Klastry energii jako niezbędny element zmian modelu polskiej energetyki

System energetyczny [SE], rozumiany jako zbiór wszystkich uczestników rynku wraz z istniejącymi między nimi relacjami i powiązaniami, realizować powinien cel zabezpieczenia bezpieczeństwa energetycznego, rozumianego jako zdolność do dostarczenia niezbędnej jakości i ilości energii elektrycznej [ee], wynikającej z zapotrzebowania odbiorców, realizowanego po optymalnym i efektywnym koszcie oraz uwzględniającego aspekty wpływu na środowisko naturalne. W triadzie celów: bezpieczeństwo energetyczne – cena energii – środowisko naturalne, najważniejsze jest bezpieczeństwo energetyczne, obwarowane dwoma pozostałymi celami systemowymi. SE tworzy obszar wytwórczy, obszar przesyłu (dystrybucji energii), obszar odbiorców oraz obszar odpowiedzialny za obrót energią elektryczną.

Od energetyki scentralizowanej do rozproszonej

W tradycyjnej energetyce systemowej ee wytwarzana jest w jednostkach wytwórczych dużych mocy, posiadających centralny i sterowalny charakter. W tym modelu energetyki, generacja systemowa [GS] dostosowuje wielkość produkcji do zapotrzebowania, a niezbilansowanie mocy pokrywane jest z zaplanowanej rezerwy mocy, której jedynym dysponentem są jednostki wytwórcze centralnie dysponowane. Wobec wzrostu zapotrzebowania na ee ponad możliwości techniczne GS, instalowane są kolejne bloki energetyczne wysokich mocy. Z uwagi na relację nakładów inwestycyjnych do wytworzonej ee, najpowszechniejszą technologią GS jest wytwarzanie ee w wyniku spalania paliw kopalnych, tj. węgla kamiennego, brunatnego i gazu. Innymi powszechnie występującymi technologiami jest technologia atomowa oraz wielkoskalowe instalacje hydroenergetyczne [1]. O tym, jaka technologia funkcjonuje w konkretnym kraju – decydują uwarunkowania lokalne, przede wszystkim dostępność surowca, czy uwarunkowania geograficzne. Najczęściej występuje model miksu różnych technologii, tworzących razem GS. Z obszarem wytwórczym ściśle związany jest obszar dystrybucji energii. Cechą charakterystyczną systemu przesyłowo-dystrybucyjnego jest jednokierunkowy przepływ mocy od GS, za pośrednictwem sieci najwyższych napięć poprzez sieci wysokiego, średniego i niskiego napięcia do odbiorców końcowych. Na kształt i topologię sieci krytyczny wpływ ma lokalizacja GS.

Energetyka rozproszona związana jest z rozwojem technologii wytwarzania ee w oparciu o energię słońca, wiatru, czy biogazu. W przeciwieństwie do energetyki systemowej, źródła wytwórcze nie mają krytycznych ograniczeń lokalizacyjnych.
W zdecydowanej większości przypadków, generacja rozproszona [GR] składa się z jednostek małych mocy (w Polsce przyjmuje się granicę generacji do 150 MW) i przyłączona jest do sieci średnich i niskich napięć. Nawiązując do jednego z wymienionych na wstępie celów SE, wytwarzanie ee przez jednostki GR, w przeciwieństwie do GS opartej na spalaniu paliw kopalnych, nie powoduje wzrostu emisyjności gazów cieplarnianych. Obok oczywistych zalet źródeł wytwórczych OZE, generacja oparta o energię słońca i wiatru, cechuje się niesterowalnym charakterem – ee wytwarzana jest przy sprzyjających warunkach atmosferycznych i nie przez całą dobę. Pomimo rozwoju technologii magazynowania energii, brak efektywnych rozwiązań zapewniających możliwość akumulowania nadwyżki wyprodukowanej ee ponad zapotrzebowanie i wykorzystanie jej w okresach, gdy GR jest nieaktywna. Dotyczy to zwłaszcza średnio i długoterminowego magazynowania energii. Dostępne obecnie technologie magazynowania ee cechują się wysoką kapitałochłonnością i w oparciu o obecne kryteria ekonomiczne, bardzo długim okresem zwrotu z kapitału. W przypadku lokalnej nadprodukcji ee przez jednostki wytwórcze GR, niewykorzystana nadwyżka ee trafia do sieci elektroenergetycznej i musi być przesłana do dalszych obszarów. W przeciwieństwie do jednokierunkowego rozpływu mocy w energetyce scentralizowanej, zwłaszcza w przypadku sieci niskich i średnich napięć, rozpływ mocy i energii w modelu energetyki rozproszonej ma charakter aktywny i dwukierunkowy.

Wobec przytoczonych powyżej konsekwencji sieciowych, szczególnego znaczenia nabiera konieczność lokalnego autobilansowania wytwarzania i zużycia ee. Równie ważne jest skrócenie odległości pomiędzy wytwórcą, a odbiorcą ee i ograniczenie transformacji ee pomiędzy różnymi poziomami napięć.    

Konsekwencje techniczne rozproszonej generacji powiązanej z lokalną konsumpcją energii

Jedną z przesłanek rozwoju energetyki rozproszonej w Unii Europejskiej jest intencja osiągnięcia zwiększenia samowystarczalności energetycznej, poprzez zastępowanie ee wytwarzanej z paliw kopalnych przez ee wytwarzaną w odnawialnych źródłach energii [OZE][2].

Wykorzystanie lokalnych zasobów energii odnawialnej jest nierozłącznie związane z instalacją rozproszonych OZE, w szczególności mikroinstalacji fotowoltaicznych. Tego typu OZE są zazwyczaj przyłączane do sieci 0,4 kV lub jeśli moc ich jest większa, do sieci SN. W przypadku znacznego nasycenia sieci dystrybucyjnej instalacjami OZE fakt ten implikuje szereg nowych, dotychczas niewystępujących problemów technicznych, związanych z eksploatacją i zarządzaniem pracą sieci dystrybucyjnej zarówno na napięciu Sn, jaki i 0,4 kV.

Zmiana sposobu pracy sieci z pracy o jednokierunkowym przepływie mocy (od GS do odbiorcy) do pracy dwukierunkowej (wynikającej z pracy OZE i wprowadzania nadwyżek generowanej energii czynnej w mikroinstalacjach PV do sieci dystrybucyjnej) powoduje, iż wartości odchyleń napięcia, szczególnie w sieciach 0,4 kV osiągają wysokie amplitudy. Operator sieci obowiązany jest do zapewnienia jakości ee, zgodnie z wymogami opisanymi w Rozporządzeniu Ministra Klimatu i Środowiska z dnia 22 marca 2023 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [3]. Do podlegających kontroli parametrów jakości ee należą: częstotliwość, wartość napięcia, wahania i skoki napięcia, przerwy w zasilaniu, napięcia przejściowe (pojawiające się chwilowo podczas włączania i rozłączania elementów sieci przesyłowej), asymetria napięcia zasilającego, harmoniczne napięcia i prądu.

W skrajnych przypadkach, przy wysokiej generacji (w szczególności w sieciach 0,4 kV, do których została przyłączona nadmierna liczba mikroinstalacji PV) wartości napięć przekraczają maksymalne wartości dopuszczane (Un +_10%), co skutkuje wyłączaniem generacji. Działania Operatora Systemu Dystrybucyjnego [OSD], mające na celu ustabilizowanie opisanych wyżej fluktuacji poziomu napięcia przekładają się na sterowanie pracą sieci, poprzez realizację czynności łączeniowych, takich jak: rekonfiguracja topologii sieci, sterowanie przepływami mocy czynnej i mocy biernej, regulacja poziomu napięcia biegu jałowego transformatorów dystrybucyjnych. Często działania tego rodzaju są daleko niewystarczające i zmuszają OSD do inwestycji w zakresie zwiększenia przepustowości i sztywności sieci.

Inną metodą niwelującą lub istotnie ograniczającą opisany wyżej problem lokalnej generacji jest powiązanie i skorelowanie lokalnej GR z lokalnym rozproszonym poborem energii. Energetyka rozproszona (nazywana też rozproszonym zasobem energetycznym), powinna być rozpatrywana jako synergiczne współdziałanie czterech obszarów: użytkowania energii, jej magazynowania, reakcji strony popytowej oraz efektywności energetycznej [4]. Narzędziem implementacji energetyki rozproszonej są klastry energii, promujące ideę energetyki obywatelskiej [5]. Poza głębokim uzasadnieniem technicznym potrzeby tworzenia klastrów energii, istotną rolę grają też przesłanki o charakterze gospodarczym i społecznym.

Zgodnie z zapisami Ustawy z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii [6], obszar działania klastra energii został ograniczony do granic jednego powiatu lub 5 gmin w ramach sieci dystrybucyjnej o napięciu znamionowym niższym niż 110 kV.

Tak zdefiniowany, wyłącznie w oparciu o kryterium geograficzne, obszar działania klastra energii skutkuje tym, że odległości pomiędzy uczestnikiem klastra będącym wytwórcą energii, a odbiorcą mogą przekraczać 50 km. Przy uwzględnieniu uwarunkowań polskich sieci dystrybucyjnych będzie to powodowało konieczność transformacji ee wytworzonej z OZE z poziomu 0,4 kV lub Sn na napięcie 110 kV, przesłanianie jej siecią OSD na napięciu 110 kV, a następnie ponowną transformację z poziomu 110 kV na Sn lub 0,4 kV, celem dostarczenia jej do odbiorcy. Fakt ten w sposób oczywisty ogranicza zakładany pozytywny wpływ klastra energii na odciążenie sieci i redukcję ograniczeń sieciowych. W rozważanym przypadku, nie będzie możliwe wyeliminowanie ograniczenia dostępnej mocy przesyłowej w węzłach transformacji Sn/110 kV, a funkcjonalność klastra energii ogranicza się do wirtualnej platformy handlu ee pomiędzy uczestnikami klastra.

Różnice pomiędzy sieciowym klastrem energii, a wirtualnym klastrem energii

Krajowa Izba Klastrów Energii i Odnawialnych Źródeł Energii [KIKE] zrzesza i reprezentuje podmioty funkcjonujące w obszarze rozproszonego wytwarzania energii, jej magazynowania, dystrybucji i obrotu, jak również podmioty prowadzące działalność naukową i rozwojową w obszarze energetycznym. Na podstawie praktycznych doświadczeń swoich członków, w tym podmiotów tworzących klastry energii, KIKE postuluje przyjęcie przez ustawodawcę zmian w istniejącej legislacji, polegających na rozróżnieniu klastrów energii na: „sieciowe klastry energii” i „wirtualne klastry energii”. Praktyczne doświadczenia podmiotów zaangażowanych w tworzenie i działalność klastrów energii potwierdzają tezy stawiane przez środowisko naukowe ponad pięć lat temu [5].

Na bazie tych doświadczeń KIKE wskazuje na potrzebę przyjęcia dodatkowego kryterium dotyczącego statusu sieci dystrybucyjnej, do której są przyłączeni uczestnicy klastra energii. Klaster energii zorganizowany na sieci dystrybucyjnej OSDn to jest operatora przyłączonego do KSE za pośrednictwem sieci nadrzędnego OSD (OSDp) nazywamy „sieciowym klastrem energii”.

Potrzeba odmiennego traktowania kastra energii przyłączonego do sieci OSDn wynika ze specyfiki topologii tego rodzaju sieci dystrybucyjnej. Sieci dystrybucyjne OSDn tworzą koherentne mikrosieci elektroenergetyczne (ang. micro-grid), na które składają się odbiorcy ee, mikro i małe jednostki wytwórcze (w szczególności OZE) i coraz częściej magazyny energii elektrycznej. Sieci te pracują synchronicznie z siecią nadrzędną, ich cechą charakterystyczną jest topologia drzewa oraz posiadanie tyko jednego funkcjonalnego połączenia z siecią nadrzędną.

W przypadku klastra sieciowego, wewnątrz mikrosieci OSDn przebiegają procesy fizycznego bilansowania mocy i energii czynnej, wytworzonej przez uczestników tego klastra będących producentami ee z energią pobieraną przez uczestników klastra będących odbiorcami ee.

Z wyżej opisanych powodów, fizyczne przepływy energii czynnej pomiędzy siecią OSDn, a Krajowym Systemem Energetycznym [KSE] są ograniczone o wolumen wynikający z lokalnej autokonsumpcji ee w ramach sieciowego klastra energii.

Model klastra sieciowego umożliwia wyższą efektywność dystrybucji energii, w szczególności w zakresie sieci Sn i 0,4 kV (etap ostatniej mili), jak też niskobudżetowe zmniejszanie ograniczeń sieciowych w zakresie przyłączania OZE.

Zarządzanie mikrosiecią, zarówno w aspektach technicznych (inteligentne lokalne sterowanie generacją OZE w różnych technologiach w powiązaniu z pracą magazynów energii), jak też równoważenia popytu i podaży lokalnie generowanej ee w płaszczyźnie zarządzania popytem, umożliwia uzyskanie synergii i zwiększenie efektywności zarówno sieci OSDn, jak i działań uczestników sieciowego klastra energii. Warto podkreślić w tym miejscu możliwość efektywnego technicznie, jak i ekonomicznie wykorzystania w sieciowych klastrach energii GR ee i ciepła wytwarzanego w małoskalowych jednostkach kogeneracyjnych, opalanych gazem ziemnym lub biogazem, a w przyszłości wodorem. Tego rodzaju jednostki w powiązaniu z magazynem biogazu (lub wodoru) stanowią przyszłościowe i bardzo atrakcyjne sterowalne źródło OZE z funkcją chemicznego magazynu energii, predysponowane do pracy w trybie pracy szczytowej [7].

W opinii KIKE wyżej opisane pożądane cechy, charakterystyczne dla sieciowych klastrów energii, powinny być przedmiotem lobbingu i wsparcia w ramach przyszłych prac legislacyjnych.

Podsumowanie

W opinii autorów wykazane zostały powyżej przesłanki celowości dążenia do tworzenia „sieciowych” klastrów energii, które będą platformą do tworzenia samobilansujących się mikro sieci, w których zasadnicza część ee będzie pochodzić z lokalnych OZE i kogeneracji.

W klastrach energii gaz ziemny oraz biogaz powinien być wykorzystywany jako paliwo dla wysokosprawnych, małoskalowych układów kogeneracyjnych, zaś tak wytworzona ee będzie służyć do bilansowania „sieciowych” klastrów energii w okresach niedoboru ee z jednostek wytwórczych PV i wiatrowych.

„Wirtualne” klastry energii, z uwagi na brak własnej infrastruktury sieciowej, nie wnoszą istotnej poprawy w zakresie ograniczenia przepływów mocy i energii w sieci OSDp i KSE.

Obecnie nie istnieją wspierające mechanizmy finansowe, zachęcające do tworzenia „Sieciowych” klastrów energii działających w oparciu o sieć OSDn. Postuluje się odciążenie taryfy dystrybucyjnej „sieciowych” klastrów energii poprzez zmniejszenie wartości części składowych w zakresie stawki jakościowej, stawki opłaty przejściowej, stawki opłaty OZE, stawki opłaty kogeneracyjnej oraz stawki opłaty mocowej.                    

Literatura:

1. World Energy Transitions Outlook 2023, IRENA.
2. Energy, E. U. „Transport and GHG Emissions: Trends to 2050.” Reference scenario (2013).
3. Rozporządzenie ministra klimatu i środowiska z dnia 22 marca 2023 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego.
4. „Rozwój zasobów rozproszonych energii – desygnat pojęcia i problematyka krajowa” – Tadeusz SKOCZKOWSKI, Sławomir BIELECKI, Krzysztof RAFAŁ, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, NR 6/2016.
5. „Klastry energii jako narzędzie budowy energetyki obywatelskiej” – Maciej Sołtysik, Zeszyty Naukowe Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią Polskiej Akademii Nauk rok 2018, nr 105, s. 21.
6. Ustawa z dnia 20 lutego 2015 r. o odnawialnych źródłach energii.
7. „Biogaz, biometan, BIOLNG czy BIOCNG – co opłaca się najbardziej?” – Marek Pituła, Jacek Dach, Raport Biogaz i Biometan w Polsce 2023 s. 50-55.

Autorzy: Mgr inż. Artur Kuźniacki, mgr Bartłomiej Borek, Krajowa Izba Klastrów Energii i OZE (artykuł z wydania 4/2023 „Nowa Energia”)

Fot. unsplash