Zapisz się na nasz newsletter i otrzymuj regularnie najświeższe informacje dotyczące Klastra 3x20 i OZE!
22 czerwca o godzinie 15:00 Sala Rady Wydziału Elektrycznego na Politechnice Śląskiej w Gliwicach wypełniła się słuchaczami ciekawymi najnowszych wieści dotyczących rozległych awarii sieci elektroenergetycznych i metod radzenia sobie z nimi, oceny ryzyka w innowacyjnej energetyce, zastosowania ogniw wodorowych w samochodach elektrycznych..., najnowszych metod magazynowania energii z elektrowni wiatrowych i połączeń transgranicznych jako źródeł mocy regulacyjnej dla elektrowni wiatrowych. Jeśli i Państwo są ciekawi zapraszamy do lektury relacji z przebiegu spotkania i do zapoznania się z prezentacjami prelegentów.
Kto sprawuje władzę nad URE?
Spoglądając wstecz na energetykę możemy zaobserwować jak powoli zmienia się strategia produkcji energii, zmieniają się również technologie, które do tej produkcji wykorzstujemy. W miejsce wielkiej energetyki wielkoskalowej wchodzą urządzenia, które prowokacyjnie zostały nazwane przez profesora Jana Popczyka „URE” (urządzenia rozproszonej energetyki). Ustawy, które w kluczowy sposób regulują sprawy energetyki rozproszonej są autorstwa Ministerstwa Infrastruktury, a są to m.in. :
Widząc, że prawna podstawa rozwoju OZE znajduje się w rękach Ministerstwa Infrastruktury, należy się zastanowić nad alokacją kompetencji właśnie w Ministerstwie Infrastruktury, gdyż na chwilę obecną takich kompetencji brakuje, co z kolei stanowi blokadę dla rozwoju dnawialnych źródeł energii.
Renta dla spóźnialskich
Gośćmi czerwcowego spotkania Konwersatorium Inteligentna Energetyka był zespół profesora Gerharda Bartodzieja z Politechniki Opolskiej, który zajmuje się bezpieczeństwem energetycznym i prawem, które w ich przekonaniu stanowi dzisiaj barierę dla rozwoju OZE. Przykładem niech będzie Ustawa o Ochronie środowiska (konkretnie fragment ustawy dotyczący odpadów), na mocy której do tej pory właścicielem odpadów były zakłady zajmujące się ich utylizacją. Nowelizacja ustawy nakłada obowiązek zagospodarowania odpadów na gminy. Mieszkańcy płacą gminie, a w zamian jej obowiązkiem jest zająć się każdym rodzajem odpadów, jakiego chce się pozbyć mieszkaniec gminy. Dzięki przejęciu odpowiedzialności za odpady na gminy możliwe jest budowanie instalacji unieszkodliwiania odpadów, gdyż zapewniony jest stały dopływ paliwa (odpadów), co gwarantuje gmina.
Kolejnym przykładem skutków złego ustawodawstwa jest brak energetyki na poziomie gmin. Przyczyną takiego stanu rzeczy jest fakt, że infrastruktura energetyczna (sieci elektryczne, ciepłociągi, gazociągi, sieci telekomunikacyjne), nie należy do gminy. Ustawa o samorządach zabrania inwestowania na nie swoich obiektach i w nie swoją infrastrukturę. To z kolei powoduje pewnego rodzaju schizofrenię, ponieważ gminy są zobowiązane do sporządzenia „Planów zaopatrzenia w energię elektryczną i ciepło”, a nie mają możliwości ich realizacji. Kluczem do sprawy jest partnerstwo publiczno – prywatne, jednakże tutaj przeszkodą jest głęboka nieufność społeczeństwa oraz CBA, które rejestruje każdy kontakt między samorządem a przedsiębiorcą.
Barier jest zatem kilka, ale każdą da się z pewnością pokonać, a kiedy wreszcie uporamy się z nimi i zaczniemy realizację kolejnych projektów z zakresu energetyki opartej na OZE okaże się, że nasze opóźnienie względem innych państw Unii Europejskiej umożliwia nam skorzystanie z tzw. „renty opóźnienia”, która pozwala na skorzystanie z nabytych przez inne kraje doświadczeń w zastosowaniu danych technologi i na tej podstawie wybór rozwiązań sprawdzonych. Zatem nawet spóźnialstwo może mieć swoje dobre strony.
Mądry Polak przed awarią
Problemy rozległych awarii sieci elektroenergetycznych, to ważny problem, o którego wadze uświadamiamy sobie najczęściej wtedy, kiedy ma już miejsce. Problem ten jest pzedmiotem badań prowadzonych na Politechnice Opolskiej przez doktora Michała Tomaszewskiego i koło naukowe infoVOLT, pod kierunkiem profesora Gerharda Bartodzieja.
Punktem wyjściowym do omówienia tego tematu było zdefiniowanie bezpieczeństwa energetycznego jako stanu gospodarki umożliwiającego pokrycie bieżącego i perspektywicznego zapotrzebowania odbiorców na paliwa i energię, w sposób technicznie i ekonomicznie uzasadniony, przy minimalizacji negatywnego oddziaływania sektora na środowisko i warunki życia społeczeństwa. Do zapewnienia bezpieczeństwa, jak mówiła Pani Agnieszka Bartyla – studentka IV roku informatyki na Politechnice Opolskiej, potrzebna jest równowaga pomiędzy filarem systemowym (odgórnym) a filarem lokalnym (oddolnym), który stanowią miasta, gminy i osiedla.
Kiedy wydarzy się awaria, jej skutki mogą być trojakiego rodzaju:
W przypadku dwóch pierwszych typów awarii skutki są możliwe do przewidzenia, trzeci typ niestety nie pozostawia takiej możliwości z uwagi na fakt, że jego przyczyna są ekstremalne zjawiska atmosferyczne. Przykładem jest awaria w województwie opolskim – styczeń 2010r.
Jeżeli dojdzie do awarii, wówczas na obszarze, który ona obejmuje wprowadza się zarządzanie kryzysowe, które polega na uruchomieniu przedsięwzięć organizacyjnych, logistycznych i finansowych dla skrócenia czasu przerw i ograniczeń w dostawie energii elektrycznej oraz zmniejszenia skutków ekonomicznych i społecznych kryzysu. Działania te mają głównie na celu zapewnienie bezpieczeństwa osób, które zostały dotknięte awarią.
Elementy zarządzania kryzysowego można podzielić na dwie grupy:
Pomocą w każdej fazie zarządzania kryzysowego są systemy teleinformatyczne, które umożliwiają m.in. szybkie zbieranie danych, łączenie informacji z różnych źródeł i filtrację danych. Wszystko to pozwala na skrócenie czasu reakcji na zdarzenie poprzez opracowanie:
Kryzys jest niemożliwy do opanowania jedynie przez operatorów spółek przesyłowych oraz spółek dystrybucyjnych dlatego istotne jest zorganizowanie wspólnego systemu zarządzania obejmującego służby:
Sprawne i szybkie działanie przedsiębiorstwa w czasie kryzysu wymaga przygotowań obejmujących wszystkie obszary działań przedsiębiorstwa przesyłowego. Działania te powinny uwzględniać systemy teleinformatyczne. Bezpieczeństwo elektroenergetyczne lokalne może być utrzymane m.in. dzięki:
System taki powinien definiować struktury organizacyjne, czyli podmioty, zakres ich odpowiedzialności, reguły współdziałania (procedury), sposób finansowania oraz komunikację z mediami i społeczeństwem w czasie kryzysu. Jego zastosowanie pozwoli na minimalizację szkód towarzyszących awariom sieci elektroenergetycznych i na bycie przygotowanym i mądrym przed awarią, co biorąc pod uwagę koszty likwidacji szkód po awariach, jest opłacalne.
Ryzyko mniej ryzykowne
Każda inwestycja wiąże się z pewnym ryzykiem, również inwestycja w OZE nie różni się tu nazbyt od pozostałych. W przypadku źródeł odnawialnych wydłuża się perspektywa inwestycyjna, co powoduje wzrost ryzyka inwestycyjnego głównie z uwagi na niestabilne przepisy prawne. Jak mówił Pan Bogdan Ruszczak inwestycje w odnawialne źródła energii mogą być analizowane na trzech poziomach:
Ryzyko w dzisiejszych czasach stało się dużo bardziej przewidywalne niż kiedyś, istnieją bowiem metody służące do oceny ryzyka, a jedną z nich jest „metoda symulacji przepływów finansowych z uwzględnieniem czynników ryzyka”, która pozwala nam w jednej analizie wziąć pod uwagę wiele czynników ryzyka. W metodzie tej definiujemy za pomocą zmiennych losowych wydarzenia, które mogą towarzyszyć konkretnym przepływom (skutek finansowy – przychód lub koszt). W symulacji możliwe jest uwzględnienie zmiany wartości pieniędzy w czasie. Metoda działa wg schematu, który dla konkretnego rozmiaru inwestycji, i jej elementów składowych, symuluje warunki, które mogłyby zajść. Działanie przedstawionej metody zostało sprawdzone na przykładzie farmy wiatrowej. W tym przypadku jako elementy losowe wybrano:
Metoda może być wykorzystana do analizy ryzyka związanego również z innymi źródłami energii.
Analiza taka warta jest przeprowadzenia z uwagi na fakt, że obrazuje ona jak przedstawiają się wyniki finansowe danej inwestycji. Ponadto wynikiem analizy są również strategie postępowania w danej sytuacji, które inwestor powinien brać pod uwagę. Opisywana metoda pozwala na sprawdzenie:
Dzięki temu możliwe jest zarządzanie ryzykiem inwestycyjnym, co sprawia, że staje się ono mniej ryzykowne.
Spaliny czyste jak para wodna
Pomysł użycia ogniw wodorowych w samochodach elektrycznych narodził się z powodu takich ich cech, jak duża czystość pracy (produkt uboczny, to para wodna) i wysoka sprawność energetyczna. Obecnie technologia ta jest mocno rozwijana w krajach takich jak Japonia, USA oraz kraje Unii Europejskiej, a jej wdrożenie planuje się na rok 2015. Samochód elektryczny napędzany ogniwem wodorowym wyróżnia się takimi elementami konstrukcji jak ogniwo wodorowe i zbiornik z wodorem, które nie występują w tradycyjnych pojazdach elektrycznych.
Targi Hannover Messe 2010, w których uczestniczyli Marcin i Łukasz Kordasowie i na których zostały zaprezentowane samochody napędzane ogniwem wodorowym, odbyły się w dniach 20-24 kwietnia 2010. Głównym tematem targów były ogniwa paliwowe, a całość ekspozycji została rozlokowana na terenie 20 hal wystawowych.
Samochody pokazane w czasie targów to m.in.:
Zaletą ogniw wodorowych wykorzystywanych do napędu samochodów elektrycznych jest łatwość tankowania (wymiana butli z wodorem). W przypadku samochodów elektrycznych akumulatorowych mamy do czynienia z problemem spadku sprawności wraz ze wzrostem czasu eksploatacji akumulatorów, co powoduje, że możliwość przyjazdu na stację ładowania i wymiana akumulatorów jest na chwilę obecną nieopłacalna ponieważ kierowca z nowym wyczerpanym akumulatorem mógłby otrzymać akumulator starszy o niższej sprawności. Zatem taki akumulator musi zostać naładowany, co kolei zajmuje dużo więcej czasu niż wymiana butli z gazem. Pomimo różnic między samochodami zasilanymi z akumulatorów i ogniw paliwowych istnieje również ich wspólna wada – cichość. Kwestia ta ostatnimi czasy zaprząta głowy naukowców, gdyż przyzwyczajone do pojazdów „dźwiękowych” społeczeństwo może mieć problem z poruszaniem się wśród samochodów, które dźwięków nie wydają (wiele osób przed wejściem na jezdnię powstrzymuje jedynie odgłos zbliżającego się pojazdu). Odpowiedzią na ten problem ma być instalowanie w samochodach elektrycznych urządzenia emitującego dźwięk samochodu spalinowego i to nie byle jakiego, sięgnięto bowiem po „pomruki” z najwyższej półki i do wyboru są dźwięki wydawane przez Ferrari, Porshe i Lamborgini.
Energia zaklęta w sprężonym powietrzu
Rozwój elektrowni wiatrowych na świecie odbywa się bardzo prężnie. Obecnie co roku przyrost mocy w elektrowniach wiatrowych sięga 30%, a największe moce znajdują się na terenie USA: 25 GW i w Niemczech: 24 GW. Z końcem roku 2009 w elektrowniach wiatrowych na świecie zainstalowane było 157 GW mocy elektrycznej. Niestety stochastyczność energii wiatru powoduje, że zainstalowana moc nie odpowiada tej, którą otrzymujemy w rzeczywistości ze źródeł wiatrowych. Pojawia się zatem zagadnienie związane z magazynowaniem energii z wiatru, na które odpowiedzią mogą być elektrownie szczytowo – pompowe połączone z fermami wiatrowymi lub systemy CAES (compressed air energy storage).
Systemy CAES są układami, które umożliwiają magazynowanie energii w sprężonym powietrzu. Zbiorniki powietrza z uwagi na swoje ogromne wymiary i koszty mają konstrukcję naturalną, np. kawerny solne, formacje skalne po warstwach wodonośnych. Działanie układu CAES polega na wykorzystaniu energii produkowanej poza szczytem przez turbiny wiatrowe do napędu sprężarek, które sprężają powietrze do ciśnienia 7 MPa. Czynnik jest następnie chłodzony w chłodnicy i magazynowany w zbiornikach. Kiedy zapotrzebowanie na energię jest szczytowe, wówczas sprężone powietrze wraz z paliwem (np. gazem ziemnym) wykorzystuje się do napędu turbiny gazowej. Sprawność takiego układu rozumiana jako ilość energii oddana przez układ do sieci, do ilości energii dostarczonej do układu w postaci sprężonego powietrza oraz w energii chemicznej paliwa, wynosi w zależności od rodzaju układu:
W układzie CAES sprężarki zasilane są przez turbiny wiatrowe pracujące w czasie niskiego zapotrzebowania na energię elektryczną. Natomiast sprzedaż prądu odbywa się w czasie zapotrzebowania szczytowego, kiedy cena prądu jest na poziomie, przy którym opłaca się uruchamiać elektrownie CAES połączone z farmami wiatrowymi. Układ taki wymaga odpowiedniej lokalizacji (specjalne formacje geologiczne i właściwe warunki wietrzne. Oczywiście przesył energii z farm wiatrowych do elektrowni CAES, na większe odległości jest możliwy, trzeba się jednak liczyć z kosztami transmisji. Ważne jest aby móc określić przy jakiej cenie energii elektrycznej opłaca się uruchamiać elektrownie CAES. Pod uwagę należy wziąć zmienność związaną z występowaniem energii wiatru, oraz zmienność cen energii. W takich badaniach warto wspomóc się oprogramowaniem, które umożliwi określenie kosztów granicznych technologii CAES połączonej z farmą wiatrową. W swoich dotychczasowych badaniach doktor Wojciech Radziewicz zrealizował model elektrowni wiatrowej, składającej się z 5 modułów, który umożliwia kalkulację długookresowego wyniku finansowego uwzględniając koszty zewnętrzne, a w tym także koszty zewnętrzne, ryzyko cen, koszty przyłączenia do sieci, koszty kapitału, procesy sprężania, regulacje prawne, również rynek pracy. W oparciu o przedstawiony model doktor Wojciech Radziewicz przygotował oprogramowanie „Farma Wiatrowa 2.5”, które obejmuje blok danych wejściowych, blok energii elektrycznej oraz blok kalkulacyjny. W poszczególnych modułach programu definiujemy takie wielkości jak:
Oprogramowanie umożliwia:
Moduł przychodów w programie obejmuje predykcję cen sprzedaży energii elektrycznej oraz cen sprzedaży zielonych certyfikatów z technologii odnawialnych (do zastosowania w przypadku wykorzystania trzech technologii farmy wiatrowej, CAES i biogazowni). Model i oprogramowanie dedykowane są analizie technologii wiatrowej, ale może zostać wykorzystane do wstępnej analizy połączenia dwóch technologii (taką przykładową kalkulację wykonano dla fermy wiatrowej połączonej z technologią CAES).
Przykładem już zrealizowanej elektrowni typu CAES jest elektrownia Huntorf w Niemczech, w której wykorzystuje się dwie kawerny o pojemności 150 000 m3, ciśnienie powietrza waha się w granicach 5-7 MPa, moc zainstalowana to 290 MW. Pierwsze elektrownie tego typu powstały w latach 70' w Niemczech jako elektrownie rozruchowe dla elektrowni jądrowych. Koszty inwestycyjne w przeliczeniu na 1 MW mocy są porównywalne z kosztami elektrowni szczytowo pompowych.
Elektrownia Huntorf w Niemczech
Za budową elektrowni CAES przemawia to, że:
Wady tej technologii, to:
Nie wszędzie są warunki umożliwiające sprawdzonych już elektrowni szczytowo-pompowych, nie wszędzie są również miejsca odpowiednie dla lokalizacji elektrowni CAES. Mając jednak wybór w technologiach zawsze uda się do danej lokalizacji dobrać coś odpowiedniego, a dobierać trzeba, bo elektrownie wiatrowe powstają, zatem w ślad za nimi muszą powstawać też odpowiednie magazyny energii.
Regulacja mocy przy wykorzystaniu połączeń transgranicznych
Zgodnie z opublikowanym w grudniu 2009 roku raportem Europejskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej Polska postrzegana jest jako kraj z dużymi możliwościami rozwoju energetyki wiatrowej, w którym szacuje się coroczny przyrost mocy wiatrowej na poziomie 1000 do 2000 MW. Polityka energetyczna Polski zakłada natomiast moc z elektrowni wiatrowych na poziomie 18000 GWh w roku 2030. Na podstawie szacowanego na poziomie 2000 godzin rocznie czasu wykorzystania elektrowni wiatrowych PSE Operator szacuje moc zainstalowaną w farmach wiatrowych na poziomie 6000 MW w roku 2020 i 8000 MW w roku 2030.
Jak mówił Pan Rafał Pałka instalacja turbiny wiatrowej na danym obszarze wiąże się z ustaleniem warunków lokalnej wietrzności. Szacuje się, że w Polsce ok. 75% obszarów, z uwagi na częstotliwość i siłę wiatrów, nadaje się do instalacji elektrowni wiatrowych. Użyteczne prędkości wiatru: 4 – 10 m/s występują przez ok. 300 dni w roku.Obecnie najwięcej farm wiatrowych zlokalizowanych jest w województwach zachodniopomorskim i pomorskim.
Praca elektrowni wiatrowych (pomimo faktu, że wiatr jest zjawiskiem zmiennym zatem energię możliwą do uzyskania z wiatru możemy przewidzieć jedynie z pewnym prawdopodobieństwem) powinny, w miarę możliwości, utrzymywać się na tym samym poziomie. Zatem jeżeli następuje spadek zapotrzebowania na energię elektryczną w systemie, wówczas należałoby zmniejszyć produkcję mocy w elektrowniach konwencjonalnych lub eksportować nadwyżki mocy aby elektrownie wiatrowe pracowały na tym samym poziomie. Czas reakcji na spadek zapotrzebowania na energię elektryczną w systemie oznaczamy jako Δ t (powinien on być jak najkrótszy). Jeżeli zapotrzebowanie na moc w systemie rośnie wówczas potrzebna energia pozyskiwana jest ze źródeł rezerwowych lub z sąsiednich systemów.
System wyposażony w elektrownie wiatrowe może być regulowany poprzez:
Dania jest jednym z krajów o największym nasyceniu energetyką wiatrową. W zachodniej części Danii elektrociepłownie oraz elektrownie wiatrowe dostarczają ponad 50% energii, taki stan doprowadził do kilku sytuacji przeciążenia sieci. Obecne bilansowanie sieci, które posiada Dania oparte jest na połączeniu z innymi obszarami, które posiadają jednostki produkcyjne innego rodzaju. Nadmiar energii który powstaje może być eksportowany do Szwecji, Norwegii i Niemiec. Ważne jest jednak aby nadwyżka energii nie była większa od pojemności sieci importujących, gdyż może dojść do tzw. krytycznego przeciążenia sieci, które mogą skutkować powstaniem zakłóceń w sieci oraz załamaniem całego systemu.
Wpływ elektrowni wiatrowych na system elektroenergetyczny powinien być poddany szczegółowej analizie z uwagi na fakt, że czynnik napędzający (wiatr) jest zmienny i mało stabilny. Dlatego też generacja mocy w źródłach wiatrowych jest nieprzewidywalna, co powoduje, że wraz ze zwiększeniem ilości mocy zainstalowanej w źródłach wiatrowych ich wpływ (globalny i lokalny) na system elektroenergetyczny jest bardziej odczuwalny. Przyszły rozwój i wykorzystanie energetyki wiatrowej w Polsce uzależnione jest od zdolności przesyłowych w oraz od precyzyjnego prognozowania produkcji i zapotrzebowania na energię elektryczną.
Zachęcamy do zapoznania się z prezentacjami prelegentów.
Kolejne spotkanie - VII odbędzie się po wakacjach 28 września. Spotkanie poświęcone będzie Integracji źródeł rozproszonych z instalacjami odbiorców i siecią elektroenergetyczną. Referaty wygłaszać będą prof. K. Gierlotka, dr E. Siwy, A. Sielski, J. Kurpas.
Zapraszamy!
Tekst:
Karolina Wieczorek
Biuro Klastra 3x20
Dodaj nową odpowiedź