Źródło: na podstawie Czyżewski, Grzegorczyk, Kozłowski i in. [2017], The Boston Consulting Group [2018].
Wszystkie te rozwiązania wzajemnie się przenikają i wchodzą w logiczne interakcje, które w dłuższym horyzoncie mają być sterowane przez sztuczną inteligencję.
Elektroenergetyka w Polsce – stan obecny
System elektroenergetyczny to układu urządzeń do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej. Istnieje wyraźna współzależność pomiędzy krajowym systemem elektroenergetycznym a gospodarką narodową (rys. 3). Sprawnie funkcjonujący sy-stem energetyczny jest gwarantem rozwoju i dobrobytu społeczeństwa. Ze wzglę-du na stale rosnące znaczenie energii elektrycznej system elektroenergetyczny jest jednym z najważniejszych sektorów gospodarki. Istotne jest zatem utrzymanie jak
najwyższej sprawności funkcjonowania tego systemu. Do najważniejszych powiązań zewnętrznych wpływających na system elektroenergetyczny należą:
· powiązania wynikające ze współzależności gospodarki energetycznej i nieenerge-tycznych gałęzi przemysłu w procesie postępu technicznego,
· powiązania gałęzi przemysłu zależnych i wytwarzających produkty dla sektora elek-troenergetycznego,
· wpływ ochrony środowiska na elektroenergetykę,
· powiązania międzypaństwowe związane z wymianą produktów i półproduktów sy-stemu elektroenergetycznego,
· powiązania międzynarodowe służące zapewnieniu bezpieczeństwa energetycznego, · powiązania socjalno-ekonomiczne między energetyczną a narodową gospodarką. Rysunek 3. Schemat powiązań zewnętrznych krajowego systemu energetycznego
ZASOBY SIŁA ROBOCZA WODA PALIWA, ZASOBY ODNAWIALNE SUROWCE MATERIAŁY MASZYNY PIENIĄDZE TEREN
GOSPODARKA GOSPODARKA WODNA
PRZEMYSŁ WYDOBYWCZY, TECHNOLOGIE WYKORZYSTUJĄCE OZE PRZEMYSŁ PRZETWÓRCZY GOSPODARKA
FINANSOWA PRZESTRZENNAGOSPODARKA
SYSTEM ELEKTROENERGETYCZNY
PRZEMYSŁ TRANSPORT BUDOWNICTWO ROLNICTWO GOSPODARKA KOMUNALNA GOSPODARSTWA DOMOWE ŚRODOWISKO EKSPORT, IMPORT GOSPODARKA NARODOWA Wprowadzenie mechanizacji w produkcji dzięki energii pary Zmechanizowany warsztat tkacki Rozwój produkcji żelaza przy wykorzystaniu węgla Wprowadzenie podziału pracy i masowej produkcji dzięki energii elektrycznej Postępy w produkcji stali Seryjna produkcja maszyn Rozwój chemii przemysłowej
Użycie elektroniki oraz IT dla dalszej automatyzacji produkcji Rozwój produkcji polimerów Automatyczne roboty przemysłowe Poprawa efektywności energetycznej i materiałowej po kryzysie naftowym Integracja systemów cyfrowych z fizycznymi Internet rzeczy, systemy cyber-fizyczne Dynamiczne przetwarzanie danych Gospodarka na żądanie Odnawialne źródła energii (OZE) Obieg zamknięty w gospodarce 1 2 3 4.0
Koniec XVIII w. Koniec XIX i XX w. Lata 70 XX w. 2017 2030
Źródła energii Modele transportu i logistyki Technologie komunikacyjne Węgiel Energia pary wodnej Woda Scentralizowana produkcja energii w elektrowniach Rafinerie Efektywność energetyczna w silnikach spalinowych Energetyka jądrowa Gaz ziemny Odnawialne źródła energii Wirtualne elektrownie Magazyny energii Wodór Kolej Statek parowy Parowozy Transport oparty na silniku spalinowym Pierwszy samochód
Just in time Integracja i automatyzacja logistyki Elektromobilność Drukarki 3D skracające logistykę Druk Telegraf Radio
Telefon Telefonia komórkowa
Telewizja Satelity Komunikacja między maszynami Wirtualna rzeczywistość Chmura GOSPODARKA 4.0 INTERNET
RZECZY INNOWACJE W PRZETWARZANIE W CHMURZE PRZESTĘPSTWO
CYBER-ENERGETYCE DRUK 3D
WIRTUALNA
RZECZYWISTOŚĆ ANALITYKABIG DATA I AUTONOMICZNE ROBOTY SYMULACJE SOFTWAREOWAINTEGRACJA
Źródło: na podstawie Ziębik, Szargut [1997].
W Polsce energia elektryczna wytwarzana jest przede wszystkim w elektrowniach i elektrociepłowniach zawodowych. Elektrownie te opalane są głównie węglem kamien-nym i brunatkamien-nym. Łączna zainstalowana moc brutto wynosi 32 233 MW. Szczegółowy podział został zaprezentowany w tabeli 1. Bardzo duże znaczenie dla bezpieczeństwa systemu elektroenergetycznego ma fakt, że ponad 50% elektrowni węglowych jest eks-ploatowanych od ponad 30 lat [Główny Urząd Statystyczny 2017a; 2017b].
Polskę cechuje wysoki stopień uniezależnienia energetycznego w stosunku do in-nych krajów europejskich. Wynika to między innymi z produkcji energii elektrycznej z paliw kopalnych, które są wydobywane na terenie kraju. Należy zauważyć, że wskaźnik ten ulega pogorszeniu (rys. 4). Jest to efektem malejącego znaczenia węgla jako surowca przyczyniającego się do rozwoju gospodarki krajowej.
Tabela 1. Moc zainstalowana oraz produkcja energii elektrycznej według źródeł
Wyszczególnienie Moc elektryczna
zainstalowana [MW]
Produkcja energii elektrycznej [GWh]
OGÓŁEM 43 612,0 170 335
Elektrownie zawodowe cieplne 32 233,0 140 259 z tego:
- na węglu brunatnym 9 286,9 52 281 - na węglu kamiennym 20 989,5 79 265
- gazowe 1 236,4 6 161
- biomasowe/biogazowe 720,2 2 552 Elektrownie zawodowe wodne 2 306,0 2 719 - w tym: szczytowo-pompowe 1 413,0 474 Elektrownie zawodowe wiatrowe 1 374,7 3 485 Elektrociepłownie przemysłowe 2 751,0 11 417 Elektrownie niezależne OZE 4 947,2 12 454 Źródło: na podstawie Głównego Urzędu Statystycznego [2017b].
Rysunek 4. Wskaźnik zależności energetycznej
Przesył wytworzonej w elektrowni energii do odbiorcy możliwy jest dzięki rozległej sieci linii i stacji elektroenergetycznych. Wiąże się on jednak ze stratami przesyłowymi. Zasadniczy sposób zmniejszenia tych strat polega na podwyższaniu napięcia elektro-energetycznych linii przesyłowych. W krajowym systemie elektroenergetycznym wyno-szą one [PSE Polskie Sieci Elektroenergetyczne]:
· od 220 do 400 kV – w przypadku przesyłania na duże odległości, łączna długość linii to ponad 14 000 km,
· 110 kV – w przypadku przesyłania na odległości nie przekraczające kilkudziesięciu kilometrów,
· od 10 do 30 kV – stosowane w lokalnych liniach dystrybucyjnych.
Kluczowe dla systemu elektroenergetycznego linie najwyższych napięć (220 i 400 kV) zostały wybudowane w latach 70. i 80. XX wieku. Z tego powodu konieczne jest niezwłocz-ne przeprowadzenie modernizacji i rozbudowy istniejących linii przesyłowych.
Polska elektroenergetyka jest w trakcie realizacji unijnej strategii przyjętej 8–9 marca 2007 r. na szczycie Rady Europejskiej – Europa 2020 (3x20 do 2020). W stra-tegii założono ograniczenie wzrostu średniej globalnej temperatury o więcej niż 2oC powyżej poziomu sprzed okresu uprzemysłowienia oraz zmniejszenie wzrostu cen i ograniczoną dostępność ropy i gazu. Pakiet 3x20 do 2020 roku zakłada [Komisja Europejska 2017]:
· zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych do 2020 r. o co najmniej 20% w porówna-niu do 1990 r.,
· racjonalizację wykorzystania energii i w konsekwencji ograniczenie jej zużycia o 20%, · zwiększenie udziału energii produkowanej z odnawialnych źródeł energii do 20% całkowitego zużycia energii w UE w 2020 roku (dla Polski udział ten wynosi 15%).
Pakiet 3x20 do 2020 stanowi dla krajowego sektora elektroenergetycznego istotne wyzwanie, ponieważ spełnienie końcowego postulatu, czyli 15% udział OZE w produkcji energii elektrycznej, może okazać się trudne do spełnienia do 2020 roku (rys. 5).
Rysunek 5. Udział energii z OZE w elektroenergetyce w latach 2004–2016
Źródło: na podstawie Eurostat [2018a].
Energia elektryczna jest niezbędna do realizacji założeń rewolucji przemysłowej 4.0 w Polsce. Konieczne jest zatem efektywne zużywanie tej energii. Wskaźnik energo-chłonności krajowego PKB jest wyższy od średniej w UE o ok. 15%. W ciągu ostatnich dekad Polska dokonała dużego postępu w tej dziedzinie (rys. 6). Niestety zmiany te kon-centrowały się na eliminacji energochłonnych gałęzi przemysłu wytwórczego, a nie na innowacjach przyczyniających się do poprawy efektywności energetycznej gospodarki. Rysunek 6. Wskaźnik energochłonności (rok 2000=100%)
Nadrzędnym zadaniem stawianym przed energetyką jest zapewnienie bezpieczeń-stwa dostaw energii elektrycznej, na którą mają wpływ wcześniej omawiane czynniki, takie jak: stan infrastruktury energetycznej, miks energetyczny oraz efektywność ener-getyczna. Wiele z tych czynników w chwili obecnej wpływa niekorzystnie na stan bezpie-czeństwa elektroenergetycznego kraju np. długi czas eksploatacji istniejących urządzeń do wytwarzania, przesyłu i rozdziału energii elektrycznej lub brak dywersyfikacji źródeł energii. Gospodarka 4.0 staje się więc olbrzymią szansą na zmodernizowanie krajowej energetyki. Zalążki nowego podejścia gospodarki widać między innymi w projektach związanych z inteligentnymi sieciami energetycznymi (tzw. smart grids). Jednak przed twórcami inteligentnej energetyki stoi szereg wyzwań takich jak [Majchrzak 2017]:
· wykorzystanie inteligentnego opomiarowania jako podstawowego elementu inteli-gentnej infrastruktury sieciowej,
· wykorzystanie inteligentnej infrastruktury elektroenergetycznej do efektywnego zarządzania systemem elektroenergetycznym,
· rozwój rozwiązań rynkowych uwarunkowany dostępnością danych pomiarowych z inteligentnego opomiarowania.