Mikrosieć - Co to jest? Jakie są wyzwania? Jakie są perspektywy?

Mikrosieć - Co to jest? Jakie są wyzwania? Jakie są perspektywy?

04.01.2023

Postęp w  dziedzinie innowacji, jakimi są  odnawialne źródła energii (OZE, ang., Renewable Energy Sources – RES), oraz w technologiach im towarzyszących, jak magazynowanie energii, sprawił, że dziś możemy mówić o  realniej alternatywie dla dotychczasowych rozwiązań stosowanych dla zabezpieczenia energetycznego gospodarki i kraju. Na całym świecie OZE stają się opcją przejścia na bezpieczne, opłacalne i ekologiczne źródła energii. Poprzez swoje rozproszenie z  jednej strony poprawiają bezpieczeństwo energetyczne, a z drugiej tworzą lokalną wartość dodaną. Warto dodać, że przeciwdziałają niekorzystnym globalnym i lokalnym zmianom klimatycznym. (Pylak i in., 2017, s. 22–27). Podobnie, jak w  przypadku polityk rynkowych, polityki publiczne w zakresie implementacji rozwiązań i technologii innowacyjnych powinny być stale analizowane i aktualizowane pod kątem możliwości realizowania dzięki nim postawionych celów (Hildermeier i in., 2019, s. 43). Rozwiązaniem dla wielu źródeł wytwórczych regulującym popyt i podaż energii są mikrosieci – innowacyjny i komplementarny komponent rynku energetycznego w  Polsce, zapewniający dywersyfikację dostaw energii.

Grafika, która została załączona przedstawia przykładową mikrosieć zbudowaną z wielu komponentów.

W artykule, który jest cytowany poniżej, pt. „MIKROSIECI JAKO INNOWACYJNY KOMPONENT DYWERSYFIKACJI RYNKU ENERGETYCZNEGO W POLSCE” dr hab. Sylwia Sysko-Romańczuk (prof. uczelni Politechnika Warszawska) oraz dr Grzegorz Kluj (PGE Dystrybucja S.A. Oddział Warszawa) dokonali przeglądu różnych podejść i opinii naukowców, ekspertów i  użytkowników branżowych oraz oceny dotychczasowych przykładów rozwiązań łączących technologie konwencjonalne z OZE. Rezultatem tej analizy była pozytywna weryfikacja hipotezy badawczej, że identyfikacja i opis procesów zapewniających sterowalną ciągłość działania mikrosieci jest kluczowym czynnikiem sukcesu zapewniającym prawidłową ich implementację rynkową. Zasadniczym kryterium identyfikacji i opisu kluczowych procesów mikrosieci jest zapewnienie jej sterowalnej ciągłości działania. Jest to taka cecha procesów, która zapewnia na linii źródło energii – odbiór – magazynowanie – dystrybucja – odbiorca, sterowany przez Operatora, stabilny przepływ mocy, także w przypadku dużej liczby źródeł zasilania usytuowanych w pobliżu punktów odbiorów oraz skoordynowaną pracę wyspową różnych źródeł energii (wiatr, słońce, gaz (w tym wodór), ciepło) i  urządzeń odbiorczych. Celem naukowym artykułu była identyfikacja kluczowych procesów w organizacji mikrosieci w oparciu o wypracowaną jej koncepcję procesową. Do realizowania tak przyjętego celu zastosowano triangulację badawczą. Wykorzystano analizę piśmiennictwa w zakresie zarządzania rozwojem techniki oraz raportów badawczych w  zakresie dobrych praktyk wdrożeniowych organizacji mikrosieci w Europie i w USA. Przeprowadzono wywiady z ekspertami, analitykami i użytkownikami rynku energetycznego w celu weryfikacji przyjętej hipotezy. Zebrany materiał uzupełniono o wiedzę ekspercką autorów. Głównymi czynnikami, które decydują o rozwoju OZE, są: spadające koszty produkcji OZE i magazynów energii; rosnące stawki opłat za energię elektryczną oraz coraz bardziej zdecydowane wysiłki polityczne zmierzające do ograniczania emisji gazów cieplarnianych przy jednoczesnej promocji rozproszonych zasobów energii (Ryan i in., 2017, s. 47–61). Ponadto rozwój inicjatyw lokalnych opartych o  nowe podmioty wykorzystujące rozproszone, odnawialne źródła energii (OZE) i technologie im towarzyszące podnosi dyskusję na temat nieuchronnej zmiany w funkcjonowaniu rynku energii, w tym także w sposobie dystrybucji energii elektrycznej.

Mikrosieć to mała sieć energetyczna z generacją rozproszoną, obejmująca urządzenia magazynujące energię i  kontrolowalne obciążenia (Mumtaz, Bayram, 2016, s.  94–100). Ostatnia dekada charakteryzuje się szczególnie intensywnym rozwojem niskoemisyjnych i  odnawialnych technologii źródeł energii, takich jak: skojarzone wytwarzanie ciepła i  energii elektrycznej (CHP –  opalanie gazem), instalacje PV, kolektory słoneczne, turbiny wiatrowe, ogniwa paliwowe, elektrownie wodne małych mocy, pompy ciepła i  inne. Równocześnie wyraźnie dostrzegalny jest rozwój technologii magazynowania energii w  postaci różnego typu zasobników, jak np. bateryjnych (akumulatory), kinetycznych FES (ang. Flywheel Energy Storage), nadprzewodnikowych, superkondensatorów, układów CAES (ang. Compressed Air Energy Storage) i innych. Razem technologie te wraz z usługami towarzyszącymi stanowią rozproszone zasoby energii (ang. Distributed Energy Resources –  DER). Mikrosieć można zatem utworzyć poprzez odpowiednie zorganizowanie wymienionych elementów i  usług występujących na ograniczonym terytorialnie obszarze geograficznym. Może ona łączyć się i odłączać od sieci dystrybucyjnej, do której jest przyłączona, aby umożliwić jej działanie zarówno w trybie synchronizacji, jak i wyspowym (Hirsch i in., 2018, s. 402–411). Mikrosieci mogą także integrować w sobie sieci ciepłownicze, gazowe i  ciepłej wody użytkowej oraz związane z  nimi innowacyjne usługi, jak DSR, Agregator i inne (Study on the effective …, 2015, s. 118–128). Eksperci twierdzą, że rozwiązanie to oferuje szereg korzyści, wśród których najczęściej wymienia się: większą wydajność energetyczną i odporność na awarie zasilania z sieci zasilającej, redukcję kosztów, redukcję strat w przesyle i dystrybucji energii, poprawę bezpieczeństwa pracy sieci, redukcję emisji CO2 i korzyści środowiskowe.

W efekcie rozwoju generacji rozproszonej dochodzi do (Parol, 2013, s. 12) powstawania dużej liczby miejsc dostarczających energię, dwukierunkowych przepływów mocy oraz potrzeby instalowania urządzeń sterujących przepływani mocy. Instalowanie wymienionych wyżej urządzeń na coraz większą skalę sprzyja organizowaniu się ich właścicieli (samodzielnie lub w grupach) w  wydzielone organizacyjnie byty i w  dłuższym okresie będzie prowadziło do postępującej z  jednej strony dywersyfikacji, a  z  drugiej decentralizacji systemu elektroenergetycznego i kreowania nowych usług, co z kolei będzie zwiększało wymagania dotyczące stabilności dostaw. Wiąże się to z  dwukierunkowym przepływem mocy oraz problemem niestabilnego i nieprzewidywalnego charakteru produkcji energii ze źródeł odnawialnych (Biczel, 2011). Typowy profil produkcji energii elektrycznej w  elektrowni słonecznej i w małej elektrowni wiatrowej charakteryzuje się dużą zmiennością w czasie, która zależy od lokalnych warunków atmosferycznych, a więc niezwykle trudno przewidzieć i  zaplanować produkcję z  takich źródeł. Obecnie trwają intensywne wysiłki na rzecz utworzenia systemów przewidujących pogodę wykorzystujących algorytmy sztucznej inteligencji. Pozwoli to na bardziej przewidywalne planowanie produkcji energii elektrycznej i cieplnej czy magazynowanie oraz planowanie popytu na te rodzaje energii.

Dzisiejsze bariery technologiczno-organizacyjne można pokonywać, organizując mikrosieci. Eksperci proponują rozwój tego komponentu rynku energetycznego w czterech kierunkach (Hirsch i in., 2018, s. 405–406; Parol, 2013, s. 26–27): (1) duże mikrosieci, obejmujące określone zbiorowości, jak kampusy, obiekty militarne, (2) średnie mikrosieci, obejmujące średniej wielkości zbiorowości, jak instytucje (szpitale, uczelnie itd.), (3) małe mikrosieci, jak obiekty biurowe, hotele, urzędy, budynki mieszkalne, (4) mikrosieci zasilające tereny odległe (patrząc od strony zasilania). Każda z wyżej wymienionych form wymaga zastosowania nie tylko odpowiednich technologii, ale przede wszystkim metod organizatorskich i działań zarządczych. Mikrosieć jest bardzo małym systemem elektroenergetycznym. Dla takiego systemu można wydzielić trzy poziomy sterowania (Hirsch i  in., 2018, s.  404): poziom I  –  sterowanie częstotliwością; poziom II – sterowanie napięciem, poziom III – sterowanie umożliwiające operacje ekonomiczne i  optymalizacyjne dla mikrosieci, skupiające głównie zarządzanie magazynami energii, harmonogramami generacji rozproszonej oraz importem i  eksportem energii elektrycznej pomiędzy mikrosiecią a systemem zasilającym. W wyżej przedstawionych zasadach sterowania brakuje m.in. działań związanych z  poprawą efektywności energetycznej czy też współpracą na rzecz popularyzacji tematyki ochrony środowiska, dlatego też wydaje się niezbędne uzupełnienie zasad sterowania mikrosiecią o poziom IV – zarządzanie energią i współpraca wewnątrz mikrosieci, czyli działania w zakresie zmniejszania i równoważenia popytu i podaży energii wśród uczestników mikrosieci, edukowanie i popularyzowanie tematyki z zakresu ochrony środowiska, w tym poprawa efektywności energetycznej (Tokarčik i in., 2012, s. 47–72).

Poziomy I i II realizują z reguły sterowniki w poszczególnych urządzeniach działające autonomicznie, natomiast poziomy III i IV mogą być realizowane jedynie przez globalny sterownik zarządzający całą mikrosiecią tj. wszystkimi źródłami, magazynami i odbiorami analizując i regulując urządzenia pod aktualną sytuację zarówno wytwórczą jak i odbiorczą.

Koncepcja procesowa mikrosieci bazuje na założeniu, że może ona pełnić rolę sterowalnego odbioru, sterowalnego wytwarzania i sterowalnego magazynowania. Wybrane elementy mikrosieci byłyby sterowane poprzez sterowniki lokalne oraz koordynowane przez centralny sterownik mikrosieci. Przepływy na granicach mikrosieć – OSD byłyby rzadkie i niewielkie. Współpraca z OSD ograniczałaby się jedynie do pokrywania rzadkich niedoborów produkcji (sytuacje nadzwyczajne) i przyjmowania nadmiarowych porcji wytworzonej energii elektrycznej. Mikrosieć realizowałaby operacje ekonomiczne i  optymalizacyjne dla swoich potrzeb, skupiając się głównie na zarządzaniu magazynami energii, harmonogramami generacji rozproszonej oraz importem i  eksportem energii elektrycznej pomiędzy mikrosiecią a systemem zasilającym.

Aktualnie pilne są  dwa wyzwania badawcze i  aplikacyjne: (1) opracowanie mechanizmu zarządzania energią i mocą w mikrosieci, który będzie obejmował: infrastrukturę pomiarową, metody regulacji produkcji i  zużycia energii oraz zarządzanie mocą; (2) stworzenie mechanizmów efektywnościowych, czyli zaspokajanie jej potrzeb energetycznych za pomocą coraz mniejszej ilości energii pochodzącej oczywiście ze źródeł odnawialnych. Stąd wynika potrzeba realizacji rozwiązań pilotażowych testujących różne rozwiązania technologiczne, organizacyjne, ekonomiczne i  regulacyjne mikrosieci. Aktualnie projektowanie procesów równolegle z  implementowaniem technologii pozwala uniknąć wielu problemów na etapie wdrożenia i utrzymania mikrosieci. Nasz pomysł to sterownik dedykowany, który ma zaprojektowane nie tylko procesy ale i urządzenia, algorytmy, logikę, wizualizację. Dzięki temu sterownik będzie dostępny do szerokiego grona klientów a brak implementowania technologii podczas wdrażania poszczególnych mikrosieci pozwoli uniknąć pomyłek, które zawsze wystąpią podczas jednostkowej produkcji.

W Doświadczeniach z Realizacji mikrosieci dla Grupy Tauron autorzy opracowania stwierdzają, iż: „Do poprawnego działania mikrosieci i wzajemnej współpracy jej komponentów niezbędna jest przede wszystkim niezawodna, prawidłowa komunikacja między tymi urządzeniami, którą w ramach testów pomyślnie zweryfikowano. Ponadto utrata komunikacji z częścią urządzeń, o ile ich praca nie jest krytyczna np. dla utrzymania pracy wyspowej, nie powoduje zatrzymania pracy mikrosieci, ponieważ System Zarządzania Mikrosiecią (SZM) potrafi na bieżąco zaadoptować się do zmienionych warunków, co również sprawdzono w ramach prowadzonych badań.”

„Mikrosieci istnieją od dziesięcioleci, ale do niedawna były używane głównie przez kampusy uniwersyteckie i wojsko. Tak więc całkowita liczba mikrosieci jest stosunkowo niewielka, ale rośnie. Guidehouse (wcześniej Navigant) prognozuje, że do 2028 r. wartość rynku zbliży się do 39,4 mld USD .” https://www.microgridknowledge.com/about-microgrids/article/11429017/what-is-a-microgrid

„Mówiąc, że chce dawać przykład, armia amerykańska planuje zbudować mikrosieć w każdej ze swoich 130 baz na całym świecie w ramach większej, opublikowanej strategii klimatycznej.”

„W raporcie dotyczącym strategii klimatycznej stwierdzono, że armia ma 24 projekty mikrosieci, których zakres i jest zaplanowany do 2024 r. Z zamiarem stworzenia mikrosieci we wszystkich swoich bazach do 2035 r. Plan wzywa do współpracy z sąsiednimi społecznościami oraz innymi zainteresowanymi stronami i partnerami w celu stworzenia mikrosieci.

Projekty mikrosieci są budowane zgodnie z planem energetycznym i wodnym , który armia wydała w 2020 r., aby obniżyć koszty i zwiększyć odporność i wydajność swoich obiektów.”

https://www.microgridknowledge.com/editors-choice/article/11427449/army-to-equip-all-bases-with-microgrids-by-2035-as-part-of-carbon-free-electricity-goal

Konkluzja artykułu Mikrosieć – nowatorska odpowiedź na energetyczne wyzwania - Branża OZE w Polsce | Top-Oze  pokazuje drugi biegun - najprostszych mikrosieci. Mikrosieci, które są już powszechne i instalowane na dużą skalę w domkach jednorodzinnych. „Mikrosieć to zsynchronizowane elementy, oparte na OZE, wzmocnione tradycyjnym źródłem stabilizującym i magazynem energii. Pozwalają na stały dopływ prądu do odbiorców, niezależnie od pogody czy innych czynników, które mogą zdestabilizować ogólną sieć albo odciąć od niej podłączonych użytkowników. Coś podobnego, w domowej skali, można zrobić na własny użytek. Chodzi o połączenie instalacji fotowoltaicznej zamontowanej na dachu czy na posesji z domowym magazynem energii. Działanie takiego układu jest proste. Prąd produkowany ze światła słonecznego najpierw zasila pracujące urządzenia, a jeśli pobór energii jest mniejszy od tej powstającej, nadwyżka trafia do magazynu. Przy większym zapotrzebowaniu albo po zmroku, kiedy instalacja przestanie pracować, zgromadzona energia zostanie wykorzystana na nasze potrzeby. Pewnego rodzaju rozwinięciem takiego systemu może być pompa ciepła. To urządzenie pobiera energię z otoczenia – powietrza, gleby lub wody – i przerabia ją na ciepło. Może także podgrzewać wodę użytkową. Do pracy potrzebuje pewnej ilości energii elektrycznej, która może pochodzić z domowej fotowoltaiki. Wybierając taki miks, możemy stać się samowystarczalni – mieć prąd i ciepło własnej produkcji. Przy rosnących cenach paliw i energii, kaprysach pogody i zawirowaniach międzynarodowych, warto pomyśleć o inwestycji we własne bezpieczeństwo.”

Reasumujac, rynek mikrosieci to teraźniejszość i przyszłość polskiej energetyki zarówno elektrycznej jak i cieplnej a systemy zarządzania mikrosieciami są najważniejszym jej składnikiem i to od nich zależy szeroko rozumiana jakość, niezawodność i funkcjonalność. Rynek to zarówno instalacje:

  1. Duże, profesjonalne i wymagające specjalistycznego podejścia jak wojsko, któremu możemy sprostać z uwagi na doświadczenie w tym sektorze (realizacja wielu inwestycji i dostaw dla wojska w tym m.in. dostawa technologii sterownia do Kontenerowych Elektrowni Polowych dużej mocy w ramach największego zamówienia w historii polskiej armii na tego rodzaju sprzęt oraz dostarczenie systemu zasilania gwarantowanego dla największego obiektu typu Data Center w MON, zapewnienie zasilania gwarantowanego dla kluczowych obiektów łączności na terenie całej Polski). Dodatkowo należy zauważyć, iż Slider Technologies, główny udziałowiec spółki Reteco, posiada świadectwo bezpieczeństwa przemysłowego 3. Stopnia do informacji o klauzuli „tajne” umożliwiający wgląd do dokumentacji dla wojska i w związku z tym możliwość startu w postepowaniach, które takiego certyfikatu wymagają. Dysponuje również pracownikami posiadającymi poświadczenie bezpieczeństwa osobowego, które umożliwiają realizację umów oraz wgląd do dokumentacji o odpowiedniej klauzuli tajności.
  2. Średnie o mniejszym poziomie złożoności dla takich klientów jak szpitale, obiekty przemysłowe czy biurowe – tutaj również należy potwierdzić nasze doświadczenie m.in. dostawa systemu zasilania wraz z układem kogeneracji do Wielkopolskiego Centrum Zdrowia Dziecka czy wyposażenie Szpitala Praskiego, Bielańskiego, Niekłańskiej, Pruszkowskiego, MSWiA, Czernikowskiego oraz Południowego w Warszawie.
  3. Małe, o najmniejszym stopniu złożoności w tym m.in. mikroprzedsiębiorstwa czy prosumenci. Dla tego segmentu szczególnie ważna jest funkcjonalność dedykowanego, predefiniowanego sterownika ponieważ instalator nie jest w stanie sobie poradzić z bardzo skomplikowanym programowaniem i wdrożeniem sterownika PLC. Wdrożenie takiego sterownika jest bardzo czaso- i koszto-chłonne. Do tej pory nikt jeszcze nie oferuje na tym segmencie rynku sterowników niezintegrowanych z urządzeniami a nasza konstrukcje, nad którą rozpoczęliśmy prace badawczo - rozwojowe będzie pierwsza na tym rynku.
  4. Instalacje typowo wytwórcze, w których będziemy mogli zintegrować kilka źródeł czy magazynów. Z racji doświadczenia w budowania m.in. elektrociepłowni (pozyskany i zrealizowany największy projekt budowy wielu elektrociepłowni na biogaz oraz budowa elektrociepłowni dla miasta Skarżysko – Kamienna) możemy na tym sektorze rynku oferować integrację z kolejnymi źródłami m.in. fotowoltaiką, wiatrem, istniejącymi kotłami węglowymi, wytwarzaniem wodoru czy magazynami energii.

Ranga zagadnienia mikrosieci wpisuje się w  strategię bezpieczeństwa energetycznego Polski, które jest silnie zależne od dywersyfikacji dostaw paliw: węgla, ropy naftowej i  gazu ziemnego. Mikrosieci mogą być kolejnym elementem dywersyfikacji dostaw energii, zastępując w jakiejś części paliwa kopalne. Firma Slider Technologies wychodząc naprzeciw potrzebom rynkowym otworzyła spółkę córkę Reteco Sp. z o.o., w której oprócz niej udziałowcami są osoby doświadczone w branży jednostek wytwórczych i OZE. Spółka Reteco ma na celu promowanie, projektowanie i sprzedaż mikrosieci oraz do oferowania kompleksowych rozwiązań opartych na naszych sterownikach. Z racji wieloletniego doświadczenia w branży energetycznej wszystkich udziałowców spółki Reteco zaprojektujemy i wdrożymy dowolną mikrosieć w Polsce.