Smart grid to inteligentna sieć energetyczna, która jest w stanie, za pomocą dostępnych środków, w tym zaadaptowanych algorytmów, samodzielnie podejmować właściwe decyzje, na podstawie zmieniających się czynników zewnętrznych (np. środowiskowych, wpływających na podaż energii lub potencjalne awarie) oraz wewnętrznych (np. stan infrastruktury, zmiany preferencji odbiorców, wpływające na strukturę zapotrzebowania na energię). Jednocześnie stara się przy tym optymalizować proces użytkowania i dostarczania energii elektrycznej.
Smart grid – dlaczego jej rozwój jest niezbędny?
Obecnie, rozwój smart grid jest utożsamiany z procesem przejścia z energetyki opartej na źródłach konwencjonalnych, głównie wielkoskalowych, na energetykę wykorzystującą jako jednostki wytwórcze – odnawialne źródła energii (OZE). Charakteryzują się one mniejszą mocą i rozmieszczane są w wielu miejscach sieci (tzw. generacja rozproszona). Powszechność tej technologii umożliwia bowiem jej bezpośrednie zastosowanie również u odbiorców (prosumpcja).
W energetyce konwencjonalnej, fluktuacje zapotrzebowania na energię w czasie są naturalne i wynikają ze spontaniczności użytkowania odbiorników energii przez odbiorców. Strona wytwórcza na bieżąco dostosowuje się do zmieniającego się popytu. W przypadku OZE to również strona wytwórcza charakteryzuje się dużą zmiennością i nieprzewidywalnością. Mając to na uwadze, smart grid ma za zadanie zapewnić elastyczność sieci, poprzez ciągłe bilansowanie podaży energii elektrycznej z zapotrzebowaniem.
Do tego celu niezbędne jest wdrożenie odpowiednich technologii komunikacyjnych, służących do wymiany i przetwarzania informacji, a także sterowania pracą sieci i zarządzania zasobami energetycznymi. Informacje te mogą oddziaływać na podmioty przyłączone do sieci, umożliwiając im bezpośrednie lub pośrednie uczestnictwo w rynku energii. Rynek energii w ten sposób poszerza się o rozbudowany segment nowych usług energetycznych, związanych z właściwym funkcjonowaniem sieci.
Próbując zdefiniować smart grid często podkreśla się aspekt wykorzystywania w nich technologii telekomunikacyjnych i informatycznych, co tak naprawdę jest konsekwencją realizacji w nowych warunkach, tych samych zadań, które były stawiane tradycyjnym sieciom energetycznym. Ponadto, utożsamianie smart grid jedynie z inteligentnym opomiarowaniem odbiorców – smart metering (sprowadzanym do wymiany dotychczasowych liczników energii na urządzenia z funkcją zdalnego odczytu) jest dużym uroszczeniem, pomijającym możliwości nowego podejścia do ewoluującej struktury energetyki i funkcjonalności smart grid.
Charakterystyka i rodzaje elementów inteligentnych sieci
Smart grid obejmuje wszelkie zagadnienia związane z obecnym użytkowaniem energii elektrycznej, w zasadzie na dowolnym etapie i w ramach struktury energetyki ewoluującej w kierunku rozwiązań, zmierzających do zwiększenia wykorzystania OZE oraz upodmiotowienia odbiorców końcowych oraz idei internetu rzeczy – IoT (ang. Internet of Things).
Elementy tworzące strukturę smart grid, można pogrupować na takie o charakterze technicznym, dotyczące sposobu organizacji, a także związane związane z rozliczeniami. Na smart grid składa się nie tylko infrastruktura energetyczna i telekomunikacyjna, ale również odpowiednio przygotowani użytkownicy, którzy wspierają funkcjonowanie sieci, uznawanej przez to za inteligentną.
Czytaj też: Smart metering – czy przemysł może na tym zyskać?Smart grid – elementy o charakterze technicznym
Smart grid nie będzie funkcjonować bez wdrożenia właściwych technologii. Odpowiednie rozwiązania są już dostępne, jednak odrębną kwestią jest zasadność ich stosowania w danych warunkach i na konkretnym etapie rozwoju, biorąc pod uwagę możliwości użytkowników sieci oraz uczestników rynku, a także uwarunkowania prawne. Elementy smart grid w tej grupie wykorzystują osiągnięcia najnowszych technik teleinformatycznych i nowoczesnych aparatów oraz urządzeń, bazujących zwłaszcza na elektronice i energoelektronice. W inteligentnych sieciach energetycznych – smart grids wykorzystuje się różne systemy informatyczne, takie jak [1], [2]:
- zarządzania wyłączeniami – OMS (ang. Outage Management System),
- pełnej ewidencji majątku sieciowego (paszportyzacja), w tym bazujących na systemach informacji geograficznej – GIS (ang. Geographical Information System),
- nadzoru konfiguracji sieci, monitorowania przepływów mocy i wizualizacji – SCADA (ang. Supervisory Control and Data Acquisition),
- akwizycji i analizy pomiarów – WAMS (ang. Wide Area Measurement System),
- rekonfiguracji linii – MRF (ang. Multi-level Feeder Reconfiguration),
- koordynacji automatyki zabezpieczeniowej – RPR (ang. Relay Protection Recoordination),
- autonomicznych algorytmów samoczynnej restytucji sieci – FDIR (ang. Fault Detection, Isolation and Restitution systems),
- zarządzania energią – EMS (ang. Energy Management System), BMS (ang. Building Management System) czy DMS (ang. Distribution Management System),
- sterowania napięciem i mocą bierną – VVMS (ang. Volt/Var Management System),
- weryfikacji i śledzenia świadectw pochodzenia energii,
- bilingu,
- modelowania (analizy, symulacje, projektowanie).
Powyższe systemy powinny być ze sobą kompatybilne, ponieważ ich funkcje wzajemnie się uzupełniają i przenikają.
W ramach smart grid szczególne zastosowanie znajdują rożnego rodzaju urządzenia, np. [3]–[ 7]:
- sprzęgi energoelektroniczne – transformatory z przekładnią energoelektroniczną i czujnikami diagnozującymi (smart transformer),
- automatyczne wyłączniki (reklozery), przywracające zasilanie po wystąpieniu zwarcia,
- elektroniczne liczniki energii elektrycznej z funkcjami zdalnej rekonfiguracji, zdalnego odczytu i raportowania,
- energoelektoniczne urządzenia poprawiające możliwości przesyłowe, typu FACTS (ang. Flexiable Alternating Current Transmission System) czy FACDS (ang. Flexiable Alternating Current Distribution System),
- zasobniki/magazyny energii, np. bateryjne, SMES, superkondensatory, a także pojazdy elektryczne,
- jednostki generacji rozproszonej i odnawialne źródła energii,
- linie przesyłowe prądu stałego,
- drony do monitorowania obiektów i działań niebezpiecznych – UAV (ang. Unmanned Aerial Vehicle),
- automatyka zabezpieczeniowa, restytucyjna i prewencyjna.
Komunikacja w smart grid bazuje na wielu różnych technologiach, wykorzystuje się m.in. transmisję przewodową, jak i wiele standardów komunikacji bezprzewodowej krótkiego i dalekiego zasięgu, w tym rozwiązania 5G [8]. Brak jednego dominującego rozwiązania, wynika ze wstępnego etapu rozwoju smart grid oraz zróżnicowania zadań stawianych inteligentnym sieciom (akwizycja pomiarów, odczyty, sygnalizacja, sterowanie, komunikacja krytyczna), które wymagają różnych parametrów w zakresie prędkości i przepustowości.
Powyższe wyszczególnienie, ze względu na rozwijającą się szybko technologię i złożoność zagadnienia, nie obejmuje wszystkich spotykanych rozwiązań, stanowi jedynie zestawienie najbardziej istotnych i powszechnych elementów. Co ważne, mogą być one stosowane zarówno sieciach dystrybucyjnych, jak i przesyłowych.
Smart grid – elementy struktury organizacyjnej
Rozwój smart grid wiąże się z powstawaniem nowych struktur, o charakterze organizacji powiązań między podmiotami, użytkownikami i urządzeniami. Pozwalają one odpowiednio zarządzać dostępną infrastrukturą i zasobami energetycznymi w celu realizacji podstawowej funkcji sieci, jakim jest zapewnienie ekonomicznego, efektywnego i niezawodnego dostępu do czystej energii.
W tradycyjnym systemie elektroenergetycznym role poszczególnych podmiotów były wyraźne określone – wytwórcy i odbiorcy, a jako magazyny energii stosowano głównie elektrownie szczytowo-pompowe. W smart grid występują te same podmioty, ale ich funkcje mogą być różne, np.:
- prosumenci – odbiorcy, którzy mają własne jednostki wytwórcze,
- fleksumenci – prosumenci, którzy mogą dodatkowo realizować usługi poprawiające elastyczność sieci, np. sterując własnymi jednostkami magazynowania energii.
Tego rodzaju podmioty oraz jednostki wytwórcze, mogą na wybranym obszarze tworzyć niezależnie sterowane własne mikrosieci, klastry energetyczne bądź spółdzielnie energetyczne. Co ważne, podmioty mogą łączyć się ze sobą zarówno fizycznie, bezpośrednimi liniami energetycznymi, ale także wirtualnie – za pomocą powiązań informatycznych – tworząc struktury symulujące funkcjonalności większych (z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego) jednostek. Celem wirtualnych struktur jest dostarczenie narzędzi do ciągłego bilansowania i zarządzania przepływami energii elektrycznej, a szczególnie pożądaną funkcjonalnością jest zdolność do magazynowania energii. W ramach smart grid można wyróżnić m.in. [9]:
- wirtualne elektrownie – VPP (ang. Virtual Power Plant),
- wirtualne magazyny energii – VES (ang. Virtual Energy Storage),
- wirtualne linie elektroenergetyczne – VPL (ang. Virtual Power Lines).
W smart grid występuje również wirtualna inercja, realizowana przez jednostki wytwórcze zdolne do szybkiego sterowania mocą czynną [10]. Wynika to z faktu, że rozpowszechnienie jednostek wytwórczych, bazujących na źródłach odnawialnych, przyłączanych do sieci za pomocą przekształtników, wypiera jednostki konwencjonalne, synchronicznie pracujące z siecią. W efekcie zmniejsza się inercja systemu elektroenergetycznego, co utrudnia początkową regulację częstotliwości w systemie po zaburzeniu bilansu energii.
Smart grid – kwestie rozliczeń za energię i użytkowanie sieci
Smart grid sprzyja uaktywnianiu odbiorców w procesie racjonalnego użytkowania i bilansowania energii elektrycznej. Wymaga to jednak zaimplementowania mechanizmu dynamicznego kształtowania cen za energię, ponieważ sztywny model regulacji taryf uniemożliwia rozwój programów bodźcowych dla odbiorców.
Reakcję strony popytowej, wymuszaną zmieniającą się w ciągu dnia ceną za pobrane kWh w ramach mechanizmu DSR (ang. Demand Side Response), uznaje się za jeden z filarów smart grid. Współczesne technologie informatyczne, umożliwiają tworzenie nowych sposobów rozliczeń za dostęp do sieci i użytkowanie energii, np. rozliczanie konsumenta niezależnie od miejsca poboru energii elektrycznej (mobilny billing). To rozwiązanie może być bardzo przydatne w przypadku elektromobilności i jednocześnie łączy się z usługą V2G (ang. Vehicle to Grid), jaką konsument może odpłatnie świadczyć na rzecz sieci.
Pewna komplikacja dotychczasowej struktury, polegająca na tym, że na każdym poziomie sieci będą funkcjonować jednostki zarówno odbiorcze, jak i wytwórcze, które mogą się komprymować w jednym podmiocie prosumenckim, wymaga innego podejścia do problemu rozliczeń między uczestnikami rynku, a także finansowania utrzymywania infrastruktury. Pojawiają się koncepcje mikrorynków, obejmujących zasięgiem obszary sieci nn, przyłączone do jednej stacji transformatorowej SN/nn. W ramach inicjatyw związanych ze smart grid, testowane są również możliwości wymiany energii między parami prosumentów (w formie P2P) i związanych z nimi rozliczeń bazujących na technologii blockchain, a także kryptowalutach [11].
Inteligentne sieci energetyczne – funkcjonalności i korzyści
Inteligentne sieci energetyczne mogą przynieść wiele korzyści, które można pogrupować z punktu widzenia poszczególnych grup uczestników (m.in. odbiorców, operatorów czy różnych organów państwowych), jak i podzielić na kategorie – techniczne, ekonomiczne i społeczne.
Inteligentne sieci energetyczne w sposób korzystny finansowo integrują zachowania i działania wszystkich przyłączonych do sieci użytkowników, rozwijając społeczne struktury lokalne. Bodźce cenowe powinny skłaniać odbiorców do racjonalnego gospodarowania zasobami, w tym ograniczenia szczytowego zapotrzebowania na moc i rozłożenia w czasie zapotrzebowania na energię elektryczną, korelując go ze spodziewaną jej podażą w sieci.
Odpowiednio zaimplementowane funkcjonalności wymienionych wcześniej systemów i urządzeń, realizując ideę smart grid pod względem technicznym, powinny pozwolić w szczególności na:
- rozpoznanie rzeczywistych charakterystyk obciążeń, co powinno się przełożyć na lepsze zarządzanie i planowanie rozbudowy sieci,
- wizualizację stanu pracy sieci energetycznej, bieżący monitoring, ocenę i optymalizację wykorzystania zasobów oraz infrastruktury,
- kontrolę rozpływów mocy czynnej i biernej w sieci oraz poziomów napięć w węzłach (automatyczna regulacja napięcia), a także zarządzanie jakością energii elektrycznej,
- ograniczenie strat w transporcie energii (kontrola przeciążeń, oddziaływanie na stronę popytową, zmiany punktów podziału sieci, optymalizacja konfiguracji),
- ograniczenie negatywnego wpływu niestabilnej generacji rozproszonej na stan pracy sieci oraz ułatwienie przyłączania i współpracy generatorów różnych mocy czy technologii,
- wprowadzenie możliwości świadczenia przez klientów usług systemowych o charakterze interwencyjnym (również w formie zagregowanej),
- poszerzenie środków i narzędzi do bilansowania systemu (również na poziomie lokalnym), ograniczenie związania majątku wytwórczego w ramach rezerwy wirującej (na poziomie całego systemu elektroenergetycznego), wzrost pewności utrzymania równowagi bilansowej w systemie, ograniczenie konieczności wyłączeń obszarowych,
- poprawę niezawodności zasilania, m.in. poprzez przyspieszoną lokalizację awarii oraz zdalną (z udziałem dyspozytora sieci lub całkowicie automatyczną) restytucję sieci (wykrycie miejsca zwarcia, izolacja uszkodzonego odcinka, zmiana konfiguracji sieci),
- upowszechnienie nowych form wykorzystywania energii elektrycznej (elektromobilność, pompy ciepła),
- rozwój narzędzi do benchmarkingu dla organu regulacyjnego energetyki.
W przypadku korzyści o charakterze ekonomicznym należy wyróżnić:
- stworzenie warunków dla rozwoju mechanizmów rynkowych w energetyce i bardziej sprawiedliwego podziału kosztów,
- ograniczenie kosztów usług realizowanych na rzecz systemu, poprzez wprowadzenie konkurencji w ich świadczeniu pomiędzy generacją scentralizowaną, rozproszoną i odbiorami (np. rynek mocy) – możliwość agregacji podmiotów wprowadza bezpośrednią konkurencję wobec źródeł wielkoskalowych,
- dostarczanie narzędzi do optymalnego planowania (remontów, rozbudowy) i oceny efektywności inwestycji, poprawy wykorzystania majątku sieciowego m.in. poprzez spłaszczanie krzywej obciążenia (narzędzia zarządzania popytem),
- redukcję kosztów niedostarczonej energii jako utraconych korzyści (wzrost niezawodności i bezpieczeństwa energetycznego),
- wsparcie identyfikacji nielegalnego poboru energii elektrycznej oraz redukcji innych strat handlowych (rezygnacja z prognoz, synchronizacja wzajemna pomiarów, obniżenie poboru własnego energii przez nowoczesne liczniki statyczne), lepsza ochrona majątku przed kradzieżą,
- poprawę płynności, uproszczenie i przyspieszenie rozliczeń z klientami (niższe ryzyko reklamacji faktur i zatorów płatniczych),
- rozwój nowych niszy działalności biznesowej, np. świadczących usługi energetyczne lub dostarczające środki poprawy efektywności energetycznej czy świadczące usługi na zasadach outsourcingu agregacji użytkowników,
- wzrost koniunktury w sektorze ICT, rozwój nowych, proinnowacyjnych gałęzi gospodarki w zakresie produkcji i utrzymania źródeł odnawialnych, mikroźródeł oraz magazynów energii,
- umożliwienie synergii, w tym, np. możliwości wykorzystywania infrastruktury smart grid do wspierania innych usług (nie energetycznych), jak transport, usługi medyczne czy łączność krytyczna (więc również usług publicznych),
- zwiększenie niezależności energetycznej kraju w sposób umożliwiający ograniczenie wykorzystania paliw kopalnych, poprawę ekonomiki sektora energetycznego poprzez optymalizację komunikacji między uczestnikami rynku, ograniczenie ryzyka biznesowego wśród podmiotów wykorzystujących większe moce,
- obniżenie kosztów usług obcych przedsiębiorstw dystrybucyjnych (zależnie od ich modelu biznesowego).
Smart grid wiąże się również z korzyściami dla społeczeństwa, wśród których można m.in. wskazać:
- upodmiotowienie odbiorców, którzy staną się aktywną stroną w organizacji procesu dostarczania energii (przy zabezpieczeniu interesów odbiorców dotkniętych ubóstwem energetycznym),
- wzmocnienie pozycji i uprawnień dla klienta wobec przedsiębiorstw energetycznych,
- dostęp użytkowników do szczegółowych informacji o użytkowaniu energii elektrycznej, wzrost świadomości odbiorców końcowych i wzmocnienie zachowań na rzecz efektywnego i racjonalnego wykorzystania energii,
- promocję proefektywnościowej i proekologicznej edukacji społeczeństwa,
- stworzenie warunków do rozwoju spółdzielczości, zrzeszania się, tworzenia więzi lokalnych i struktur opartych na wzajemnym zaufaniu, demokracji, współpracy i poszanowaniu wspólnotowej wartości (idea energetyki obywatelskiej [12]),
- upowszechnienie dostępu do dóbr i mediów poprzez uproszczenie procedur przyłączeniowych dla nowych klientów oraz generacji rozproszonej, poprawę dostępu do różnych mediów, w tym Internetu,
- kosztem redukcji miejsc pracy związanych z odczytem liczników i konwencjonalną energetyką, powstanie nowych, wynikających ze zwiększenia liczby podmiotów gospodarczych w sektorze m.in. związanych z utrzymaniem i rozwojem infrastruktury AMI (ang. Advanced Metering Infrastructure), generacji rozproszonej, usługami powiązanymi bezpośrednio i pośrednio z funkcjonowaniem smart grid,
- możliwość realizacji polityki energetycznej wskazanej przez UE.
Literatura
1. K. Billewicz, „Smart metering”, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2012.
2. K. Billewicz, D. Bober, M. Chcyl-Flicińska, M. Jabłońska, I. Żółtowska, „Inteligentne sieci elektroenergetyczne”, Texter, 2016.
3. R. Strzelecki, „Znaczenie i miejsce energoelektroniki w rozwoju smart grid”, Automatyka-Elektryka-Zakłócenia 2013, nr 2.
4. M. Adamowicz, „Inteligentny transformator dystrybucyjny SN/nN dla sieci smart grid o aktywnym udziale prosumentów”, Acta Energetica 2012, tom 3, nr 2.
5. K. Rafał, M. Bobrowska, M. Kaźmierkowski, „Zapady napięcia – kompensacja przy zastosowaniu urządzeń energoelektronicznych typu FACTS”, Elektroenergetyka WiR 2012, nr 1–2.
6. K. Rafał, P. Grabowski, „Magazynowanie energii”, Magazyn PAN 2021, nr 1(65).
7. J. Baraniak, B. Pawlicki, S. Wincenciak, „Elektromobilność: szanse i zagrożenia dla sieci dystrybucyjnej”, „Przegląd Elektrotechniczny 2020, nr 5.
8. S. Witkowski, A.Grobelny, P.Prus, „NarrowBand IoT a zdalny odczyt użycia mediów”, Smart Grids Polska 2018, nr 2(20).
9. S. Bielecki, „Wirtualne struktury w energetyce”, www.smart-grids.pl.
10. Z. Lubośny, „Wirtualna inercja w systemie elektroenergetycznym”, Automatyka-Elektryka-Zakłócenia 2020, tom 11, nr 1.
11. A. Babiś, „Zastosowania blockchain w energetyce”, www.smart-grids.pl.
12. J. Roberts, F. Bodman, R. Rybski, „Energetyka obywatelska: modelowe rozwiązania prawne promujące obywatelską własność odnawialnych źródeł energii”, Raport ClientEarth, 2015 Warszawa.
Publikacja artykułu: październik 2021 r.