Klucz do rozproszonego systemu energetycznego

Z perspektywy przeciętnego kabla elektrycznego w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat świat zmienił się nie do poznania. W tym roku, według szacunków ONZ, liczba ludzi na świecie przebiła osiem miliardów. Ponad połowa z nich mieszka w miastach rozmaitej wielkości, konsumując mniej więcej 75–80 proc. zużywanej na świecie elektryczności. Ta konsumpcja zresztą niezmiennie rośnie: do wybuchu pandemii było to dosyć stabilne 5 proc. corocznego wzrostu, potem rytm się zaburzył – np. w 2022 r. będzie to zapewne ok. 2,4 proc., ale już w przyszłym roku – odbicie gospodarek może się przełożyć na 6-proc. wzrost konsumpcji.

Gdyby spojrzeć na przyczyny tego wzrostu, można by rzec – kraje niegdyś zacofane nadganiają zaległości, kraje rozwinięte pędzą ku temu, by ich mieszkańcy żyli w smart cities, metropoliach wysoce zautomatyzowanych, w dobrobycie i komforcie gwarantowanym przez inteligentne sieci, komputery, dziesiątki inteligentnych urządzeń zawiadujących tak wspólną przestrzenią, jak i gospodarstwami domowymi. To również oznacza, że awaria i brak dostaw prądu, który kiedyś oznaczał ciemność i chłód w domu czy firmie, dziś oznaczać może paraliż funkcjonowania wielomilionowych metropolii.

Sercem tych nowoczesnych megaorganizmów, motorem zapewniającym ich działanie, stały się wielkie tradycyjne elektrownie. To one zapewniają ową stabilność dostaw: gdy wiadomo, że potrzeba więcej energii, dosypujemy węgla czy wpuszczamy więcej gazu – gdy zapotrzebowanie spada, po prostu redukujemy takie operacje. Tyle że ceną tej stabilności i kopalin, na których była oparta, stało się zanieczyszczenie środowiska, olbrzymi wzrost ilości gazów cieplarnianych w atmosferze i globalny skok temperatur, który zaczyna przekładać się na falę pogodowych anomalii nierzadko skutkujących katastrofami naturalnymi o bezprecedensowej częstotliwości i skali.

Świat ma na to jedną odpowiedź: transformację ku czystej energii, powstającej w odnawialnych źródłach energii. Ale krytycy OZE wskazują na niestabilność tych źródeł: w końcu produkują energię, gdy wieje wiatr czy świeci słońce, a więc w okolicznościach niezależnych od ludzkiej woli i "niesterowalnych". Tę przeszkodę dałoby się jednak ominąć, budując infrastrukturę magazynów energii i zwiększając efektywność instalacji. Jest natomiast drugi element tej układanki, który musi zostać wpasowany w całość: infrastruktura przesyłu i dystrybucji. Owe kable, o których istnieniu decydenci, eksperci czy ekolodzy nierzadko zapominają.

Wielokierunkowa przyszłość

W dzisiejszym konwencjonalnym modelu systemu energetycznego mamy bardzo prosty model rozprowadzania energii po systemie. Energię produkuje się w elektrowni i z niej rozprowadza po większej czy mniejszej „okolicy”, najpierw liniami przesyłowymi, potem już do konkretnych domów czy przedsiębiorstw – liniami dystrybucyjnymi. Są one przystosowane do takiego jednokierunkowego działania, pompowania z serca systemu do jego najdalszych komórek. W tym modelu całe sterowanie sprowadza się do tego, że konsument może co najwyżej włączyć lub wyłączyć w domu światło lub urządzenia, a dystrybutor musi wysłać co miesiąc pracowników w teren, by spisali liczniki. Jeżeli dochodzi do awarii, dystrybutor zwykle dowiaduje się o niej, dopiero gdy zgłosi ją konsument.

Rozproszony system energetyczny całkowicie burzy ten model. Sieć przesyłowa i dystrybucyjna nie współpracuje jedynie z wielkimi jednostkami wytwórczymi, ale przede wszystkim – z milionami mikro- i minielektrowni. Z naszymi panelami PV na dachu, z farmami wiatrowymi, innymi instalacjami. Sieć musi być dostosowana zatem do tego, by w każdym punkcie systemu móc zarówno dostarczyć, jak i odebrać wyprodukowaną energię. W nowoczesnych, inteligentnych sieciach energetycznych konsument (nie wspominając już o administratorach sieci) ma możliwość kontrolowania i programowania z wyprzedzeniem zużycia energii, samemu lub zlecając to firmom. Czujniki na bieżąco śledzą przepływy energii w sieci, potrafią same wykryć usterki i awarie, czasem mogą je samodzielnie usunąć.

Wyobraźmy sobie skalę wyzwania, przekładając ją na realia Stanów Zjednoczonych. „Sieć elektryczna Ameryki to inżynieryjny fenomen z ponad 9200 jednostkami generacji energii, z mocą ponad miliona megawatów podłączoną do ponad 600 tysięcy mil linii transmisyjnych” – opisują to analitycy Departamentu Energii USA. I jeżeli wymiana tych dziewięciu tysięcy źródeł energii wydaje się sprzątaniem stajni Augiasza, to wymiana kabli na dystansie mniej więcej miliona kilometrów zdaje się zadaniem wykraczającym poza możliwości metaforyki.

Z drugiej strony jest to proces, który stopniowo zaczyna się dziać na naszych oczach. Według szacunków Międzynarodowej Agencji Energii (IEA) inwestycje w modernizację i budowę sieci przesyłu i dystrybucji energii wzrosły w 2021 r. o 6 proc. Analitycy IEA zaobserwowali, że w USA ich poziom jest już proporcjonalnie wyższy niż wzrost konsumpcji, co oznacza, że nie tylko buduje się nową infrastrukturę, ale też coraz więcej istniejących już linii transmisyjnych jest modernizowanych. W Chinach po raz pierwszy w historii w tym roku wydatki na sieci miały przekroczyć pułap 500 mld juanów, ze sporą pulą na budowę sieci ultrawysokiego napięcia. Deklaracje europejskich operatorów sygnalizują, że modernizacja będzie miała w Europie większe znaczenie niż rozbudowa. Globalnie wydatki na sieci transmisyjne miały w 2021 r. sięgnąć 60 mld dol.

Sezon rekordów i rozczarowań

Gdybyśmy prześledzili raz jeszcze wszystkie doniesienia z rynku energii w tym roku, poza informacjami o rekordowych cenach tradycyjnych surowców dostrzeglibyśmy też powracające jak refren noty o rekordach bitych przez polskie odnawialne źródła energii. Rekordy produkcji energii z OZE padły kolejno w kwietniu, czerwcu i wrześniu (w tym ostatnim przypadku był to rekord sektora fotowoltaiki). I trudno się dziwić: jak podsumował w październiku branżowy „Rynek Elektryczny”, wszystkie źródła energii elektrycznej w Polsce mają łączną moc 58,4 GW. Z tego już dziś prawie 35 proc. (20,3 GW) to OZE.

Z drugiej strony jest dosyć jasne, że okres przyrostu mocy i liczby nowych OZE mamy już chyba za sobą. Nie jest to spowodowane dzisiejszymi realiami rynkowymi: prąd z OZE jest tańszy od swojej „konwencjonalnej” konkurencji i tylko cenowe skoki cen surowców kopalnych podbijają tu stawki.

Realne przyczyny tkwią w tym, że zmalało wsparcie z programów rządowych dla prosumenckiej fotowoltaiki, lądowa energetyka wiatrowa zastygła w oczekiwaniu na nowelizację ustawy odległościowej, a przede wszystkim – nowe projekty, w tej chwili przede wszystkim fotowoltaiczne, zderzyły się z polskim systemem dystrybucji i przesyłu. Jak policzył portal Teraz Środowisko, w latach 2020–2021 wydano łącznie ponad pięć tysięcy odmów przyłączenia do sieci źródeł energii, właściwie niemal wyłącznie odnawialnych, o łącznej mocy ponad 20 GW. W tym roku liczba odmów może sięgać, jak przyznawała kilka tygodni temu wiceminister klimatu i środowiska Anna Łukaszewska-Trzeciakowska, od 60 do 80 proc. złożonych wniosków.

Modernizacja sieci, by uczynić je inteligentnymi, to ten krok, który trzeba będzie niezwłocznie zrobić w każdym kraju i miejscu, które chce rozsądniej gospodarować energią. Specjaliści wyliczają szereg korzyści, wynikających z takiej zmiany: większy stopień kontroli i monitorowania sytuacji w systemie, co przekłada się m.in. na większe możliwości analizowania danych i sterowania całością; większa niezawodność systemu; wyższy stopień integracji OZE, a zatem przystosowanie do produkcji zielonej energii; większe bezpieczeństwo sieci. A wreszcie, wzmocnienie pozycji indywidualnego klienta czy prosumenta i jego wyższa satysfakcja.

Opinia partnera Cyklu "Rzeczpospolitej" - Walka o Klimat

Jakub Papiernik, dyrektor marketingu i sprzedaży, Automatyka Sieciowa, Hitachi Energy w Polsce:

Transformacja energetyczna to rzeczywistość. Dziś obserwujemy ją zwłaszcza w obszarze generacyjnych elementów infrastruktury energetycznej – w ostatnich latach przybyło nam bardzo dużo „zielonych” źródeł energii. Teraz czas na modernizację i rozbudowę sieci dystrybucyjnych oraz przesyłowych. Kiedyś było to relatywnie proste: energia płynęła z oddalonej wielkiej elektrowni do tysięcy domów. Obecnie, gdy mikroelektrownie znajdują się na dachach domów, energia płynie we wszystkich kierunkach, a to z kolei generuje wiele nietypowych zjawisk w sieci elektroenergetycznej, np. podnoszenie się napięcia w sieci nn spowodowane wysoką liczbą instalacji fotowoltaicznych podpiętych do jednej linii, nad którymi operatorzy systemowi muszą zapanować. Żeby im pomóc, nie wystarczy modernizacja linii energetycznych. Wydaje się też, że modernizacja stacji elektroenergetycznych tak, aby stały się cyfrowe, nie rozwiąże wszystkich problemów. Zresztą, do dziś w Polsce na zastosowanie najnowszych standardów – takich jak IEC61850 przy modernizacji stacji WN/SN – zdecydowało się niewielu. Standard ten, zmieniający sposób komunikacji pomiędzy elementami systemu, daje operatorom wiele korzyści, takich jak redukcja połączeń miedzianych oraz ich średnicy, monitorowanie połączeń w czasie rzeczywistym czy zastosowanie nowoczesnych niekonwencjonalnych urządzeń pomiarowych i sensorów. Mimo to większość nadal woli stosować rozwiązania „tradycyjne”, oparte na konwencjonalnych przekładnikach i komunikacji „stykowej”.

Operatorów systemów dystrybucyjnych i przesyłowych powinniśmy wyposażyć w odpowiednie narzędzia umożliwiające zarządzanie zmieniającym się systemem energetycznym. Nie wystarczy już oddziałowa SCADA na poziomie WN/SN. Coraz częściej mówi się o rozwiązaniach centralnych, umożliwiających analizę zjawisk z poziomu całego koncernu energetycznego z uwzględnieniem wpływu rozproszonych jednostek generacyjnych podłączanych na wszystkich poziomach napięć. Umożliwiają to nowoczesne systemy klasy ADMS oraz EMS, które agregują dane i monitorują pracę sieci na wszystkich poziomach napięć, aż do pojedynczego licznika każdego odbiorcy. Funkcje takie jak automatyczna lokalizacja i wyizolowanie uszkodzonych odcinków sieci (FDIR) nikogo już dziś nie dziwią.