Czwartek, 27 lipca 2017 r.

Imieniny: Julii, Natalii KONTRAST

Partner serwisu:

Przyszłość tu i teraz

dr hab. inż. Maciej Chaczykowski, dr inż. Małgorzata Kwestarz Zakład Systemów Ciepłowniczych i Gazow | 10.05.2017

Systemy ciepłownicze jako element inteligentnego systemu energetycznego: cz. 1 Konwergencja systemów

 

Systemy ciepłownicze przyszłości będą elementem inteligentnego systemu energetycznego powstałego w wyniku współdziałania systemów dystrybucji energii elektrycznej, gazu, ciepła i chłodu. Koncepcja inteligentnego systemu energetycznego jest wizją przyszłościową, jednak elementy tej koncepcji są znane od lat, a wiele z nich jest już praktycznie realizowanych bądź obecnie testowanych i wdrażanych.

Inteligentny system energetyczny

Inteligentny system energetyczny Inteligentny system energetyczny jest systemem obejmującym produkcję, transport i użytkowanie mediów energetycznych, przede wszystkim sieciowych, takich jak energia elektryczna, gaz, ciepło i chłód, który jednocześnie pozwala integrować działania jego użytkowników: wytwórców (producentów energii), odbiorców (konsumentów energii) i tych, którzy łączą obie funkcje (tzw. prosumentów). W przypadku systemu ciepłowniczego traktowanego jako element inteligentnego systemu energetycznego, nadrzędnym celem jest wytwarzanie, dystrybucja i odbiór ciepła w sposób efektywny energetycznie, przy minimalizacji wpływu procesów na środowisko naturalne i zachowując wysokie bezpieczeństwo oraz jakość dostaw ciepła. Wysoką efektywność energetyczną gwarantują nowoczesne wysokosprawne technologie wytwarzania, transportu i magazynowania ciepła. Wykorzystanie rozproszonych źródeł ciepła, w tym także rozwiązań prosumenckich, podnosi bezpieczeństwo i niezawodności dostaw ciepła12. Stosowanie „inteligentnych” rozwiązań w energetyce rozpoczęto najpierw w systemach elektroenergetycznych, a następnie  w systemach gazowniczych i ciepłowniczych, począwszy od odbiorców końcowych (inteligentne opomiarowanie, zarządzanie popytem), poprzez rozwiązania w przesyle i dystrybucji (sieci inteligentne), aż po źródła zasilania i elementy współpracujące z siecią, takie jak magazyny energii. Podobnie jak „smartphone” oznacza połączenie funkcjonalności telefonu i komputera, termin „smart grid” oznacza funkcjonowanie sieci dzięki rozwiązaniom informatycznym i telekomunikacyjnym, czyli cyfrowym technikom dwukierunkowej łączności z obiektami na sieci, komputerowym systemom zdalnego sterowania i układom automatyki. Urządzenia zainstalowane na sieci posiadają możliwość zbierania i przetwarzania danych pomiarowych oraz komunikowania się z systemem dyspozytorskim operatora sieci. Wykorzystanie układów automatycznego sterowania jest podstawową cechą sieci inteligentnych, umożliwiających operatorowi indywidualne bądź grupowe sterowanie urządzeniami przyłączonymi do sieci. Wśród podstawowych cech inteligentnej sieci ciepłowniczej należy wymienić:

  • wysoką jakość dostaw ciepła, dzięki odpowiedniemu monitorowaniu stanu sieci, zapewniającemu odporność na uszkodzenia fizyczne oraz ataki cybernetyczne,
  • możliwość zarządzania popytem (wpływ na reakcję strony popytowej),
  • możliwość zagospodarowania wielu źródeł ciepła, w tym źródeł odnawialnych,
  • możliwość magazynowania ciepła w sieci,
  • samodzielną reakcję w przypadku stanów awaryjnych sieci (automatyczne zarządzanie awariami),
  • możliwość świadczenia nowych usług, rozwój rynku, optymalizację zarządzania aktywami.

Przedstawiona charakterystyka systemu może być zapewniona głównie dzięki oprogramowaniu wspomagającemu zarządzanie siecią345: pakietom do symulacji i optymalizacji sieci oraz oprogramowaniu do prognozowania zapotrzebowania na ciepło. Ważną rolę odgrywają także systemy inteligentnego opomiarowania6, umożliwiające m.in. zarządzanie popytem, opomiarowanie netto, a także technologie teleinformacyjne oparte na układach transmisji danych i serwerach realizujących przechowywanie oraz przetwarzanie dużych zbiorów danych (technologie Big Data).

RYS. 1 Ideowy Schemat zintegrowanej hybrydowej sieci energetycznej (źródło: Sterner, 2009)

Efektywność energetyczna i ochrona środowiska

Dyskusja na temat przyszłości systemów ciepłowniczych ogniskuje się wokół problemów zwiększenia efektywności energetycznej wytwarzania i przesyłu ciepła, a także ograniczenia wpływu energetyki cieplnej na środowisko.

Efekt globalnego ocieplenia w długim terminie spowodowany jest głównie emisjami CO2, dlatego uzgodnione na konferencji klimatycznej ONZ w Paryżu (COP21) cele w postaci utrzymania wzrostu globalnych średnich temperatur na poziomie znacznie poniżej 2 stopni Celsjusza ponad poziom przedindustrialny i kontynuowanie wysiłków na rzecz ograniczenia wzrostu temperatur do 1,5 stopnia, wymagają znacznej redukcji emisji CO2. W kontekście działań podejmowanych przez kraje rozwinięte jako grupę, kraje członkowskie Unii Europejskiej zobowiązały się do roku 2050 zredukować emisje gazów cieplarnianych o 80-95% w stosunku do poziomu z roku 1990. Tak ambitne założenia dotyczące redukcji emisji będą wywierały szczególną presję na systemy energetyczne, które będą musiały być niemal bezemisyjne, pomimo rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną.

Komisja Europejska zaproponowała kilka scenariuszy transformacji systemu energetycznego dla osiągnięcia swoich celów w horyzoncie roku 20507. W scenariuszu zakładającym niski udział energetyki jądrowej przyjęto, że nie będą budowane nowe reaktory jądrowe (oprócz reaktorów będących obecnie w budowie), jednocześnie penetracja rynku prze z technologię wychwytywania i składowania ditlenku węgla (CCS) powinna wynosić około 32%. Wydaje się, że w przypadku realizacji takiego planu CCS będzie jedyną technologią, która w krótkim czasie pozwoliłaby na tak znaczne zmniejszenie emisji CO2 w scentralizowanych źródłach wytwarzania, włączając istotne z punktu widzenia współpracy z systemami ciepłowniczymi węglowe i gazowe elektrociepłownie. Obserwować będziemy zatem konsekwentne odchodzenie od wytwarzania energii i ciepła w procesach spalania paliw kopalnych na rzecz rozwiązań energetyki niskoemisyjnej czy nawet zeroemisyjnej. Jednak utrzymanie odpowiedniego poziomu mocy wytwórczych w scentralizowanych źródłach wytwarzania będzie istotne z punktu widzenia stabilnego funkcjonowania systemu z dużym udziałem odnawialnych źródeł energii.

Współdziałanie sieci i źródeł wytwarzania

Ze względu na wysoki średni wiek bloków energetycznych w Polsce, a także wysokie koszty eksploatacyjne instalacji wychwytu CO2, realizacja wspomnianych wyżej zobowiązań w zakresie przeciwdziałania zmianom klimatu mogłaby być również rozważana w oparciu o zwiększenie udziału energetyki rozproszonej, z naciskiem na kogeneracyjne, hybrydowe systemy wytwórcze ciepła i energii elektrycznej, tj. małe zespoły współpracujących jednostek wytwórczych energii elektrycznej i ciepła, o zróżnicowanych nośnikach energii pierwotnej (odnawialnych i nieodnawialnych) i/lub zawierające układ(y) do magazynowania energii. Istotną rolę w wytwarzaniu ciepła odgrywałyby odnawialne źródła energii, przede wszystkim rozproszone, zainstalowane u odbiorców końcowych. Z dostępnych już dziś technologii wytwarzania ciepła możemy wymienić konwersję energii promieniowania słonecznego na ciepło w kolektorach słonecznych, zagospodarowanie źródeł geotermalnych z wykorzystaniem pomp ciepła, a w przypadku źródeł centralnych także w oparciu o siłownie z organicznym czynnikiem roboczym (ORC), spalanie biomasy we współpracy z siłowniami ORC, spalanie biogazu z wykorzystaniem tłokowych silników spalinowych i mikroturbin.

W związku z dużą liczbą rozproszonych, małoskalowych źródeł ciepła, w tym ciepła ze źródeł odnawialnych współpracujących z siecią ciepłowniczą, przewidujemy wielowariantowy charakter odbioru i transportu ciepła, co spowoduje, że proces zarządzania siecią będzie bardziej złożony. Konsekwencją większej nierównomierności dostaw ciepła będzie potrzeba pewnego uelastycznienia źródeł wytwarzania w kontekście bilansowania systemu, wyrażająca się prawdopodobnie wzrostem udziału układów kogeneracyjnych zasilanych gazem ziemnym, ewentualnie biogazem, a w przyszłości być może także wodorem oraz wzrostem zapotrzebowania na pojemność magazynową zasobników ciepła współpracujących z siecią. Dodatkowym elementem pozwalającym na bilansowanie systemu mogłoby być zarządzanie popytem, jednak wydaje się, że w przypadku systemów ciepłowniczych to rozwiązanie jest możliwe w znacznie mniejszym stopniu w porównaniu do rozwiązań stosowanych w systemach elektroenergetycznych. Wzorem hybrydyzacji systemów wytwarzania zakłada się również konwergencję systemów energetycznych w kierunku tzw. zintegrowanej hybrydowej sieci energetycznej8. Przykład takiego systemu przedstawiono na rys. 1. Proponowane rozwiązania przypisują istotną rolę systemu ciepłowniczemu współpracującemu z gazowymi układami kogeneracyjnymi, ponieważ zakładają magazynowanie energii ze źródeł odnawialnych w systemie (technologie Power-to-heat). Jednocześnie CO2 wychwytywany w źródłach kogeneracyjnych, mógłby posłużyć do metanizacji wodoru uzyskiwanego w technologii P ower-to-gas9 i do gazyfi kacji biomasy.

***

Koncepcja inteligentnego systemu energetycznego jest wizją przyszłościową, jednak elementy tej koncepcji są znane od lat, a wiele z nich jest już praktycznie realizowanych bądź obecnie testowanych i wdrażanych. W związku z rozwojem technologii teleinformacyjnych (ICT) oraz technologii zarządzania budynkami (BMS), konsumenci energii, w tym ciepła i chłodu, potrzebują większego dostępu do danych pomiarowych dot. zużycia energii oraz jej kosztów. Prowadzi to do wzrostu zainteresowania inteligentnym opomiarowaniem w systemach ciepłowniczych, które wymaga właściwej alokacji korzyści i kosztów budowy infrastruktury pomiędzy operatorów sieci ciepłowniczych a odbiorców ciepła. Działania te wpisują się w koncepcję inteligentnej sieci ciepłowniczej jako elementu inteligentnego systemu energetycznego omawianego w niniejszej, pierwszej części artykułu. W drugiej części artykułu omówione zostaną nowoczesne techniki w zarządzaniu siecią ciepłowniczą.

 

Artykuł pojawił się w numerze 3/2017 magazynu "Energetyka Cieplna i Zawodowa"

 

Przypisy

1 Kuczyński T., Ziembicki P. (2012). Inteligentne systemy ciepłownicze zintegrowane w ramach SMART GRID. Ciepłownitwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 43(9):360-364.

2 Osiadacz A.J., Chaczykowski M., Kwestarz M. (2016). Systemy ciepłownicze w 2050 roku-perspektywy i wyzwania. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 47(10):391-399.

3 Osiadacz A.J., Chaczykowski M., Kotyński Ł. (2012). Pakiet oprogramowania do statycznej symulacji sieci ciepłowniczych. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 43(12):526-529.

4 Chaczykowski M., Kwestarz M. (2012) Komputerowa symulacja sieci ciepłowniczej instrumentem zarządzania nowoczesną fi rmą ciepłowniczą, w materiałach VII Konferencji Technicznej IGCP, Warszawa.

5 Osiadacz A.J., Chaczykowski M., Kwestarz M. (2016). Efektywność energetyczna systemu ciepłowniczego z perspektywy optymalizacji procesu pompowania, w materiałach XIII Konferencji Technicznej IGCP, Warszawa.

6 Chaczykowski M., Kwestarz M., Osiadacz A.J. (2017). Inteligentne systemy pomiarowe w ciepłownictwie. Ciepłownictwo, Ogrzewnictwo, Wentylacja 48(3):95-100.

7 European Commission (2011). Energy Roadmap 2050.

8 Sterner M. (2009) Bioenergy and renewable power methane in integrated 100% renewable energy systems. Limiting global warming by transforming energy systems. Rozprawa doktorska, University of Kassel.

9 Chaczykowski M., Osiadacz A.J. (2016) Technologie power-to-gas w aspekcie współpracy z systemami gazowniczymi, w materiałach VI Konferencja Naukowo-Technicznej ENERGETYKA GAZOWA, Zawiercie.

 

 

Na skróty

© 2014. Wszelkie prawa zastrzeżone. BMP'      O nas   Reklama   Newsletter   Polityka prywatności Kontakt

Realizacja: Marcom Interactive
Newsletter BMP

Najważniejsze informacje ukazujące się w naszym portalu mogą otrzymać Państwo na skrzynkę e-mail za pomocą naszego bezpłatnego newslettera. Aby go zamówić prosimy wpisać swój adres e-mail w poniższym polu. Zapraszamy!

Polityka prywatności
Akceptuję
Strona korzysta z plików cookies w celu realizacji usług i zgodnie z Polityką Plików Cookies. Możesz określić warunki przechowywania lub dostępu do plików cookies w Twojej przeglądarce.