Rozwój mikrosieci energetycznych. Czy to może być przyszłość OZE?

Eksperckim okiem

Paweł Biegajski, specjalista z zakresu finansowania projektów energetycznych

W marcu 2022 roku Rada Ministrów przyjęła założenia do aktualizacji „Polityki energetycznej Polski do 2040 r.”(PEP2040). Konieczność naniesienia korekt jest pokłosiem skomplikowanej sytuacji międzynarodowej.

Ostatnie wydarzenia dowiodły, że Polska powinna jak najszybciej zapewnić sobie bezpieczeństwo poprzez zmierzanie w kierunku dywersyfikacji i niezależności. Jednym z pomysłów na realizację tych celów jest rozwój mikrosieci energetycznych. W tym artykule opowiemy, czym one są, jak działają oraz jakie korzyści mogą zapewnić.

Założenia do aktualizacji „Polityki energetycznej Polski do 2040 r.”

Od końca marca 2022 roku wiemy, w jakim kierunku będzie zmierzać polska energetyka. W dokumencie zatwierdzonym przez Radę Ministrów znalazło się 9 postulatów zmieniających pierwotne założenia PEP2040. Są to:

• Zwiększenie dywersyfikacji technologicznej i rozbudowa mocy opartych o źródła krajowe.
• Dalszy rozwój odnawialnych źródeł energii.
• Poprawa efektywności energetycznej.
• Dalsza dywersyfikacja dostaw i zapewnienie alternatyw dla węglowodorów.
• Dostosowanie decyzji inwestycyjnych w gazowe moce wytwórcze do dostępności paliwa.
• Wykorzystanie jednostek węglowych.
• Wdrożenie energetyki jądrowej.
• Rozwój sieci i magazynowania energii.
• Negocjacje zmian regulacji UE.

Z punktu widzenia niniejszego artykułu kluczowy jest przedostatni postulat. Przestarzała infrastruktura energetyczna kraju w połączeniu z dynamicznym rozwojem OZE wymaga modernizacji sieci oraz opracowania mechanizmów automatyzacji. Ważną rolę w tym procesie mają odgrywać tak zwane mikrosieci.

Czym są mikrosieci energetyczne?

Fundamentalnym dylematem integracji do systemów elektroenergetycznych źródeł odnawialnych jest niestabilny i nieprzewidywalny charakter produkcji[1]. Współczesne koncepcje zapewnienia bezpieczeństwa energetycznego dążą do tak zwanej hybrydyzacji. W uproszczeniu polega ona na połączeniu ze sobą źródeł opartych o różne nośniki pierwotne i zapewnienie temu układowi odpowiedniego wsparcia zarządzającego. W ten sposób jedno źródło eliminuje wady innego, na przykład brak słońca jest rekompensowany przez silny wiatr. Rozszerzeniem koncepcji hybrydyzacji jest pojęcie mikrosieci energetycznych. Czym one są? Żeby to wyjaśnić, spróbujmy rozważyć następujący przykład.

Wyobraźmy sobie przestrzeń, na której ulokowano pewną liczbę odbiorców energii elektrycznej. Może być to jakaś wieś, osiedle czy nawet nieduża wyspa. Teren umożliwia wykorzystanie różnych źródeł odnawialnych. Znajdują się tu:

• niezacienione nieużytki, na których można wybudować farmy PV,
• pola idealne do postawienia turbin wiatrowych,
• uprawy roślin energetycznych takich jak rzepak czy kukurydza,
• zbiorniki, na których można wybudować elektrownie szczytowo-pompowe.

W obecnym systemie dystrybucyjnym każdy z obiektów produkujących prąd musiałby być podłączony oddzielnie do sieci. Generuje to znaczące koszty, obciążenia i trudności w dokonywaniu serwisu. A gdyby tak ten ekosystem połączyć bezpośrednio z odbiorcami, można by uzyskać mały system energetyczny. To właśnie jego nazywamy mikrosiecią. F. Mumatz i I. S. Byram definiują ją jako małą sieć energetyczną z generacją rozproszoną, obejmującą urządzenia magazynujące energię i kontrolowalne obciążenia[2]. Celem budowy nie jest w tym wypadku globalne zasilenie setek tysięcy użytkowników, ale skupienie się na mniejszej skali: konkretnych budynków, osiedli czy przylądków. Główną ideą funkcjonowania mikrosieci w Polsce jest działanie wyspowe, ale nie jest wykluczone także korzystanie z już istniejącej infrastruktury przesyłowej[3].

Rodzaje mikrosieci energetycznych

W literaturze przedmiotu można odnaleźć co najmniej kilka podziałów mikrosieci energetycznych. Najczęściej są one rozgraniczane poprzez ich wielkość^[4]. Wyróżniamy:

• duże mikrosieci – obejmują one określone zbiorowości, takie jak osiedla, obiekty militarne,
• średnie mikrosieci – obejmują one średniej wielkości zbiorowości, jak instytucje ochrony zdrowia czy oświaty,
• małe mikrosieci – są przeznaczone dla obiektów socjalnych, pensjonatów, urzędów czy budynków mieszkalnych,
• mikrosieci zasilające tereny oddalone od zasilania.

Piotr Olszowiec zaproponował rozróżnienie w zależności od typu odbiorcy[5]. I tak:

• układy pierwszego typu są przeznaczone dla drobnych odbiorców i pozwalają odciążyć przesył na duże odległości,
• układy drugiego typu służą do zasilenia zakładów przemysłowych,
• układy trzeciego typu mają zastosowanie na terenach stale lub okresowo pozbawionych zasilania z systemu.

Z kolei biorąc pod uwagę strukturę podmiotową, możemy mówić o:

• mikrosieci publicznej,
• mikrosieci komercyjnej jednopodmiotowej,
• mikrosieci komercyjnej wielopodmiotowej.

Niezależnie od typu podziału oraz konkretnego układu, niezbędne jest zapewnienie właściwych technologii oraz metod organizacyjnych i działań zarządczych.

Z czego składają się mikrosieci?

Rozwój mikrosieci jest silnie skorelowany z polityką stawiania na odnawialne źródła energii i technologie niskoemisyjne. Skojarzone wytwarzanie ciepła i energii elektrycznej, instalacje PV, kolektory słoneczne, turbiny wiatrowe, ogniwa paliwowe, elektrownie wodne małych mocy, pompy ciepła – to tylko część z wykorzystywanych opcji. Równie duże znaczenie mają systemy magazynowania energii w postaci różnego typu zasobników bateryjnych (akumulatory), kinetycznych FES, nadprzewodnikowych, superkondensatorów, układów CAES i innych.

Mikrosieć łączy zatem w sobie:

• źródła energii,
• system magazynowania energii,
• sieć dystrybucji – zazwyczaj jest to niskonapięciowa sieć, która przekazuje prąd do odbiorców w obrębie jednostek zrzeszonych,
• wyłącznik sprzęgający z siecią,
• przekształtnik energoelektroniczny,
• układy sterowania i kontroli.

Dzięki tak zaprojektowanej infrastrukturze mikrosieć może realizować funkcje sterowania, nadawać priorytety źródłom, wymuszać stany pracy i wiele innych. To jednak nie wyczerpuje dostępnych opcji. Mikrosieć energetyczna może bowiem integrować rozwiązania ciepłownicze, gazowe i ciepłej wody użytkowej oraz związane z nimi innowacyjne usługi, jak DSR.

Koncepcja funkcjonowania mikrosieci

Koncepcję funkcjonowania mikrosieci określa się jako procesową. Jej podstawą jest założenie, że system może pełnić funkcję sterowalnego odbioru i sterowalnego wytwarzania. Implementację rozpoczynają działania polegające na określeniu modelu mikrosieci oraz mianowanie jej operatora. To w tym momencie następuje wybór układów przetwarzania, lokalizacji, zakresu, harmonogramu czy systemu zarządzania. Ten etap działań niesie za sobą najwięcej pułapek i niewiadomych, dlatego wymaga udziału lidera z dużym doświadczeniem we wdrażaniu innowacyjnych rozwiązań energetycznych.

Gdy te wszystkie kwestie są już zakończone, następuje przejście do kolejnego procesu, czyli przyłączenia do sieci dystrybucyjnej OSD. Obecność dużego zakładu może okazać się pomocna w przypadku wystąpienia awarii lub niedoborów. W tym układzie wybrane elementy mikrosieci zarządzane są poprzez sterowniki lokalne oraz koordynowane przez sterownik centralny. Całkowite odłączenie od OSD i przejście na model wyspowy jest możliwe, ale w praktyce wykorzystuje się je rzadko z uwagi na problemy w bilansowaniu popytu i podaży mocy. W tym miejscu warto wspomnieć, że OSD także może skorzystać na takim modelu współpracy, chociażby poprzez włączenie mikrosieci w program DSR. Ostatnim etapem jest integracja rozwiązania i rozpoczęcie działalności.

Korzyści ze stosowania mikrosieci energetycznych

Polski system energetyczny znajduje się w stanie krytycznym. Wieloletnie zaniedbania i błędne decyzje doprowadziło do sytuacji, gdy ryzyko przerw w dostawach energii jest realne. Szymon Kowalski z Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej mówi, że temat blackoutu w Polsce jest jak najbardziej realnym zagrożeniem[6]. Decyzje strategiczne podejmowane przez polski rząd dzisiaj, przyniosą skutki dopiero za kilka lub nawet kilkanaście lat. W takim środowisku nie może dziwić poszukiwanie alternatyw, które zapewniłyby stabilność i bezpieczeństwo dostaw prądu. Jedną z nich są mikrosieci. Jakie jeszcze korzyści dla użytkowników oferują?

• Niższe straty energii, z uwagi na stosunkowo niewielką odległość między wytwórcą i odbiorcą ostatecznym.
• Dodatkowe źródło zysków w sytuacji, gdy małe elektrownie produkują wolumen prądu przekraczający zapotrzebowanie jednostki. Przychody mogą się także pojawić po dołączeniu do programu Demand Side Response.
• Elastyczność, rozumianą jako możliwość łatwego dostosowania infrastruktury do zmieniających się potrzeb (np. rozbudowa).
• Efekty wizerunkowe w przypadku firm czy jednostek publicznych.

Korzyści pojawiają się także po stronie zakładów energetycznych i operatorów systemu. Są nimi:

• Wysoka sterowalność odbioru, który w razie wystąpienia takiej potrzeby można odłączyć lub przyłączyć do sieci ŚN,
• możliwość regulacji napięcia w węźle sieci ŚN oraz niezależnej regulacji mocy czynnej oraz biernej pobieranej przez mikrosieć,
• poprawa stabilności pracy systemu elektroenergetycznego,
• zmniejszenie nakładów ponoszonych na modernizację infrastruktury,
• odłożenie w czasie wydatków związanych z budową nowych źródeł i linii przesyłowych.

Mikrosieci energetyczne – melodia przyszłości czy rozwiązanie na teraz?

Zgodnie z danymi zaprezentowanymi w raporcie „The Open Source Opportunity for Microgrids” światowy rynek mikrosieci rośnie w tempie 17,6% rocznie[7]. W tej chwili głównymi kierunkami rozwoju są Europa, Ameryka Północna i Południowa. Lista przykładowych działań podejmowanych w różnych zakątkach świata jest długa. My udamy się do Australii, Stanów Zjednoczonych, Kanady, Szwecji oraz Polski.

• Na australijskiej prowincji, a konkretnie w miejscowości Heyfield liczącej około 2000 mieszkańców, w tym roku powstała pilotażowa mikrosieć, Wykorzystuje ona energię pochodzącą z fotowoltaiki i biomasy.
• Wyspy Księcia Edwarda są najgęściej zaludnioną prowincją Kanady. To właśnie tam realizowany jest projekt Slemon Park Microgrid, oparty na farmie fotowoltaicznej i magazynach energii.
• Z kolei w Stanach Zjednoczonych powstaje właśnie Brookville Smart Energy Bus Depo, którego celem jest zasilanie lokalnej elektrycznej floty transportu publicznego.
• W Szwecji, a konkretnie w miejscowości Lomma, firma Solar Power Accelerator opracowała system oparty na modułach PV. Instalacja zasila kilka budynków mieszkalnych oraz infrastrukturę do ładowania pojazdów elektrycznych.

Polskie dokonania w segmencie mikrosieci energetycznych są znacznie mniej rozpoznawalne. W 2022 roku utworzono pierwszą tego typu instalację w Bytomiu. Składa się ona z:

• dwóch instalacji PV,
• pięciu mikroturbin wiatrowych,
• agregatu gazowego,
• magazynu energii,
• innowacyjnej stacji transformatorowej.

Dostarcza prąd do 54 gospodarstw domowych. Dalszy rozwój mikrosieci wydaje się tylko kwestią czasu. Główną barierą są w tym momencie wysokie koszty inwestycyjne, brak systemu zachęt dla energetyki obywatelskiej, niska świadomość społeczna oraz opóźnienia we wdrażaniu europejskich dyrektyw, a co za tym idzie ryzyko legislacyjne.

---

[1] P. Biczel: Wytwarzanie energii w mikrosieciach, Automatyka-Elektryka-Zakłócenia 2011, Nr.4, ISSN 2082-4149, s. 76.

[2] F. Mumtaz, I.S. Bayram (2016), Planning, Operation, and Protection of Microgrids: An Overview,3rd International Conference on Energy and Environment Research, Energy Procedia, Barcelona, pp. 94-100.

[3] P. Olszowiec: Autonomiczne systemy elektroenergetyczne małej mocy Autonomiczne systemy elektroenergetyczne małej mocy. Mikrosieci, Energia Gigawat 2009, Nr.7-8.

[4] M. Parol (red.), (2013), Mikrosieci niskiego napięcia, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa

[5] P. Olszowiec, Autonomiczn….., s. 9-10.

[6]https://strefabiznesu.pl/polsce-grozi-blackout-ekspert-temat-ten-jest-jak-najbardziej-realnym-zagrozeniem/ar/c3-17010215, dostęp 26.09.2023 r .

[7] The Open Source Opportunity for Microgrids, The Linux Fundation, 2023, s. 5.

---

Paweł Biegajski

Absolwent Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu. Specjalizuje się w zdobywaniu finansowania dla firm i instytucji realizujących projekty z zakresu zrównoważonego rozwoju oraz energetyki.