Prokekty Popczyk 42

Projekt iLab EPRO
Autor: prof. dr hab. Jan Popczyk, Politechnika Śląska
(„Czysta Energia” – nr 5/2012)
W odpowiedzi na strukturalne zmiany zachodzące w energetyce na świecie w Centrum Energetyki
Prosumenckiej (koncepcja autora) w Politechnice Śląskiej powstaje Internetowe Laboratorium
Energetyki Prosumenckiej (iLab EPRO).
Celem iLab EPRO jest włączenie funkcjonujących już obiektów OZE/URE (mikroinstalacji prosumenckich)
w obszar badań laboratoryjnych za pomocą infrastruktury smart grid. Wykorzystanie do celów badawczych
w iLab EPRO istniejących obiektów (także tych, które będą dopiero budowane) ma na celu wytworzenie w
sposób efektywny reprezentatywnych prosumenckich gniazd innowacyjności technologicznej, a szerzej –
kreowanie nowych reprezentatywnych łańcuchów wartości (łańcuchów: termodynamicznych,
środowiskowych i ekonomicznych).
W innym ujęciu celem iLab EPRO jest zapoczątkowanie nowoczesnej integracji publicznych środków
rozwojowych, z jednej strony kreowanych w ramach różnorodnych systemów wsparcia, a z drugiej w
zakresie zasobów komercyjnych (materialnych i ludzkich) w obszarze rodzącej się energetyki OZE/URE.
Oczywiście iLab EPRO jako narzędzie do integracji środków publicznych i zasobów komercyjnych
(szczególny rodzaj partnerstwa publiczno-prywatnego) jest rozwiązaniem na unijną perspektywę budżetową
2014-2020, w której systemy wsparcia dla energetyki OZE/URE będą miały najwyższy priorytet.
Najważniejszą sprawą jest jednak to, że iLab EPRO ma w sposób płynny kreować prosumencką energetykę
internetową, zdolną do samoistnego funkcjonowania (bez publicznego wspomagania). Potrzeba takiego
funkcjonowania może się pojawić szybko (już po 2015 r.), w trybie kryzysowym. Wówczas będzie ona
związana z deficytem mocy w systemie elektroenergetycznym. Na pewno potrzeba samoistnego
funkcjonowania pojawi się po 2020 r., kiedy systemy wsparcia przestaną funkcjonować, albo będą działać w
znikomym zakresie.
Rys. 1. Integracja podmiotowa iLab EPRO (złoty czworokąt)
Cztery segmenty
Na środowisko funkcjonalno-technologiczne iLab EPRO składają się cztery segmenty (trzeba jednak
podkreślić, że segmentacja iLab EPRO jest ciągle sprawą otwartą) – rysunek 2. Są to:
• Obiekty OZE/URE wraz z ich inteligentną infrastrukturą, obejmującą takie części składowe tej
infrastruktury, np. elektroenergetyczną automatykę zabezpieczeniową, sterowanie, pomiary (w tym
dwukierunkowe liczniki na rynku energii elektrycznej), diagnostykę i monitoring. Pod pojęciem obiektów
OZE/URE rozumie się mikroinstalacje wytwarzające energię elektryczną (w tym w skojarzeniu), ale także
mikroinstalacje wytwarzające i użytkujące ciepło (mogą to być mikrionstalacje produkujące biopaliwa). Są
to również nowe łańcuchy wartości, takie jak OZE/URE → smart EV, OZE/URE → pompa ciepła.
• Inteligentne interfejsy łączące mikroinstalacje OZE/URE z SEE (z siecią dystrybucyjną, z systemem
dystrybucyjnym). Interfejsy sieciowe iLab EPRO w założeniu cechują się trzema poziomami inteligencji. Są
to inteligencje: przekształtnikowa, zapewniająca kompatybilność elektromagnetyczną mikroinstalacji;
obiektowa, ukierunkowana na optymalizację termodynamiczną i ekonomiczną w ramach mikroinstalacji;
systemowa, ukierunkowana na integrację prosumenckich łańcuchów wartości z celami dyrektywnymi w
obszarze energetyki obowiązującymi Polskę.
• Sieć komunikacyjna, czyli dedykowana infrastruktura teleinformatyczna laboratorium (w szczególności
„wewnętrzna” sieć komputerowa iLab EPRO, kanały transmisyjne, w tym systemy PLC partnerów;
protokoły komunikacyjne iLab EPRO), ale przede wszystkim Internet jako powszechna infrastruktura
komunikacyjna.
• Systemy SCADA (System Control and Data Acquisition). Są to systemy oddolne, czyli „symetryczne”
w stosunku do tradycyjnych systemów SCADA w SEE (odgórnych). Systemy SCADA w iLab EPRO są w
dużym stopniu „spokrewnione” z systemami przemysłowymi SCADA.
W artykule stosuje się następujące oznaczenia: URE – urządzenia rozproszonej energetyki (na wszystkich
trzech rynkach końcowych: energii elektrycznej, ciepła, transportu), w tym smart EV (electric vehicle) i
inteligentny dom plus-energetyczny; WEK – wielkoskalowa energetyka korporacyjna (obejmująca cały
tradycyjny kompleks paliwowo-energetyczny, w szczególności kopalnie, rafinerie, elektrownie i sieciowe
systemy przesyłowe).
OBIEKTY
DEMONSTARCYJNE
INTERFEJSY
SIECIOWE
mikroinstalacje energetyczne i smart grid obiektowy
u prosumentów
Zakres działalności:
modelowanie (obiektów i łańcuchów wartości)
optymalizacja (w obszarze doboru urządzeń)
weryfikacja (założeń projektowych)
certyfikacja (łańcuchów wartości)
Trzy poziomy inteligencji:
przekształtnikowa (kompatybilność elektromagnetyczna)
obiektowa (mikroinstalacja, integracja z SEE)
systemowa (smart grid, synergetyczne łańcuchy wartości)
iLab EPRO
SCADA
INFRASTRUKTURA
KOMUNIKACYJNA
wydzielona sieć komputerowa
(Politechnika Śląska, Euro-Centrum)
sieć teleinformatyczna
(kanały transmisyjne, w tym PLC, GSM)
Internet
monitoring (bezpieczeństwo obiektów)
integracja architektoniczna (OZE z budynkiem)
schematy technologiczne (obiektowe łańcuchy
termodynamiczne i ekonomiczne)
automatyka i sterowanie (w tym automatyka
zabezpieczeniowa)
diagnostyka eksploatacyjna (bazy danych)
pomiary do celów badań i edukacji (próbkowanie,
wizualizacja/wykresy; bazy danych)
Rys. 2. Cztery segmenty funkcjonalno-technologiczne iLab EPRO
Lista potencjalnych gniazd innowacyjności (obiektów/mikroinstalacji OZE/URE) nie jest ograniczona.
Początkowa lista obejmuje natomiast kilkanaście gniazd już włączonych do iLab EPRO i
przygotowywanych do włączenia. Najważniejszym gniazdem jest Politechnika Śląska (z wydzieloną dla
potrzeb iLab EPRO siecią komputerową), w tym przede wszystkim Wydział Elektryczny. Na tym Wydziale
mieści się SCADA (w szczególności sala SCADA z planowanymi stanowiskami: 1 – Logistyka, 2 –
SCADA, 3 – Bazy danych SQL, 4 – Kalkulatory, głównie dla potrzeb doboru mikroinstalacji OZE/URE, 5 –
Obrazowanie, głównie obiektów z mikroinstalacjami OZE/URE). Również na Wydziale Elektrycznym
będzie zlokalizowany smart EV, w szczególności dwa samochody elektryczne skonstruowane na Wydziale.
Planowane jest ich wykorzystanie do tworzenia carsharing-u w obrębie iLab EPRO przez powiązanie, za
pomocą SCADA, z infrastrukturą ładowania w postaci terminali zamontowanych na parkingach Wydziału i
partnerów w iLab EPRO. Nastąpić ma także powiązanie z infrastrukturą AMI w Pyskowicach, będącą
własnością Tauron Dystrybucja, i włączenie smart EV w system DSM. Wreszcie, do iLab EPRO włączone
zostanie ogniwo paliwowe znajdujące się na Wydziale Elektrycznym.
Poza Wydziałem Elektrycznym ważną rolę będą odgrywać inne Wydziały. Chodzi przede wszystkim o
Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki, który zajmuje się takimi aspektami jak: poligeneracyjne
technologie OZE/URE, biotechnologie w energetyce prosumenckiej, w tym biotechnologia środowiskowa,
oraz analiza termodynamiczna i ekonomiczna w energetyce prosumenckiej. W ramach Wydziału Inżynierii
Środowiska i Energetyki planuje się także udział Zakładu Doświadczalno-Diagnostycznego Silników
Spalinowych w iLab EPRO (pompa ciepła, kolektor słoneczny, agregat kogeneracyjny zasilany biogazem).
Ważny jest też Wydział Architektury, zajmujący się integracją architektoniczną energetyki prosumenckiej z
budynkiem, integracją urbanistyczną energetyki prosumenckej w planie zagospodarowania gminy, a także
domami inteligentnymi.
Oprócz Politechniki Śląskiej początkowa lista gniazd stopniowo włączanych do iLab EPRO obejmuje:
• Euro-Centrum (wybrane instalacje zrealizowane w Grupie Euro-Centrum, w szczególności dotyczące
domów niskoenergetycznych).
• Tauron Dystrybucja (wybrane instalacje, np. system AMI w Pyskowicach z kanałami transmisyjnymi
PLC, system obecnie obejmuje ok. 11 tys. liczników inteligentnych).
• Gminy: Gierałtowice (oświetlenie publiczne, 4 Gminne Centra Energetyczne, sieć dedykowana źródłom
lokalnym, inteligentna gminna infrastruktura krytyczna) i Radzionków (termomodernizacja budynków
szkolnych, zrealizowana w formule PPP/ESCO).
• Spółka eGIE (Poligonowe Laboratorium Mikrobiogazowni Rolniczych; węzeł cieplny budynku
stanowiącego własność wspólnoty mieszkaniowej, zasilanego z dużej sieci ciepłowniczej, a dodatkowo
baterią kolektorów słonecznych, zarządzany za pomocą mikrosieci smart grid).
• Rodzinna rezydencja (nazwisko rodziny zastrzeżone) plus-energetyczna (pompa ciepła i dedykowany
system komputerowy do monitorowania zużycia gazu ziemnego i energii elektrycznej; system
monitorowania bezpieczeństwa; zaplanowana rozbudowa o mikrowiatrak i ogniwo fotowoltaiczne, a także
silnik Stirlinga).
• Rodzinny dom z OZE jako uzupełniającymi źródłami ciepła (kolektory słoneczne, kominek
biomasowy) i z oddolnym „filarem” bezpieczeństwa elektroenergetycznego w postaci agregatu
prądotwórczego (nazwisko rodziny zastrzeżone).
• Rodzinny dom pasywny (nazwisko rodziny zastrzeżone).
• Mikrosieci smart grid dedykowane charakterystycznym prosumentom, takim jak: urząd gminy, szkoła,
kancelaria parafialna i inni.
• Centrum rozwojowe inteligentnych interfejsów sieciowych/przyłączeniowych (do SEE) dedykowane
mikroinstalacjom z charakterystycznymi źródłami OZE (mikrobiogazownia, mikrowiatrak, ogniwo PV,
bateria akumulatorów połączona wirtualnie ze źródłami OZE).
• Centrum rozwojowe mikrosieci smart grid dedykowane ukierunkowanym na technologie preferowane
w dyrektywie 2009/28 łańcuchom wartości takim jak: OZE → Smart EV (DSM, rezerwowe zasilanie
prosumenta); OZE → pompa ciepła → kolektor ciepła, i inne łańcuchy (dwa ostatnie Centra będą
segmentami w Centrum Energetyki Prosumenckiej).
Koncepcja laboratorium
Koncepcja iLab EPRO i „monitoring” fizycznej realizacji iLab EPRO jest przedmiotem zainteresowania
Konwersatorium Inteligentna Energetyka (np. spotkania styczeń-kwiecień 2012 r., www.klaster3x20.pl).
Niezależnie od tego, rozwój iLab EPRO (rzeczywistej infrastruktury) wymaga istnienia równoległej ścieżki
w postaci „dynamicznej” (referencyjnej) Biblioteki Źródłowej iLab EPRO, w której powstają opracowania.
Z jednej strony są to opracowania potrzebne do rozwoju iLab EPRO. Jednak z drugiej strony na tej ścieżce
powinny się pojawiać także opracowania powstające w wyniku działania infrastruktury iLab EPRO.
„Startowa” Biblioteka Źródłowa jest dostępną w Dziale iLab EPRO na stronie www.klaster3x20.pl.
Szczególnym przedmiotem działalności iLab EPRO oraz Centrum Energetyki Prosumenckiej na
Politechnice Śląskiej będzie przedstawianie/analizowanie łańcuchów strat (ŁS), charakterystycznych dla
energetyki WEK i przeciwstawianie ich łańcuchom korzyści (ŁK) w energetyce OZE/URE.
Pierwszy przykład dotyczy współspalania biomasy w elektrowniach kondensacyjnych. Łańcuch strat ŁS jest
następujący: wsad do łańcucha – 1 MWh (energia chemiczna w biomasie występującej lokalnie) → strata
energii (chemicznej) w transporcie biomasy 1% → sprawność bilansowa wykorzystania biomasy na wyjściu
z elektrowni (w elektrownianym węźle sieciowym, oszacowana z uwzględnieniem spadku sprawności
bloku), optymistyczna 0,2 → starty energii elektrycznej w sieci elektroenergetycznej 10% → wynik = 0,17
MWh (energia elektryczna dostarczona do odbiorcy; ilość energii odnawialnej zaliczonej do celu wg
dyrektywy 2009/28 wynosi ok. 0,2 MWh). W łańcuchu korzyści ŁK mogłoby natomiast być ciepło
wytworzone u prosumenta z biomasy wycofanej ze współspalania → 0,8 MWh.
Drugim przykładem jest zboże spalane na wsi w piecach/kotłach. Łańcuch strat ŁS jest następujący: wsad
do łańcucha – 1 ha (grunt orny) → 4,2 MWh (energia chemiczna w zbożu) → 2,5 MWh (ciepło wytworzone
w gospodarstwie, przy sprawności pieca 0,6). Łańcuch korzyści ŁK związany z zastosowaniem
mikrobiogazowni rolniczo-utylizacyjnej ma natomiast postać: 1ha (grunt orny) → (40 + 40) MWh (energia
chemiczna w biomasie z jednorocznych upraw energetycznych, oszacowana pesymistycznie, dla gruntów o
niskiej bonitacji + stowarzyszona energia chemiczna w odpadach gospodarskich) → energia na wyjściu z
mikrobiogazowni 30 MWhe + 35 MWhc (kogeneracja). Podkreśla się, że ten łańcuch może mieć ciąg dalszy
w postaci wykorzystania energii elektrycznej (30 MWhe z OZE ) do zasilania samochodu elektrycznego albo
pompy ciepła.
Trzeci przykład to mikrowiatrak off-grid (praca off-grid coraz większej liczby mikrowiatraków w Polsce
wynika z blokowania ich przyłączenia do sieci elektroenergetycznej przez operatorów OSD). Łańcuch strat
ŁS to: wsad do łańcucha – 1 MWh (energia elektryczna wyprodukowana w OZE) → wynik: 1 MWh
(wyprodukowane ciepło grzewcze). W łańcuchu korzyści ŁK1 (z samochodem elektrycznym) są:
mikrowiatrak przyłączony do sieci + smart EV + ciepło z biomasy wycofanej ze współspalania. Wynik w
tym łańcuchu to 2,5 MWh zaliczone do celu wg dyrektywy 2009/28 (w przeciwieństwie do 0,2 MWh w ŁS
związanym ze współspalaniem). Dodatkowa korzyść to redukcja paliw kopalnych (ropy) o 3,5 MWh +
redukcja emisji CO2 o 1 tonę. W łańcuchu korzyści ŁK2 (z pompą ciepła) są: mikrowiatrak przyłączony do
sieci + pompa ciepła (o współczynniku COP 3,5) + ciepło z biomasy wycofanej ze współspalania. Wynik w
tym łańcuchu to 3,5 MWh zaliczone do celu wg dyrektywy 2009/28 (w przeciwieństwie do 0,2 MWh w ŁS
związanym ze współspalaniem). Dodatkowe korzyści to redukcja paliw kopalnych (węgla) o 4,4 MWh +
redukcja emisji CO2 o 1,4 tony.
I wreszcie czwarty przykład. Dotyczy on dopłat do OZE. W łańcuchu strat w 2011 r. dopłaty wyniosły
ponad 5 mld zł (4,5 mld zł z tytułu praw majątkowych do świadectw pochodzenia, a dodatkowo wsparcie w
ramach wielu rozczłonkowanych programów celowych oraz od wielu celowych instytucji). Środki te służyły
głównie (w 75%) do finansowania szkodliwego współspalania oraz dopłat do produkcji energii elektrycznej
w wielkich elektrowniach wodnych, w bardzo dużym stopniu zamortyzowanych. Gdyby te środki
efektywnie wykorzystać na rzecz realizacji celów dyrektywy 2009/28 w łańcuchach korzyści ŁK w obszarze
energetyki prosumenckiej, w tym do wsparcia produkcji ciepła w źródłach OZE, to możliwe byłoby
kilkukrotne obniżenie obecnych dopłat (wynoszących ponad 5 mld zł rocznie), finansowanych przez
odbiorców energii elektrycznej.
Krytyczna analiza wskazanych łańcuchów strat (i wielu innych) oraz stowarzyszonych łańcuchów korzyści
musi być systematycznie pogłębiana w aspektach technicznym, termodynamicznym i ekonomicznym.