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

Wybór transformatorów energooszczędnych 

Dla zbadania współzależności między oszczędnościami w stratach energii a wzrostem nakładów inwestycyjnych transformatorów energooszczędnych różnych klas wybrano transformatory o mocy znamionowej SN = 400 kVA. Wartości znamionowych strat mocy czynnej przyjęto zgodnie z wartościami podanymi w normie PN-EN 50464-1:2007 [8].

Analizę przeprowadzono przy następujących danych:

• względne szczytowe obciążenie transformatora równe wariantowo βs = 0,4 lub 0,7, czyli mniejsze lub większe wykorzystanie mocy znamionowej;
• dwie wartości czasu użytkowania mocy szczytowej w wersji „a” – Ts = 2500 h/a i w wersji „b” – Ts = 3500 h/a, czyli różne stopnie wykorzystania zdolności transformacji energii.

Na rysunkach 1 i 2 przedstawiono procentowy przyrost nakładów inwestycyjnych i procentowe oszczędności w stratach energii transformatorów różnych klas w stosunku do transformatora o najniższym nakładzie inwestycyjnym i najwyższych znamionowych stratach mocy. Wykresy sporządzono:

• dla stopnia obciążenia βs = 0,4 i czasu Ts = 2500 h/a (rys. 1),
• dla stopnia obciążenia βs = 0,7 i czasu Ts = 3500 h/a (rys. 2).

Analizując przebiegi na rysunkach 1 i 2 widać wyraźnie, że:

• względne przyrosty oszczędności energii są mniejsze od przyrostów nakładów inwestycyjnych – jest to niezależne od stopnia wykorzystania zdolności znamionowych transformatora βs i czasu Ts,
• najwyższe oszczędności energii gwarantują transformatory A_k – A₀, ale uzyskanie ich wymusza wydatkowanie ok. dwukrotnie wyższych kosztów na zakup transformatora,
• transformatory o najwyższych stratach jałowych (E₀), a zmniejszonych stratach obciążeniowych przynoszą minimalne oszczędności w stratach energii, szczególnie przy niższym wykorzystaniu zdolności znamionowych transformatora,
• transformatory o najwyższych znamionowych stratach obciążeniowych (D_k) i zmniejszonych stratach jałowych mogą zapewnić najwyższe oszczędności, nawet przy niższym wykorzystaniu zdolności znamionowej jednostki.

Rys. 1. Procentowy przyrost nakładów inwestycyjnych i procentowych oszczędności w stratach energii dla βs = 0,4 i Ts = 2500 h/a

Rys. 2. Procentowy przyrost nakładów inwestycyjnych i procentowych oszczędności w stratach energii dla βs = 0,7 i Ts = 3500 h/a

W kolejnych etapach badań:

• wyznaczono zmiany zdyskontowanych oszczędności w stratach energii,
• przeanalizowano różnice między przyrostem łącznych kosztów transformacji przy zastosowaniu transformatorów różnych klas, czyli różnice między zdyskontowanymi kosztami transformacji,
• odniesiono tę różnicę do strumienia całkowitych oszczędności w stratach energii.

Obliczenia przeprowadzono dla stopnia obciążenia transformatora βs = 0,4 i czasu Ts = 2500 h/a wprowadzając dodatkowe dane:

• bazowy okres analizy N = 30 lat,
• stopa dyskontowa wariantowo: p = 0,04 – 0,06 – 0,08,
• koszt energii elektrycznej, jednoznaczny z kosztem zakupu energii na pokrycie strat transformacji, stały w całym okresie N lat wynosi kA = 0,20 PLN/kWh.

Na rysunku 3 przedstawiono wzrost strumienia oszczędności w stratach energii dla wszystkich możliwych klas transformatorów. Z widocznego przebiegu można zaobserwować zbliżone wartości oszczędności dla transformatorów o tych samych stratach jałowych. Ponadto zauważa się wielokrotnie wyższe oszczędności przy pracy transformatorów o stratach jałowych na poziomie A₀ w porównaniu z oszczędnościami odpowiednich transformatorów z wyższymi stratami jałowymi.

Rys. 3. Strumień oszczędności w stratach energii dla transformatorów różnych klas, MWh

Na rysunku 4 zilustrowano koszty niezbędne do uzyskania oszczędności energii w procesie transformacji odniesione do 1 kWh przez zastosowanie różnych klas transformatorów energooszczędnych przy stopie dyskonta p = 0,06. Z przedstawionego na rysunku przebiegu widać wyraźnie, jak duże różnice występują między kosztami uzyskania oszczędności w transformatorach o najwyższych stratach jałowych (E₀) w stosunku do transformatorów pozostałych klas. Spowodowane to jest znacznie wyższymi kosztami zmniejszania strat obciążeniowych niż jałowych w transformatorach. Dla każdej z grup transformatorów o jednakowym poziomie strat jałowych różnice w kosztach 1 kWh są niewielkie, ale zawsze największe przy zastosowaniu transformatorów z najniższymi stratami obciążeniowymi (A_k).

Rys. 4. Koszty niezbędne do uzyskania oszczędności energii poprzez wybór transformatora energooszczędnego zamiast jednostki o najwyższych stratach D_k – E₀ dla stopy dyskontowej p = 0,06, PLN/KWh

Wyznaczane koszty oszczędności w założonym okresie zależą od stopy dyskonta. Aby pokazać, jak wpływa zmiana wartości tej stopy na poziom niezbędnych kosztów do uzyskania odpowiednich oszczędności na rysunku 5 przedstawiono zmiany tych kosztów (analogicznie jak na rysunku 4.) dla trzech wartości stóp dyskontowych. W celu zwiększenia przejrzystości wykresów pominięto transformatory z najwyższymi stratami jałowymi (E₀). Wniosek jest oczywisty – im wyższa wartość stopy tym droższe rozwiązania i tym większe koszty uzyskania oszczędności.

Rys. 5. Koszty niezbędne do uzyskania oszczędności energii poprzez wybór transformatora energooszczędnego zamiast jednostki o najwyższych stratach D_k – E₀ dla różnych wartości stóp dyskontowych p = 0,04 – 0,06 – 0,08, PLN/KWh

Podsumowanie

Przedstawiony przykład pokazuje sposób postępowania przy wykazywaniu oszczędności energii w procesie transformacji i kosztów ich pozyskania. Jest ilustracją prostego audytu, który ma uzasadnić potrzebę wsparcia finansowego przy wyborze transformatora energooszczędnego. Konsekwencją takiego wyboru będzie zwiększenie efektywności energetycznej w sieciowych układach elektroenergetycznych.

Artykuł został przygotowany na podstawie referatu prezentowanego podczas X Konferencji naukowo-technicznej z cyklu „Instalacje elektryczne niskiego, średniego i wysokiego napięcia”, zatytułowanej „Wybrane zagadnienia stacji elektroenergetycznych”. Poznań, 9 maja 2012 r.

LITERATURA

[1] Niewiedział E., Niewiedział R., Transformatory rozdzielcze SN/nn – Problematyka oszczędności w stratach energii [ w:] Materiały XI Sympozjum OP SEP, Poznań 2008, s. 52-55

[2] Niewiedział E., Niewiedział R., Skapitalizowane koszty strat energii elektrycznej w transformatorach rozdzielczych SN/nn. „elektro.info” 2009, nr 3, s. 68-72

[3] Kochanowski K., Białe megawaty energii. „Fakty” 2007, nr 6

[4] Żmijewski K., Kassenberg A., Kob D., Onichimowski G., Węglarz A., Wieczorek T., Białe certyfikaty. Propedeutyka. Seminarium Ecofyss w MG, wrzesień 2007

[5] Ministerstwo Gospodarki, Polityka energetyczna Polski do 2030 roku, Dokument przyjęty przez Radę Ministrów RP, Warszawa, 10 listopada 2009

[6] Straty energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych (Praca zbiorowa pod redakcją J. Kulczyckiego), Wyd. PTPiREE, Poznań 2009

[7] Agencja Rynku Energii S.A., Statystyka elektroenergetyki polskiej 2010, Warszawa 2011

[8] Norma PN-EN 50464-1:2007 Trójfazowe olejowe transformatory rozdzielcze 50 Hz od 50 kVA do 2500 kVA o najwyższym napięciu urządzenia nie przekraczającym 36 kV – Część 1: Wymagania ogólne.