22
TECHNOLOGICZNA TRANSFORMACJA TECHNOLOGICZNA TRANSFORMACJA SYSTEMÓW I SIECI EE SYSTEMÓW I SIECI EE NADPRZEWODNIKOWE NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGII (SMES) ZASOBNIKI ENERGII (SMES) dr hab. inż. Antoni Cieśla, prof. n. Akademia Górniczo – Hutnicza, Wydział EAIiE Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki Spotkanie panelowe w ramach Forum Nowej Gospodarki AGH, 15 listopada 2011 roku

Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

TECHNOLOGICZNA TRANSFORMACJA TECHNOLOGICZNA TRANSFORMACJA SYSTEMÓW I SIECI EESYSTEMÓW I SIECI EE

NADPRZEWODNIKOWE NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGII (SMES) ZASOBNIKI ENERGII (SMES)

dr hab. inż. Antoni Cieśla, prof. n.

Akademia Górniczo – Hutnicza, Wydział EAIiEKatedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki

Spotkanie panelowe w ramach Forum Nowej Gospodarki AGH, 15 listopada 2011 roku

Page 2: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

2

Wyzwania dla elektroenergetykiWyzwania dla elektroenergetyki

• Wzrost zapotrzebowania na energięWzrost zapotrzebowania na energię

• Niedostatki infrastruktury generacyjnej i sieciowej,Niedostatki infrastruktury generacyjnej i sieciowej, trudności z nowymi inwestycjami trudności z nowymi inwestycjami

• Wzrost udziału generacji rozproszonejWzrost udziału generacji rozproszonej

• Wymogi UE: 20/20/20 do 2020 rokuWymogi UE: 20/20/20 do 2020 roku

• Konkurencja na rynku energii elektrycznejKonkurencja na rynku energii elektrycznej

• Wzrost zagrożeń blackoutamiWzrost zagrożeń blackoutami

Czynniki, o których mówi się w tym panelu, to czynniki, które wymuszają na elektroenergetyce działania zmierzające do nowej koncepcji systemów i sieci EE

Page 3: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

3

Nowa sieć umożliwia współpracę z tak Nowa sieć umożliwia współpracę z tak dotychczas nietypowymi źródłami jak panele dotychczas nietypowymi źródłami jak panele fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe oraz fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe oraz elektrownie wodne. Źródła te mogą być elektrownie wodne. Źródła te mogą być umieszczone w budynku mieszkalnym bądź umieszczone w budynku mieszkalnym bądź użyteczności publicznej.użyteczności publicznej.

2. Nowa sieć miałaby większe szanse 2. Nowa sieć miałaby większe szanse opanowania kaskadowego rozwoju zdarzeń opanowania kaskadowego rozwoju zdarzeń chociażby na drodze ograniczenia wartości chociażby na drodze ograniczenia wartości mocy, przepływających przez sieć przesyłową.mocy, przepływających przez sieć przesyłową.

KONCEPCJA NOWEJ SIECIKONCEPCJA NOWEJ SIECI

Page 4: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

4

KONCEPCJA NOWEJ SIECIKONCEPCJA NOWEJ SIECI

Page 5: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

5

INTELIGENTNA INTELIGENTNA – reagująca na przeciążenia sieci, działająca – reagująca na przeciążenia sieci, działająca autonomicznie, autonomicznie, zanim obsługujący system człowiek będzie w stanie zanim obsługujący system człowiek będzie w stanie podjąć decyzje o działaniu, dostosowująca się równocześnie do podjąć decyzje o działaniu, dostosowująca się równocześnie do potrzeb potrzeb dostawcy, odbiorcy i regulatora,dostawcy, odbiorcy i regulatora,

WYDAJNAWYDAJNA – zdolna spełniać rosnące potrzeby odbiorcy bez potrzeby – zdolna spełniać rosnące potrzeby odbiorcy bez potrzeby rozbudowy infrastruktury,rozbudowy infrastruktury,

ELASTYCZNAELASTYCZNA – akceptująca każde źródło energii, zdolna zaadoptować – akceptująca każde źródło energii, zdolna zaadoptować każdą każdą nową, sprawdzoną idee, czy technologię,nową, sprawdzoną idee, czy technologię,

MOTYWUJĄCAMOTYWUJĄCA – poprzez możliwość bieżącej komunikacji na linii – poprzez możliwość bieżącej komunikacji na linii dostawca – odbiorca sieć smart grid umożliwia odbiorcy dostawca – odbiorca sieć smart grid umożliwia odbiorcy indywidualne indywidualne zarządzanie konsumpcją energii w zależności od zarządzanie konsumpcją energii w zależności od preferencji takich jak koszty preferencji takich jak koszty czy ekologia,czy ekologia,

Nowa platforma technologiczna Nowa platforma technologiczna (Smart Grid) powinna być:(Smart Grid) powinna być:

Page 6: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

6

WYSOKIEJ JAKOŚCIWYSOKIEJ JAKOŚCI – zdolna zaopatrywać coraz wrażliwsze na – zdolna zaopatrywać coraz wrażliwsze na zmiany zmiany napięcia urządzenia w najwyższej jakości energię – bez napięcia urządzenia w najwyższej jakości energię – bez obniżek obniżek napięcia, przerw w dostawach czy zakłóceń,napięcia, przerw w dostawach czy zakłóceń,

ODPORNA ODPORNA – na ataki terrorystyczne czy katastrofy naturalne poprzez – na ataki terrorystyczne czy katastrofy naturalne poprzez decentralizację systemu oraz wzmocnione protokoły bezpieczeństwa,decentralizację systemu oraz wzmocnione protokoły bezpieczeństwa,

EKOLOGICZNAEKOLOGICZNA – spowalniające zmiany klimatyczne, a także oferująca – spowalniające zmiany klimatyczne, a także oferująca oryginalne rozwiązania w celu działań proekologicznychoryginalne rozwiązania w celu działań proekologicznych

Nowa platforma technologiczna Nowa platforma technologiczna (Smart Grid) powinna być:(Smart Grid) powinna być:

Page 7: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

7

SMART GRID SMART GRID to system elektroenergetyczny integrujący to system elektroenergetyczny integrujący w sposób inteligentny działania w sposób inteligentny działania wszystkich uczestników procesów wszystkich uczestników procesów generacji, transmisji, dystrybucji generacji, transmisji, dystrybucji i użytkowania, w celu dostarczania energii i użytkowania, w celu dostarczania energii elektrycznej w sposób ekonomiczny, elektrycznej w sposób ekonomiczny, pewny i bezpiecznypewny i bezpieczny

SMART GRID SMART GRID

Źródło: prezentacja prof. A. Wiszniewskiego

Page 8: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

8

INTELIGENTNE ALGORYTMY

Polegają na:Polegają na:

przewidywaniu konsekwencjiprzewidywaniu konsekwencji zaistniałej sytuacji, zaistniałej sytuacji,

orazoraz

podejmowaniu decyzji, podejmowaniu decyzji, celem maksymalizacji korzyści celem maksymalizacji korzyści

lub minimalizacji strat.lub minimalizacji strat.

…Wszystko jest monitorowane w czasie Wszystko jest monitorowane w czasie rzeczywistym, czujniki są wszędzie…rzeczywistym, czujniki są wszędzie…

Page 9: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

9

mniej produkcji,

więcej zarządzaniaenergią

Page 10: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla
Page 11: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

11

• Opomiarowanie, czyniące sieć obserwowalną Opomiarowanie, czyniące sieć obserwowalną z niezbędnym nadmiarem, w wymaganym z niezbędnym nadmiarem, w wymaganym

horyzoncie czasowym.horyzoncie czasowym.

• Systemy telekomunikacyjne, przekazujące dane Systemy telekomunikacyjne, przekazujące dane pomiarowe do punktów decyzyjnych.pomiarowe do punktów decyzyjnych.

• Inteligentne systemy informacyjne, Inteligentne systemy informacyjne, prognostyczne i decyzyjne.prognostyczne i decyzyjne.

• Nowa architektura systemu.Nowa architektura systemu.

Filar sieci SMART GRID:

SMART METERING

Page 12: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

12

Wadą OZE jako alternatywnych źródeł energii jest okresowość występowania (słońce, wiatr). Ta okresowa dostępność tych form energii niestety nie pokrywa się z okresowością zapotrzebowania na nią.

Na przykład podczas wietrznej nocy, gdy generator wiatrowy produkuje duże ilości energii, zapotrzebowanie na nią jest minimalne.

Z tego względu w układach z alternatywnymi źródłami energii jednym z najważniejszych problemów jest jej

magazynowanie.

Page 13: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

13

W technice wykorzystywane są różne sposoby magazynowania energii:_ baterie akumulatorów,baterie akumulatorów,_ kompresyjne zasobniki energii,_ kompresyjne zasobniki energii,_ elektrownie szczytowo-pompowe,_ elektrownie szczytowo-pompowe,_ kinetyczne zasobniki energii,_ kinetyczne zasobniki energii,_ superkondensatory,_ superkondensatory,_ ogniwa paliwowe._ ogniwa paliwowe.

_ _ nadprzewodnikowe magnetyczne nadprzewodnikowe magnetyczne zasobniki energii (SMES –zasobniki energii (SMES –

Suerconducting Magnet Energy StorageSuerconducting Magnet Energy Storage),),

Page 14: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGII

Działanie SMES-a polega na gromadzeniu energii elektrycznej prądu stałego w elektromagnesie nadprzewodnikowym w postaci energii pola magnetycznego. Prąd w uzwojeniu nadprzewodnikowym, chłodzonym - w zależności od typu nadprzewodnika - ciekłym helem lub azotem, płynie praktycznie bezoporowo i bez strat. Dzięki temu możliwe jest osiąganie znacznych gęstości prądu w cienkim drucie nadprzewodnikowym lub taśmie HTS, gęstości energii pola magnetycznego osiąga 106 J/m3. W niewielkich objętościach cewek nadprzewodnikowych można zatem gromadzić duże energie.

Page 15: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGII

W uzwojeniu nadprzewodnikowym W uzwojeniu nadprzewodnikowym prąd płynie bez strat, prąd płynie bez strat, więc zmagazynowana energia nie jest więc zmagazynowana energia nie jest rozpraszana i może być rozpraszana i może być przechowywana dowolnie długo, przechowywana dowolnie długo, gdy elektromagnes znajduje się gdy elektromagnes znajduje się w staniew stanie nadprzewodzącym.nadprzewodzącym.

Page 16: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGII

Opracowane i realizowane w ostatnich latach projekty przemysłowych zastosowań SMES-ów obejmują trzy grupy:

• układy µSMES o energiach rzędu MJ układy µSMES o energiach rzędu MJ wchodzących częściowo w fazę komercjalizacji,

• układy o energiach rzędu GJ (lub MWh), układy o energiach rzędu GJ (lub MWh), będące jeszcze w fazie studiów projektowych i konstrukcyjnych,

• zasobniki wysokotemperaturowezasobniki wysokotemperaturowe o niewielkich energiach w zakresie kilodżuli, których technologia wymaga

jeszcze intensywnych badań.

Page 17: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGII

Page 18: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

Zastosowania układów SMES można podzielić na dwie grupy:

1. układy poprawy stabilności układu elektroenergetycznego,

2. układy poprawy jakości energii.

WSPÓŁPRACA NADPRZEWODNIKOWYCH WSPÓŁPRACA NADPRZEWODNIKOWYCH ZASOBNIKÓWZASOBNIKÓW ENERGII ENERGII

Z SIECIĄ ELEKTROENERGETYCZNĄZ SIECIĄ ELEKTROENERGETYCZNĄ

Page 19: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGII

Page 20: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGII

Zmagazynowana energia może znaleźć, w zależności od żądanego czasu przekazywania, następujące zastosowania:

przy czasie rzędu mikrosekund, w obciążeniach rezystancyjnych takich jak lampy fleszowe i lasery,

przy czasach rzędu milisekund, w obciążeniach indukcyjnych np. przy ograniczeniu plazmy w reaktorach syntezy termojądrowej,

przy czasach rzędu sekund, do ograniczania krótkotrwałych dużych poborów energii w systemie elektroenergetycznym,

przy czasach rzędu godzin, do wyrównywania szczytów lub zmian obciążeń w systemie elektroenergetycznym.

Page 21: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

NADPRZEWODNIKOWE NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGIIZASOBNIKI ENERGII

Przemysłowa produkcja zasobników nadprzewodnikowych odbywa się na Przemysłowa produkcja zasobników nadprzewodnikowych odbywa się na razie jedynie w Stanach Zjednoczonych, natomiast w laboratoriach razie jedynie w Stanach Zjednoczonych, natomiast w laboratoriach zachodniej Europy, Japonii, Rosji, Korei i Chin prowadzone są zachodniej Europy, Japonii, Rosji, Korei i Chin prowadzone są intensywne prace badawcze i projektowe, w ramach których budowane są intensywne prace badawcze i projektowe, w ramach których budowane są coraz liczniejsze urządzenia eksperymentalne. coraz liczniejsze urządzenia eksperymentalne. Niezbyt zaawansowany poziom technologii nadprzewodnikowych Niezbyt zaawansowany poziom technologii nadprzewodnikowych w pozostałych krajach, w tym także w Polsce, wynika zapewne z w pozostałych krajach, w tym także w Polsce, wynika zapewne z niedoceniania możliwości niedoceniania możliwości ich praktycznych zastosowań, ich praktycznych zastosowań, braku braku wystarczającego finansowania badańwystarczającego finansowania badań, jak też z , jak też z niewielkiego niewielkiego upowszechnienia wiedzy o tych unikalnych, ale obiecujących upowszechnienia wiedzy o tych unikalnych, ale obiecujących urządzeniach. urządzeniach. To jednak jest technologia trudna, wymagająca istnienia towarzyszącej To jednak jest technologia trudna, wymagająca istnienia towarzyszącej infrastruktury (niskie temperatury, próżnia)infrastruktury (niskie temperatury, próżnia)

Dysponuję zestawieniem prowadzonych w ostatnich latach projektów, Dysponuję zestawieniem prowadzonych w ostatnich latach projektów, realizacji i przemysłowych zastosowań zasobników energii z realizacji i przemysłowych zastosowań zasobników energii z elektromagnesami z nadprzewodników nisko- i wysokotemperaturowych. elektromagnesami z nadprzewodników nisko- i wysokotemperaturowych.

Page 22: Technologiczna transformacja systemów i sieci EE - prof. Antoni Cieśla

NADPRZEWOD-NADPRZEWOD-NIKOWE NIKOWE

ZASOBNIKI ENERGIIZASOBNIKI ENERGII