Perspektywy inteligentnego dołączania nieznanych źródeł energii

fot. yoppy/CC/Flickr

W artykule przedstawiono podstawowe zagadnienia związane z dołączaniem nowych i nieznanych źródeł energii. Scharakteryzowano istniejące źródła, przypomniano zasady dołączania źródeł już rozpoznanych. Przedstawiono przykład dotyczący wykorzystania energii w budynku inteligentnym. Zaproponowano zasady przyłączania nieznanych źródeł energii elektrycznej.

Dzisiejsze źródła energii mają w zasadzie znane właściwości. Istnieją więc skuteczne metody i procedury dołączania tych źródeł do systemu zasilającego. Ze względu na poszukiwanie nowych źródeł energii należy założyć między innymi nieznajomość ich parametrów, w tym charakterystyk implikujących sposób dołączania.

Obecne źródła energii 

Obecnie na świecie wykorzystywane są następujące źródła energii:

• nieodnawialne: węgiel kamienny i brunatny, ropa naftowa, gaz ziemny, paliwa jądrowe (rozszczepialne),
• odnawialne: Słońce, wiatr, woda, biomasa, biogaz, geotermia skał i wody wewnątrz Ziemi, pływy morskie i oceaniczne.

Dominującymi obecnie na świecie, ze względu na stopień wykorzystania, źródłami energii są: ropa naftowa (35%), węgiel (22%), gaz ziemny (22%), paliwa jądrowe i odnawialne (21%). W Polsce nadal notowane jest największe wykorzystanie węgla kamiennego (53%) i brunatnego (35%), następnie odnawialnych źródeł energii (6,2%) – biomasy, wody, wiatru, biogazu (kolejność według ich wykorzystania) oraz gazu ziemnego (3,4%) [1].

Ze względu na nieodwracalne wyczerpywanie się nieodnawialnych źródeł energii oraz dbałość o środowisko naturalne zauważalny jest trend do coraz większego wykorzystywania odnawialnych źródeł energii, co pokazano na rysunku 1. Szczególnie widoczny jest fakt istnienia olbrzymich zasobów energii słonecznej, które dotychczas nie są skutecznie zagospodarowane.

Rys. 1. Zmiany w globalnym bilansie energetycznym do 2100 r., EJ/a = EJ/rok (według danych i prognozy rady naukowej federalnego rządu Niemiec)

Energia promieniowania słonecznego docierająca rocznie do powierzchni Ziemi kształtuje się na poziomie 2 810 000 EJ (1018 J) = 780 000 TWh, z czego 227 960 TWh dociera do lądów; do Polski dociera 325 TWh [2]. Należy nadmienić, iż zapotrzebowanie na energię elektryczną w Polsce w 2010 r. szacowane było na poziomie 141 TWh, zaś w 2030 r. na 217 TWh [1].

Głównymi zadaniami europejskiej polityki energetycznej do 2020 r. są:

• 20-procentowe ograniczenie emisji gazów cieplarnianych w odniesieniu do poziomu emisji w 1990 r.,
• 20-procentowy udział źródeł odnawialnych w bilansie energii pierwotnej,
• 20-procentowa redukcja globalnego zużycia energii pierwotnej (poprzez wzrost efektywności wytwarzania energii, wzrost sprawności odbiorników, oszczędność energii, itd.)

Są to zadania stwarzające nadzieję na osiągnięcie w dłuższej perspektywie czasu stabilizacji zmian klimatycznych.

Dynamiczny rozwój energetyki wykorzystującej energię odnawialną oraz ograniczenia jej stosowania, związane głównie z niedostatecznym dostosowaniem elektroenergetycznych urządzeń i sieci przesyłowych oraz często losową sezonowością (niepewnością) występowania nośników odnawialnych, warunkują plany energetyczne na przyszłość nakreślane przez poszczególne państwa, w tym Polskę.

W tabeli 1 zestawiono historyczne i prognozowane ilości produkowanej energii elektrycznej w Polsce z różnych źródeł. Zauważyć można, że podstawowym źródłem energii nadal będzie węgiel, jednakże źródła odnawialne powinny odgrywać coraz większą rolę w ogólnym bilansie, przy czym dominującym nośnikiem energii elektrycznej będzie wiatr, biomasa oraz biogaz.

Tabela 1. Produkcja energii elektrycznej netto w podziale na paliwa, TWh

Źródło energii	Rok 2006	Rok 2010	Rok 2020	Rok 2030
Węgiel kamienny	86,1	68,2	62,7	71,8
Węgiel brunatny	49,9	44,7	40,0	42,3
Gaz ziemny	4,6	4,4	8,4	13,4
Produkty naftowe	1,6	1,9	2,8	3,0
Paliwo jądrowe	0,00	0,00	10,5	31,6
Energia odnawialna	3,9	8,0	30,1	38,0
Wodne pompowe	0,97	1,00	1,00	1,00
Odpady	0,6	0,6	0,6	0,7
RAZEM	147,7	128,7	156,1	201,8
udział energii z OZE, %	2,7	6,2	19,3	18,8

Na rysunku 2 pokazano tendencje zużycia energii w Unii Europejskiej do 2030 r. Tendencje unijne i polskie pokrywają się w znacznym stopniu, z wyjątkiem prognozy dotyczącej wykorzystania paliw jądrowych.

Rys. 2. Przewidywana struktura zużycia energii pierwotnej w UE [3]

Turbina wiatrowa z prądnicą synchroniczną jako przykład współczesnego źródła energii elektrycznej 

Prądnicą synchroniczną nazywa się maszynę prądu przemiennego, w której strumień magnesów wiruje synchronicznie ze strumieniem twornika, a więc której prędkość obrotowa jest ściśle zależna od liczby par biegunów i częstotliwości. Przy znamionowej prędkości obrotowej i znamionowym obciążeniu na zaciskach prądnicy uzyskiwane jest napięcie znamionowe, natomiast przy dalszym wzroście prędkości obrotowej napięcie na jej zaciskach nadal rośnie, gdyż sama prądnica nie jest wyposażona w żaden ogranicznik prędkości obrotowej czy napięcia [4, 6].

Schemat zastępczy dla układu turbiny wiatrowej napędzającej prądnicę synchroniczną przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3. Schemat zastępczy prądnicy napędzanej przez turbinę

 

Ponieważ SEM = c_p · i_w · ω , wówczas transmitancja dla układu przyjmuje postać:

                                                 U(s)                    R_{0 ·} c_p · ω
                                              ———— = ——————————————
                                               U_w(s)       (sL + R + R₀) (sL_w + R_w)

Schemat elektrowni wiatrowej przedstawiono na rysunku 4.

Rys. 4. Schemat elektrowni wiatrowej [7]

Najważniejszym elementem jest inwerter. Nie tylko przetwarza prąd stały na prąd przemienny, ale i reguluje napięcie i częstotliwość. Taka synchronizacja jest konieczna dla bezproblemowego działania urządzenia, ale przede wszystkim wymagana przez zakład energetyczny dla bezpieczeństwa funkcjonowania sieci elektroenergetycznej [7].

Nowe rozwiązanie w zakresie używania prądnic w elektrowniach wiatrowych powstało w BOBRMEKomel. Opracowano tam prototyp nowoczesnego, wolnoobrotowego generatora synchronicznego z magnesami trwałymi, przeznaczonego do zastosowania w małych i bardzo małych elektrowniach. Generator ten jest przyłączany do sieci energetycznej za pośrednictwem dedykowanego przemiennika częstotliwości. Zastosowanie nowoczesnego rozwiązania zespołu prądotwórczego (generator synchroniczny + przemiennik częstotliwości) skutkuje znaczącym podniesieniem sprawności wytwarzania energii elektrycznej w tychże elektrowniach.

Poprawa sprawności jest uzyskiwana poprzez [5]:

• wprowadzenie możliwości płynnej regulacji prędkości obrotowej turbiny w szerokim zakresie, stosownie do zmian warunków w miejscu zainstalowania turbiny;
• zastąpienie generatora asynchronicznego klatkowego wysokosprawnym generatorem synchronicznym z magnesami trwałymi;
• wyeliminowanie przekładni mechanicznej między turbiną a generatorem (generator i turbina montowane są na wspólnym wale);
• oddawanie mocy do sieci przy wysokim współczynniku mocy.

Dołączanie znanego źródła energii 

Rozróżnia się dwa rodzaje systemów dołączania źródeł energii do istniejącej instalacji elektrycznej [8]:

a) systemy autonomiczne, niedołączone do sieci (ang. off-grid)

• oddalone od sieci (ang. away from the grid lub stand-alone),
• z możliwym dostępem do sieci (ang. within reach of the grid);

b) systemy dołączane do sieci (ang. on-grid)

• rozproszone (moc rzędu kilku kilowatów),
• scentralizowane (moc rzędu megawatów) – (ang. power plants).

Wemach autonomicznych (rys. 5) sposób podłączenia źródła zależy od jego charakterystyki wyjściowej. Źródła stałoprądowe, takie jak panele PV czy ogniwa paliwowe, dołączane są poprzez falownik DC/AC do sieci. W przypadku źródeł zmiennoprądowych (turbina wiatrowa, turbina wodna, generator spalinowy) należy pamiętać o regulatorze napięcia (transformatorze), aby zapewnić odpowiednie parametry napięcia, takie jak panują w sieci. Opcjonalnie można dołączyć także akumulatory z regulatorem ładowania, aby móc nadwyżkę wygenerowanej energii zmagazynować i wykorzystać w przypadku jej niewystarczającej ilości z bieżącej produkcji [8].

Rys. 5. Schemat systemu off-grid [8]

W przypadku systemu podłączonego do sieci elektroenergetycznej należy jeszcze dołączyć licznik energii (rys. 6). Akumulatorem energii jest w tym wypadku system elektroenergetyczny, jednak można także dołączyć własne magazyny energii. Zaletą systemu on-grid jest stabilizacja pracy źródła i opłacalny odbiór produkowanej energii, natomiast wadą – uzależnienie pracy źródła od stanu sieci oraz konieczność spełnienia przez infrastrukturę elektrowni wielu wymagań związanych z ich współpracą [8, 9].

Rys. 6. Schemat systemu on-grid [8]

Prognozowane zapotrzebowanie na energię elektryczną i cieplną dla budynku inteligentnie zrównoważonego 

Systemy automatycznego nadzoru i sterowania zarządzające tradycyjnymi procesami technologicznymi i bezpieczeństwem w inteligentnym budynku otrzymują obecnie nowe zadania do sterowania energetycznymi systemami wspomagającymi, które angażują energie odnawialne.

Coraz wyraźniej zaczyna dominować na świecie budynek przyjazny ekologicznie, nazywany często budynkiem zielonym. Budynek zielony z inteligentnym łączy ciekawe oddziaływanie: budynek inteligentny powoduje, że ten zielony staje się bardziej zielony, a budynek zielony sprawia, że poziom inteligencji budynku inteligentnego ciągle wzrasta. Te oddziaływania doprowadzą w niedługim czasie do powstania następnego stadium w procesie rozwoju inteligentnego budownictwa przyszłości, to jest do etapu budynku inteligentnie zrównoważonego.

Budynek inteligentnie zrównoważony będzie wyposażony w systemy sterowania mediami odnawialnymi i nieodnawialnymi, jak również w procedury optymalnego sterowania bezpieczeństwem, komfortem i technologią [10]. Obszar teorii inteligentnych domów zawiera w sobie problematykę pasywnej i aktywnej energooszczędności.

Oba te zagadnienia mają bezpośredni wpływ na bilans zużycia energii w inteligentnym domu i można wskazać dwa główne dominujące źródła zużycia energii, to jest system ogrzewania domu i system ciepłej wody użytkowej. Domy mogą uzyskiwać energię cieplną z własnych źródeł lub z zewnątrz [10].

Prognozowany rozwój budownictwa energooszczędnego będzie miał wpływ na funkcjonalność systemów nadzoru stosowanych w celu poprawy efektywności ogrzewania domów z miejskiej sieci ciepłowniczej. Sposób wykorzystania energii w domach o małym zapotrzebowaniu na ciepło będzie ulegał zmianie i dlatego konieczne stanie się wprowadzanie nowych narzędzi diagnostycznych. Ciepła woda użytkowa i ciepło wentylacyjne zwiększą swój udział w całkowitym bilansie energetycznym i dlatego wzrośnie waga zagadnień modelowania tych procesów. Miasta przyszłości powszechnie będą wykorzystywały energię słoneczną zarówno w instalacjach podgrzewających ciepłą wodę użytkową, jak i do produkcji energii elektrycznej [10].

Globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrasta szybko na całym świecie. Zakłada się, że tempo to wynosi około 2,2% rocznie, co oznacza, że obecnie światowa konsumpcja energii elektrycznej w ilości 20 300 TWh wzrośnie w 2030 roku do 33 000 TWh. Już wkrótce niezbędny będzie inteligentny system kierujący energię dokładnie tam, gdzie jest ona potrzebna. Takim rozwiązaniem jest Inteligentna Sieć Energetyczna – Smart Grid [11].

Ideą Smart Grid jest komunikacja między wszystkimi uczestnikami rynku energii. Sieć integruje elektrownie, duże i małe, oraz odbiorców energii w jedną całościową strukturę. Smart Grid może istnieć i funkcjonować dzięki dwóm elementom: automatyce zbudowanej na zaawansowanych czujnikach oraz systemowi teleinformatycznemu. Dodatkowo umożliwi użytkownikom końcowym aktywne uczestniczenie w rynku energii i tym samym świadome przyczynianie się do ochrony klimatu. Smart Grid jest obecnie ideą i sprawą przyszłości, ale przyszłości bardzo niedalekiej. Technologie potrzebne do budowy takiej inteligentnej sieci już istnieją [11].

Algorytmy dołączania nieznanego źródła energii elektrycznej [12, 13]

Podobnie jak w przypadku dołączania znanych źródeł energii elektrycznej, takich jak turbiny wiatrowe, ogniwa fotowoltaiczne czy generatory spalinowe, algorytmy postępowania są precyzyjnie określone, trównież połączenie nieznanego źródła wymaga jego wcześniejszej identyfikacji. Rozpoznanie typu układu zasilania może być wykonane poprzez specjalizowany układ oparty na mikrokontrolerze. Z uwagi na sterowanie dołączaniem energii do odbioru w czasie rzeczywistym, obejmującym zadawanie zmian stanu w dyskretnych chwilach czasowych, wskazane byłoby korzystanie z procesora DSP [12].

Układ elektroniczny umożliwiający podłączenie nieznanego źródła energii elektrycznej, określany dalej jako „czarna skrzynka”, powinien pozwolić na monitorowanie parametrów źródła i odbioru. Główne jego parametry to: rodzaj i wartość napięcia, moc oraz charakterystyki źródeł zasilania. „Czarna skrzynka” powinna mieć możliwość dołączania sterowalnych układów zasilania.

Ponieważ identyfikacja źródła poprzez mikrokontroler pozwoli na określenie jego typu: czy jest sterowalne – o przewidywalnej i sterowalnej mocy generowanej (ogniwo paliwowe, agregat prądotwórczy), czy niesterowalne – o nieprzewidywalnej mocy (turbozespół wiatrowy i ogniwo słoneczne) - możliwość utrzymania ilości wyprodukowanej energii na stałym poziomie jest niezbędna.

Wykrycie charakterystyki źródła i określenie czy należy ono do grupy odnawialnych pozwoli na zminimalizowanie kosztów energii. Oszczędności uzyskamy poprzez magazynowanie nadwyżek zielonej energii w akumulatorach czy ogniwach paliwowych. W celu minimalizacji całkowitego kosztu wytworzenia energii zasobnik należy ładować wyłącznie nadwyżkami energii ze źródeł odnawialnych.

Do poprawnego podłączenia układów zasilającego i zasilanego o określonych parametrach zbadanych poprzez układ mikroprocesorowy, niezbędne będzie ich dostosowanie do siebie. W przypadku napięcia stałego, od wielu lat znane i stosowane są urządzenia, których zadaniem jest zmiana napięć stałych na przemienne. Niestety w przypadku napięć przemiennych niezwykle ważna jest synchronizacja. Często, oprócz samej zamiany kształtu napięcia ze stałego na przemienne, urządzenia te muszą realizować również dodatkowe funkcje.

Ważnym czynnikiem w przypadku ogniw fotowoltaicznych jest utrzymanie pracy w punkcie mocy maksymalnej. Poza tym punktem bateria słoneczna posiada małą wydajność oraz dużą podatność na niewielkie zmiany nasłonecznienia. Wykrycie takiego źródła będzie równoznaczne z utrzymaniem odpowiednich parametrów, a tym samym wygenerowaniem jak największej ilości darmowej energii.

W przypadku ogniw paliwowych występuje podobny problem z utrzymaniem maksymalnego punktu pracy [13].

Uwzględnić należy również aspekty prawne związane z dołączaniem nieznanego źródła energii elektrycznej. Dopóki źródło dołączane jest do pojedynczego odbiornika lub mikrosieci pracującej w trybie off-grid, należy skupić się na dopasowaniu parametrów energii. W przypadku dołączenia źródła zasilania do SEE należy spełnić odpowiednie wymogi prawne. Jednym z nich jest złożenie wniosku o przyłącze, w którym należy określić charakter i moc źródeł oraz poziom napięć, do jakiego ma zostać wykonane przyłącze. Wypełnienie takiego podania jest praktycznie niemożliwe w przypadku nieznanych źródeł energii elektrycznej, a akty prawne nie definiują w jasny sposób, co w takim przypadku należy zrobić.

Podsumowanie 

Powyższe rozważania należy traktować jako inicjację badań dotyczących automatyzacji dołączania nie tylko nieznanych źródeł energii, ale także całych nieznanych systemów energetycznych. Celem badań ma być uzyskanie rozwiązań hardware’owych i software’owych zapewniających pewne i bezpieczne zasilanie w energię odbiorców (np. osiedli budynków „inteligentnych”) o bardzo różnorodnej oraz czasem nieznanej strukturze technicznej, a także określenie zużycia różnych postaci energii. 

Artykuł powstał na podstawie referatu wygłoszonego podczas XV Sympozjum Oddziału Poznańskiego SEP pt. „Współczesne urządzenia oraz usługi elektroenergetyczne, telekomunikacyjne i informatyczne. Klasyczne i inteligentne sieci oraz instalacje – projektowanie, budowa, eksploatacja”. Poznań, 21-22 listopada 2012 r.

Literatura:

[1] Ministerstwo Gospodarki, Prognoza zapotrzebowania na paliwa i energię do 2030 roku, Załącznik 2. do „Polityki energetycznej Polski do 2030 roku”, Warszawa 2009

[2] Mazurek R., Stachel A. A.: Techniczne i ekonomiczne aspekty przetwarzania energii promieniowania słonecznego w ciepło i energię elektryczną, XIV Konferencja „REC-2008” Nałęczów, 22 – 24 października 2008.

[3] World Energy Outlook 2004, OECD/IEA, 2004, s. 252

[4] Goryca Z., Malinowski M, Pakosz A.: Wolnoobrotowa prądnica do elektrowni wiatrowej lub wodne

[5] http://www.komel.katowice.pl/produkcja2.html

[6] Kolber P, Perczyński D.: Badanie prądnicy synchronicznej

[7] http://www.madex.ekoenergia.pl

[8] Sarnik T., Podstawy fotowoltaiki, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008

[9] http://ioze.pl/energetyka-wiatrowa/problemy-zwiazane-z-przylaczeniem-oze-do-sieci, dn. 05.11.2012 godz. 14.00

[10] Mikulik J.: Inteligentne budynki. Teoria i praktyka, Oficyna Wydawnicza Text, Kraków 2010, s. 13, 294, 296

[11] http://elektroinzynieria.pl/newsItem, dn. 09.01.2012 r., godz. 14.00

[12] Paska J., Michalski Ł., Molik Ł., Koceba M.: Wykorzystanie mikrosieci prądu stałego do integracji rozproszonych „Rynek Energii” 2010, nr 2. Wyd. KAPRINT, Lublin 2010

[13] Biczel P.: Power Plants in DC microgrid. XII Sypmpozjum “Podstawowe problemy energoelektroniki, elektromechaniki i mechatroniki – PPEEm`2007”. Wisła, 9 – 12 grudnia 2007