Wirtualna elektrownia. Co to takiego?

Eksperckim okiem

Paweł Biegajski, specjalista z zakresu finansowania projektów energetycznych

Intensywny rozwój generacji rozproszonej (GR) w Europie, w tym wykorzystującej OZE oraz skojarzone wytwarzanie energii elektrycznej i ciepła, jest ściśle powiązany z regulacjami prawnymi na szczeblu europejskim i krajowym. Obserwowany wzrost znaczenia indywidualnych źródeł energii w ogólnym bilansie energetycznym krajów sprawia, że na znaczeniu zyskały kwestie bezpieczeństwa i kosztów funkcjonowania KSE.

Jednym z narzędzi służących do optymalizowania pracy jednostek rozproszonych jest wirtualna elektrownia. Czym ona jest? Jak działa w praktyce? Jakie są przykłady działania wirtualnych elektrowni? Zapraszamy do artykułu.

Rozwój rozproszonych źródeł energii stał się problemem dla KSE

Klasyczne funkcjonowanie systemu elektroenergetycznego opiera się na idei jednokierunkowego przesyłu energii z dużych źródeł generacyjnych przez sieci przesyłowe o wysokim napięciu do węzłów średniego napięcia, a następnie do ostatecznych odbiorców. Wraz z rosnącym rozwojem i powszechnością OZE pracujących w modelu generacji rozproszonej oraz wzmocnieniem znaczenia europejskiej polityki energetycznej, ta ustalona sytuacja uległa zmianie. Liberalizacja sektora energetycznego i wprowadzenie rynków energii spowodowały dalsze modyfikacje zarówno w technicznym wyposażeniu systemu, jak i w jego zarządzaniu i sterowaniu. Te wyzwania stają się coraz bardziej realne także w naszym kraju.

W połowie 2023 roku liczba mikroinstalacji prosumenckich w Polsce wyniosła ponad 1,3 miliona sztuk. Zgodnie z danymi Agencji Rynku Energii ich produkcja w lipcu osiągnęła 1 065 853,8 MWh. Wzrastająca skala GR przyczynia się do zwiększenia jej udziału w łącznej produkcji energii elektrycznej kraju, kosztem tradycyjnych elektrowni konwencjonalnych. Wysoki udział źródeł o zmiennej mocy wyjściowej, uzależnionych od aktualnych warunków pogodowych, wpływa negatywnie na zdolność systemu elektroenergetycznego do znajdowania się w stanie równowagi. W okresach niskiego zapotrzebowania na moc, takich jak godziny nocne czy dni świąteczne, istnieje ryzyko braku utrzymania minimalnej liczby pracujących jednostek konwencjonalnych oraz minimalnego poziomu mocy dyspozycyjnej tych jednostek.

Kluczowym elementem reorganizującym system elektroenergetyczny jest Rynek Bilansujący. Służy on do równoważenia produkcji i zużycia energii elektrycznej, zachowującej odpowiednie parametry jakościowe. Obecnie w Polsce Rynek Bilansujący działa tylko na obszarze hurtowym. Konieczne jest wprowadzenie mechanizmów bilansowania w obszarze sieci dystrybucyjnej, aby zapewnić efektywny rozwój generacji rozproszonej oraz niezawodne i ekonomicznie uzasadnione dostarczanie energii elektrycznej odbiorcom.

Wirtualna elektrownia stanowi nowy składnik zarządzania zdecentralizowanymi zasobami generacyjnymi, mogący przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa funkcjonowania systemu elektroenergetycznego.

Czym jest wirtualna elektrownia?

W literaturze przedmiotu można znaleźć szereg różnych podejść do definiowania wirtualnej elektrowni. Ich wspólnym mianownikiem jest zdolność tego narzędzia do łączenia rozproszonych jednostek wytwórczych w system centralny. Aaron Zurborg mówi w swojej książce, żewirtualna elektrownia działa w chmurze, która agreguje moce heterogenicznych, rozproszonych zasobów energii w celu zwiększenia generacji, handlu lub sprzedaży na rynku[1]. Rafał Magulski dodaje, że zarządzający systemem centralnym ma możliwość sterować wielkością mocy czynnej[2].

Wirtualna elektrownia obejmuje różne typy jednostek:

  • Łatwo sterowalne i dobrze prognozowalne źródła wytwórcze, takie jak: elektrownie kogeneracyjne, wodne zbiornikowe czy biogazownie (jeśli te posiadają możliwość magazynowania biogazu).
  • Jednostki o ograniczonych możliwościach sterowania i dokonywania precyzyjnych szacunków mocy oddawanej do sieci. Należą do nich wszystkie instalacje OZE, których generacja uzależniona jest od panujących warunków atmosferycznych (turbiny wiatrowe i fotowoltaika).
  • Odbiorcy o prognozowalnym poborze mocy. Najczęściej chodzi to o zakłady przemysłowe, które są w stanie czasowo zredukować swoje zużycie (np. poprzez wyłączenie oświetlenia w części hal, zmiany nastaw czy akumulację ciepła w zładzie sieci ciepłowniczej).
  • Odbiorcy indywidualni dający możliwość sterowania zużyciem. To jednostki zagregowane jak budynki wielorodzinne czy nawet osiedla.
  • Dwukierunkowe zasobniki energii, które mogą pracować zarówno jako źródło wytwórcze, jak i odbiorcze.

Istotnym elementem wirtualnej elektrowni są także systemy magazynowania energii, do których możemy zaliczyć: magazyny energii elektrycznej, elektrownie pompowo-szczytowe czy akumulatory ciepła.

Bardzo ważne jest integrowanie różnych źródeł energii. Poleganie wyłącznie na źródłach odnawialnych jest obarczone ryzykiem czasowych niedoborów energii. Wirtualna elektrownia zbudowana z jednostek PV nie będzie produkowała prądu w nocy. Aby zrównoważyć zapotrzebowanie ze strony odbiorców, ważne jest użycie turbin wiatrowych (pracujących nocami), magazynów energii czy innej technologii, która mogłaby stanowić realne uzupełnienie energetyki słonecznej.

Poniżej umieszczono koncepcję wirtualnej elektrowni.

Wirtualna elektrownia
Źródło: S. Sowa, Wirtualne elektrownie sposobem na efektywne zarządzanie rozproszonymi źródłami energii.

Cele wirtualnych elektrowni

Centralnym punktem wirtualnej elektrowni jest Agregator. To na nim spoczywa odpowiedzialność w zakresie optymalizacji pracy wszystkich zgrupowanych jednostek. Agregator powinien być ekspertem w swojej dziedzinie, co pozwoli mu na prognozowanie warunków pracy, w tym:

  • tworzenie estymacji zapotrzebowania na usługi regulacyjne,
  • szacowanie dyspozycyjności usług regulacyjnych ze źródeł OZE,
  • badanie warunków zewnętrznych.

Tak zebrane dane pozwalają na rzetelne planowanie wykorzystania dostępnych zasobów.

Celami tworzenia wirtualnej elektrowni są:

  • zwiększenie elastyczności całej grupy połączonych jednostek,
  • uzyskanie konkurencyjnej pozycji w zakresie marketingu energii elektrycznej,
  • szybkie dostosowanie się do zmian cen rynku energii,
  • obniżenie kosztów energii bez wpływu na wielkość produkcji oraz zobowiązania terminowe (przemysł).

Mikrosieci czy wirtualne elektrownie?

W niedawnym artykule omawialiśmy kwestię mikrosieci energetycznych. Ich założenia są zbliżone do pojęcia wirtualnych elektrowni. Różnice ujawniają się na kilku płaszczyznach:

  • Mikrosieci zaprojektowane są jako układy hybrydowe – mogą być podłączone do sieci elektroenergetycznej, ale w przypadku braku zasilania pracują niezależnie. Wirtualne elektrownie są zawsze zintegrowane z siecią.
  • Mikrosieci mają charakter lokalny. Wirtualne elektrownie nie posiadają takiego ograniczenia. Mogą obejmować podmioty przyłączone do odległych od siebie części sieci.
  • Odmienne są systemy sterowania. Wirtualna elektrownia wykorzystuje wielofunkcyjne i rozbudowanie oprogramowania symulujące centralę kontrolną tradycyjnej elektrowni. W mikrosieciach do zarządzania przepływem i jakością mocy stosuje się układy sterowania i kontroli.
  • Mikrosieci tworzą energię, która jest zużywana głównie przez odbiorców końcowych. Jednym z celów wirtualnej elektrowni jest sprzedaż na rynek hurtowy.

Mikrosieci są zatem rozwiązaniem idealnym w sytuacji, gdy na małym obszarze znajduje się kilka podmiotów zainteresowanych wspólnym bilansowaniem wyprodukowanej energii elektrycznej. Wirtualna elektrownia daje większe możliwości w zakresie marketingu zasobów wygenerowanych z rozproszonych instalacji.

Jakie są korzyści z wirtualnych elektrowni?

Udział w wirtualnej elektrowni przynosi liczne korzyści dla producentów energii, firm magazynujących i ostatecznych użytkowników. Przede wszystkim gwarantuje on stabilność i ciągłość dostaw, co jest szczególnie istotne dla przedsiębiorstw przemysłowych i zakładów produkcyjnych. Dzięki rozproszonej strukturze minimalizuje się także wpływ ewentualnych awarii na korzystanie z energii elektrycznej. Inne zalety wirtualnej elektrowni dla odbiorców końcowych obejmują:

  • całodobowy nadzór nad wykorzystaniem oraz produkcją energii elektrycznej prezentowany w formie graficznej,
  • dostarczanie informacji o poziomie autokonsumpcji energii wytworzonej w OZE,
  • umożliwienie stworzenia inteligentnego domu, którym można sprawnie zarządzać nawet poprzez korzystanie z telefonu,
  • informowanie o redukcji emisji CO2 i potencjalnych oszczędnościach w rachunkach za prąd,
  • ograniczenie ryzyka wystąpienia blackoutów poprzez krótkoterminowe i zautomatyzowane redukcje poboru energii elektrycznej,
  • otwarcie perspektywy na przyszłe zarządzanie własnym magazynem energii,
  • zintegrowanie instalacji z innymi źródłami o komplementarnych właściwościach (np. fotowoltaika i energetyka wiatrowa),
  • efekty wizerunkowe dla podmiotów gospodarczych.

Upowszechnienie idei wirtualnych elektrowni to także niezaprzeczalne efekty dla środowiska (poprawa jakości powietrza, bioróżnorodność) oraz Polskich Sieci Elektroenergetycznych.

Elektrownie wirtualne na świecie – czy to działa?

Idea elektrowni wirtualnych nie jest niczym nowym. Pierwsze sygnały problemów, jakie mogą spotkać systemy elektroenergetyczne gospodarek, w których rozwijają się systemy generacji rozproszonej, zaczęły pojawiać się już w ostatniej dekadzie poprzedniego wieku. Od 2006 roku w Niemczech usługi rezerwy regulacyjnej świadczą agregatorzy usług systemowych. W 2015 roku na terenie tego kraju zarejestrowano około 60 wirtualnych elektrowni.

Aktualnie jednostki tego typu można spotkać między innymi w: Stanach Zjednoczonych, Włoszech, Australii Brazylii, Kanadzie, Japonii, Indiach, Turcji, Wielkiej Brytanii, Norwegii, Finlandii czy Francji. Największą europejską wirtualną elektrownię buduje firma Sonnen. Obecnie składa się na nią 25 tysięcy domowych magazynów energii o zdolności gromadzenia na poziomie około 250 MWh. Docelowo ta wartość ma wzrosnąć do 1 GWh. Są one skojarzone głównie z instalacjami fotowoltaicznymi, jednakże kilka tygodni temu ogłoszono wdrożenie nowych rozwiązań informatycznych, które pozwalają na włączenie do wirtualnych elektrowni również pomp ciepła.

Wirtualne elektrownie w Polsce – teraźniejszość i przyszłość

W Polsce działa już kilkanaście wirtualnych elektrowni. Przykładem może być system firmy IEN Energy. Składa się on z czterech podmiotów posiadających w swoich zasobach wytwórczych:

  • elektrownię wiatrową o mocy 800 kW,
  • biogazownię rolniczą o mocy 1 200 kW,
  • elektrownię słoneczną o mocy 40 kW.

Odbiorcami są duży zakład mięsny, gospodarstwo rolne z gorzelnią, dwa bloki mieszkalne, mieszalnia pasz oraz chlewnia. Motywem utworzenia wspólnego podmiotu była chęć wykorzystania dodatkowych mocy w celu poprawienia sytuacji marketingowej. W modelu rozproszonym użytkownicy otrzymywali stałe, relatywnie niskie ceny za sprzedaż energii, z kolei za zakup musieli płacić normalne ceny rynkowe. W rezultacie pomiędzy oboma wartościami powstawał niekorzystny spread, który demotywował do rozwoju energetyki odnawialnej. Połączenie tych jednostek w całość pozwoliło efektywniej zaspokajać potrzeby własne, a jednocześnie zwiększyć przychody z tytułu sprzedaży energii elektrycznej na rynkach RDB, RDN i RTT Towarowej Giełdy Energii. Jeszcze przed wprowadzeniem agregatów prądotwórczych w zakładach mięsnych, pracujących w formule usługi DSR, korzyści finansowe z ustanowienia wirtualnej elektrowni dla tej społeczności wynosiły 200 tysięcy złotych rocznie.

Inną ciekawą inicjatywą jest samorządowa wirtualna elektrownia funkcjonująca w warszawskiej dzielnicy Wawer. Utworzona w 2021 roku w ramach Wawerskiego Klastra Energii, umożliwia każdemu mieszkańcowi dzielnicy dysponującemu instalacją OZE przyłączenie do lokalnej elektrowni, do której należą już samorządowe panele słoneczne znajdujące się na szkołach, przedszkolach, centrum kultury i innych obiektach komunalnych.

Jak komentuje Oliver Koch, CEO w firmie Sonnen „Prawie każdy kraj, który przejdzie na czystą energię, prędzej czy później osiągnie granice możliwości swoich sieci elektroenergetycznych. Dlatego magazynowanie energii i cyfryzacja to kluczowe technologie”. Można się spodziewać, że w najbliższych latach w Polsce to narzędzie integracji jednostek rozproszonych zyska na popularności. Dzięki temu korzyści osiągną nie tylko bezpośredni uczestnicy, ale także każdy człowiek eksploatujący zdrowszy, mniej zanieczyszczony klimat.


[1] A. Zuborg, „Unlocking Customer Value: the Virtual Power Plant.

[2] R. Magulski, Koncepcja fnkcjonowania wirtualnej elektrowni integrującej rozproszone źródła energii jako dostawcy usług systemowych, Zeszyty Naukowe Wydziału Elektrotechniki i Automatyki Politechniki Gdańskiej Nr 53, Jastrzębia Góra 2017, s. 145.


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.

ZOSTAW ODPOWIEDŹ

Proszę wpisać swój komentarz!
Proszę podać swoje imię tutaj

KONFERENCJA E-MAGAZYNY 2023

Najnowsze

PARTNERZY PORTALU

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE

Najnowsze

PARTNERZY PORTALU

Kategorie

BĄDŹMY W KONTAKCIE