Scenariusze współpracy

W tym podrozdziale przedstawiono słowny oraz graficzny opis zasady pracy układu hybrydowego dla każdego ze scenariuszy. Zapis formalny w postaci modelu matematycznego

65 zaprezentowano w kolejnej sekcji. Ze względu na możliwość określenia teoretycznych wartości nasłonecznienia dla dowolnej chwili w roku w oparciu o modele czystego nieba. W scenariuszach uwzględniano wyłącznie źródła słoneczne, jako determinanty pracy układu.

3.3.1. Scenariusz A - koncepcja

Na podstawie modeli czystego nieba dla każdego dnia i w roku określana jest chwila 𝑡_𝑖𝑗^𝑊𝑆, w której instalacja fotowoltaiczna powinna rozpocząć generowanie energii elektrycznej,

jak i chwila 𝑡_𝑖𝑗^𝑍𝑆, gdy generacja ta ustaje. W czasie gdy 𝐻^𝐶𝑆 > 0 energia elektryczna może być pozyskiwana z PV, wolumen energii pobieranej z sieci energetycznej 𝐸𝐷𝑍 , zostaje utrzymany na stałym poziomie 𝐸𝐷𝑍𝐶 ,a zapotrzebowanie niepokryte przez generację fotowoltaiczną jest pokrywane w miarę możliwości przez hydrogenerację. W pozostałych godzinach, zapotrzebowanie w całości pokrywane jest przez sieć energetyczną, a jego wielkość dla każdej chwili j określa bieżące zapotrzebowanie 𝐸_𝑖𝑗^𝐷 = 𝐸_𝑖𝑗^𝐷𝑍𝐶. Powyżej przedstawione zależności oraz założenia zwizualizowano na Rys. 2710. Kolorem czarnym zaznaczono pewien stały wolumen energii, który jest pobierany zawsze z KSE. W czasie pomiędzy zachodem a wschodem Słońca może wystąpić również zapotrzebowania na energię (kolor szary), które co do wolumenu energii jest większe niż założona stała wartość pobierana z KSE. Od momentu wschodu (WS) do zachodu (ZS) Słońca, układ PV-TW-ESP musi zapewnić samowystarczalność energetyczną – tzn. w tym okresie nie jest przewidziany pobór energii z KSE.

Rys. 27. Przykładowy wykres skumulowany pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla scenariusza A. 𝐸_𝑖𝑗^𝐷𝑍𝐶 – pobór planowany z sieci, PV – energia z instalacji PV, ESP – energia z magazynu energii (zarówno pochodząca z PV jak i TW), 𝐸𝑍 – pozostałe zapotrzebowanie na energię, źródło: opracowanie własne

10 Zawarte na Rys. 27 – 31 oznaczenia energii są tożsame z tymi przyjętymi w modelach i całej dysertacji, z tą różnicą, iż indeks górny oznaczono przez podkreślnik. Edytor Word oraz Excel nie umożliwiają używania indeksów w legendach wykresów.

0 0,25 0,5 0,75 1 1 2 3 4 WS 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 ZS 21 22 23 24 Energia

66

3.3.2. Scenariusz B - koncepcja

Scenariusz B nie uwzględnia zmienności generacji źródeł fotowoltaicznych z punktu widzenia modeli czystego nieba. W tym scenariuszu, przyjmuje się, że z krajowego systemu energetycznego pobierany jest zadany stały wolumen energii, natomiast pozostała część zapotrzebowania pokrywana jest teoretycznie zawsze z generacji źródeł wiatrowych, słonecznych oraz hydrogeneracji. Nadwyżki energii z PV oraz TW są magazynowane, lub w wypadku braku zdolności magazynowych zbiornika górnego, przekazywane do KSE. Przebieg pokrycia zapotrzebowania na energię dla scenariusza B przedstawiono na Rys. 28. Podobnie jak dla scenariusza A, kolorem czarnym oznaczono stały wolumen energii pobierany z KSE, natomiast na żółto energię pochodząca z instalacji fotowoltaicznej a na niebiesko tą pochodzącą z magazynu energii. Należy zaznaczyć, iż stwarzanie popytu na energię elektryczną na stałym poziomie jest korzystne dla KSE, ponieważ prowadzi do ograniczenia zmienności popytu oraz pozwala na wyrównaną pracę konwencjonalnego źródła energii. Energia pozyskiwana z ESP może pochodzić zarówno z PV jak i generacji wiatrowej. Na wykresie nie zaznaczono udziału generacji wiatrowej w pokrywaniu zapotrzebowania na energię elektryczną. Wynika to z faktu, iż cechuje się ona duża większą zmiennością niż generacja słoneczna co powoduje, iż niemożliwe staje się wyodrębnienie charakterystycznych krzywych prędkości wiatru11, na podstawie których można by stworzyć analogiczne scenariusze.

Rys. 28. Przykładowy wykres skumulowany pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla scenariusza B. 𝐸_𝑖𝑗𝐷𝑍𝐶 – pobór planowany z sieci, PV – energia z instalacji PV, ESP – energia z magazynu energii (zarówno pochodząca z PV jak i TW), źródło: opracowanie własne

11 Oczywiście badania odpowiednio długich szeregów czasowych pozwalaja na wyodrębnienie charakterystycznych przebiegów prędkości wiatru dla wybranego okresu. Nie stwarzają one jednak tak wygodnego punktu odniesienia, jak z góry wiadome godziny wschodu i zachodu Słońca.

0 0,25 0,5 0,75 1 1 2 3 4 WS 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 ZS 21 22 23 24 Energia

B

67

3.3.3. Scenariusz C – koncepcja

Scenariusz C jest bardziej radykalną wersją scenariusza A, ponieważ zakłada, że w momencie gdy możliwa jest generacja źródeł słonecznych (𝐻_𝐶𝑆 > 0), z KSE teoretycznie nie będzie pobierana energiia elektryczna. Całość zapotrzebowania zostaje pokryta z generacji wiatrowej, słonecznej oraz energii zgromadzonej w magazynie energii. Wizualizację realizacji scenariusza C przedstawiono na Rys. 29. Przykładowo w trakcie trwania czwartej godziny doby około 0,24 jednostki znormalizowanego zapotrzebowania na energię pokryte zostało w ramach ustalonego stałego poboru z KSE natomiast pozostała część z magazynu energii ESP. Natomiast tuż przed zachodem Słońca tj. o godzinie 19 ponad 90% zapotrzebowania na energię pokryto z ESP a niecałe 10% z generacji słonecznej. Należy tutaj zaznaczyć, iż szczyt zapotrzebowania na energię elektryczną wystąpił właśnie na przełomie godzin 18-20.

Rys. 29. Przykładowy wykres skumulowany pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla scenariusza C. 𝐸_𝑖𝑗^𝐷𝑍𝐶 – pobór planowany z sieci, PV – energia z instalacji PV, ESP – energia z magazynu energii (zarówno pochodząca z PV jak i TW), źródło: opracowanie własne

3.3.4. Scenariusz D – koncepcja

Scenariusz D realizuje założenia podobne do tych zaprezentowanych dla scenariusza A, z tą różnicą, iż energia nie jest pobierana z KSE w godzinach, gdy (𝐻_𝐶𝑆 > 0) możliwa jest generacja źródeł fotowotaicznych. W pozostałych godzinach zapotrzebowanie pobierane jest w całości z KSE. Założeniem tego scenariusza jest pokrycie porannego oraz wieczornego szczytu zapotrzebowania na energię elektryczną, przy jednoczesnym stworzeniu dodatkowego zapotrzebowania w godzinach nocnych – by ograniczyć konieczność wygaszania lub ograniczania pracy bloków energetycznych elektrowni konwencjonalnych. Jak można

0 0,25 0,5 0,75 1 1 2 3 4 WS 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 ZS 21 22 23 24 Energia

C

68 zauważyć na Rys. 30 w tym scenariuszu wyeliminowano pobór energii z KSE na z góry zdanym stałym poziomie. Tym samym teoretycznie wymuszono na KSE dostosowanie się do zmieniającego się zapotrzebowania na energię elektryczną. Jednak by wyeliminować tak powstające dodatkowe obciążenie dla KSE, postanowiono, iż pobór energii z KSE będzie występował teoretycznie tylko w godzinach pomiędzy zachodem a wschodem Słońca gdy obciążenie/zapotrzebowanie na energię w skali kraju jest najniższe.

Rys. 30. Przykładowy wykres skumulowany pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla scenariusza D. PV – energia z instalacji PV, ESP – energia z magazynu energii (zarówno pochodząca z PV jak i TW), 𝐸𝑍 – pozostałe zapotrzebowanie na energię, źródło: opracowanie własne

3.3.5. Scenariusz E – koncepcja

Scenariusz E zakłada samowystarczalność energetyczną układu PV-TW-ESP zasilającego wybraną grupę odbiorców. Nie założono żadnych godzin, gdy wystąpi planowany pobór energii z sieci. Pobór wymuszony ma miejsce w sytuacji, gdy układ PV-TW-ESP nie pokrywa zapotrzebowania bieżącego. Można stwierdzić, iż podejście to jest najbardziej konserwatywne spośród scenariuszy A-E. Wynika to z faktu, iż przyjęte w pracy ograniczenia na dopuszczalny deficyt energii czyli jej nieplanowany pobór z KSE, ustalony został na poziomie 0% i 5% (co zostało przedstawione i przeanalizowane w kolejnych rozdziałach). Tym samym, powstający problem pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną, przypomina zadanie stworzenia układu źródeł energii, które zapewni pełną lub częściową (co najmniej 95% pokrycia zapotrzebowania na energię) autonomię energetyczną. Wizualizację takiego scenariusza przedstawiono na Rys. 31.

0 0,25 0,5 0,75 1 1 2 3 4 WS 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 ZS 21 22 23 24 Energia

D

69

Rys. 31. Przykładowy wykres skumulowany pokrycia zapotrzebowania na energię elektryczną dla scenariusza E. PV – energia z instalacji PV, ESP – energia z magazynu energii (zarówno pochodząca z PV jak i TW), źródło: opracowanie własne

3.3.6. Scenariusz PO – koncepcja

Scenariusz PO – punkt odniesienia. Nie zakłada z góry ustalonego charakteru współpracy układu PV-TW z KSE. Układ w tym scenariuszu pozbawiony jest magazynu energii. Takie podejście przypomina dotychczasowe „chaotyczne” wprowadzanie mocy wytwórczych niedyspozycyjnych odnawialnych źródeł energii do polskiego systemu elektroenergetycznego.