Technologiczna transformacja systemów i sieci ee prof. Antoni Cieśla

TECHNOLOGICZNA TRANSFORMACJA TECHNOLOGICZNA TRANSFORMACJA SYSTEMSYSTEMÓÓW I SIECI EEW I SIECI EENADPRZEWODNIKOWE 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

2

Wyzwania dla elektroenergetykiWyzwania dla elektroenergetyki

•• Wzrost zapotrzebowania na energiWzrost zapotrzebowania na energi ęę

•• Niedostatki infrastruktury generacyjnej i sieciowej ,Niedostatki infrastruktury generacyjnej i sieciowej ,trudnotrudno śści z nowymi inwestycjamici z nowymi inwestycjami

•• Wzrost udziaWzrost udzia łłu generacji rozproszoneju 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 zagroWzrost zagro żżeeńń blackoutamiblackoutami

Czynniki, o których m ówi si ę w tym panelu, to czynniki, które wymuszaj ą na elektroenergetyce działania zmierzaj ące do nowej koncepcji system ów i sieci EE

3

Nowa sieNowa sie ćć umoumo żżliwia wspliwia wsp óółłpracprac ęę z tak z tak dotychczas nietypowymi dotychczas nietypowymi źźrróóddłłami jak panele ami jak panele fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe oraz fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe oraz elektrownie wodne. elektrownie wodne. ŹŹrróóddłła te moga te mog ąą bybyććumieszczone w budynku mieszkalnym bumieszczone w budynku mieszkalnym b ąąddźźuużżytecznoyteczno śści publicznej.ci publicznej.

2. Nowa sie2. Nowa sie ćć miamia łłaby wiaby wi ęększe szanse ksze szanse opanowania kaskadowego rozwoju zdarzeopanowania kaskadowego rozwoju zdarze ńńchociachocia żżby na drodze ograniczenia wartoby na drodze ograniczenia warto śści ci mocy, przepmocy, przep łływajywaj ąących przez siecych przez sie ćć przesyprzesy łłowowąą..

KONCEPCJA NOWEJ SIECIKONCEPCJA NOWEJ SIECI

4

KONCEPCJA NOWEJ SIECIKONCEPCJA NOWEJ SIECI

5

INTELIGENTNA INTELIGENTNA –– reagujreaguj ąąca na przecica na przeci ążążenia sieci, dziaenia sieci, dzia łłajająąca ca autonomicznie, autonomicznie, zanim obszanim obs łługujuguj ąący system czcy system cz łłowiek bowiek b ęędzie w stanie dzie w stanie podjpodj ąćąć decyzje o dziadecyzje o dzia łłaniu, dostosowujaniu, dostosowuj ąąca sica si ęę rróównoczewnocze śśnie do nie do potrzeb dostawcy, odbiorcy i regulatora,potrzeb dostawcy, odbiorcy i regulatora,

WYDAJNAWYDAJNA –– zdolna spezdolna spe łłnianiaćć rosnrosn ąące potrzeby odbiorcy bez potrzeby ce potrzeby odbiorcy bez potrzeby rozbudowy infrastruktury,rozbudowy infrastruktury,

ELASTYCZNAELASTYCZNA –– akceptujakceptuj ąąca kaca każżde de źźrróóddłło energii, zdolna zaadoptowao energii, zdolna zaadoptowa ććkakażżddąą nownow ąą, sprawdzon, sprawdzon ąą idee, czy technologiidee, czy technologi ęę,,

MOTYWUJMOTYWUJĄĄCACA –– poprzez mopoprzez mo żżliwoliwo śćść biebieżążącej komunikacji na linii cej komunikacji na linii dostawca dostawca –– odbiorca sieodbiorca sie ćć smart grid umosmart grid umo żżliwia odbiorcy liwia odbiorcy indywidualne zarzindywidualne zarz ąądzanie konsumpcjdzanie konsumpcj ąą energii w zaleenergii w zale żżnonośści od ci od preferencji takich jak koszty czy ekologia,preferencji takich jak koszty czy ekologia,

Nowa platforma technologiczna Nowa platforma technologiczna (Smart Grid) powinna by(Smart Grid) powinna by ćć::

6

WYSOKIEJ JAKOWYSOKIEJ JAKO ŚŚCICI –– zdolna zaopatrywazdolna zaopatrywa ćć coraz wracoraz wra żżliwsze na liwsze na zmiany zmiany napinapi ęęcia urzcia urz ąądzenia w najwydzenia w najwy żższej jakoszej jako śści energici energi ęę –– bez bez obniobni żżek napiek napi ęęcia, przerw w dostawach czy zakcia, przerw w dostawach czy zak łłóóceceńń,,

ODPORNA ODPORNA –– na ataki terrorystyczne czy katastrofy naturalne po przez na ataki terrorystyczne czy katastrofy naturalne po przez decentralizacjdecentralizacj ęę systemu oraz wzmocnione protokosystemu oraz wzmocnione protoko łły bezpieczey bezpiecze ńństwa,stwa,

EKOLOGICZNAEKOLOGICZNA –– spowalniajspowalniaj ąące zmiany klimatyczne, a takce zmiany klimatyczne, a tak żże oferuje oferuj ąąca ca oryginalne rozwioryginalne rozwi ąązania w celu dziazania w celu dzia łłaańń proekologicznychproekologicznych

Nowa platforma technologiczna Nowa platforma technologiczna (Smart Grid) powinna by(Smart Grid) powinna by ćć::

7

SMART GRID SMART GRID to system elektroenergetyczny integrujto system elektroenergetyczny integruj ąący cy w sposw spos óób inteligentny dziab inteligentny dzia łłania ania wszystkich uczestnikwszystkich uczestnik óów procesw proces óów w generacji, transmisji, dystrybucji generacji, transmisji, dystrybucji i ui u żżytkowania, w celu dostarczania energii ytkowania, w celu dostarczania energii elektrycznej w sposelektrycznej w spos óób ekonomiczny, b ekonomiczny, pewny i bezpiecznypewny i bezpieczny

SMART GRID SMART GRID

Źródło: prezentacja prof. A. Wiszniewskiego

8

INTELIGENTNE ALGORYTMY

PolegajPolegaj ąą na:na:

przewidywaniu konsekwencjiprzewidywaniu konsekwencjizaistniazaistnia łłej sytuacji, ej sytuacji,

orazoraz

podejmowaniu decyzji, podejmowaniu decyzji, celem maksymalizacji korzycelem maksymalizacji korzy śści ci

lub minimalizacji strat.lub minimalizacji strat.

…Wszystko jest monitorowane w czasie Wszystko jest monitorowane w czasie rzeczywistym, czujniki srzeczywistym, czujniki s ąą wszwszęędziedzie ……

9

mniej produkcji,

więcej zarządzaniaenergią

11

•• Opomiarowanie, czyniOpomiarowanie, czyni ąące siece sie ćć obserwowalnobserwowaln ąąz niezbz niezb ęędnym nadmiarem, w wymaganym dnym nadmiarem, w wymaganym horyzoncie czasowym.horyzoncie czasowym.

•• Systemy telekomunikacyjne, przekazujSystemy telekomunikacyjne, przekazuj ąące dane ce dane pomiarowe do punktpomiarowe do punkt óów decyzyjnych.w 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

12

Wadą OZE jako alternatywnych źródeł energii jest okresowośćwystępowania (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 wzgl ędu w uk ładach z alternatywnymi źródłami energii jednym z najwa żniejszych problem ów jest jej

magazynowanie.

13

W technice wykorzystywane są różne sposoby magazynowania energii:_ baterie akumulatorbaterie akumulator óów,w,_ kompresyjne zasobniki energii,_ kompresyjne zasobniki energii,_ elektrownie szczytowo_ elektrownie szczytowo --pompowe,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 ),),

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.


W uzwojeniu nadprzewodnikowym W uzwojeniu nadprzewodnikowym prprąąd pd płłynie bez strat, ynie bez strat, wiwięęc zmagazynowana energia nie jest c zmagazynowana energia nie jest rozpraszana i morozpraszana i możże bye byććprzechowywana dowolnie dprzechowywana dowolnie dłługo, ugo, gdy elektromagnes znajduje sigdy elektromagnes znajduje sięęw staniew stanie nadprzewodznadprzewodząącym.cym.


Opracowane i realizowane w ostatnich latach projekt y przemys łowych zastosowa ń SMES-ów obejmuj ą trzy grupy:

• ukuk łłady ady µµSMES o energiach rzSMES o energiach rz ęędu MJ du MJ wchodz ących częściowo w faz ę komercjalizacji,

• ukuk łłady o energiach rzady o energiach rz ęędu GJ (lub MWh), du GJ (lub MWh), będące jeszcze w fazie studiów projektowych i konstrukcyjnych,

• zasobniki wysokotemperaturowezasobniki wysokotemperaturowe o niewielkich energiach w zakresie kilod żuli, których technologia wymagajeszcze intensywnych bada ń.


Zastosowania uk ładów SMES mo żna podzieli ćna dwie grupy:

1. uk łady poprawy stabilno ści uk ładu elektroenergetycznego,

2. uk łady poprawy jako ści energii.

WSPWSPÓÓŁŁPRACA NADPRZEWODNIKOWYCH PRACA NADPRZEWODNIKOWYCH ZASOBNIKZASOBNIKÓÓWW ENERGII ENERGII

Z SIECIZ SIECIĄĄ ELEKTROENERGETYCZNELEKTROENERGETYCZNĄĄ



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.

NADPRZEWODNIKOWE NADPRZEWODNIKOWE ZASOBNIKI ENERGIIZASOBNIKI ENERGII

PrzemysPrzemys łłowa produkcja zasobnikowa produkcja zasobnik óów nadprzewodnikowych odbywa siw nadprzewodnikowych odbywa si ęę na na razie jedynie w Stanach Zjednoczonych, natomiast w l aboratoriachrazie jedynie w Stanach Zjednoczonych, natomiast w l aboratoriachzachodniej Europy, Japonii, Rosji, Korei i Chin prowa dzone szachodniej Europy, Japonii, Rosji, Korei i Chin prowa dzone s ąąintensywne prace badawcze i projektowe, w ramach ktintensywne prace badawcze i projektowe, w ramach kt óórych budowane srych budowane s ąącoraz liczniejsze urzcoraz liczniejsze urz ąądzenia eksperymentalne. dzenia eksperymentalne. Niezbyt zaawansowany poziom technologii nadprzewodni kowych Niezbyt zaawansowany poziom technologii nadprzewodni kowych w pozostaw pozosta łłych krajach, w tym takych krajach, w tym tak żże w Polsce, wynika zapewne z e w Polsce, wynika zapewne z niedoceniania moniedoceniania mo żżliwoliwo śści ci ich praktycznych zastosowaich praktycznych zastosowa ńń, , braku braku wystarczajwystarczaj ąącego finansowania badacego finansowania bada ńń, jak te, jak te żż z z niewielkiego niewielkiego upowszechnienia wiedzy o tych unikalnych, ale obiec ujupowszechnienia wiedzy o tych unikalnych, ale obiec ująących cych urzurząądzeniach. dzeniach. To jednak jest technologia trudna, wymagajTo jednak jest technologia trudna, wymagaj ąąca istnienia towarzyszca istnienia towarzysz ąącej cej infrastruktury (niskie temperatury, prinfrastruktury (niskie temperatury, pr óóżżnia)nia)

DysponujDysponuj ęę zestawieniem prowadzonych w ostatnich latach projek tzestawieniem prowadzonych w ostatnich latach projek tóów, w, realizacji i przemysrealizacji i przemys łłowych zastosowaowych zastosowa ńń zasobnikzasobnik óów energii z w energii z elektromagnesami z nadprzewodnikelektromagnesami z nadprzewodnik óów niskow nisko -- i wysokotemperaturowych. i wysokotemperaturowych.

NADPRZEWODNADPRZEWOD--NIKOWE NIKOWE

ZASOBNIKI ENERGIIZASOBNIKI ENERGII

Documents

Technologiczna transformacja systemów i sieci ee prof. Antoni Cieśla