Energia – od transformacji do magazynowania

Zacznijmy od początku

Historia przesyłania energii elektrycznej sięga końca XIX wieku, kiedy to Nikola Tesla i Thomas Edison rywalizowali o to, która technologia – prąd stały (DC) czy prąd przemienny (AC) – będzie dominować. Ostatecznie zwyciężył prąd przemienny ze względu na łatwiejsze przesyłanie energii na duże odległości. Niemniej prąd stały również jest używany, zasilając część urządzeń, głównie na niższych napięciach i w instalacjach bezpieczeństwa.

Podstawowy proces przesyłania energii rozpoczyna się w elektrowni, gdzie energia mechaniczna (np. z węgla, gazu, energii jądrowej czy odnawialnych źródeł) przekształca się w energię elektryczną. Następnie poprzez sieci wysokiego napięcia przesyłana zostaje do stacji transformatorowych, gdzie napięcie jest obniżane (dostosowane do poziomu końcowego odbiorcy) — transformowane i energia jest dystrybuowana do odbiorców końcowych poprzez sieci średniego i niskiego napięcia.

Droga energii z elektrowni

Przesył energii pomiędzy budynkami (elektrownią a odbiorcą) realizowany jest głównie za pomocą linii wysokiego napięcia. Mogą to być:

Linie napowietrzne — najczęściej stosowane ze względu na niższy koszt budowy i konserwacji w porównaniu do linii kablowych. Wykorzystywane są głównie do przesyłu energii na duże odległości;
Linie kablowe — stosowane w obszarach miejskich i podwodnych, gdzie instalacja linii napowietrznych okazuje się niemożliwa lub niepraktyczna. Kable te są droższe, choć mniej podatne na uszkodzenia spowodowane warunkami atmosferycznymi.

Kiedy energia znajdzie się już wewnątrz budynku, jej przesył od przyłącza do poszczególnych odbiorów zależy od wielu czynników, takich jak: specyfika instalacji, wymagania techniczne, koszt, elastyczność oraz przyszłe potrzeby. Do wyboru mamy rozprowadzenie instalacji za pomocą kabli lub szynoprzewodów. Oczywiście mowa tu o głównej dystrybucji, szkieletowej, ponieważ od szynoprzewodów do samych urządzeń energia doprowadzana jest kablami.

Każde z prezentowanych rozwiązań ma swoje wady i zalety. Przy mniejszych instalacjach kable stanowią tańszą opcję na początek, prostszą w rozprowadzaniu w trudnodostępnych miejscach. Jest to jednak opcja  trudniejsza do modyfikacji i rozbudowy w porównaniu do szynoprzewodów. Szynoprzewody łatwiej modyfikować i dostosowywać do zmian instalacji, co uznajemy za opcję najkorzystniejszą w budynkach, gdzie często zmienia się konfiguracja przestrzeni i rozdział zasilania. W przypadku szynoprzewodów mamy też mniejsze ryzyko uszkodzeń mechanicznych i zwarć oraz mniejsze straty energii przy dłuższych trasach zasilających. Ostateczna decyzja, jakie rozwiązania zastosować, powinna zostać oparta na szczegółowej analizie wymagań projektu, budżetu oraz przyszłych potrzeb budynku.

Zmiany napięcia i różne jego poziomy

Transformacja napięcia w systemach elektroenergetycznych na drodze z elektrowni do odbiorców końcowych to proces wieloetapowy, obejmujący transformację napięcia: z Wysokiego Napięcia (WN) na Średnie Napięcie (SN), a następnie na Napięcie Niskie (NN). W zależności od odbiorcy część z nich może być zasilana na przyłączach już na WN, dotyczy to na przykład zakładów przemysłowych. Budynki biurowe, handlowe czy magazynowe w większości przypadków będą zasilana na SN, a mniejsze również na NN. I tak dla identyfikacji napięć wyróżniamy:

WN (Wysokie Napięcie) obejmuje napięcia od 110 kV do 400 kV;
SN (Średnie Napięcie) to napięcia w zakresie od 1 kV do 35 kV;
NN (Niskie Napięcie) obejmuje napięcia do 1 kV, najczęściej stosowane jedno i trójfazowe 230/400 V.

Transformacja poszczególnych poziomów energii odbywa się przy wykorzystaniu transformatorów. Zarówno WN/SN – służących do obniżania napięcia z poziomu WN do poziomu SN (w Polsce najczęściej stosuje się transformatory obniżające napięcie z 110 kV do 15 kV lub 20 kV), jak i SN/NN – służących do dalszego obniżania napięcia z poziomu SN do poziomu NN, używanego bezpośrednio przez końcowych odbiorców (obniżających napięcie z 15 kV lub 20 kV do 400 V).

Transformatory to nie tylko transformowanie napięcia, lecz także dobór mocy, z jaką mogą transformować, układów chłodzenia (wentylacji), odpowiednie systemy zabezpieczeń zapobiegające przeciążeniu, zwarciu i uszkodzeniu uzwojeń. Gama transformatorów jest dość szeroka. Zaczynając od tych do montażu zewnętrznego i do użycia w pomieszczeniach, poprzez urządzenia chłodzone powietrzem, kończąc na starszych modelach olejowych. Każde z tych urządzeń zapewni bezusterkową pracę pod warunkiem prawidłowej eksploatacji oraz okresowych przeglądów i pomiarów sprawdzających.

Pamiętajmy również o tym, że podczas transformacji występują straty energii, najprościej definiowane jako różnica między energią zmierzoną na wejściu i wyjściu transformatora. Każdy transformator na tabliczce znamionowej będzie miał podaną wartość w postaci straty lub prawności (najczęściej w postaci krzywej strat zależnej od jego obciążenia). Straty na transformacji energii elektrycznej są nieuniknionym aspektem procesu przemiany napięcia i dzielą się na dwie główne kategorie:

• straty jałowe, które występują w rdzeniu transformatora niezależnie od obciążenia. Straty te są spowodowane głównie przez histerezę magnetyczną i prądy wirowe w rdzeniu;
• straty obciążeniowe, które występują w uzwojeniach transformatora i zależą od obciążenia. Główne źródła strat obciążeniowych to rezystancja uzwojeń oraz straty w materiałach przewodzących.

Taryfy do rozliczania energii

Z poziomem napięcia dostarczanego do odbiorców mają związek taryfy, według których odbiorcy rozliczają się za energię elektryczną z dostawcami. Taryfy WN, SN i NN oznaczone są w cennikach odpowiednim symbolami określającymi również pory dnia, w których ceny mogą znacznie się od siebie różnić. I tak rozliczanie zużycia energii odbywa się zgodnie z obowiązującymi taryfami energetycznymi, które różnią się w zależności od poziomu napięcia i pory dnia. Ceny kilowatogodziny w taryfach WN są zwykle niższe niż w taryfach SN i NN, co odzwierciedla koszty przesyłu i dystrybucji energii. Cena kilowatogodziny zależy też od pory dnia. Drożej jest w godzinach szczytu porannego i popołudniowego, a taniej poza nimi. Wyższe też będą stawki jednostkowe w każdej z taryf w porannym i popołudniowym szczycie zapotrzebowania na energię niż poza nimi.

Za najważniejsze uznaje się tzw. bilansowanie systemu energetycznego, czyli proces zarządzania siecią elektroenergetyczną, mający na celu utrzymanie równowagi między produkcją a zużyciem energii elektrycznej w czasie rzeczywistym. Proces ten jest niezbędny w celu zapewnienia stabilności oraz niezawodności systemu elektroenergetycznego, minimalizacji ryzyka awarii, a także optymalizacji kosztów operacyjnych. Narzędzie dla PSE (Polskie Sieci Elektroenergetyczne) operatora elektroenergetycznego systemu przesyłowego w Polsce stanowią plany ograniczeń mocy po stronie odbiorców (ogłaszane w przypadku nadmiernego zużycia energii) i niedoboru po stronie wytwórczej oraz polecenia zaniżenia wytwarzania energii elektrycznej (w przypadku jej nadprodukcji i braku odbiorców).

Obecnie coraz dotkliwsze stają się polecenia zaniżenia wytwarzania energii elektrycznej w instalacjach fotowoltaicznych przyłączonych do systemu energetycznego, a to ma niestety wpływ na dochodowość tych inwestycji. Właściciele Instalacji PV realizujących „polecenia” mają – co do zasady – prawo do rekompensaty finansowej, o której mowa w art. 13 ust. 7 Rozporządzenia Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2019/943 z dnia 5 czerwca 2019 roku w sprawie rynku wewnętrznego energii elektrycznej, z tytułu niewyprodukowania energii elektrycznej w ilości, w jakiej zostałaby ona wyprodukowana w przypadku niewydania Polecenia przez PSE S.A. (dalej: „Rekompensata”), z uwzględnieniem zasad określonych w ww. przepisie rozporządzenia oraz w art. 30 ust. 5 i 6 ww. ustawy o zmianie ustawy – Prawo energetyczne oraz niektórych innych ustaw. Przełożenie tego na rzeczywistość stanowi temat osobnych rozważań.

Projektowanie nowych przyłączy do budynków – kwestie pewności zasilania, rezerwowanie

Zarówno wybór, jak i projektowanie nowych przyłączy do budynku to proces, który ma na celu zapewnienie przyszłym użytkownikom niezawodnego i bezpiecznego dostarczania energii elektrycznej. Kwestią pewności zasilania i wyboru rezerwowania. Wybór napięcia, a co za tym idzie taryfy, ilości przyłączy i ich mocy ma wpływ na przyszłe funkcjonowanie od strony energetycznej, ale też finansowej. Możemy wystąpić z wnioskiem o dwa przyłącza z dwóch różnych GPZów, dzięki czemu zapewnione zostaje bezpieczeństwo energetyczne w przypadku awarii na jednej z sieci. Możemy także zdecydować się na jedno przyłącze, a rezerwę zapewnić przy pomocy agregatu prądotwórczego. Odpowiednie SZRy sprzęgające przyłącze podstawowe z rezerwowym to również elementy pewnego zasilania. Dziś wiele budynków zasilanych jest w części z własnych źródeł wytwórczych (paneli fotowoltaicznych), które – w połączeniu z magazynami energii – stanowią własne rezerwy zasilania.

Określenie granicy stron do rozliczeń z dystrybutorem OSD, a także własne refakturowanie energii wewnątrz budynku (lub inne rozwiązanie oddające ten zakres obowiązków w ręce dystrybutora wewnętrznego OSDn) stanowią ważną dla właścicieli obiektów kwestię z uwagi na rozliczenia energii wewnątrz budynków pomiędzy poszczególnymi odbiorcami, najemcami w galeriach handlowych czy biurowcach lub magazynach.

Opomiarowanie na potrzeby rozliczeń, optymalizacji i raportowania

Opomiarowanie energii elektrycznej w budynku to kluczowy element zarządzania zarówno energią, jak i efektywnością energetyczną. Wybór odpowiednich rozwiązań pomiarowych pozwala na dokładne monitorowanie zużycia energii, identyfikację obszarów do optymalizacji oraz zdalny odczyt i analizę danych. Podczas projektowania instalacji rozdziału energii w budynku należy pamiętać przede wszystkim o wyborze miejsc pomiaru. Możemy mierzyć energię zbiorczo na szynoprzewodach lub też indywidualnie na kablach zasilających poszczególne urządzenia lub grupy urządzeń. Oddzielną grupę pomiaru stanowią powierzchnie wynajmowane rozliczane ze zużycia poszczególnych najemców.

Obecnie instalujemy lub wymieniamy urządzenia pomiarowe na liczniki elektroniczne (cyfrowe) o wyższej dokładności pomiarów, które mają możliwość zapisywania danych oraz integrację z systemami zarządzania energią. Są one droższe w porównaniu do liczników tradycyjnych i wymagają odpowiedniego oprogramowania do analizy danych, ale dzięki nowoczesnemu oprogramowaniu nie będzie potrzeby comiesięcznego odczytu danych z liczników, angażowania do tych zadań służb technicznych, spisywania danych do tabel i porównywania ich na papierze. Docelowo wygenerowanie faktury za zużycie energii na podnajmowanej powierzchni przejmie przeznaczone do tego oprogramowanie. Inwestując nakłady na taką instalację, oszczędzamy czas na odczyty i analizę, tym samym unikamy błędów podczas odczytu czy przepisywania danych. Dzięki analizie liczników głównych na przyłączach budynku możemy również prognozować przyszłe zużycie i moc zamówioną, a także sprawdzać parametry dostarczanej energii przez dostawców. Pomiar dystrybuowanej energii wewnątrz budynku, a także tej do nich dostarczanej to bardzo ważny aspekt efektywnej gospodarki energetycznej budynku. Tym bardziej ważny i istotny dla polityk ESG i raportowania.

ESG a raportowanie zużycia energii

Dzięki nowoczesnym technologiom i narzędziom firmy mogą monitorować zużycie energii, optymalizować procesy, redukować emisje CO₂ oraz transparentnie raportować swoje działania. Choć wdrożenie omawianych systemów wiąże się z wyzwaniami, korzyści płynące z efektywniejszego zarządzania zasobami i zgodność z regulacjami czynią te inwestycje po prostu opłacalnymi.

Monitorowanie zużycia energii pomaga w identyfikacji obszarów, gdzie można wdrożyć środki redukujące jej zużycie. To prosta droga do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych, a także ułatwienie spełnienia wymagań regulacyjnych dotyczących raportowania zużycia energii i emisji CO₂. Wdrożenie systemów zarządzania energią (EMS) umożliwia optymalizację procesów i efektywne wykorzystanie energii, a to z kolei poprawia wizerunek właściciela czy zarządcy budynku jako organizacji odpowiedzialnej i działającej w sposób zrównoważony.

Poza ilością zużytej energii i jej kosztami warto pamiętać także o jej parametrach i jakości. Na tę jakość ma wpływ rodzaj dostarczanej do budynku energii (ewentualne zakłócenia w sieci energetycznej), jak również to, co dzieje się w sieci wewnętrznej budynku. Szeroki wybór urządzeń monitorujących parametry energii, realizowany przez analizatory sieci, zapewnia użytkownikowi potężne narzędzie do działania. Stabilność napięcia i częstotliwości, moc bierna w obu kierunkach osi i analiza tych parametrów pozwala na szybkie wykrywanie problemów, poprawę efektywności energetycznej oraz minimalizację kosztów związanych z zużyciem energii i utrzymaniem systemu.

Jutro niesie zmiany także dla energii

Przyszłość przesyłania i rozdziału energii, jej rozliczania i monitorowania czy optymalizacji wiąże się z dynamicznym rozwojem technologii, innowacjami i zmianami przepisów. Przed nami inteligentne sieci (smart grids) umożliwiające lepsze zarządzanie przepływem energii, szybkie reagowanie na awarie i efektywniejsze wykorzystanie zasobów energetycznych. Rozwój technologii magazynowania energii  umożliwia lepsze zarządzanie podażą i popytem na energię, zwłaszcza w kontekście odnawialnych źródeł energii oraz wzrost liczby jej rozproszonych źródeł, takich jak instalacje fotowoltaiczne na dachach budynków. Wszystko to zmienia tradycyjne modele przesyłania energii, wymuszając niejako większą elastyczność i wyższą adaptacyjność sieci.

Przesyłanie i rozdział energii elektrycznej stanowi niezwykle złożony i dynamiczny obszar, który jest kluczowy dla funkcjonowania współczesnego społeczeństwa. Postęp technologiczny, rosnące zapotrzebowanie na energię oraz zmieniające się priorytety ekologiczne i ekonomiczne kształtują przyszłość tego sektora. Aby sprostać nadchodzącym wyzwaniom, należy koniecznie zainwestować w nowe technologie, zwiększyć efektywność systemów oraz zadbać o należytą adaptację do zmieniających się warunków rynkowych i środowiskowych.