Artykuły

Wstęp

W dobie rozwoju źródeł wytwórczych opartych o technologie odnawialne, obecny system elektroenergetyczny czeka wiele wyzwań. Jego jednokierunkowość oraz centralność nie sprzyja rozwojowi generacji rozproszonej oraz dążeniom do jak największej efektywności energetycznej. Wprowadzenie do sieci elektroenergetycznej dużej ilości odnawialnych źródeł energii może skutkować utratą zdolności przesyłowych sieci dystrybucyjnej oraz zakłóceniami pracę sieci przesyłowej.

Rozwiązaniem tego problemu mogą być lokalne obszary bilansowania (LOB), stanowiące perspektywiczny kierunek rozwoju energetyki pod kątem technicznym. Szczególną zaletą lokalnych obszarów bilansowania jest bezpieczeństwo energetyczne oraz wzrost niezawodności sieci związany z możliwościa pracy w trybie wyspowym. Jednak do powstawania lokalnych obszarów bilansowania wymagana jest poprawa stanu technicznego istniejących mikrosieci oraz nowobudowanych. Układy mikrosieciowe oparte na mikrogeneratorach (np. instalacje fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe, ogniwa paliwowe) działających we współpracy z układami magazynowania (np. akumulatory, koła zamachowe, kondensatory) oraz sterowalnymi obciążeniami (czyli elastycznymi odbiornikami mocy) pozwalają na sterowanie swoją pracą, zapewniając odpowiednią jakość dostaw energii w danym obszarze oraz dające możliwość samowystarczalnej pracy autonomicznej. Mikrosieci pozwolą na zaimplementowanie aktywnego systemu dystrybucji w systemie elektroenergetycznym, polegającego na decentralizacji sterowania i zarządzania oraz na umożliwieniu przepływu dwukierunkowego mocy w sieci [1]. Ze względu na kluczowość technologii mikrosieci w procesie rozwoju lokalnych obszarów bilansowania oraz systemu elektroenergetycznego warto prześledzić obecnie realizowane przykładowe projekty mikrosieciowe.

Mikrosieci na świecie

Mikrosieć to samowystarczalny system energetyczny, którego działanie umożliwia kontrolowanie rozproszonych źródeł w bardziej zdecentralizowany sposób, dzięki czemu z punktu widzenia rynku energii zachowują się one jak pojedyncze źródło (lub obciążenie). W ten sposób zalety rozproszonych zasobów mogą być wykorzystywane w spójny oraz łatwy w zarządzaniu sposób. Ich popularność wzrasta wraz ze spadkiem cen energii rozproszonej oraz wzrostem obaw dotyczących bezpieczeństwa energetycznego spowodowanych brakiem surowców czy cyberatakami na zcentralizowane jednosktki. Zgodnie z raportem Global Market Insights udział mikrosieci w rynku w 2021 roku wyniósł ok. 11 440,4 mln USD. Prognozuje się ponad 20% wzrost tego udziału do 2030 roku powodowany integracją odnawialnych źródeł energii w Europie, Ameryce Północnej i Południowej oraz rosnącym zapotrzebowaniem na energię elektryczną (w tym na energię pochodzącą z instalacji off-grid) i rządowymi programami wsparcia elektryfikacji w Azji, Środkowym Wschodzie i Afryce [2].

W Singapurze powstała platforma R3D (Research, Development, Demonstration and Deployment) przeznaczona do prowadzenia badań, planowania rozwoju, demonstrowania technologii oraz testowania rozwiązań - Renewable Energy Integration Demonstrator, podlegająca pod Instytut Badań Energii Uniwersytetu Technicznego Nanyang. Znajdujący się na platformie klaster niskiego napięcia składa się z siedmiu przemysłowych mikrosieci, trzech mikrosieci akademickich oraz dwóch zestawów rozdzielnic nn/SN. Pracujące na platformie badawczej mikrosieci są w stanie sprostać rzeczywistym obciążeniom – projekt obecnie dostarcza energię elektryczną na poziomie 200 kWh do pobliskich obiektów Narodowej Agencji Środowiska. W planach na przyszłość projektu jest rozszerzenie możliwości produkcyjnych celem pokrycia całego zapotrzebowania okolicznych odbiorców [3].

Małe australijskie miasteczko Heyfield liczące około 2000 mieszkańców posłuży jako lokalizacja do pilotażowego projektu wdrażającego mikrosieci - MyTown. Przy wsparciu rządu australijskiego powstanie replikowalny model, który pomoże rozwinąć możliwości zasilania miast położonych na obrzeżach sieci elektroenergetycznej w całej Australii. MyTown pomoże określić opłacalność technologii mikrosieciowej jako lokalnego wariantu zasilania oraz zdobyć wiedzę i narzędzia niezbędne do łatwego i ekonomicznego aplikowania rozwiązania w innych obszarach. Władze Australii wprowadziły wiele programów wsparcia tej technologii, w tym granty na badania i pilotażowe projekty mikrosieci [4].

Kanadyjski projekt Slemon Park Microgrid, ma na celu przybliżenie Wyspy Księcia Edwarda do zerowej emisyjności energii netto do 2030 r. Projekt mikrosieci składa się z instalacji fotowoltaicznej o mocy 10 MW i magazynu energii zasilanego bezpośrednio prądem stałym. Rozwiązanie umożliwi implementacje sieci prądu stałego oraz systemów do magazynowania energii do późniejszego wykorzystania u odbiorców końcowych, który przyniesie korzyści mieszkańcom oraz firmom komercyjnym [5].

W Wielkiej Brytanii planowany jest projekt domowych mikrosieci, które powstaną dzięki współpracy firmy SNRG zajmującej się infrastrukturą energetyczną oraz dewelopera Quinn Estates. Stworzona prywatna mikrosieć będzie dostarczać energię jako usługę do 162 gospodarstw domowych, które powstaną również w ramach projektu. Planowane osiedle będzie zasilane wyłącznie za pomocą mikrosieci opartej na odnawialnych źródłach energii o mocy łącznej 500 kW oraz magazynach w połączeniu z inteligentnym modułem służącym zarządzaniu sieci. Celem pomysłodawców jest stworzenie dystryktu dodatniego energetycznie, który będzie generować więcej energii niż wynosi jego zapotrzebowanie, co pozwoli zaoszczędzić mieszkańcom na rachunkach za energię. W zamyśle inwestorów koszty ponoszone przez konsumentów w całkowicie elektrycznym domostwie mają nie wzrosnąć. Będzie to program pilotażowy mikrosieci, manifestującego cele związane z dekarbonizacją w Wielkiej Brytanii. Planowany termin oddania inwestycji to 2025 roku [6].

Stany Zjednoczone posiadają bogate portfolio programów federalnych, prowadzonych przez instytucje oraz sektor prywatny pracujące nad rozwojem oraz wdrażaniem mikrosieci (Rysunek 1). W całym kraju szacowana moc zainstalowana mikrosieci typu off-grid podana przez Departament Energii na rok 2021 wyniosła około 4,2 GW. Obecnie planowane są kolejne poza sieciowe projekty mikrosieci, poprawiające odporność infrastruktury elektroenergetycznej oraz zwiększające bezpieczeństwo energetyczne. Jednym z takich projektów jest Brookville Smart Energy Bus Depo – inwestycja w hrabstwie Montgomery w stanie Maryland zakłada budowę mikrosieci o mocy 5,6 MW zasilanej za pomocą energii wytwarzane w źródłach rozproszonych, akumulatorowych magazynów energii oraz infrastruktury ładującej z mocą ładowania wynoszącej ponad 2MW. Projekt pozwoli zasilić lokalną elektryczną flotę transportu publicznego, wspierając ograniczanie emisji dwutlenku węgla [7]. Innym przykładem projektu mikrosieciowego może być układ tworzony na potrzeby farmy krytej w pobliżu Pittsburgha w Pensylwanii we współpracy Schneider Electric i Scale Microgrid. Generacja energii będzie realizowana przez instalację fotowoltaiczną o mocy 160 kW i główny generator (1200 kW). Dynamiczne zarządzanie energią na przedsiębiorstwie będzie realizowane przy wykorzystaniu akumulatorów litowo-jonowych o mocy 250 kW, aparatury rozdzielczej oraz zaawansowanych układów sterowania. Projekt zakłada zarówno pracę on-grid jak i off-grid podczas przerw w dostawie prądu, co zapewni zakładowi niezwodne utrzymanie ruchu [8].

Przyglądając się mapie przedstawiającej udział populacji mającej dostęp do elektryczności w poszczególnych częściach świata (Rysunek 2) można zaobserwować, że istnieją rozległe tereny o ograniczonym dostępie do energii elektrycznej. Są one głownie zlokalizowane na kontynencie afrykańskim. Mikrosieci mogą stanowić odpowiednie rozwiązanie w niniejszych obszarach. Przykładem mogą być powstające w Kamerunie mikrosieci z infratrukturą przesyłową prądu stałego, która jest nową technologią. Projekt jest realizowany dzięki wsparciu niemieckiego Ministerstwa Gospodarki. Sieć energetyczna 60 V DC opiera się na istniejących już instalacjach fotowoltaicznych oraz inne źródła wytwórcze połączone z systemami magazynowania zintegrowanymi z systemem  dystrybucyjnym. Rozwiązanie umożliwia odbiorcom współdzielenie nadwyżki energii słonecznej i pojemności akumulatorów zlokalizowanych w sąsiedztwie oraz sprzedaż nadwyżek produkcyjnych do sieci, co pomoże poprawić sytuację ekonomiczną regionów objętych przedsięwzięciem. Wszystkie materiały użyte do projektu pochodzą od lokalnych dostawców, dzięki czemu zarówno instalacja jak i konserwacja będzie niezależnym działaniem od zagranicznych przedsiębiorstw. Dotychczas powstałe mikrosieci pozwoliły na dostarczenie energii elektrycznej do gospodarstw domowych które wcześniej nie miały do niej dostępu. Szacuje się, że aż 30% gospodarstw objętych inwestycją nie miało wcześniej dostępu do energii [9].

Mikrosieci w Polsce

W 2022 uruchomiona została polska mikrosieć należąca do grupy TAURON. Inwestycja powstała w Bytomiu na terenie niedziałającej już kopalni Szombierki. Na mikrosieć składają się: dwie instalacje fotowoltaiczne, pięciu mikroturbin wiatrowych, agregat gazowy, magazyn energii stabilizujący układ oraz stacja transformatorowa, całość zajmuje powierzchnię około 9 tys. m². Mikrosieć jest wyposażona w dedykowany system sterowania odpowiadający za zestrojenie pracy komponentów układu, bilansowanie oraz zapewnienie właściwych parametrów dostarczanej do odbiorców energii elektrycznej. Co ciekawe, system umożliwia pracę w na trybie wyspowym przy braku synchronizacji z siecią. Obecnie mikrosieć zasila 54 gospodarstwa domowe. W dalszych planach jest doposażenie instalacji w dodatkowe systemy bezpieczeństwa, monitorowania oraz meteorologiczny punkt prognostyczny. Projekt napotkał na ograniczenia, ponieważ panujące regulacje dotyczące sieci dystrybucyjnej nie pozwalają na pracę w trybie wyspowym przy wykorzystaniu infrastruktury podlegającej pod operatora systemu dystrybucyjnego (OSD) [10].

PKP Energetyka pracuje nad mikrosiecią kolejowa opartą na technologiach wodorowych, która powstanie w Garbcach. System ma składać się z układu wodorowego (elektrolizer oraz ogniwo paliwowe) współpracującego z instalacją fotowoltaiczną (Rysunek 3). Dzięki energii słonecznej dzięki elektrolizerom wytwarzany będzie wodór, który będzie magazynowany oraz stosowany do odtworzenia energii [11].

Mikrosieci pomimo swoich obiecujących możliwości spotykają się z barierą legislacyjną. W obecnie obowiązujących dokumentach strategicznych w Polsce takich jak prawo energetyczne czy ustawa o odnawialnych źródłach energii nie znajduje się żadne odniesienie, wspominane są jedynie wybrane elementy mikrosieci. Celem należytego rozwoju rynku mikrosieciowego w naszym kraju niezbędne są aktualizacje przepisów i regulacji [12].

Podsumowanie

Jak można zauważyć technologia mikrosieciowa jest rozwiązaniem rozwijanym na całym świecie. Pomimo, że obecnie istniejące mikrosieci to w znaczącej części obiekty R+D, programy pilotażowe lub demonstracyjne, to wiele krajów wiąże z nią nadzieje związane z podniesieniem standardu życia swoich mieszańców, wzmocnieniem bezpieczeństwa energetycznego czy eliminacją emisji gazów cieplarnianych. Jako nowe rozwiązanie mikrosieci wymagają nadal wsparcia w obrębie badań i rozwoju przez ekspertów, znacznego kapitału inwestycyjnego oraz aktualizacji legislacyjnych. Z niecierpliwością także czekamy na pierwsze komercyjne projekty.