Wirtualny magazyn energii, wirtualna elektrownia, wirtualne linie elektroenergetyczne – czym są, jakie mają zastosowanie i czym różnią się od siebie?

dr hab. inż. Sławomir Bielecki
Zakład Racjonalnego Użytkowania Energii
Instytut Techniki Cieplnej im. B. Stefanowskiego
Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa
Politechnika Warszawska

W artykułach, raportach i opracowaniach branżowych dotyczących nowoczesnej energetyki pojawiają się określenia różnych struktur z przymiotnikiem „wirtualny”. Dotyczy to np. elektrowni, sieci, linii czy magazynów energii. Większość z tych pojęć bywa różnie definiowanych szczegółowo, różnie rozumianych i niekiedy używanych zamiennie w podobnych znaczeniach. Wirtualny oznacza wytworzony w umyśle lub wykreowany przez komputer, dający ułudę bytu rzeczywistego. Ale jak to się ma do struktur energetycznych? Otóż, to wszystko polega w istocie na „inteligentnym” wykorzystywaniu możliwości trójki grup podmiotów, mianowicie związanych z generacją, odbiorem oraz magazynowaniem energii. Wszystkimi elementami można w pewnym zakresie zamiennie sterować, uzyskując odpowiedni efekt. Stąd, dotychczasowe struktury uzyskują swój „wirtualny” odpowiednik. Wszystko sprowadza się do racjonalnego wykorzystywania dostępnej infrastruktury i zasobów energetycznych, przede wszystkim wykorzystujących lokalne źródła odnawialne. Celem jest więc bilansowanie mocy i energii w sposób gwarantujący jakość oraz stabilność pracy sieci i systemu elektroenergetycznego. Najwygodniejsze do tego zadania byłyby układy zasobników energii (magazynów energii elektrycznej, oznaczane dalej w treści jako MEE).

Wirtualny magazyn energii (ang. Virtual Energy Storage, VES)

Można wyróżnić dwa główne spojrzenia na pojęcie VES:

• VES to sieć fizycznych urządzeń magazynujących energię, których działanie jest skoordynowane i zoptymalizowane w celu osiągnięcia ogólnego celu, jakim jest efektywne dostarczanie energii elektrycznej na danym obszarze. Urządzenia, które są zintegrowane z VES, mogą być wykorzystywane do równoważenia niezbilansowania pomiędzy dostarczaną energią a zapotrzebowaniem na nią, spowodowanym fluktuacjami zasilania i obciążenia [1]. Może to polegać na użyczaniu prosumentom możliwości magazynowych poprzez sieć, gdzie agregator usługi zarządza określoną pojemnością magazynu energii i sprzedaje ją klientom, dzieląc swój magazyn na wirtualne części [2].

• VES to narzędzie do realizacji możliwości wzajemnego współdziałania podmiotów mogących bilansować energię w sieci energetycznej poprzez dostosowanie własnego obciążenia i tym samym umożliwiając ograniczenie utrzymania rezerwy regulacyjnej. Oznacza to, że nie muszą tu być wykorzystywane fizyczne urządzenia magazynujące energię. Rozważana jest jedynie zrównoważona wymiana energii elektrycznej pomiędzy podmiotami bilansującymi (źródła-odbiory) [3].

Oba znaczenia opierają się na agregacji jednostek i oferowaniu usługi mniejszym podmiotom użytkującym energię, pomagając operatorowi systemu zbilansować moc. W pierwszym znaczeniu – oferując alternatywę dla zaopatrywania się we własne urządzenia MEE, w drugim znaczeniu VES można potraktować jako efekt programu reakcji strony popytowej (ang. Demand Response, DR) [4], czyli wykorzystanie obciążeń sterowanych po stronie odbiorców ([5], [6], [7]). W pierwszym przypadku chodzi więc o efekt funkcji MEE z punktu widzenia końcowego użytkownika (prosumenta), w drugim o analogiczny efekt, jaki dałyby MEE z punktu widzenia operatora zarządzającego systemem.

Wirtualne magazyny energii mogą być też rozpatrywane w kontekście bardziej złożonych układów (ang. Virtual Energy Storage Systems, VESS), będące w istocie połączeniem obu wspomnianych podejść, które agregują mniejsze jednostki MEE (o małej pojemności) oraz odbiory, mogące elastycznie zmieniać obciążenie (w tym np. urządzenia grzewcze) i rozproszone źródła energii. W ten sposób VESS dają mniejszym podmiotom możliwość dostępu do rynku hurtowego energii i rynku ofert na dodatkowe usługi pomocnicze, jakie mogą być świadczone na rzecz systemu elektroenergetycznego. Agregacja może odbywać się na poziomie zarówno przesyłu jak i dystrybucji.

Wirtualna elektrownia (ang. Virtual Power Plant, VPP)

VPP to obecnie najbardziej rozpowszechnione pojęcie struktury „wirtualnej” w nowoczesnej energetyce. W powszechnym rozumieniu VPP tworzy zagregowaną, za pomocą rozwiązań teleinformatycznych (tj. wirtualnie), strukturę obejmującą sterowalne jednostki (wytwórcze, odbiorcze i zasobnikowe). Takie struktury mogą świadczyć usługi systemowe, wspomagając pracę całego systemu elektroenergetycznego (na rzecz operatora sieci przesyłowej, OSP) lub lokalnie (na rzecz operatora sieci dystrybucyjnej, OSD) [8]. W ogólnym przypadku, VPP mogą więc współtworzyć takie wzajemnie powiązane elementy o charakterze techniczno-organizacyjnym, jak:

• jednostki wytwórcze generacji rozproszonej,
• jednostki odbiorcze o dającym się sterować zapotrzebowaniu na energię,
• instalacje prosumenckie,
• układy magazynujące energię (MEE),
• sieci teleinformatyczne i infrastruktura telemetryczna,
• system zarządzania, współpracujący z mechanizmami rynku energii.

W szczególności, taka organizacja ma zdolności do samobilansowania się. Ten twór, z punktu widzenia systemu elektroenergetycznego jest spójną, zamkniętą i sterowalną strukturą, tworzącą sieć współpracujących elementów. Stąd, spotykane jest jeszcze określenie „wirtualnych sieci elektroenergetycznych” (ang. Virtual Power Network, VPN) [9], co może być uznane niemal za synonim VPP. Aczkolwiek, określenie VPN zostało również zaproponowane jako model w analizach danych w kontekście programów DR [10].

Czym więc różni się VPP od VESS?

W porównaniu z VPP, głównym celem VESS jest magazynowanie nadwyżek energii elektrycznej i jej uwalnianie w zależności od potrzeb systemu [11]. Działalność VESS ogniskuje się więc wokół problemu efektywnego magazynowania energii (z punktu widzenia systemu i/lub prosumenta), zaś celem VPP jest inteligentne rozdysponowanie energii, w sposób dogodny dla systemu. Oczywiście oba cele są zbieżne, można więc uznać, że VESS są pewną odmianą bardziej ogólnej struktury za jaką uznaje się VPP.

Wirtualne linie elektroenergetyczne (ang. Virtual Power Lines, VPL)

VPL to koncepcja poprawy wykorzystania istniejących zdolności przesyłowych linii elektroenergetycznych poprzez zainstalowanie magazynów energii w dwóch punktach, mianowicie – pierwszy w węźle początkowym (np. generacji z niestabilnych źródeł OZE), a drugi w węźle końcowym linii (np. liczne odbiory energii). Konstrukcja taka pozwala na uniknięcie ograniczeń przesyłowych związanych m.in. z wyprowadzeniem mocy z OZE.

Działanie VPL odbywa się według prostego schematu:

1. MEE w węźle początkowym linii: ładowanie nadwyżek generacyjnych OZE w chwilach przekraczania zdolności przesyłowych linii i rozładowywanie w momencie zmniejszonej generacji OZE (gdy obciążenie jest poniżej zdolności przesyłowej linii).

2. MEE w węźle końcowym linii: ładowanie w momencie zmniejszonego zapotrzebowania odbiorów (obciążenie jest poniżej dostarczanej linią mocy) i rozładowywanie w momencie zwiększonego zapotrzebowania odbiorów (obciążenie jest powyżej zdolności przesyłowej linii).

Można podkreślić, że w strukturze VPL [12]:

• MEE nie muszą być instalowane na stałe (tylko np. sezonowo),

• zarządzanie ograniczeniami przesyłowymi odbywa się bez ingerencji ani w stronę wytwórczą ani odbiorczą,

• jest możliwość udostępnienia dodatkowej mocy po niższych kosztach w porównaniu z koniecznością rozbudowy infrastruktury, zwłaszcza gdy ograniczenia występują podczas rzadkich zdarzeń, np. ekstremalnie wysokie temperatury w okresie letnim i gdy efekt kosztownej modernizacji zdolności przesyłowej linii byłby niewykorzystywany przez większość czasu w roku,

• MEE mogą tu również wspierać system poprzez świadczenie usług pomocniczych.

Inwestycja w VPL może mieć mniejszy wpływ na wartość pobliskich nieruchomości w porównaniu z wariantem rozbudowy liniami przesyłowych, ponieważ MEE są instalowane w podstacjach lub istniejących obiektach.

Podsumowanie

Najistotniejszym trendem wynikającym z postulatu dekarbonizacji energetyki jest zwiększanie udziału produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Zastąpienie konwencjonalnych jednostek o stabilnej generacji przez OZE, charakteryzujące się szybkozmiennymi przebiegami mocy generowanej, pociąga za sobą konieczność zastosowania w większej skali narzędzi do bilansowania mocy. Do tego zadania można wykorzystywać sterowanie dostosowanych do tego celu jednostek generacji oraz samych odbiorów energii, lecz w tych przypadkach ingeruje się w proces użytkowania energii. Najbardziej przydatne są więc jednostki potrafiące magazynować energię i mogące pełnić przy okazji rolę źródeł rezerwowych.

Tworzone i opisywane jako „wirtualne” struktury (VESS, VPP, VPN, VPL) polegają na zintegrowaniu rozproszonych odbiorów z rozproszonymi jednostkami generacyjnymi przy udziale stabilizujących obiektów magazynujących energię, wszystko aby efektywnie bilansować moc. Odpowiednia technologia do racjonalizacji i kontroli użytkowania energii już istnieje, tylko w ramach konkretnych rozwiązań musi być wsparta od strony analitycznej, informatycznej oraz formalno-prawnej. Tu pojawiają się nisze biznesowe na różne działalności – m.in. podmiotów pośredniczących, agregujących, doradczych czy zarządczych. Podstawowy cel funkcjonowania sieci i systemów energetycznych pozostaje niezmienny: dostarczanie energii w efektywny (energetycznie i ekonomicznie) sposób, czyli właściwe bilansowanie zapotrzebowania z generacją, i wykorzystywać do tego można struktury „wirtualne” oparte na elementach realnej instalacji.

Literatura:
[1] D. Unger, J. M. A. Myrzik, "Agent based management of energy storage devices within a Virtual Energy Storage," 2013 IEEE Energytech, 2013, pp. 1-6, doi: 10.1109/EnergyTech.2013.6645292.
[2] D. Zhao, H. Wang, J. Huang, X. Lin: Virtual Energy Storage Sharing and Capacity Allocation. 2020 IEEE Power & Energy Society General Meeting (PESGM).
[3] D. Pengwei, Y. Makarov, Z. Ning, P. Etingov, "Application of Virtual Energy Storage to Partially Mitigate Unscheduled Interchange Causedby Wind Power" 2011 IEEE PES Power Systems Conference & Exposition, Phoenix, USA, 2011.
[4] A. Niromandfama, A. Movahedi Pourc, E. Zarezadehd: Virtual energy storage modeling based on electricity customers’ behavior to maximize wind profit. Journal of Energy Storage 32 (2020) 101811
[5] Z. Cheng, X. Li, Z. Li, J. Si, S. Xu, R. Nie: Optimal Scheduling Strategy of Building Integrated Photovoltaic Microgrid Considering Virtual Energy Storage. Appl. Sci. 2020, 10, 6176]
[6] C. P. Barala, P. Mathuria, R. Bhakar: Optimal Scheduling for Residential Building Based on Virtual Energy Storage System. 2019 8th International Conference on Power Systems (ICPS), 2019, pp. 1-5, doi: 10.1109/ICPS48983.2019.9067628
[7] M. Cheng, S. Sabah Sami, J. Wu: Benefits of using virtual energy storage system for power system. Applied Energy 194 (2017) str. 376–385
[8] S. Bielecki: Magazyny energii i wirtualne elektrownie - rozwiązania na potrzeby niestabilnej generacji energii elektrycznej. Energetyka Wodna 2/2017 (22), s. 18-23
[9] EG3 First Year Report: Options on Handling Smart Grids Data. Smart Grid Task Force. January 2013
[10] M. Chen i inni: Aggregated Model of Data Network for the Provision of Demand Response in Generation and Transmission Expansion Planning. IEEE Transactions on Smart Grid, vol. 12, no. 1, pp. 512-523, Jan. 2021, doi: 10.1109/TSG.2020.3015475
[11] M. Chenga, S. Sabah Samia, J. Wua: Virtual Energy Storage System for Smart Grids. Energy Procedia 88 (2016) 436 – 442, DOI: 10.1016/j.egypro.2016.06.021
[12] IRENA (2020), Virtual power lines, International Renewable Energy Agency, Abu Dhabi.
 

fot.: freeimage / Ivan Prole; canva

 © Materiał chroniony prawem autorskim - wszelkie prawa zastrzeżone.
Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy ARTSMART Izabela Żylińska. Więcej w Regulaminie.