w mikrosieciach energetycznych
2. Prosument w mikrosieci elektrycznej
2.3. Decyzje dotycząc e wytwarzania energii elektrycznej
Energia pochodząca z elektrowni wiatrowych to nieco ponad 1% wyprodukowa-nej energii w polskim systemie elektroenergetycznym (PSE Operator S.A.). Gene-rowanie mocy przez turbiny wiatrowe można traktować jako proces losowy (Popław-ski, Dąsal, Łyp 2009). Kompleksowy raport projektu ANEMOS.plus (Giebel i in.
2 0011) wskazuje, że charakterystyczną cechą produkcji energii elektrycznej w elek-trowniach wiatrowych jest zmienność i gwałtowność wiatru. Wynikają z tego dwa główne wyzwania. Pierwsze, jest związane z koniecznością odpowiedniego zarządza-nia (np. włączazarządza-nia i wyłączazarządza-nia) turbiną wiatrową w zależności od siły wiatru. Dru-gie wyzwanie polega na wprowadzeniu wytworzonej energii do sieci, mając na wzglę-dzie stabilność sieci i niestabilność produkcji energii w elektrowniach wiatrowych.
Dokładność prognoz wytwarzanej mocy przez turbiny wiatrowe jest skorelowana silnie z dokładnością prognozy meteorologicznej prędkości wiatru i obarczona jest znacznym błędem prognozy (Popławski, Dąsal, Łyp 2009). Obecnie dostępne są źródła, które umożliwiają dostęp do takiej prognozy nawet z rozdzielczością siatki 4 × 4 km z 48-godzinnym wyprzedzeniem (por. http://meteo.icm.edu.pl). Istnieją także źródła internetowe, które zawierają dane pogodowe, pochodzące ze stacji meteorologicznych na lotniskach4.
Wraz ze wzrostem prędkości wiatru moc wiatraka rośnie, potem zaczyna rosnąć coraz wolniej, by osiągnąć stały poziom (moc znamionową wiatraka). Punkt, w któ-rym wiatrak osiąga moc znamionową, tzw. punkt prędkości znamionowej. Z reguły znajduje się on przy prędkości wiatru 11–16 m/s. Innymi charakterystycznymi punk-tami na krzywej mocy, to punkt startu (ang. cut-on), wyznaczający prędkość wiatru, przy której włączana jest elektrownia i śmigła zaczynają się obracać (z reguły jest to prędkość wiatru na poziomie 3–5 m/s) oraz punkt wyłączenia (ang. cut-off), okre-ślający prędkość, przy której turbiny są wyłączane (z reguły 25–30 m/s). Istnienie punktu wyłączenia uwarunkowane jest bezpieczeństwem pracy turbiny, wytrzymało-ścią konstrukcji, wirnika i generatora.
Innym źródłem energii, ważnym z punktu widzenia polskiego rynku energii elek-trycznej są elektrownie wodne. W 2011 roku pochodziło z nich 1,55% wyproduko-wanej energii (PSE Operator S.A.). Produkcja energii elektrycznej w elektrowniach wodnych jest względnie niezależna od czynników pogodowych. Istniejące na rynku
4 Na przykład dane pogodowe dla Poznania z ostatniego roku, zob. http://weather.gladstone-family.net/cgi-bin/wxobservations.pl?site=EPPO&days=365.
turbiny wodne charakteryzują się jedynie zmienną tolerancją na zmiany przepływu oraz zmiany spadu. W większości produkcja energii w elektrowniach wodnych zależy od decyzji prosumenta.
Biopaliwa stałe mogą być wykorzystane w sposób przemysłowy i przydomowy.
W obu przypadkach jednym z rodzajów wytwarzanej z biomasy energii może być energia elektryczna. Ilość tak wytwarzanej energii zależy od dostępności biopaliw oraz decyzji osób zarządzających. Tym samym trudno zidentyfikować zmienne, które mają wpływ na wytwarzanie energii z biomasy, choć samo wytwarzanie takiej bio-masy wydaje się być istotne w modelu prosumenta na rynku energii.
Energia słoneczna charakteryzuje się dużą zmiennością dobową, miesięczną i roczną. Nasłonecznienie to suma natężenia promieni słonecznych na danej powierzchni w danym czasie – podaje się je w jednostkach energii odniesionych do powierzchni, np. kWh/m2. W miesiącach zimowych jest ono nawet siedmiokrotnie mniejsze niż w miesiącach letnich (w czerwcu i lipcu do 150 kWh miesięcznie na m2, natomiast w grudniu i styczniu mniej niż 25 kWh miesięcznie na m2). Ponadto nasło-necznienie zależy od takich czynników, jak ekspozycja terenu (przykładowo, wiosną śnieg szybciej topnieje na południowych zboczach gór). Innym istotnym parame-trem w przewidywaniu możliwości wykorzystania energii słońca jest usłonecznie-nie, czyli liczba godzin, w ciągu których dociera bezpośrednie promieniowanie sło-neczne. Dopiero usłonecznienie, a nie nasłonecznienie, uwzględnia długość dnia, związaną z położeniem geograficznym, porą roku oraz warunki pogodowe.
Najczęstszym sposobem przekształcania energii słonecznej w energię elektryczną jest zastosowanie ogniw fotowoltanicznych; głównie (w około 80%) ogniw wyko-rzystujących kryształy krzemu (Latała, Kurpaska 2011). Sprawność takich źródeł szacuje się zwykle na od 12 do 15% (PSE Operator S.A.). Natomiast około 20%
wykorzystywanych ogniw folowoltanicznych to ogniwa oparte na technologii cienko warstwowej, których sprawność jest znacząco niższa (Latała, S. Kurpaska 2011).
Z przeprowadzanych analiz wynika (ibidem), że największa średnia roczna wartość energii elektrycznej możliwa jest do uzyskania dla kątów pochylenia ogniwa w zakre-sie od 30 do 45 stopni. Natomiast najwięcej energii elektrycznej z metra kwadrato-wego panelu można uzyskać w czerwcu dla płaszczyzny pod kątem 30 stopni. Ilość uzyskanej energii wyniosłaby wtedy 21 kWh na m2.
Podsumowanie
Rynek energii elektrycznej podlega nieustannym zmianom. Zwiększająca się rola źródeł energii odnawialnej w budynkach użytkowych, jak również zmienne charak-terystyki urządzeń produkujących i konsumujących energię elektryczną, generują potrzebę posiadania narzędzi wspomagających zarządzanie informacją dotyczącą pojedynczego prosumenta i umożliwiających prognozę i zbilansowanie mikrosieci.
Ponadto, planowane w prawie energetycznym zmiany mają dodatkowo wzmocnić pozycję agregatorów, zachęcając ich jednocześnie do większego kontaktu z mikro-producentami czy konsumentami energii elektrycznej.
Dlatego koniecznym wydaje się opracowanie systemu umożliwiającego komplek-sowe zarządzanie zużyciem i produkcją energii elektrycznej, co pozwoli wypełnić lukę na kształtującym się rynku prosumentów – mikrogeneracji i małej generacji.
Prosumenci, występujący w dualnej roli konsumenta i producenta, oczekują bowiem możliwości zarządzania energią w sposób proaktywny dla czerpania z tego wymier-nych zysków. Odpowiedni system informatyczny, pozwoliłby im na efektywniejszą dystrybucję energii elektrycznej.
Podstawowymi funkcjonalnościami tak rozumianego systemu byłyby: ciągłe monito-rowanie i prognozowanie wielkości zużycia i produkcji energii elektrycznej, w szczegól-ności z wykorzystaniem informacji, które pochodzą ze źródeł zewnętrznych (nieustruk-turyzowanych), a mogą mieć znaczny wpływ na potrzeby i możliwości energetyczne niektórych urządzeń (np. pogoda ma wpływ na klimatyzatory, ogniwa słoneczne, tur-biny wiatrowe itp.). Ponadto, narzędzia takie powinny umożliwiać automatyczną kla-syfikację prosumentów przez wzgląd na profil jej zużycia i produkcji, a także pozwalać na monitorowanie komunikacji między agregatorem i konsumentem.
Literatura
Abramowicz W., Dzikowski J., Hofman R. (2011), Zarządzanie informacją w procesie bilanso-wania rynków energii w mikrosieciach energetycznych, Poznań: Katedra Informatyki Eko-nomicznej.
Achermann T., Andersson G., Soeder L. (2001), Distributed Generation: a Definition, „Electric Power Systems Research”, Vol. 57, No. 3.
Barro R.J., Sala-I-Martin X. (1995), Economic Growth, New York: McGraw-Hill.
Cleveland C.J. i in. (1984), Energy and the US Economy: a Biophysical Perspective, „Science New Series”, Vol. 225, No. 4665.
Demand Response as a Resource for the Adequacy and Operational Reliability of the Power Systems, ENTSO-E, Raport, 2007.
EurActiv.com (2009), Smart Meters in All UK Homes by 2020, http://www.euractiv.com/en/
energy-efficiency/smart-meters-uk-homes-2020/article-182231.
Gerwen R. van, Jaarsma S., Wilhite R. (2006), Smart Metering, Raport.
Giebel G. i in. (2011), The State of the Art in Short-Term Prediction of Wind Power, Raport, http://orbit.dtu.dk/getResource?recordId=274635&objectId=1&versionId=1.
Gumernam E.Z., LaCommare K.H., Marnay C. (2003), Evaluation Framework and Tools for Distributed Energy Resources, Raport.
Hatziargyriou N. i in. (2007), Microgrids, „IEEE Power and Energy Magazine”, Vol. 5, No. 4.
Huang Y. i in. (2008), SmartGRID: A Fully Decentralized Grid Scheduling Framework Sup-ported by Swarm Intelligence, w: Seventh International Conference on Grid and Cooperative Computing.
International Energy Agency (2011), World Energy Outlook, Raport.
Jurczyk M. (2005), Generacja rozproszona a rynek energii, „Rynek Energii”, nr 3.
Kałuża W. (2010), Model DSR – reakcja strony popytowej. Jak zareagują klienci, „Energetyka Cieplna i Zawodowa”, nr 7–8.
Komisja Europejska (2007), Renewable Energy Road Map. Renewable Energies in the 21st Cen-tury: Building a More Sustainable Future, Raport, http://ec.europa.eu/energy/energy_policy/
doc/03_renewable_energy_roadmap_en.pdf.
Komisja Europejska (2010), Energy-Efficient Buildings PPP, Multi-Annual Roadmap and Lon-ger Term Strategy, Raport, http://ec.europa.eu/information_society/activities/ sustainable_
growth/ docs/sb_publications/eeb_roadmap.pdf.
Komisja Europejska (2011), Energy Efficiency Plan, Raport, http://europa.eu/legislation_sum-maries/ene rgy/energy_efficiency/en0029_en.htm.
Lampropoulos I., Vanalme G., Kling W. (2010), A Methodology for Modelling the Behaviour of Electricity Prosumers Within the Smart Grid, w: Proc. of IEEE PES Conference on Innova-tive Smart Grid Technologies.
Lasseter R. i in. (2002), Integration of Distributed Energy Resources. The CERTS Microgrid Concept, Raport.
Latała H., Kurpaska S. (2011), Analiza teoretyczna uzysku energetycznego krzemowych ogniw fotowoltaicznych w warunkach solarnych Małopolski, „Inżynieria Rolnicza Selected full Texts”, t. 15, nr 4, s. 183–189.
Lubczyński W. (2012), Rynek Negawatów. Perspektywy wdrożenia instrumentów zarządzania popytem w polskim systemie elektroenergetycznym. Prezentacja wygłoszona na konferencji EUROPOWER w Warszawie, 8 marca 2012 roku, http://www.ure.gov.pl/download/6/5146/
Rynek_Negawatow__Perspektywy_wdrozenia_instrumentow_zarzadzania_popytem_w_po lski.pdf.
Malko J., Weron A. (2001), Rynek energii elektrycznej; Mechanizmy funkcjonowania, War-szawa: CIRE.
Marnay C., Venkataramanan G. (2006), Microgrids in the Evolving Electricity Generation and Delivery Infrastructure, Power Engineering Society General Meeting, Montreal: PES.
Mastalerska M. (2011), Znaczenie efektywności energetycznej dla bezpieczeństwa energetycznego kraju, „Polityka Energetyczna”, t. 4, nr 11.
Ministerstwo Gospodarki (2012), Zestawienie danych ilościowych dotyczących funkcjonowania KSE w 2011 roku, Raport, http://www.pse-operator.pl/index.php?dzid=171&did=1053.
Najam A., Cleveland C.J. (2003), Energy and Sustainable Development at Global Environ-ment Summits: An Evolving Agenda, EnvironEnviron-ment, DevelopEnviron-ment and Sustainability, No. 5.
Niwiński S., Ostrowski W. (2010), Inteligentne pomiary – fakty i mity, „Rynek Energii”, nr 1.
Owayedh M., Al-Bassam A., Khan Z. (2000), Identification of Temperature and Social Events Effects on Weekly Demand Behaviour, Power Engineering Society Summer Meeting.
Pepermans i in. G. (2005), Distributed Generation: Definition, Benefits and Issues, „Energy Policy”, Vol. 33, No. 6.
Popławski T., Dąsal K., Łyp J. (2009), Problematyka prognozowania mocy i energii pozyski-wanych z wiatru, „Polityka Energetyczna”, http://www.min-pan.krakow.pl/Wydawnictwa/
PE1222/35-poplawski-dasal-lyp2.pdf.
Potter C.W., Archambault A., Westrick K. (2009), Building a Smarter Smart Grid Through Better Renewable Energy Information, w: 2009 IEEE/PES Power Systems Conference and Exposition.
Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z 20 maja 2005 roku w sprawie wymagań dotyczą-cych dokumentacji technicznej, stosowania etykiet i charakterystyk technicznych oraz wzorów etykiet dla urządzeń, 2005.
Shandurkova I. i in. (2012), A Prosumer Oriented Energy Market, Raport.
Sorell S. (2010), Energy, Growth and Sustainability: Five Propositions, Science and Technology Policy Research, Vol. 2, No. 6.
Sprawozdanie okresowe za lata 2009–2010 dotyczące postępu w promowaniu i wykorzystaniu energii ze źródeł odnawialnych w Polsce, Raport, http://www.mg.gov.pl/files/upload/15688/
Sprawozdanie.pdf.
Stern D.I. (1997), Limits to Substitution and Irreversibility in Production and Consump-tion: a Neoclassical Interpretation of Ecological Economics, „Ecological Economics”, Vol. 21.
Szczygieł Ł. (2001), Model rynku energii elektrycznej, w: M. Okólski (red.), Jaki model rynku energii?, Warszawa: Biblioteka Regulatora.
Zaleski P. (2010), Zmiany na rynku energii elektrycznej, „Rynek Energii”, nr 12.