowadzony w życie program „Mój Prąd” a tak znaczący przyrost energii wytwarzanej w źródłach OZE o małych mocach, czyli rozwój energetyki prosumenckiej. Priorytetowy program „Mój Prąd” jest wyjątkową propozycją w Polsce, na niespotykaną dotąd skalę, która wpłynęła na niezwykle dynamiczny rozwój energetyki prosumenckiej. Dowodem na silną dynamikę wzrostu prosumentów w naszym kraju jest poniższe zestawienie:
Wdrożenie programu było silnym impulsem do dalszego rozwoju energetyki prosumenckiej i znacząco przyczyniło się do spełnienia międzynarodowych zobowiązań Polski w zakresie rozwoju energetyki odnawialnej.
Podsumowanie
Autorzy prezentowanego artykułu dokonali próby oceny korelacji między poziomem wartości wskaźnika strat i różnic bilansowych w sieciach poszczególnych poziomów napięć a ilością energii elektrycznej wprowadzanej do sieci ze źródeł odnawialnych. Najsilniejsza współzależność między wskaźnikiem strat i różnic bilansowych a ilością energii elektrycznej wprowadzonej z OZE wystąpiła dla sieci średniego napięcia SN. Wskazuje na to wysoka wartość współczynnika korelacji R = –0,96. Warto podkreślić, że wartość R jest na podobnym poziomie jak w poprzednio analizowanych okresach przedstawionych w [6–8]. Niższą współzależność zauważa się przy analogicznej analizie dla sieci 110 kV, chociaż – biorąc pod uwagę wartość R = –0,68 – 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 bezwzględna wartość współczynnika korelacji R.
Obserwując sieciowe straty dla poszczególnych poziomów napięć, można zauważyć wyraźną tendencję spadkową tak rzeczywistych jak i procentowych strat energii. Autorzy zadali sobie pytanie (podobnie jak przy opracowywaniu wcześniejszych analiz) – jaki jest udział strat w całkowitej energii wyprodukowanej w Polsce. Aby odpowiedzieć na to pytanie, w tabeli 7. zestawiono energię wyprodukowaną Eprod w polskich elektrowniach w latach 2000–2021 i sumę strat energii ΔE w tym okresie.
Tab. 7. Straty i różnice bilansowe w syntetycznym bilansie energii elektrycznej
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.
Rys. 10. Względne zmiany produkcji energii w polskich elektrowniach (wskaźnik „w6”) oraz względne zmiany procentowych strat energii ΔE% w KSE (wskaźnik „w7”), rys. E. Niewiedział, R. Niewiedział
Z analizy danych zestawionych w tabeli 7. i na rysunku 10. można sformułować następujące spostrzeżenia:
- łączne rzeczywiste straty energii w ciągu 21 lat zmalały o ok. 30% (w roku 2021 o 28%) przy wzroście produkcji energii na poziomie 30%;
- w tym samym przedziale czasu zmalał w większym stopniu procentowy wskaźnik strat energii, a mianowicie o prawie 50% (w roku 2021 o 45%).
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 [4–9] z aktualnymi danymi pozwala stwierdzić, że procentowy wskaźnik strat energii ΔE% ma nadal tendencję spadkową.
Literatura
- Statystyka Elektroenergetyki Polskiej 2000–2021. Agencja Rynku Energii S.A., Warszawa 2001–2022.
- 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.
- 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.
- Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym, w: Materiały V Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Kołobrzeg 2011, s. 1–10.
- Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w KSE dla lat 2002-2012, w: Materiały VI Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Rawa Mazowiecka 2014, s. 1–7.
- Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w krajowym systemie elektroenergetycznym w ostatnim piętnastoleciu, w: Materiały VII Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Kołobrzeg 2016, s.7–18.
- Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym w XXI wieku, w: Materiały VIII Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Wrocław 2018, s. 7–15.
- Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym, w: Materiały IX Konferencji Naukowo-Technicznej „Straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Poznań 2020, http://www.straty.ptpiree.pl
- Niewiedział E., Niewiedział R., Poprawa efektywności energetycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym, „elektro.info” 3/2021, s. 42–46.
- Niewiedział E., Niewiedział R., Analiza statystyczna strat energii elektrycznej w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym, w: Materiały X Konferencji Naukowo-Technicznej „Generacja rozproszona i straty energii elektrycznej w sieciach elektroenergetycznych”, Wisła 2023, s. 5–19.
