Artykuły

Wstęp

W dzisiejszym czasie energetyka stoi przed największym wyzwaniem – dekarbonizacją. Zadanie to wymaga od nas budowy systemu elektroenergetycznego od początku, ponieważ do tej pory podaż energii elektrycznej mogła być w pełnym zakresie sterowalna i podążać za popytem. Odnawialne źródła energii niestety nie dają takiej możliwości, nawet z intensywnymi inwestycjami w magazyny (akumulatory, wodór), produkowana energia elektryczna przez odnawialne źródła, zależy od warunków pogodowych, na które ich operator nie ma wpływu. Kolejnym wyzwaniem jest postępujące rozproszenie się jednostek wytwórczych energii elektrycznej. Odnawialne źródła energii są rozproszone i skalowalne w pełnym zakresie mocy. Jest to kolejny etap zmian w systemie, ponieważ do czasu rozwoju OZE, KSE (Krajowym System Elektroenergetyczny) składał się głównie z dużych jednostek wytwórczych, tak zwanych JWCD (Jednostek Wytwórczych Centralnie Dysponowanych), które centralizowały duże pokłady mocy generacyjnych możliwych do dysponowania. Sposób ich podłączania do KSE był też bardzo usystematyzowany, a przepływy mocy były jednokierunkowe (z sieci o wysokich napięciach do tych o niższych). Jednostki OZE są za to w łatwy sposób skalowalne - instalacje fotowoltaiczne mogą mieć moc od 1 kW, aż do 1 GW oraz mogą zostać podłączone w różnych miejscach w sieci.

Instalacje mogą być przyłączane do sieci nn (instalacje prosumenckie), jak do sieci Nn (farmy wiatrowe offshore). W przypadku tak gwałtownych zmian każda inicjatywa wsparcia KSE np. odciążenie operatora od bilansowania oraz zwolnienie dodatkowych mocy wytwórczych jest bardzo cenna.

Rozwój instalacji prosumenckich i mikrosieci otwiera nowe możliwości w czasie dekarbonizacji – pozwala ono na samobilansowanie się prosumentów, odciążanie mocy wytwórczych oraz poprawia pracę sieci przesyłowych. Już dziś można zaobserwować, że aktualny stan techniczny polskich sieci elektroenergetycznych powoduje, że przy ciągłym rozwoju prosumentów, zostają one przeciążone, przez co zmniejsza się produkcja energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii (spowodowane np. automatycznym wyłączaniem się falowników przez zbyt niskie lub wysokie napięcie w sieci) oraz pogarszają się warunki jej pracy. Na rysunku 2 została przedstawiona dynamika wzrostu instalacji prosumenckich w Polsce.

Coraz więcej operatorów OSD inwestuje w projekty związane z infrastrukturą mikrosieci oraz przeprowadza pierwsze pilotaże (np. Tauron, Energa). W związku z tym w tej pracy podjęty został temat mikrosieci, ich infrastruktury oraz została przeprowadza symulacja sprawdzająca w jakim stopniu taka mikrosieć może wpłynąć na pracę systemu przesyłowego oraz dystrybucyjnego. Rozważania zostaną wykonane dla dwóch przypadków – dla dzisiejszego stanu technicznego (analiza as-is) oraz przyszłego, wraz z określeniem warunków minimalnych w celu uzyskania samobilansującej się mikrosieci. Analiza ta pozwoli na określenie optymalnego kierunku rozwoju oraz wpływu nowych technologii (system wirtualnej elektrowni, magazyny energii, sieć DC) na rozwój samobilansujących się obszarów energetycznych. Na rysunku 3 została przedstawiona dynamika wzrostu mocy OZE w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym.

Definicja mikrosieci

Program badawczy Unii Europejskiej definiuje pojęcie mikrosieci w następujący sposób³ :

„Mikrosieć jest połączeniem systemu dystrybucyjnego z rozproszonymi źródłami energii elektrycznej wraz z magazynami i elastycznymi odbiorcami. System taki może operować w autonomiczny sposób, jeśli zostaną odłączony od sieci (wyspowy) oraz nieautonomiczny w funkcji połączenia z siecią (synchroniczny).”

Głównymi wnioskami, które można wyciągnąć z tej definicji są:

• Integralną częścią mikrosieci są magazyny energii, rozproszone źródła energii oraz konsumenci zlokalizowaniu w lokalnych systemach dystrybucyjnych.
• W koncepcji mikrosieci położony jest nacisk na fizyczne możliwości lokalnego przesyłania energii elektrycznej do odbiorców z uwzględnieniem ich lokalizacji i miejsca wytwarzania energii. Ten rodzaj sieci jest umieszczany przeważnie na poziomie sieci nN i odróżnia je od innych projektów np. Wirtualnych Elektrowni
• Mikrosieć powinna być w stanie pracować w stanie normalnym (tryb synchronizacji z siecią) oraz awaryjnym (tryb wyspowy).

Przez większość czasu instalacja będzie operowała w funkcji podłączenia do sieci, pracując w trybie synchronizacji z nią, przez co będzie mogła świadczyć lub być odbiorcą usług systemowych takich jak regulacja: napięcia, częstotliwości oraz mocy biernej. W przyszłości takie instalacje będą mogłyby być porównywane również do instalacji budowanych na wyspach, ponieważ będą operowały w podobny sposób, jako niezależne od siebie obszary, które będą w stanie same się bilansować. W przypadku takiego bezawaryjnego funkcjonowania w trybie wyspowym mikrosieć musi mieć zapewnioną odpowiednią moc źródeł energii, jak i pojemność magazynów energii.

Mikrosieć w przeciwieństwie do sieci pasywnej spenetrowanej przez rozproszone źródła energii umożliwia zarządzanie i optymalizację dostępnych jednostek wytwórczych. Zatem jest czymś więcej niż tylko agregatorem małych wytwórców energii lub usługodawców sieciowych (tak jak w koncepcji Wirtualnych Elektrowni dostępnych na rynku), ponieważ zapewnia kontrolę, monitoruje parametry fizyczne oraz optymalizuje pracę zmniejszając przy tym emisje. Mikrosieci zawierają wszystkie te funkcjonalności i służy jednocześnie celom ekonomicznym, technicznych i środowiskowym zarówno obiorców, jak i jej operatorów.

Dystrybucja energii elektrycznej przechodzi zmiany, które w najbliższym czasie będą się intensyfikowały. W następujących punktach zostały wyszczególnione te najważniejsze:

• Umieszczanie rozproszonych źródeł OZE oraz innych źródeł energii małych mocy w systemie elektroenergetycznym, które będą samosterowane albo sterowalne przez lokalnego operatora sieci dystrybucyjnej,
• Umożliwienie zarządzanie popytem, poprzez inteligentne opomiarowanie oraz komunikację z użytkownikiem końcowym sieci,
• Zwiększanie korzyści z technologii już zaaplikowanych w systemie dystrybucyjnym, takimi jak dynamiczna kontrola urządzeń w celu zapewnienia wyższego poziomu niezależności energetycznej, jakości i bezawaryjności.

Generalizując sieć dystrybucyjna przechodzi transformacje z sieci pasywnej, nie wpływającej na pracę odbiorców oraz innych urządzeń zainstalowanych do sieci aktywnej, współpracującej z użytkownikami oraz umożliwiającej dwukierunkowe przepływy energii. Główną jej funkcją zaczyna być już nie tylko łączenie wytwarzania energii elektrycznej z konsumentami, ale optymalizacja, sterowanie elementami oraz zabezpieczenie dostaw energii.

Realizacja tych zadań wymaga implementacji nowych rozwiązań, jednym z których może być mikrosieć. Ma możliwość ona stać się w przyszłości „elementami budowalnymi” lub „małymi klockami”, na których będzie zbudowana nowoczesna sieć elektroenergetycznej. Implementacja mikrosieci wydzieli oddzielne klastry, które będą mogły być nadrzędnie zarządzane przez centralny system tworząc obszary dystrybucyjne. Z tego powodu organizacja mikrosieci oparta jest na nowych możliwościach kontroli oferowanej przez digitalizację, nowe technologie oraz magazyny energii elektrycznej takie jak np. mikrogeneratory, mikroturbiny, ogniwa paliwowe, kondensatory, magazyny energii oraz sterowalne zużycia jak np. ładowarki do samochodów elektrycznych. Te możliwości kontrolne oraz fakt, że mikrosieć sieci z definicji powinna mieć możliwość operowania w trybie wyspowym umożliwiają jej pracę nawet w przypadku awarii sieci przesyłowej lub dystrybucyjnej zapewniając bezpieczeństwo dostaw energii dla użytkowników.

Budowa mikrosieci może spełnić oczekiwania jednocześnie konsumentów oraz producentów. Z punktu widzenia użytkownika, mikrosieci mogą nie tylko zapewnić zapotrzebowanie na energię cieplną oraz energetyczną, jak i zwiększyć bezpieczeństwo dostaw, ale także obniżyć potencjalne koszty, takie jak np. koszty dystrybucji czy emisyjności energii elektrycznej oraz ciepła. Z perspektywy operatora sieci dystrybucyjnej, mikrosieć może być traktowana jako zagregowane źródła pełniące funkcje jednej pojedynczej, sterowalnej jednostki oferujące poza wytwarzaniem energii usługi systemowe.

Korzyściami ekonomicznymi mikrosieci jest przede wszystkim lokalna utylizacja ciepła odpadowego powstała podczas konwersacji energii oraz zmniejszenie strat przesyłowych. Ze strony operatora sieci generacja blisko zużycia może zmniejszyć przepływy energii i lepiej określić okręgi dystrybucyjne, zwalniając przy tym dodatkowe moce wytwórcze. Obie te aplikacje mikro-utylizacji oraz mikro-instalacji mogą zmniejszyć emisje dwutlenku węgla, który jest kluczowy w walce ze zmianami klimatycznymi.

Dzięki łączeniu strony popytu wraz ze stroną zapotrzebowania mikrosieci mogą zapewnić szeroki wachlarz korzyści ekonomicznych, technicznych oraz środowiskowych dla wszystkich interesariuszy. W porównaniu do innych modeli np. prosumenckich (z mikrowytwarzaniem), mikrosieci umożliwiają wysoką elastyczność i są najlepszą motywacją dla użytkowników do uczestnictwa we wspólnej platformie, umożliwiając oferowanie nowego rodzaju usług.⁴

Urządzenia w mikrosieci

Przez ostatnią dekadę rozwój rozproszonych jednostek wytwórczych był w fazie ciągłego rozwoju. Jednostki wytwórcze do zostały przeważnie przyłączone do sieci przesyłowej wysokiego napięcia, która służyła do przesyłania energii elektrycznej na duże odległości. Tak jak przepływy mocy były przede wszystkim jednokierunkowe - od jednostki wytwórczej do użytkownika, a nie w drugą stronę.

Sytuację tą zmienił rozwój jednostek OZE oraz mikrogeneracji takiej jak mikroturbiny, fotowoltaika, ogniwa paliwowe o niewielkich mocy, które mogą być podłączane bezpośrednio do sieci nN. Spowodowało to wytwarzanie energii elektrycznej także u odbiorców, co wymusiło inne rozpływy mocy w sieci elektroenergetycznych. W Polsce to operatorzy sieci dystrybucyjnych wydają pozwolenia na przyłączenie źródeł wytwórczych, a do sieci przesyłowej spółka Polskie Sieci Elektroenergetyczne. Przykładowy podział przyłączeń do sieci przedstawiono w tabeli 1. Zgoda na przyłączenie jednostek odbywa się na podstawie ekspertyzy, która zależy od rodzaju źródła, jego prądu zwarciowego oraz jakości energii dostarczanej przez te źródło. Procedura ta nie będzie tutaj opisana, ale została dokładnie wyszczególniona w artykule.⁵ Dokument na podstawie, którego odbywa się zezwolenie na przyłączenie do sieci energetycznej nosi nazwę “Warunki przyłączenia do sieci energetycznej” i zawiera najważniejsze informacje o technicznych informacjach przyłącza takich jak wymagane zabezpieczenia, systemy automatyki czy urządzenia pomiarowe.

Tabela 1 Przykładowe napięcia i źródła przyłączane do poszczególnych napięć znamionowych sieci⁶

Sieć	Najniższych napięć	Średnich napięć	Wysokich napięć	Najwyższych napięć
Zakres napięć	<1kV	3 kV, 6 kV, 10 kV, 15 kV, 20 kV, 30 kV, 40 kV, 60 kV	110 kV, 220 kV	400 kV 750 kV
Zakres mocy	<100 kW, prosumenckie instalacje fotowoltaiczne, ładowarki elektryczne	Ustalane indywidualnie, przyjmuje się, że < 60 MW	Duże źródła wytwórcze	Największe jednostki, linie przesyłające moc na duże odległości

Wraz z rozwojem takich jednostek wytwórczych przyłączonych do sieci nN nie może już być ona uważana za pasywny element. Wpływ mikrogeneracji nie powinien być już pomijany i bilansowanie w zakresie źródeł odnawialnych jest kluczowe dla utrzymania stabilności sieci, jakości energii elektrycznej oraz optymalizacji jednostek wytwórczych centralnie dysponowanych.

Podsumowanie

Mikrosieć jest pojęciem nowym i do jeszcze niedawna nie spotykamnym w legislacji ani literaturze. Częstość jej występowania aktualnie świadczy o wysokich nadziejach jakie może przynieść jej implementacja. W typowej mikrosieci głównym celem kontroli i zarządzania jest przeniesienie korzyści na wiele poziomów - zaczynając od regulacji napięcia sieci dystrybucyjnej, aż po świadczenie usług systemowych. W przyszłości samobilansujące się obszary dadzą możliwość operatorowi sieci zarządzania jedynie kilkoma obszarami połączonymi bezpośrednio do sieci.