Wpływ oszczędności w stratach energii na dobór transformatorów rozdzielczych SN/nn

Współzależności między oszczędnościami w stratach energii elektrycznej podczas transformacji przy założonym charakterze obciążenia jednostki a przyrostem nakładów inwestycyjnych na transformator rozdzielczy SN/nn o określonej wydajności energetycznej.

We wcześniejszych pracach dotyczących skapitalizowanych kosztów strat energii elektrycznej w transformatorach rozdzielczych SN/nn [1, 2] autorzy zaprezentowali metodykę obliczania wskaźników kosztowych strat energii elektrycznej wynikające ze strat jałowych i obciążeniowych transformatora. Sformułowane na podstawie przeprowadzonej analizy rezultatów obliczeń symulacyjnych wnioski nie odpowiadały na zasadnicze pytanie stawiane przy doborze jednostki transformatorowej – transformator tańszy inwestycyjnie czy energooszczędny? W niniejszym artykule, uzupełniając tę lukę, przedstawiono współzależności między oszczędnościami energii elektrycznej podczas jej transformacji przy założonym charakterze obciążenia jednostki a przyrostem nakładów inwestycyjnych na transformator rozdzielczy SN/nn o określonej wydajności energetycznej (poziomie znamionowych strat jałowych i obciążeniowych).

Efektywność energetyczna 

Jednym z głównych celów polityki energetycznej Unii Europejskiej w ostatnim czasie jest osiągnięcie wzrostu efektywności energetycznej, inaczej efektywności wykorzystania energii lub wydajności energetycznej. Realizacja planu powodującego zmniejszenie zużycia energii wymaga niemal zawsze poniesienia dodatkowych nakładów finansowych. Unia Europejska proponuje więc wprowadzenie mechanizmów wsparcia finansowego poprzez funkcjonowanie systemu tzw. białych certyfikatów.

Ogólna koncepcja wdrożenia białych certyfikatów polega na inwestowaniu w przedsięwzięcia mające doprowadzić do zmniejszania zapotrzebowania na energię i moc poprzez: obniżenie zużycia energii przez odbiorców (bez pogorszenia komfortu wynikającego z możliwości korzystania z energii elektrycznej), zwiększenie sprawności wytwarzania energii oraz ograniczenia strat przesyłowych i dystrybucyjnych. Takie działanie pozwoli na uzyskanie rezerw mocy tzw. negawatów – ujemnych watów [3]. Ponadto doprowadzi do ograniczenia zużycia paliwa i ujemnego wpływu energetyki na środowisko. Białe certyfikaty mają poświadczać poczynione oszczędności energetyczne, czyli gwarantować wyższą efektywność energetyczną.

Dyrektywa 2006/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady UE w sprawie efektywności końcowego zużycia energii i usług energetycznych zawiera zapisy dotyczące białych certyfikatów i nakłada obowiązek ich wprowadzenia na kraje członkowskie. W dyrektywie określono, że białe certyfikaty – wydawane przez niezależne organy certyfikujące – potwierdzają roszczenia finansowe podmiotów gospodarczych podejmujących działania prowadzące do oszczędności energetycznych, które są konsekwencją zwiększenia wydajności energetycznej. Do obowiązków państw członkowskich będzie należało zapewnienie dostępności odpowiednich systemów kwalifikacji, akredytacji lub certyfikacji dla dostawców usług energetycznych, audytów energetycznych i innych sposobów dokumentowania zwiększania wydajności energetycznej. 

W dyrektywie zakłada się, że państwa członkowskie wyznaczą jeden lub kilka nowych albo istniejących organów lub agencji, którym powierzona zostanie ogólna kontrola i odpowiedzialność za nadzorowanie ram ustanowionych dla zwiększenia efektywności energetycznej na poziomie unijnym. Zadaniem tych jednostek będzie weryfikacja oszczędności uzyskanych dzięki usługom energetycznym i innym środkom poprawy efektywności energetycznej, a także informacja o uzyskanych wynikach.

System białych certyfikatów jest nowym instrumentem zwiększania efektywności energetycznej [4]. Został wprowadzony już w kilku krajach europejskich, przy czym funkcjonują one według różnych zasad. W ramach tych systemów dostawcy lub dystrybutorzy energii zobowiązani są do zastosowania środków zapewniających efektywność energetyczną wobec użytkowników końcowych. Certyfikaty potwierdzają zaoszczędzoną ilość energii w określonym czasie. Mogą być wymieniane oraz podlegać obrotowi. Jeśli strony zobowiązane do wykazania się określoną poprawą efektywności energetycznej nie są w stanie dostarczyć przyporządkowanego im udziału certyfikatów, mogą być zobowiązane do zapłacenia kar przekraczających szacowaną wartość rynkową zakupu certyfikatu na rynku. W chwili obecnej Komisja Europejska przygotowuje się do utworzenia unijnego programu białych certyfikatów w celu stworzenia możliwości faktycznego handlu efektywnością energetyczną pomiędzy państwami członkowskimi. Przewiduje się, że dzięki wprowadzeniu tego systemu będzie można uzyskać kilkunastoprocentowe oszczędności energii.

Dyrektywa Unijna, dotycząca końcowego użytkowania energii, przewiduje stosowanie białych certyfikatów głównie w odniesieniu do końcowego użytkownika energii. 15 kwietnia 2011 roku w naszym kraju wprowadzono Ustawę o efektywności energetycznej. Ustawa transponuje do polskiego prawa dyrektywę Unii Europejskiej 2006/32/WE i ma zagwarantować zwiększenie efektywności energetycznej. Ustala poziom oszczędności energii nie mniejszy od 9% średniego krajowego zużycia energii w ciągu roku, przy czym uśrednienie obejmuje lata 2001 – 2005. Ustawa przewiduje również objęcie certyfikatami sektora wytwórczego i przesyłowego. Nowością w polskiej ustawie jest przyznanie prawa do dysponowania certyfikatami i pobierania korzyści z ich sprzedaży podmiotom (w tym zobligowanym) dokonującym oszczędności oraz ukierunkowanie obligacji w zakresie zakupu certyfikatów na podsektor dystrybucji energii do odbiorców końcowych (operatorów sieciowych). Wcześniej taką możliwość przewidziano w dokumencie Polityka energetyczna polski do 2030 roku [5], w którym wprowadzono m.in. zapis dotyczący wprowadzania działań, które mają spowodować zmniejszenie strat sieciowych w przesyle i dystrybucji między innymi poprzez:

• modernizację obecnych i budowę nowych sieci elektroenergetycznych,
• wymianę transformatorów o niskiej sprawności, 

czyli poprawa efektywności energetycznej powinna być realizowana również w sieciowych przedsiębiorstwach elektroenergetycznych. W polskich sieciach elektroenergetycznych straty przesyłu, czyli zużycie energii na potrzeby własne sieci, zmniejszają się znacząco z roku na rok (szczególnie w sieciach niskiego i średniego napięcia), lecz nadal są wyższe od strat energii w wielu krajach unijnych.

Podstawowe zasady stosowania białych certyfikatów Autorzy artykułu przedstawili w rozdziale 1.6. Białe certyfikaty energii a problem strat energii poradnika [6].

Transformatory rozdzielcze SN/nn 

Reprezentatywnym przykładem pokazującym efektywne możliwości obniżenia zużycia energii na potrzeby własne sieci elektroenergetycznych jest transformator rozdzielczy. Transformatory rozdzielcze SN/nn stanowią najliczniejszą grupę jednostek transformatorowych. W ostatnich latach (2008-2010) utrzymuje się stała tendencja wzrostowa tak w liczbie jak i mocy instalowanych transformatorów [7]. Ogólna liczba zainstalowanych transformatorów wzrosła do 251 432 (średni roczny przyrost o 0,83%), a transformatorów rozdzielczych SN/nn do 247 479 (średni roczny przyrost o 0,82%). Sumaryczna moc pracujących transformatorów wzrosła do 141 417 MVA (średni roczny przyrost o 1,45%), a transformatorów rozdzielczych SN/nn do 44 135 MVA (średni roczny przyrost o 1,75%). Nieznacznie także wzrosła wartość średnia mocy znamionowych transformatorów rozdzielczych SN/nn do poziomu 178 kVA.

Producenci oferują dużą gamę transformatorów energooszczędnych, które charakteryzują się znacznie niższymi znamionowymi stratami mocy i energii w porównaniu z transformatorami klasycznymi. Zastosowanie transformatora energooszczędnego dla konkretnych warunków obciążenia spowoduje uzyskanie wyższej wydajności energetycznej w porównaniu z transformatorem klasycznym, przy zachowaniu jednakowego poziomu wykorzystania zdolności znamionowych obu transformatorów. Instalowanie transformatorów energooszczędnych w ramach modernizacji bądź budowy nowej stacji transformatorowej może przynieść wymierne oszczędności energii – stosunkowo łatwe do wykazania, co jest zgodne z zasadą wymierności stosowania białych certyfikatów.

Realizacja takiego działania pociąga za sobą dodatkowe koszty dla inwestora, wynikające z wyższej ceny transformatorów energooszczędnych. Umożliwienie skorzystania z wsparcia finansowego w postaci białych certyfikatów pozwoli na instalowanie transformatorów o mniejszym zużyciu energii na potrzeby transformacji. Pojedynczy transformator energooszczędny może przynieść oszczędności energii tak małe, że nie będzie spełniać wymogów minimalnego poziomu wsparcia. W polskich sieciach dystrybucyjnych zainstalowanych jest – jak wyżej podano – blisko 250 tysięcy transformatorów rozdzielczych SN/nn, a średni przyrost liczby transformatorów w ostatnich latach jest na poziomie 3 tys. rocznie. Wymiana – chociaż częściowa – większej liczby transformatorów serii podstawowej o standardowym poziomie strat na energooszczędne (szczególnie w przypadku transformatorów niedociążonych) lub wprowadzanie nowych transformatorów energooszczędnych dałyby wymierne oszczędności, kwalifikujące do uzyskania białych certyfikatów. Wyniki audytu dla takiego działania powinny określać warunki, dla jakich ekonomicznie efektywne będzie uzyskanie oszczędności energii w procesie transformacji energii elektrycznej z poziomu średniego na niskie napięcie i wskazywać na potrzeby wsparcia finansowego.

W pracach [1,2] Autorzy przedstawili charakterystykę techniczną transformatorów energooszczędnych oraz metodykę obliczeń zdyskontowanego kosztu transformacji. Aktualna norma PN-EN 50464-1:2007 [8] wyróżnia dla transformatorów o górnym napięciu znamionowym UnG ≤ 24 kV następujące poziomy strat:

• cztery poziomy znamionowych strat obciążeniowych oznaczonych odpowiednio D_k, C_k, B_k i A_k;
• pięć poziomów znamionowych strat jałowych oznaczonych odpowiednio E₀, D₀, C₀, B₀ i A₀.

W tabeli 1 podano przykładowo klasyfikację poziomu znamionowych strat jałowych i obciążeniowych dla transformatorów o mocach znamionowych 100 – 1000 kVA. Jako wartości bazowe przyjęto umownie wartości strat dla tzw. transformatora serii podstawowej, posiadającego znamionowe straty obciążeniowe na poziomie C_k i znamionowe straty jałowe na poziomie D₀.

Tabela 1. Poziomy znamionowych strat obciążeniowych i jałowych transformatorów rozdzielczych o górnym napięciu znamionowym UnG ≤ 24 kV i mocach znamionowych SnT = (100 ÷ 1000) kVA