W XXI wieku rozwój nowoczesnego społeczeństwa uzależniony jest od nieprzerywanych dostaw właściwej jakości energii elektrycznej. Dziś, energia elektryczna w „gniazdkach” równoznaczna jest z zapewnieniem bezpieczeństwa energetycznego dla Polski i to zarówno w wymiarze geopolitycznym, jak i wewnętrznym. Czy Smart Grid pozwoli Polsce uniknąć blackout’u?

Izabela Żylińska

Czym jest inteligentna sieć elektroenergetyczna?

Definicji Smart Grid na przestrzeni ostatnich lat powstało wiele. Jeden z ciekawszych opisów wyjaśniających, czym jest inteligentna sieć elektroenergetyczna, powstał w 2007 r. w ramach prac South Dakota Public Utilities Commission Workshop [1]. Autorzy podchodzą do zagadnienia wielowymiarowo stwierdzając, że:

Smart Grid to wzmocniona sieć przesyłowa lub dystrybucyjna, która w znacznym stopniu wykorzystuje internetowe technologie telekomunikacyjne, rozproszone systemy komputerowe i związane z nimi czujniki i oprogramowanie (w tym również urządzenia zainstalowane w pomieszczeniach u klienta), aby zapewnić:

• inteligentny system pomiarowy,
• reakcję strony popytowej,
• zarządzanie generacją rozproszoną,
• zarządzenie zasobnikami energii,
• zarządzanie zasobnikami ciepła,
• zarządzanie siecią przesyłową,
• wykrywanie wystąpienia wyłączeń i przywracanie zasilania,
• zarządzanie jakością energii elektrycznej,
• prewencyjną konserwację zwiększającą niezawodność, bezpieczeństwo i wydajność sieci dystrybucyjnej,
• automatyzację dystrybucji.

Smart Grid to także inne obiekty, wyposażenie lub systemy, które działają w połączeniu z taką siecią łączności lub siecią elektroenergetyczną, w celu zapewnienia możliwości opisanych we wcześniejszych punktach.

Smart Grid po polsku

Warte uwagi definicje pojawiają się również i w polskim dorobku branżowym. Ideę Smart Grid krótko i treściwie ujął w broszurze „Program priorytetowy Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej Inteligentne Sieci Energetyczne (Smart Grid)” z 2012 r. Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Opis brzmi następująco:

Inteligentne Sieci Energetyczne (Smart Grid) to interaktywne i elastyczne systemy umożliwiające dynamiczne zarządzanie sieciami przesyłowymi i dystrybucyjnymi za pomocą między innymi punktów pomiarowych i kontrolnych rozmieszczonych na wielu węzłach i łączach.

Posłuchajmy jeszcze, co o inteligentnej sieci elektroenergetycznej mówi natomiast Ministerstwo Klimatu i Środowiska:

W kwestii wyjaśnienia – film, który Państwo obejrzeli został przygotowany w ramach Funduszy Europejskich (Program Operacyjny Infrastruktura i Środowisko 2014-2020 – sektor energetyka) i jest dostępny w Internecie od 22 grudnia 2020 r. Tym samym wiele zaprezentowanych inwestycji już funkcjonuje, jak przykładowo magazyn energii w pobliżu farmy fotowoltaicznej Czernikowo.

Elementy składowe inteligentnej sieci elektroenergetycznej

Jak widać Smart Grid nie jest jednolitą całością. Według dr. hab. inż. Sławomira Bieleckiego, prof. Politechniki Warszawskiej, jest on sumą wielu elementów o charakterze technicznym, dotyczących sposobu organizacji, a także związanych z rozliczeniami [2], czyli działających na wielu poziomach i obsługiwanych przez wielu aktorów rynku.

Ekspert wskazuje, że elementy o charakterze technicznym to różnego rodzaju instalacje i urządzenia, jak np.:

• linie przesyłowe i dystrybucyjne,
• magazyny energii elektrycznej,
• automatyczne wyłączniki tzw. reklozery czy inteligentne transformatory,
• automatyka zabezpieczeniowa, restytucyjna i prewencyjna,
• inteligentne liczniki energii elektrycznej tzw. Smart Meters,
• modemy do komunikacji,
• pojazdy elektryczne.

Do tego typu elementów możemy zaliczyć systemy komunikacji:

• bezprzewodowe SIM (np. sieć LTE450, 5G) i non-SIM (np. LoRa, NB-IoT),
• przewodowe (np. PLC),

a także systemy informatyczne, jak np.:

• GIS do ewidencji majątku sieciowego,
• SCADA do nadzoru konfiguracji sieci, monitorowania przepływów mocy i wizualizacji,
• FDIR do szybkiego i precyzyjnego wyznaczania obszaru zwarcia, jego izolacji w celu ponownego zasilenia jak największej liczby odbiorców energii elektrycznej,
• do zarządzania energią czy świadectwami pochodzenia energii,
• do zarządzania siecią domową HAN czy rozliczania opłat za pobór energii elektrycznej.

Elementy struktury organizacyjnej to nic innego, jak wytwórcy energii i odbiorcy energii, a pomiędzy nimi – Operator Systemu Przesyłowego (OSP) i Operatorzy Systemu Dystrybucyjnego (OSD). Dziś jednak odbiorcy energii (zarówno biznesowi, jak i indywidualni) mogą być nie tylko jej konsumentami, ale także producentami. Taka jednostka otrzymała miano „prosument”. Co ciekawe, prosumenci wyposażeni w magazyn energii stają się fleksumentami. Dzięki temu narzędziu mają możliwość wpływania na poprawę elastyczności sieci elektroenergetycznej. Wymienione podmioty mogą tworzyć na wybranym obszarze mikrosieci, klastry energii i spółdzielnie energetyczne, a także łączyć się fizycznie lub wirtualnie w np. wirtualne elektrownie, wirtualne magazyny energii czy tworzyć wirtualne linie elektroenergetyczne. Więcej na ten temat przeczytacie w artykule „Wirtualne struktury w energetyce”. Jako przykłady elementów związanych z rozliczeniami S. Bielecki podaje DSR, mobilny billing czy peer-to-peer (P2P). Problem sprawiedliwych i szybkich rozliczeń za różne usługi i formy użytkowania energii (pobór, generacja, magazynowanie) w inteligentnej sieci energetycznej, dzięki nowoczesnej technologii, zazębia się ze światem cyfrowych finansów (fintech, waluty cyfrowe, kryptowaluty, blockchain).'

Energia elektryczna zapewnia rozwój

Aby wszystkie elementy wchodzące w skład inteligentnej sieci elektroenergetycznej ze sobą współgrały, a tym samym system elektroenergetyczny sprawnie funkcjonował, potrzeba nie tylko nowoczesnych technologii (wspomniane urządzenia, systemy komunikacyjne, łączności, chmura obliczeniowa, AI, uczenie maszynowe, blockchain, kryptowaluty itp.) czy dużych funduszy. Niezbędne są przede wszystkim postępowe regulacje z zakresu energetyki i prawa zamówień, ale również z takich dziedzin, jak m.in. telekomunikacja, cyberbezpieczeństwo, sztuczna inteligencja, handel i finanse.

Dlaczego jest to tak ważne? Ponieważ w XXI wieku rozwój nowoczesnego społeczeństwa uzależniony jest od nieprzerywanych dostaw właściwej jakości energii elektrycznej. Dziś, energia elektryczna w „gniazdkach” równoznaczna jest z zapewnieniem bezpieczeństwa energetycznego dla Polski i to zarówno w wymiarze geopolitycznym, jak i wewnętrznym.

Czym jest bezpieczeństwo energetyczne? Z informacji dostępnych w serwisie rządowym gov.pl [3] wynika, że Polska rozumie „bezpieczeństwo energetyczne” jako odporność systemu energetycznego na wyjątkowe i nieprzewidywalne wydarzenia, które mogą:

• zagrozić fizycznej integralności przepływu energii lub
• prowadzić do niepowstrzymanego wzrostu jej cen niezależnie od podstaw ekonomicznych.

To stan gospodarki, który zapewnia pokrycie bieżącego i przyszłego zapotrzebowania odbiorców na paliwa i energię:

• w sposób technicznie i ekonomiczne uzasadniony,
• przy minimalnym negatywnym oddziaływaniu sektora energii na środowisko i warunki życia społeczeństwa.

Takie właśnie korzyści przyniesie naszemu krajowi wdrożenie pełnego Smart Grid. Oznacza to, że nie mamy już możliwości odwrotu od inteligentnej sieci energetycznej, a każde opóźnienie w jej wdrożeniu działa na niekorzyść Polski. Poniżej znajdą Państwo kilka przykładów na to, jak elementy Smart Grid pomagają w zagwarantowaniu nam bezpieczeństwa energetycznego.

Smart Grid, czyli (sprawne) sieci dystrybucyjne

Aby było Smart, trzeba mieć Grid. Oznacza to, że konieczna jest stała rozbudowa infrastruktury dystrybucyjnej polegająca na wdrażaniu nowoczesnych urządzeń (jak np. reklozery, inteligentne opomiarowanie z funkcjami zdalnej rekonfiguracji, zdalnego odczytu i raportowania, inteligentne transformatorów), czy stosowaniu nowoczesnych systemów (jak np. FDIR).

Niezbędna jest również modernizacja sieci. A jest co modernizować! Według danych Polskiego Towarzystwa Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej (PTPiREE) – co można zobaczyć na poniższym wykresie – w 2020 r. większość elementów infrastruktury przekroczyło wiek 25 lat, a znaczna część miała ponad 40 lat. Najgorzej wypadały linie napowietrzne WN i SN [4].

Statystyka wiekowa wybranych elementów sieci w 2020 r. Opracowanie PTPiREE na podstawie danych OSD [4]

Bezpieczeństwo energetyczne Polski wymusza inwestycje w sieć. Ze wstępnych oszacowań sektora dystrybucji wynika, że rozbudowa infrastruktury będzie wymagała zainwestowania przez OSD na ten cel niemal 100 mld zł do 2030 r. W przypadku sektora dystrybucji nakłady inwestycyjne w 2021 roku wyniosły 6,2 mld zł i były na podobnym poziomie jak w poprzednim roku. Jest to jednak ok. 300 mln zł mniej niż w roku 2019. Warto w tym miejscu wskazać, że suma nakładów przeznaczonych na innowacje w 2021 roku przez spółki OSD (Enea Operator, Energa-Operator, PGE Dystrybucja, Stoen Operator i TAURON Dystrybucja) wyniosła około 0,5 mld zł [5].

Poczynione inwestycje już przynoszą korzyści. W ostatnich latach, co można zobaczyć na wykresach poniżej, wskaźniki przerw w dostawach energii elektrycznej nieplanowanych z uwzględnieniem przerw katastrofalnych i planowanych, czyli SAIDI i SAIFI dla polskich sieci WN, SN i nn, znacznie poprawiły się. Jeśli sieć będzie jeszcze bardziej rozbudowana i modernizowana, wskaźniki te, nawet przy coraz częściej zdarzających się gwałtownych zjawiskach atmosferycznych, będą jeszcze lepsze. Dofinansowane sieci dystrybucyjne to realne zmniejszenie zagrożenia fizycznej integralności przepływu energii elektrycznej, a w konsekwencji – bezpieczna energetycznie Polska.

Wskaźniki SAIDI i SAIFI za lata 2016–2021 [5]

Smart Grid, czyli zapanowanie nad niestabilnymi OZE

Do sieci elektroenergetycznych w Polsce podłączanych jest coraz więcej odnawialnych źródeł energii, charakteryzujących się dużą niestabilnością produkcji energii elektrycznej (w szczególności farm wiatrowych).

Aby zapewnić elastyczność sieci poprzez ciągłe bilansowanie podaży energii elektrycznej z zapotrzebowaniem należy stosować elementy Smart Grid, jak np. czujniki, system magazynowania energii, systemy realizujące funkcję automatyki odciążającej sieć elektroenergetyczną (SPS) itp., które zapewnią ciągłość dostaw energii elektrycznej do odbiorców.

Zapanowanie nad OZE będzie więc stanowić o faktycznym bezpieczeństwie wewnętrznym naszego kraju.

Smart Grid, czyli zapewnienie ciągłości dostaw energii elektrycznej

Na bezpieczeństwo energetycznie Polski wpływ ma nie tylko sprawność infrastruktury elektroenergetycznej czy niestabilność OZE. To również umiejętność zrównoważenia popytu na energię z jej podażą. Na wykresie poniżej możemy zobaczyć, ile energii zostało wyprodukowanej i zużytej w Polsce w latach 2012–2021.

Produkcja i zużycie energii elektrycznej [MWh] [5]

Od 2016 r. w Polsce zużywa się więcej energii niż wyprodukuje. Jest to bardzo niebezpieczna sytuacja, która wielokrotnie skutkowała ogłoszeniem przez PSE okresów zagrożenia na rynku mocy (ostatni całkiem nie tak dawno, 23 września 2022 r.), a nawet 20. stopnia zasilania (w sierpniu 2015 r.). Jest to o tyle ważne, że liczba odbiorców energii elektrycznej w naszym kraju z roku na rok rośnie. Na koniec 2021 r. w sieci pięciu największych OSD (Enea Operator, Energa-Operator, PGE Dystrybucja, Stoen Operator, TAURON Dystrybucja) było to ponad 18,4 mln odbiorców końcowych, do których dostarczyli 140,3 TWh energii elektrycznej [5].

Aby zachować płynność dostaw energii do klientów i nie doprowadzić do blackout’u trzeba m.in. zwiększyć generację ze strony źródeł wytwórczych, zredukować zapotrzebowanie na energię w ramach usługi DSR (ang. Demand Side Response) lub zakupić energię z zagranicy, w czym pomoże Smart Grid.

Smart Grid, czyli mierzymy, aby zarządzać

Aby jak najlepiej zarządzać podażą i popytem na energię, musimy posiadać dane. Takie informacje możemy pozyskać przykładowo od odbiorców energii elektrycznej przy pomocy inteligentnych liczników. W Polsce działa już tzw. Ustawa Licznikowa, która przewiduje, że do końca 2028 r. OSD muszą wdrożyć inteligentne liczniki u co najmniej 80% odbiorców końcowych, w tym, u co najmniej 80% gospodarstw domowych.

Przykładowe korzyści w kontekście bezpieczeństwa energetycznego, jakie przyniesie instalacja systemu Smart Metringu dla odbiorcy końcowego i OSD, to:

• Kontrola zużycia energii elektrycznej – Inteligentny licznik energii elektrycznej zbiera dane pomiarowe w czasie rzeczywistym co 15 min. Odbiorcy końcowi, poprzez aplikację internetową czy na telefon komórkowy, mogą śledzić swoje bieżące zużycie energii. Dostęp do takiej funkcjonalności pozwala na zarządzanie poborem energii w domu czy firmie. Rozsądne gospodarowanie zużyciem prądu przyniesie wzrost oszczędności finansowych i zmniejszenie zapotrzebowania na energię.
• Możliwość udziału w programie DSR – Liczniki zdalnego odczytu to znakomite rozwiązanie dla klientów indywidualnych czy biznesowych, którzy chcą brać aktywny udział w programie redukcji mocy DSR. Zmniejszając własne zapotrzebowanie na energię elektryczną na wezwanie agregatora mocy, odbiorca otrzyma wynagrodzenie finansowe. Z punktu widzenia OSD odciąży to sieć elektroenergetyczną.
• Zarządzanie obciążeniem sieci – Dokładniejszy pomiar zużycia energii elektrycznej pozwoli m.in. na wdrożenie programów taryfowych, których celem jest zachęcenie klientów do korzystania z energii elektrycznej poza szczytami. Klientom indywidualnym Smart Meters umożliwią uzyskanie oszczędności finansowych poprzez skorzystanie z tzw. taryf dynamicznych, które charakteryzuje zróżnicowanie ceny za energię w ciągu doby czy nawet godziny. OSD uzyska przez to pomoc w wygładzaniu szczytów, przy jednoczesnym zmniejszeniu zapotrzebowania użytkowników na energię.

Wiedza o bieżącym zużyciu energii i możliwościach jej oszczędzania, stosowana przez odbiorców końcowych w formie dobrych praktyk, to kolejny czynnik, jaki wpływa bezpośrednio na bezpieczeństwo energetyczne Polski.

Bezpieczeństwo energetyczne to… MY

Nie zapominajmy, że bezpieczeństwo energetyczne najbardziej jest jednak uzależnione od nas samych – odbiorców końcowych, przedsiębiorców, inżynierów, decydentów. Najpierw „Smart” musi być człowiek, a dopiero potem system, aby zapewnić Polsce pokrycie bieżącego i przyszłego zapotrzebowania na paliwa i energię, w sposób technicznie i ekonomiczne uzasadniony, przy minimalnym negatywnym oddziaływaniu sektora energii na środowisko i warunki życia społeczeństwa.

Literatura:

[1] Gunther E., Smart Metering, South Dakota Public Utilities Commission Workshop (2007 r.)
[2] Bielecki S., Smart grid – elementy, korzyści i funkcjonalności dostępnych rozwiązań, www.energetyka.plus (data dostępu: 29.11.2022 r.)
[3] www.gov.pl/web/polski-atom/bezpieczenstwo-energetyczne-podstawa-rozwoju-spoleczenstwa (data dostępu: 29.11.2022 r.)
[4] Analiza zmian sieci dystrybucyjnej w latach 2016-2020, Energia Elektryczna: 9/2021, www.e-elektryczna.pl/technika-i-technologie/analiza-zmian-sieci-dystrybucyjnej-w-latach-2016-2020/ (data dostępu: 29.11.2022 r.)
[5] Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej, Raport „Energetyka Dystrybucja Przesył”, 23.06.2022 r.

Artykuł powstał na bazie prezentacji pt. „Smart Grid – Inteligentne sieci elektroenergetyczne w zapewnianiu bezpieczeństwa energetycznego” wygłoszonej przez Izabelę Żylińską podczas konferencji „Zielone technologie dla bezpieczeństwa energetycznego” (22 listopada 2022 r. w Katowicach).

fot.: freepik / vectorjuice

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