Cieślak: Prosumenci jako ważny element transformacji energetycznej Polski (ANALIZA)
– Prosumenci stanowią ważny segment odnawialnych źródeł energii i są istotnym elementem transformacji energetycznej. W Polsce działa ponad 1,4 mln instalacji prosumenckich, a ich moc zainstalowana osiągnęła 14 GW na koniec 2023 roku. Elementem niezbędnym systemu prosumenckiego są magazyny energii, które ze względu na koincydencję produkcji i zużycia, powinny magazynować ponad 60 procent wyprodukowanej przez prosumentów energii elektrycznej – pisze Tomasz Cieślak, inżynier energetyk z Politechniki Łódzkiej, w BiznesAlert.pl.
- Działanie system prosumenckiego wymaga magazynów energii. Szczegółowa analiza przeprowadzona za pomocą godzinowych profili, zarówno produkcji energii elektrycznej, jak i jej zużycia wskazuje na potrzebę magazynowania ponad 63 procent produkowanej energii, podczas gdy tylko niecałe 37 procent produkowanej energii może być zużywane na bieżąco – pisze autor pracy.
- Obecnie rolę magazynu długoterminowego dla prosumentów odgrywają elektrownie węglowe, magazynujące paliwo na hałdach – podsumowuje Tomasz Cieślak.
Charakterystyka prosumenta
Nazwa prosument jest zbitką dwóch słów: Producent oraz Konsument i w teorii oznacza osobę produkującą energię elektryczną na własny użytek lub inaczej mówiąc konsumenta, który produkuje energię elektryczną na cele autokonsumpcji. W praktyce prosument w pewnych okresach roku, takich jak wiosna czy lato, produkuje więcej energii niż jest w stanie zużyć na bieżącą konsumpcję, natomiast w pozostałych okresach: jesień i zima, bieżąca konsumpcja znacznie przewyższa produkcję. Dysponując nadwyżką energii prosument może nadwyżkę tę zmagazynować – system „net-metering” lub sprzedać na rynku – system „net-billing”, a w okresach, kiedy produkcja energii przez prosumenta jest mniejsza od bieżącej konsumpcji, a brakującą część energii pobrać z magazynu lub nabyć na rynku.
Kluczowym elementem analizy systemu prosumenckiego są wielkości energii produkowanej przez prosumenckie instalacje fotowoltaiczne i ich relacja do bieżącej konsumpcji prosumenta, która rozumiana jest jako zużycie energii „on-line”, w czasie produkcji energii poprzez panele.
Optymalizacja instalacji prosumenta
Optymalizacja instalacji prosumenckiej jest dokonywana z reguły biorąc pod uwagą roczne zużycie energii elektrycznej przez prosumenta, produkcję energii przez instalacje fotowoltaiczną, straty w instalacji prosumenta, przekazanie nadwyżek do systemu elektroenergetycznego oraz opłatę barterową w systemie „net-metering”, w którym działa około 90 procent prosumentów.
Przykład zoptymalizowanej instalacji prosumenta w oparciu o dane roczne jest pokazany w Tabeli 1. Prosument zużywa 5000kWh rocznie i dla takiej konsumpcji zainstalował panele fotowoltaiczne o łącznej mocy maksymalnej wynoszącej 6000Wp. Przy założeniu wykorzystania mocy zainstalowanej na poziomie 1000 godzin rocznie, instalacja fotowoltaiczne jest w stanie wyprodukować 5500kWh energii netto.
Zakładając, że bieżąca konsumpcja wynosiła 2500kWh, to do zmagazynowanie prosument będzie przekazywał 3000kWh rocznie, z czego po opłacie barterowej wynoszącej 20 procent będzie mógł pobrać z systemu bez dodatkowych opłat energię 2400kWh. Wielkość całkowitej energii zużytej jako bieżąca konsumpcja (on-line) oraz energii pozyskanie z magazynowania w systemie elektroenergetycznym, wynosi 4900kWh i praktycznie zaspokaja w pełni zapotrzebowanie prosumenta.
Metodologia i dane
Wielkości pokazane w Tabeli 1 zostały zaprojektowane w oparciu o roczne zużycie energii elektrycznej przez prosumenta, co jest powszechną praktyką oraz produkcji tej energii przez jego panele PV. W rzeczywistości zarówno produkcja, jak i zużycie odbywa się w okresach godzinnych i w tym celu wielkości pokazane w Tabeli 1 zostały zweryfikowane poprzez symulacje wykorzystujące godzinowe profile produkcji energii elektrycznej w instalacji prosumenckiej oraz zużycie oparte na profilach godzinowych dla odbiorcy mającego taryfę G11, w okresie dwóch lat 2022 oraz 2023 roku.
Dane dotyczące godzinowych wielkości produkcji paneli PV zostały pozyskane z publikacji Operatora Systemy Przesyłowego (PSE), które zostały wystandaryzowane w postaci profili w jednostkach względnych przy użyciu danych o mocach zainstalowanych odnawialnych źródeł energii publikowanych przez Agencję Rynku Energii (ARE).
Profile zużycia energii odbiorców korzystających z różnych taryf zostały zbudowane za pomocą godzinowych danych o zużyciu energii elektrycznej, w różnych grupach odbiorczych, na podstawie danych publikowanych przez ENEA Operator. Szczegółowe modele produkcji i zużycia energii elektrycznej przez prosumenta są analizowane w pracy dyplomowej inżynierskiej: Tomasz Cieślak, „Optimization of Prosumers’ Energy Systems”, Politechnika Łódzka, 2024 rok.
Dobowa produkcja i zużycie energii
Przykład pracy dobowej instalacji prosumenckiej w dwóch miesiącach 2023 roku jest pokazany na Rys. 1. W okresie wiosenno-letnim, kiedy produkcja energii elektrycznej z panelu fotowoltaicznego jest duża (maj), urządzenia odbiorcze prosument nie są w stanie zużyć na bieżąco produkowanej energii, szczególnie w godzinach operacji Słońca. Natomiast w okresie nocnym występuje pewna nadwyżka zapotrzebowania nad generacją. Jeżeli zostanie zastosowany magazyn i zgromadzi nadmiar produkcji, to nie jest on w stanie rozładować się do początku kolejnego dnia, co powoduje, że zdolności akumulacyjne magazynów nie są w pełni wykorzystane.
Natomiast w okresie jesienno-zimowym energia pozyskiwana ze Słońca nie jest w stanie zaspokoić bieżącego zapotrzebowania, które znacznie przekracza produkcję energii elektrycznej przez panele PV. Szczególnie duża różnica będzie występować, kiedy prosument będzie posiadał samochód elektryczny czy pompę ciepła.
Rozwiązaniem problemu znacznych różnic sezonowych w wielkości produkcji energii elektrycznej z paneli fotowoltaicznych są długookresowe magazyny zdolne przechowywać energię przez 6-8 miesięcy w roku. Ze względu na moce instalacji prosumenckich sięgające już obecnie 14GW powinny to być również magazyny wielkoskalowe.
Miesięczna produkcja i konsumpcja
Produkcja energii elektrycznej przez panele PV jest zużywana na bieżącą konsumpcję (on-line), a pozostała wielkości energii jest przekazywana do zmagazynowania w systemie elektroenergetycznym. Uzyskane poprzez symulacje wielkości miesięczne – jak pokazano na Rys. 2 – wykorzystują godzinowe profile produkcji i zużycia. Należy zwrócić uwagę na duże różnice pomiędzy całkowitą konsumpcją, a zużyciem bieżącym (on-line), co wskazuje na mało możliwości bieżącego zużycia energii w prosumenckich instalacjach.
Analiza wyników z Rys. 2, wskazuje, że dzięki symulacjom z wykorzystaniem dokładnych profili godzinowych uzyskuje się szereg informacji, które nie są możliwe do pozyskania przy korzystaniu z danych o rocznych czy miesięcznych wielkościach energii produkowanej i zużywanej przez prosumenta:
A. Prosument nie jest w stanie w pełni wykorzystać na bieżącą konsumpcję produkcji paneli nie tylko w miesiącach letnich, ale również w miesiącach zimowych. Na Rys. 2 linia całkowitego zużycie energii elektrycznej jest znacznie większa od maksymalnych wielkości zużycia bieżącego, co oznacza, że nadmiar energii obliczony za pomocą profili godzinowych, który musi być odsyłany do magazynowania, jest znacznie większy niż byłby uzyskany tylko dla wielkości miesięcznych.
B. Nawet w miesiącach okresu jesienno-zimowego (listopad, grudzień, styczeń i luty), pomimo, że zapotrzebowanie na energię przez prosumenta przekracza produkcję w jego instalacji, liczoną w okresach miesięcznych, to jednak koincydencja godzinowa produkcji i zużycia, powoduje, że również w tych okresach część produkcji jest odsyłana do magazynowanie. Efekty ten nie występuję przy zastosowaniu tylko danych o wielkościach miesięcznych.
C. O ile wykorzystanie nadmiaru produkcji energii w okresie letnim wymaga magazynowania długoterminowego (magazyny systemowe), to jak pokazują dane z profili godzinowych, do magazynowania nadmiaru energii wynikającego z koincydencji profilu produkcji i profilu zużycia w okresie zimowym mogą być użyte magazyny krótkoterminowe, jak np. magazyny chemiczne: litowo-jonowe, chociaż stopień ich wykorzystania będzie niski.
Analiza procentowa energii zużywanej na bieżąco oraz energii magazynowanej (Rys. 3) wskazuje, że w okresie marzec-październik wielkość energii zużywanej na bieżąco wynosi około 30 procent, w okresach jesienno-zimowych zużycie energii na bieżąco on-line rośnie, ale nie osiąga ona 100 procent energii produkowanej, nawet w okresie grudzień-styczeń, ze względu na koincydencję godzinową produkcji i niskiego zapotrzebowania, co powoduje konieczność magazynowania pewnych ilości produkowanej energii.
Rys. 3. Udziały procentowe bezpośredniego zużycia i magazynowania w instalacji prosumenckiej w latach 2022 i 2023
Dane pokazane na Rys. 3 wskazują na duże różnice pomiędzy energią, jaka jest zużywana na bieżąco oraz jaka musi być magazynowana, w poszczególnych okresach czasowych, co oznacza brak sezonu przejściowego, w którym występowałyby podobne wielkościach energii zużywanej na bieżąco i magazynowanej. W takich okresach mogłyby sprawdzać się magazyny krótkoterminowe. Uzyskane wyniki analiz wskazują na możliwość zastosowania magazynów krótkoterminowych w okresie jesienno-zimowych, kiedy i tak nie byłyby one w stanie istotnie zmienić relacji pomiędzy energią zużywaną na bieżąco (on-line) i magazynowaną.
Istnienie również możliwość wykorzystania magazynów krótkoterminowych w okresie wiosenno-letni, jednak ze względu na znaczną produkcję energii przy mały zapotrzebowaniu i krótkim okresie nocnym, magazyny nie są w stanie rozładować w pełni zgromadzonej energii w cyklach dobowych, co prowadzi to niezbyt dużego wykorzystania tych magazynów
Wnioski
Działanie system prosumenckiego wymaga magazynów energii. Szczegółowa analiza przeprowadzona za pomocą godzinowych profili, zarówno produkcji energii elektrycznej, jak i jej zużycia wskazuje na potrzebę magazynowania ponad 63 procent produkowanej energii, podczas gdy tylko niecałe 37 procent produkowanej energii może być zużywane na bieżąco (online) – Tabela 2. Relacje te są bardzo podobne niezależnie od lat, pomimo znacznych różnic w wielkości produkcji energii elektrycznej w poszczególnych miesiącach i latach.
Elementem niezbędnym istnienia systemu prosumenckiego są długoterminowe magazyny energii zdolne przechowywać energię w okresie kilku miesięcy, aby odpowiednio wykorzystać produkcję mającą miejsce w okresie letnim, która byłaby wykorzystana w miesiącach zimowych, w okresach największego zapotrzebowania.
Obecnie rolę magazynu długoterminowego dla prosumentów odgrywają elektrownie węglowe, magazynujące paliwo na hałdach, ponieważ elektrownie gazowe nie posiadają magazynów paliwa, a elektrownie jądrowe nie są w stanie magazynować ani paliwa, ani energii. Postępująca dekarbonizacja elektroenergetyki stawia wyzwanie znalezienia długoterminowych i wielkoskalowych magazynów energii dla prosumentów.
Przeprowadzone analizy wskazują na konieczność korzystania z profili godzinowych, zarówno dla produkcji energii, jak i jej zużycia, ponieważ korzystanie z wielkości miesięcznych czy rocznych, może prowadzić do błędnych wniosków. Wykorzystanie profili godzinowych ma szczególne znaczenie dla prosumentów rozliczających się w systemie „net-billing” przy użyciu godzinowych cen energii elektrycznej.
*Powyższa publikacja jest pierwszą z cyklu dotyczącego systemu zarządzania energią w systemach prosumenckich.
Radomski: Oto najnowsza strategia Polskich Sieci Elektroenergetycznych (ANALIZA)
