Czy zakład produkcyjny może stać się bardziej niezależny energetycznie, zmniejszyć ślad węglowy i jednocześnie obniżyć koszty? O roli mikrosieci w przemyśle, ich wpływie na konkurencyjność oraz o przyszłości energetyki rozmawiamy z dr. hab. inż. Sławomirem Bieleckim z Politechniki Warszawskiej.

dr hab. inż. Sławomir Bielecki Profesorem uczelni, Politechnika Warszawska – Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, Instytut Techniki Cieplnej im. B. Stefanowskiego

Rozmawiała: Izabela Żylińska

Aktualnie prowadzę badanie rynkowe, którego tematami są: efektywność energetyczna, ślad węglowy i mikrosieci w kontekście zakładów przemysłowych [Zapraszam Przedstawicieli przemsyłu do wypełnienia ankiety do 21.04.2025.]. Już z pierwszych zebranych odpowiedzi zauważyłam, że hasło "mikrosieć" nie jest jeszcze znana polskiemu przemysłowi. Czy temat mikrosieci przemysłowych jest nowością? 

Gratuluję pomysłu na badanie, również mnie ciekawi to, jaki jest odbiór problematyki użytkowania energii w kontekście wymienionych aspektów wśród krajowych przemysłowców. 

Większe zainteresowanie koncepcją mikrosieci energetycznej to kwestia ostatnich kilkunastu lat i głównie rozwijało się ono w kręgach wizjonerów oraz naukowców zastanawiających się nad przyszłościowymi strukturami sieci i systemów energetycznych, zwłaszcza w kontekście wspierania transformacji energetyki w kierunku generacji rozproszonej i odnawialnej. Aczkolwiek, historia mikrosieci jako formy dostarczania energii jest znacznie dłuższa i praktycznie zaczyna się wraz z początkami branży energetycznej. Niektóre źródła podają, że pierwsza mikrosieć przemysłowa została zbudowana w USA w połowie lat 50. XX w. w Rafinerii Whitling w stanie Indiana. Za mikrosieć można już uznać również uruchomiony przez T. Edisona w 1882 r. układ składający się z pierwszej w Nowym Jorku elektrowni zasilającej sieć, do której podłączone były głównie odbiory oświetleniowe. Źródła podają, że układ ten posiadał nawet baterie do magazynowania energii.

Na przełomie XIX i XX wieku nie istniały jeszcze wielkie, połączone synchronicznie systemy elektroenergetyczne, obejmujące całe kraje. Nie było również standardów dedykowanych systemom dystrybucji energii. Oddzielne małe sieci, tak jak wspomniane rozwiązanie Edisona, spełniały w istocie kryteria współczesnego rozumienia pojęcia mikrosieci energetycznej. Takie mikrosieci w toku rozwoju i ewolucji energetyki były ze sobą łączone, tworząc większe struktury i prowadząc do współczesnych systemów elektroenergetycznych. Połączone ze sobą systemy elektroenergetyczne, obejmujące dziś całe kontynenty, można uznać za największe, zbudowane przez człowieka działające maszyny. 

Obecnie wielu odbiorców, posiadających w swojej instalacji własne jednostki wytwórcze wraz z działającym systemem urządzeń umożliwiającym choćby na chwilowe odłączenie się od zewnętrznej sieci dystrybucyjnej i pracę autonomiczną takiej instalacji, w istocie dysponuje formą mikrosieci – może nawet nie będąc tego świadomym. Wrażliwa na przerwy zasilania produkcja przemysłowa z reguły posiada alternatywne źródła energii, uruchamiane w sytuacji awaryjnej. Skuteczne zasilanie zakładu z własnych źródeł przy braku aktywnego połączenia instalacji z publiczną siecią dystrybucyjną w zasadzie staje się realizacją mikrosieci.

Czym w ogóle jest mikrosieć w kontekście zakładu produkcyjnego? Czy jest jedna definicja?

Filozoficznie, sieć to zbiór połączonych ze sobą obiektów o podobnych cechach lub przeznaczeniu, więc mikrosieć energetyczna musi być związana z procesem użytkowania energii i cechować się ograniczonymi rozmiarami pod względem obszaru i wykorzystywanej mocy.

Z uwagi na trwającą ciągle transformację energetyki oraz ewolucję rynku energii, trudno jest mówić o ugruntowanej jednej definicji koncepcji mikrosieci. Różne organizacje branżowe, jak IEEE czy CIGRE, bądź też rządowe, jak amerykańska DOE, w swych ścisłych definicjach zgodnie uwzględniają oparcie się mikrosieci o rozproszone źródła wytwórcze i jej zdolność do bilansowania energii pochodzącej od będących w jej dyspozycji zasobów z zarządzanymi obciążeniami. To wszystko dzieje się również dzięki ewentualnym elementom magazynującym energię, zaś sama mikrosieć może pracować wyspowo, niezależnie od tego czy ma połączenie z zewnętrzną dystrybucyjną siecią elektroenergetyczną, czy też nie. Zatem, za mikrosieć zwyczajowo uznajemy układ służący do zasilania odbiorów energii na ograniczonym obszarze, posiadający zdolności generacji energii we własnych jednostkach, zapewniających przynajmniej przez pewien czas pokrycie zapotrzebowania tych odbiorów. Układ ten powinien posiadać własny system sterowania i zarządzania energią.

Należy podkreślić, że mikrosieć może obejmować komplementarnie i synergicznie różne nośniki energii, tj. nie tylko elektryczność (łącząc przy okazji technologie dystrybucji zmienno- i stałoprądowe), ale również np. wodór, gaz, parę technologiczną czy inne nośniki ciepła/chłodu, co ma znaczenie i zastosowanie w instalacjach przemysłowych.

Za mikrosieć można uznać zarówno wykazującą cechy autonomii energetycznej konkretną instalację elektryczną z własnymi jednostkami wytwórczymi w zakładzie przemysłowym, jak również instalację prosumencką w budynku lub w grupie pobliskich budynków (mieszkalnych, biurowych, użyteczności publicznej) zdolną do pracy w trybie off-grid, a także systemy zasilania pojedynczych urządzeń lub innych konstrukcji technicznych użytkujących energię, ale mogących działać bez podłączenia do sieci elektrycznej, jak np. maszty (telekomunikacyjne, oświetleniowe, monitoringu wizyjnego itp.), tj. zasilanych np. z paneli fotowoltaicznych i/lub małych turbin wiatrowych oraz akumulatorów.

W większym zakładzie produkcyjnym możemy mieć więc do czynienia z kilkoma oddzielnymi mikrosieciami, jeżeli nie ma między nimi bezpośredniego połączenia lub są sterowane niezależnie. Mogą obejmować one oddziały, linie produkcyjne czy urządzenia (w tym mobilne).

Za kryterium mikrosieci można uznać więc zdolność do pracy bez ciągłego pobierania energii z publicznej sieci dystrybucyjnej. 

Jakie minimum technologiczne jest potrzebne, aby mówić o mikrosieci?

Wobec ogólnej definicji mikrosieci za minimum wyposażenia technicznego mikrosieci należy uznać środki i urządzenia pozwalające na autonomiczną pod względem energetycznym pracę takiej mikrosieci, czyli dostarczanie energii zasilanym odbiorom z takiej struktury bez konieczności nieprzerwalnego czerpania tej energii z sieci krajowego systemu elektroenergetycznego. Potrzebne jest więc przynajmniej jedno własne źródło – odnawialne lub konwencjonalne. Praktyczne jest też zastosowanie układu zasobnika energii do racjonalnego wykorzystania zasobów energetycznych, poprawy jakości energii, sterowania napięciem i częstotliwością mikrosieci (np. baterie akumulatorowe, koła zamachowe, superkondensatory, a także komory sprężonego powietrza czy zasobniki wody gorącej). Układ powinien być wyposażony w urządzenia do konwersji napięcia (przekształtniki energoelektroniczne), zwłaszcza w przypadku dysponowania źródłami DC lub AC wysokiej częstotliwości.

Mikrosieć może, ale nie musi, współpracować z zewnętrzną siecią elektroenergetyczną na poziomie sieci dystrybucyjnej. W przypadku możliwości takiej współpracy mikrosieć powinna być wyposażona w interfejs synchronizacji z siecią. Rozbudowana mikrosieć powinna posiadać układ sterowania i nadzoru do zarządzania, monitorowania oraz optymalizacji pracy wraz systemem zabezpieczeń. Może mieć to budowę modułową, tworzoną przez sterowniki, przekładniki pomiarowe, urządzenia z procesorami sygnałowymi, łączniki i interfejsy komunikacyjne. Konfiguracja i wyposażenie zależą od przeznaczenia i rozległości mikrosieci.

Zatem, funkcjonalna mikrosieć rożni się od klasycznej instalacji elektrycznej trzema podstawowymi cechami technicznymi:

• dysponowanie lokalnym źródłem energii

• posiadanie systemu zarządzania energią na wszystkich etapach (tu można mówić nawet o inteligencji)

• oraz potencjalna niezależność pracy od sieci krajowej. 

Czy fabryka posiadająca mikrosieć musi być w pełni niezależna energetycznie, czyli być odłączoną od sieci OSD? Jak system ten wpisuje się w ideę Smart Grid?

Jak zawsze, w działalności komercyjnej decyduje ekonomia. Mikrosieć jest tylko narzędziem technicznym do osiągnięcia celu – uzyskania zysków lub chociaż ograniczenia ewentualnych strat, a do tego wymagane jest zasilanie o wysokim stopniu niezawodności. Dysponowanie własnymi źródłami taką niezawodność zwiększa, przy czym źródła niestabilne mogą być wspomagane układami magazynowania energii, dzięki którym można osiągnąć pożądaną elastyczność. I tu rzeczywiście mamy zazębienie się koncepcji mikrosieci z ideą Smart Grid, co można rozpatrywać na dwóch poziomach – lokalnym i systemowym. 

Urządzenia w mikrosieciach powinny być opomiarowane i sterowalne, dzięki czemu będzie można nadawać priorytety źródłom i odbiornikom oraz wymuszać stany pracy według zadanych funkcji celu. Sterowanie elastycznością i racjonalne bilansowanie to inteligentne zarządzanie, czyli realizacja mikrosieci jako Smart Grid (poziom lokalny). Jeżeli mikrosieć ma połączenie z publiczną siecią elektroenergetyczną i ma duże pokłady elastyczności użytkowania energii, to taka mikrosieć może oferować swoją elastyczność jako usługę na rzecz tej sieci zewnętrznej, realizując ideę Smart Grid na poziomie systemu elektroenergetycznego. Oferowanie takich usług może być dodatkowym źródłem przychodu dla przedsiębiorcy – dysponenta mikrosieci.

Dla zewnętrznej sieci mikrosieć może brać udział np. w bilansowaniu systemu – regulacji częstotliwości, stabilizacji parametrów jakości energii w sieci, wyrównania profili obciążenia czy też regulacji mocy biernej. O tym, czy w danej sytuacji i chwili opłacalne będzie wykonanie usługi pomocniczej dla operatora zewnętrznej sieci, będzie decydować rachunek ekonomiczny, gdyż może się to odbywać kosztem chwilowego ograniczenia własnej działalności fabryki. Udział i rozliczanie mogą odbywać się w formie dedykowanych płatności lub za pośrednictwem dynamicznych taryf. Oczywiście wymaga to w pierwszej kolejności rozwoju rynku i jego otwarcia na usługi oferowane przez różnych użytkowników systemu elektroenergetycznego. Niemniej, docelowo współpraca inteligentnie zarządzanej mikrosieci z inteligentną zewnętrzną siecią dystrybucyjną może przynosić korzyści oby stronom, zwiększając pewność zasilania odbiorów mikrosieci i poprawiając standard pracy systemu elektroenergetycznego. Na tym polega Smart Grid. 

Dlaczego, z punktu widzenia przedsiębiorstwa produkcyjnego, posiadanie własnej mikrosieci jest ważne?

Wizje blackoutów powodowanych klęskami żywiołowymi, jakie miały miejsce również w USA, czy brutalne ataki sił rosyjskich na energetyczną infrastrukturę cywilną w Ukrainie wskazały na potrzebę zmiany paradygmatu w podejściu do struktury systemów energetycznych. Dostrzega się zalety tworzenia mniejszych, rozproszonych jednostek wytwórczych oraz obszarów zdolnych do samobilansowania się. Takie cechy mają mikrosieci, które wydają się szczególnie pożądane w przedsiębiorstwach, których produkcja wymaga pewności zasilania.

Oprócz zwiększenia niezależności energetycznej oraz zabezpieczenia się przez to przed zmiennością cen energii, posiadanie własnej mikrosieci pozwala na lepsze zarządzanie zużyciem i przepływem energii, co może prowadzić do obniżenia kosztów w przedsiębiorstwie lub pozyskania dodatkowych przychodów od energetyki zawodowej, o czym już była mowa. Dzięki zaawansowanym systemom monitorowania i sterowania, przedsiębiorstwo może lepiej dostosować zarówno dostępność energii do rzeczywistych potrzeb produkcji przemysłowej, jak i samą produkcję do dostępnych zasobów tańszej energii, eliminując przy tym straty i optymalizując zużycie, czyli poprawiając efektywność energetyczną.

Generacja w mikrosieci z odnawialnych źródeł energii może zmniejszyć ślad węglowy przedsiębiorstwa, co jest szczególnie istotne w obliczu presji regulacyjnej dotyczącej zrównoważonego rozwoju i ESG, czyli ochrony środowiska oraz oczekiwań społecznych w zakresie odpowiedzialności ekologicznej i wpłynie na poprawę wizerunku firmy jako odpowiedzialnej ekologicznie. Należy podkreślić, że przedsiębiorca, który jest zainteresowany uruchomieniem u siebie mikrosieci nie musi mieć zaawansowanych kompetencji energetycznych, może zlecić zbudowanie, a także późniejszą kompleksową eksploatację zewnętrznemu podmiotowi w formule „Energy as a Service”.

Mikrosieci to obecnie niezwykle ważny temat dla przemysłu, dlatego też cieszę się, że najbliższą 9. Konferencję „Inteligentna Energetyka” poświęcili Państwo właśnie temu zagadnieniu. Jestem przekonany, że wydarzenie, tak jak i poprzednie edycje z cyklu, stanie się interesującą i wspaniałą okazją dla Uczestników do wymiany doświadczeń, pozyskania praktycznej wiedzy, a także upowszechnienia się koncepcji mikrosieci wśród polskich przedsiębiorców. Gorąco zachęcam każdą osobę, dla której ważna jest efektywność energetyczna, finanse, a przede wszystkim niezależność od dostaw energii elektrycznej od OSD, do udziału w konferencji już 26 czerwca 2025 r.

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