Bilansowanie mocy w systemie dystrybucyjnym

Bilansowanie mocy w systemie dystrybucyjnym czynnikiem wspierającym
rozwój usług systemowych
Autorzy: Adam Olszewski, Mieczysław Wrocławski - Energa-Operator
("Energia Elektryczna" - 3/2016)
Funkcjonujący obecnie system elektroenergetyczny został zaplanowany i zbudowany przy
założeniu, że energia jest przesyłana jednokierunkowo – od dużych elektrowni systemowych,
przez system przesyłowy i sieć dystrybucyjną, do odbiorcy końcowego. Rozwiązanie to
gwarantowało do tej pory bezpieczeństwo w zakresie dostaw energii, przy racjonalnych
kosztach wytworzenia i dostawy dużej ilości energii. Nie jest jednak optymalne w kontekście
nadchodzących zmian związanych z rozwojem generacji rozproszonej.
Wraz ze wzrostem udziału odnawialnych źródeł w strukturze wytwarzanej w Polsce energii,
pojawienie się rynku takich usług, kontraktowanych poza elektrowniami systemowymi,
wydaje się nieuniknione. Wskazują na to m.in. doświadczenia z rynku niemieckiego.
Sektor elektroenergetyki w Unii Europejskiej już respektuje zasadę zrównoważonego
rozwoju, rozumianą jako powszechne wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii oraz
wspieranie wzrostu efektywności w użytkowaniu energii. Wiążą się z tym zmiany w
strukturze generacji, w tym szerokie wykorzystanie rozproszonych źródeł energii.
Spodziewane skutki tych zmian to:
- wzrost znaczenia sieci dostosowanych dla przyłączenia dużej liczby rozproszonych źródeł
odnawialnych,
- powstanie małych lokalnych obszarów sieciowych zapewniających usługi systemowe,
obejmujące zdecentralizowaną generację lokalną, magazyny energii oraz aktywnych
odbiorców,
- dwukierunkowy przepływ informacji i mocy elektrycznej,
- konieczność dynamicznego zarządzania zarówno generacją, jak i obciążeniem.
Sieć elektroenergetyczna w przyszłości będzie musiała w sposób „inteligentny” pobudzić i
zintegrować działania oraz zachowania wytwórców, odbiorców czy innych podmiotów
funkcjonujących na rynku energii tak, aby zapewnić niezawodne, ekonomicznie uzasadnione i
zrównoważone dostawy energii elektrycznej.
Obecnie podmiotem odpowiedzialnym za bilansowanie mocy i energii jest operator systemu
przesyłowego (OSP). OSP kontraktuje usługi systemowe i regulacyjne u wytwórców energii –
według stanu obecnego, w elektrowniach systemowych.
Wskutek rozwoju energetyki rozproszonej, w systemie dystrybucyjnym rosnącą
odpowiedzialność za bilansowanie mocy i energii ponoszą operatorzy systemów
dystrybucyjnych (OSD). OSD, tworząc Lokalny Obszar Bilansowania (LOB), tworzy tzw.
elektrownie wirtualne (VPP – ang. Virtual Power Plant), które pozwalają na sprzedaż usług
systemowych i regulacyjnych.
Jednym z kierunków poszukiwania rozwiązań jest przebudowa modelu funkcjonowania sieci
elektroenergetycznych i tworzenie lokalnych systemów funkcjonujących jako wydzielone
obszary bilansowania. Podstawy budowy takich obszarów stanowi rozwój technologii
związanych z siecią inteligentną oraz magazynowaniem energii. Dzięki temu możliwe będzie
zwiększenie niezawodności dostaw energii oraz poprawa bezpieczeństwa funkcjonowania
sieci dystrybucyjnych i przesyłowych.
LOB to wydzielona logicznie część systemu dystrybucyjnego, w którym jest realizowane
bieżące równoważenie wytwarzania z zapotrzebowaniem w celu zapewnienia bezpieczeństwa
dostaw, charakteryzująca się zdolnością do pracy wyspowej i możliwością podjęcia pracy
synchronicznej z systemem elektroenergetycznym. Koncepcja lokalnych obszarów
bilansowania łączy w sobie nowy rodzaj usług systemowych, realizowanych w obszarze sieci
dystrybucyjnej, z nowymi rozwiązaniami technicznymi z obszaru wytwarzania,
magazynowania i sterowania siecią dystrybucyjną.
Od strony technicznej lokalny obszar bilansowania można określić jako zbiór urządzeń
służących wytwarzaniu, magazynowaniu energii elektrycznej i urządzeń odbiorczych, które są
połączone z siecią i urządzeniami sterującymi, umożliwiającymi autonomiczne zarządzanie
takim zbiorem. Sieci tego typu mogą obejmować w zakresie źródeł wytwórczych zarówno
urządzenia stanowiące odnawialne źródła energii, jak i źródła konwencjonalne. LOB
utożsamiane są z funkcjonowaniem VPP. Ponadto istotnym aspektem będzie współpraca
pomiędzy operatorami sieci dystrybucyjnej (OSD) a agregatorami popytu w celu
oddziaływania – w ramach mechanizmów bilansowania lokalnego – na zachowania
odbiorców przyłączonych do sieci dystrybucyjnej.
Wdrożenie koncepcji LOB na poziomie sieci dystrybucyjnej wymaga zmiany zadań i roli
przypisanych do OSD i zasad ich współpracy z OSP. Powinien powstać nowy model
świadczenia usług na rzecz systemu, w którym inaczej zostanie zdefiniowana rola OSD oraz
aktywnych podmiotów (wytwórcy, agregatorzy, firmy typu ESCO, aktywni odbiorcy będący
jednocześnie wytwórcami energii), mogących świadczyć różnego tego rodzaju usługi, a OSD
będzie odpowiedzialny za przygotowanie i utrzymanie infrastruktury koniecznej do
realizowania takiego typu usług.
Rynek usług systemowych jest rynkiem pomocniczym, którego funkcjonowanie ma
umożliwić realizację zadań przez rynek podstawowy, jakim jest rynek energii elektrycznej.
Proces produkcji i dostawy energii elektrycznej podlega szeregowi ograniczeń natury
technicznej. Dla sprawnej i bezpiecznej pracy systemu OSP musi dysponować odpowiednimi
narzędziami, które pozyskuje jako usługi bilansujące i regulacyjne. Obecnie usługi te
kontraktowane są przez OSP w elektrowniach systemowych. Model ten w perspektywie roku
2020 (i zwłaszcza – dalszej) musi zostać zmieniony; pojawia się miejsce dla OSD jako
dostawcy tego rodzaju usług.
Dodatkowo niezbędne jest opracowanie i wdrożenie nowych rozwiązań technicznych, w
szczególności w zakresie integracji systemów zarządzających usługami systemowymi na
poziomie sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. Pojawi się także konieczność wdrożenia
nowych rozwiązań w obszarze regulacji napięć i jakości energii.
Usługi systemowe są świadczone na rzecz Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE)
w celu zapewnienia prawidłowego funkcjonowania, niezawodności pracy i utrzymywania
parametrów jakościowych energii elektrycznej. Obecnie podmiotami świadczącymi usługi
systemowe są głównie wytwórcy. OSP kontraktuje od nich usługi zapewniające pokrycie
ilościowe oraz odpowiednią jakość tych usług we właściwym rozkładzie geograficznym i
czasowym. Działania te wymagają od OSP posiadania adekwatnej infrastruktury technicznej,
w tym teleinformatycznej oraz systemu akwizycji wymaganych usług i ruchowego
zabezpieczenia ich realizacji.
Obecnie OSD realizuje usługi na rzecz KSE w dość ograniczonym zakresie. Obejmuje to
głównie regulację zaczepów transformatorów, zapewnienie jakości energii, prowadzenie
ruchu i zarządzanie majątkiem sieciowym. Koszty tej działalności są uznawane za koszty
uzasadnione przy budowie taryfy.
Koncepcja bilansowania lokalnego zakłada, że zakres usług systemowych oferowanych przez
OSD zostanie znacznie poszerzony. Docelowo, do roku 2050, szacuje się, że udział
elektrowni systemowych w pokryciu zapotrzebowania na energię będzie niższy niż udział
generacji rozproszonej. Spowoduje to dalszy wzrost zapotrzebowania na usługi systemowe
realizowane w systemie dystrybucyjnym.
W pierwszej kolejności obejmować to może regulację częstotliwości, interwencyjną regulację
rezerwy mocy w krótkim i dłuższym okresie czasu oraz regulację napięcia i mocy biernej. Po
zbudowaniu obszaru bilansowania bazującego na koncepcji VPP, operator systemu
dystrybucyjnego będzie mógł oferować zakres usług systemowych:
- równoważących regulację pierwotną, wtórną i trójną,
- rezerwy mocy interwencyjnej,
- regulacji napięcia i mocy biernej,
- tzw. black start systemu po głębokiej awarii.
Istotnym punktem odniesienia dla oceny perspektyw rozwoju rynku usług systemowych i
regulacyjnych jest rynek niemiecki, położony w podobnej strefie geograficzno-klimatycznej,
odpowiednio duży, a jednocześnie zdecydowanie bardziej uzależniony – w porównaniu do
Polski – od odnawialnych źródeł energii. Należy przypuszczać, że polski system
energetyczny, zwiększając udział OZE, będzie podążać w kierunku wytyczonym przez
naszych zachodnich sąsiadów.
Z tego względu przeprowadzono przegląd rynku usług regulacyjnych i systemowych w
Niemczech.
W krótkim podsumowaniu:
nacisk na rozwój OZE powoduje tak duże wahania, wynikające z udziału energetyki
wiatrowej i solarnej, że pojawił się i rośnie rynek usług regulacyjnych i systemowych,
stabilizujących system energetyczny Niemiec. Korzystają z tego m.in. OSD, których
przychody w coraz bardziej znaczącej części pochodzą ze świadczenia takich właśnie usług
na rzecz OSP.
W roku 2013 wartość tego rynku w Niemczech szacuje się na 800 mln euro, tylko z tytułu
podpisanych umów na interwencyjne zwiększenie lub obniżenie mocy w krótkim czasie (do
15 minut). Przychody z tego tytułu osiąga dwadzieścia firm energetycznych – w tym
najwięksi operatorzy i wytwórcy energii, tacy jak EON SE oraz RWE AG. Poziom
kontraktowanej rezerwy w lipcu 2014 wynosił prawie 4 tys. MW.
W Polsce udział OSD w rynku usług systemowych i regulacyjnych jest obecnie zerowy.
Rynek ten dla usług systemowych kontraktowanych przez OSP w OSD dopiero tworzy się i
będzie zależał od elastyczności systemu dystrybucyjnego. Z dużą dozą prawdopodobieństwa
rynek ten będzie rósł wraz ze wzrostem udziału OZE w strukturze wytwarzanej energii.
Żaden z OSD na polskim rynku nie wykorzystuje magazynów energii do świadczenia usług
systemowych. W skali światowej takie rozwiązania mają już zastosowanie. Ponad 900 MW w
magazynach energii bierze udział w regulacji pierwotnej.
Energa-Operator buduje pierwszy w Polsce LOB w okolicach Pucka. W zakresie projektu
dofinansowanego w ramach programu GEKON zostanie zakupiony system magazynowania
energii o mocy 0,75 MW i 1,5 MWh pojemności oraz farma fotowoltaiczna o mocy ok. 80
kW. W połączeniu z istniejącymi źródłami wiatrowymi, biogazownią i odbiorcami powstanie
obszar, na którym będzie testowane świadczenie usług systemowych i regulacyjnych.
Stan obecny
Sieć przyszłości
Idea wirtualnej elektrowni