W artykule przedstawiono uwarunkowania rozwoju przyszłościowych rozwiązań sieci przesyłowych i dystrybucyjnych. Koncepcja Smart Grid powinna być postrzegana nie tylko jako nowy model organizacyjny pracy nowych komponentów, jakie się w jej ramach pojawią, lecz także, a może przede wszystkim jako innowacyjne rozwiązania infrastruktury sieciowej, takie jak przewody niskozwisowe, szersze wykorzystanie tzw. linii tymczasowych oraz nowoczesna i innowacyjna aparatura rozdzielcza, do której należą stacje transformatorowe z SF₆. Artykuł skupia się na zaprezentowaniu wieloaspektowego uzasadnienia celowości stosowania tego typu rozwiązań.

Zadania związane z rozwojem elektroenergetyki w Europie i Polsce wymagają innowacyjnego spojrzenia na pracę sieci elektroenergetycznych. Od kilku lat w literaturze pojawia się pojęcie Smart Grid, które można zdefiniować następująco: „Smart Grid – inteligentne systemy elektroenergetyczne, gdzie istnieje komunikacja między wszystkimi uczestnikami rynku energii mająca na celu dostarczanie usług energetycznych, zapewniając obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności oraz zintegrowanie rozproszonych źródeł energii, w tym także energii odnawialnej”. „Istnieje konieczność wprowadzenia nowej jakości do elektroenergetycznych struktur sieciowych w skali całego kontynentu, m.in. ze względu na wzrastające zapotrzebowanie na energię elektryczną oraz coraz większą penetrację technologii proekologicznych i źródeł rozproszonych” [18]. „Smart Grids jest próbą stworzenia uniwersalnych ram dla technologii służących sprostaniu istniejącym i przyszłym wyzwaniom technicznym i rynkowym. Sieć inteligentna dostarcza klientom nowe usługi z wykorzystaniem techniki cyfrowej zapewniając poprawę świadomości użytkowania energii, obniżenie jej kosztów, zwiększenie efektywności przepływów energii w sieci oraz zintegrowanie w systemie licznych źródeł rozproszonych. Wymaga to jednak zwiększania zaangażowania odbiorców, którzy obecnie są zainteresowani przede wszystkim najniższą ceną kupowanej energii i usług oraz jej maksymalną dostępnością w ciągu roku. Z punktu widzenia użytkownika, w momencie upowszechniania sieci inteligentnych pojawi się możliwość bardziej precyzyjnego monitorowania pobierania mocy i energii, a nawet zawierania kontraktów lepiej dopasowanych do wymagań i potrzeb wszystkich stron” [14].

Instytucje i ośrodki badawcze

Zagadnieniem inteligentnych sieci od lat zajmują się zespoły badawcze, należy także stwierdzić, że zarówno w wymiarze europejskim jak i krajowym zostały zainicjowane formalne organy zajmujące się tą kwestią. Trzeba tu wspomnieć o European SmartGrids Technology Platform – Directorate-General for Research Sustainable Energy System [7], gdzie zawarto wizję nowoczesnego rozwiązania sieci w przyszłości. Podobne inicjatywy powstały w Polsce, należy tu wymienić Platformę AGH oraz liczne konferencje poświęcone tym zagadnieniom organizowane przez URE. Bardzo konkretną formą działania w tym zakresie jest powołanie Konsorcjum Smart Power Grids Polska w dniu 3 listopada 2010 roku na Politechnice Wrocławskiej. Przedmiotem działania oraz celem tego konsorcjum jest [14]:
• opracowanie koncepcji rozwoju inteligentnych sieci elektroenergetycznych przesyłowych i dystrybucyjnych oraz narzędzi wykorzystywanych dla jej optymalizacji, zabezpieczania i sterowania oraz opracowanie podstawowych kierunków rozwoju sieci i jej parametrów technicznych,
• prowadzenie prac badawczych i rozwojowych dla praktycznej realizacji idei inteligentnych sieci elektroenergetycznych oraz opracowanie ogólnych zasad eksploatacji tych sieci,
• szeroko rozumiana działalność edukacyjna, standaryzacja i konferencyjna,
• dokonywanie wspólnych zamówień narzędzi i materiałów niezbędnych do prowadzenia prac badawczych i wdrożeniowych w zakresie rozwoju sieci oraz usług w tym zakresie,
• komercjalizacja wypracowanych na skutek działań konsorcjum wyników badań i rozwiązań technologicznych, występowanie o pozyskanie środków z instytucji finansujących prace badawczo-rozwojowe, zarówno krajowych jak i europejskich.

Zadania inteligentnych sieci

Główne zadania, które powinny zrealizować sieci w inteligentnym wydaniu to [9, 10, 16, 17]:
1. Zapewnienie bezpieczeństwa energetycznego poprzez eliminację przerw w dostarczaniu odbiorcom usług energetycznych oraz maksymalizację efektywności przepływu energii od źródła jej wytwarzania do odbiorcy końcowego. Temu celowi służą miedzy innymi lepsze, mądrzejsze i szybsze układy diagnostyki i sterowania pozwalające na bardziej zaawansowane zarządzanie przepływami energii, układami zabezpieczeń, procesami restytucyjnymi sieci itp. Istotne jest także zapewnienie bezpiecznej i niezawodnej transmisji danych warunkującej wprowadzenie zautomatyzowanych, szybkich i samonaprawiających procedur oraz koordynację sterowania na różnych poziomach systemu – od lokalnego do globalnego – z odpowiednią szybkością oraz odpowiednim poziomem redundancji.
2. Minimalizacja kosztów usług elektroenergetycznych przez optymalną i ciągłą integrację przyjaznych środowisku lokalnych zasobów energii.
3. Zapewnienie zróżnicowania i zindywidualizowania poziomów jakości dostarczanej energii, zgodnie z potrzebami klienta, między innymi poprzez zastosowanie zaawansowanych układów energoelektronicznych, np. układów FACTS lub Custom Power.
4. Rozszerzenie funkcjonalności usług świadczonych przez dostawcę na rzecz odbiorcy, tj. inteligentne opomiarowanie i fakturowanie (np. liczniki dwukierunkowe, zmienność ceny konsumowanej energii w czasie), zarządzanie energią oraz monitorowanie warunków jej dostawy itp. Takie „inteligentne” wyposażenie daje odbiorcom możliwość uczestnictwa w grze rynkowej oraz możliwość kontrolowanej indywidualnej generacji i magazynowania energii. Zdolność interakcji z siecią zasilającą umożliwia bardziej precyzyjne zawieranie kontraktów na dostawę energii, lepiej dostosowanych do wymagań i potrzeb wszystkich stron. Jednym z etapów w tym procesie jest budowa, na bazie zainstalowanych mierników, rozproszonych systemów monitorowania stanu sieci elektroenergetyki zawodowej i/lub sieci przemysłowych. Nie jest to tożsame z „informatyzacją” w potocznym znaczeniu tego pojęcia. Wykorzystanie najnowszych zdobyczy nauki, w tym informatyki, to zaledwie jeden z elementów tych działań.
5. Integracja rozproszonych źródeł odnawialnych o ograniczonej dyspozycyjności mocy i energii. Generacja małej i średniej skali (panele fotowoltaiczne, małe turbiny wiatrowe, małe elektrownie wodne, łączone niekiedy z siecią na zasadzie plug&play), wykorzystująca zasoby lokalne i zintegrowana często z budynkiem/mieszkaniem oraz zdolna do współpracy z siecią kreuje nowe pojęcie tzw. „inteligentnego domu” – autonomicznego energetycznie, zdolnego do przekazywania nadmiaru wytwarzanej energii i traktującego sieć jako źródło rezerwowe. Dzięki inteligentnemu opomiarowaniu możliwe staje się samoczynne ograniczanie poboru mocy (i energii) w okresach szczytowego obciążenia bez naruszenia jakości życia mieszkańców. Dotychczasowy tradycyjny, bierny konsument energii elektrycznej zaczyna pełnić rolę aktywnego „prosumenta”, zdolnego nie tylko do konsumowania, ale także do wytwarzania energii elektrycznej. W przypadku generacji rozproszonej dużej skali (np. farmy wiatrowe) upowszechnia się proces wykorzystania w ich sterowaniu modeli prognostycznych czynników meteorologicznych, co pozwala na zwiększony udział źródeł odnawialnych i redukcję niezbędnej systemowej rezerwy mocy.

Konieczność restrukturyzacji istniejących sieci zasilających

Europejskie cele ochrony środowiska nie mogą być osiągnięte bez zmian sieci elektroenergetycznych. Pilność inwestowania w zasoby odnawialne, generację rozproszoną i pojazdy elektryczne wymaga infrastruktury, która zdolna jest aktywnie zintegrować działania wytwórców, konsumentów i podmiotów realizujących obydwie te funkcje oraz zaspokoić ciągle rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną. Tradycyjne struktury sieci konstruowane dla jednokierunkowego przepływu energii mają trudności z integracją źródeł rozproszonych. Spowodowane ich obecnością odwrócenie kierunków rozpływów energii prowadzi niekiedy do poważnych problemów technicznych w zakresie bezpieczeństwa i niezawodności pracy systemu (blackout). Sieci inteligentne są szansą opanowania kaskadowego rozwoju zdarzeń awaryjnych. Do tej kategorii działań można także zaliczyć zyskującą na popularności koncepcję mikrosieci o zdefiniowanym poziomie autonomiczności. Może nią być pojedyncze gospodarstwo domowe, wydzielony obszar lub grupa odbiorców o zbilansowanej konsumpcji i lokalnej generacji energii. Bliskość odbiorcy względem źródła wytwarzania redukuje straty sieciowe i stwarza warunki lepszej integracji źródeł rozproszonych [3, 5, 6, 13, 15].
Nowoczesne i innowacyjne rozwiązania w sferze infrastruktury sieciowej to przede wszystkim coraz szersze zastosowanie przewodów wysokotemperaturowych [3, 16] oraz coraz powszechniejsze wprowadzanie stacji rozdzielczych w izolacji gazu SF₆.

Sześciofluorek siarki SF₆ – element Smart Grids nowoczesnych stacji i rozdzielnic

Sześciofluorek siarki (SF₆) jako czynnik gaszący łuk elektryczny oraz ośrodek izolacyjny w urządzeniach elektrycznych wysokich i średnich napięć zaczęto stosować począwszy od roku 1960. Czołowe firmy aparatowe na świecie rozwinęły produkcję wysokonapięciowych rozdzielnic osłoniętych izolacją SF₆ oraz wysokonapięciowych wyłączników, w których ten gaz stanowił medium gaszące łuk elektryczny. Prefabrykowane elementy rozdzielnic z izolacją stałą o wymaganej wytrzymałości dielektrycznej były ciężkie i zawodne, na skutek pęknięć odlewów żywicznych o dużej objętości. Rozdzielnice z izolacją olejową były niebezpieczne pod względem wybuchowym i pożarowym, jak i również ciężkie. Wobec tego SF₆ szybko stał się alternatywą, przyczyniając się do zwiększenia efektywności systemów przesyłu i rozdziału energii elektrycznej z punktu widzenia bezpieczeństwa, ekonomii i racjonalizacji technicznej. Uogólniona ocena, która obejmuje aspekty: ekologiczne, ekonomiczne, techniczne i bezpieczeństwa wykazała, że SF₆ został doskonale wybrany jako ośrodek izolacyjny i gasiwo. Przez lata technika SF₆ była stale doskonalona w dziedzinie przesyłu i rozdziału energii elektrycznej. Dziś uczestniczy ona w dalszym rozwoju technicznym i ekonomicznym [1, 2, 8, 11].
Badania wykazały, że w gazie SF₆ intensywnie odprowadzane jest ciepło z łuku, co prowadzi do zmniejszenia średnicy łuku i wzrostu jego rezystancji [2]. Te wyjątkowo dobre właściwości gazu jako medium gaszącego łuk elektryczny pozwoliły na zastosowanie SF₆ w komorach gaszeniowych wyłączników. Już pierwsze próby (1954 r., USA) wykazały, że przy swobodnym wyłączaniu prądu, zdolność gaszenia w SF₆ przekracza około stukrotnie zdolność gaszenia w powietrzu.

Oddziaływanie na środowisko

Najważniejsze w produkcji urządzeń w izolacji SF₆ jest oddziaływanie na środowisko. Wieloletnie badania wykazały, że ilość i skład produktów rozpadu SF₆ zależy w decydującym stopniu od czystości montażu, suszenia, uzyskania wysokiej próżni i zachowania reżimu napełnienia gazem. W procesie produkcji kluczowymi czynnościami kontrolnymi są badania spadków napięć, badanie nieszczelności zbiorników, badanie wytrzymałości dielektrycznej i wyładowań niezupełnych. Producent gazu, firma Solvay oraz badania przeprowadzone przez naukowców dowodzą, że wpływ gazu SF₆ na środowisko jest niewielki i dotyczy urządzeń z wyłącznikami zwłaszcza wysokich napięć. SF₆ nie szkodzi ekosystemom, gdyż jest to gaz obojętny o bardzo niskiej rozpuszczalności w wodzie, tak że nie przedstawia niebezpieczeństwa dla wód i gleby.
Mimo że współczynnik globalnego ocieplenia dla SF₆ (WOG) jest 22200-22500 razy większy od CO₂ i jest to gaz trwały w atmosferze (Atmospheric Life Time – ALT = 650-3200 na rok), stwierdza się, że wpływ gazu SF₆ dostającego się do atmosfery na efekt cieplarniany jest pomijalny. Gaz ten nie uczestniczy w efekcie stratosferycznego rozkładu ozonu – ponieważ nie ma w swym składzie atomów chloru, nie ulega aktywności fotolitycznej. Jednak SF₆, podobnie jak wiele innych gazów, np. CO₂, absorbuje promieniowanie podczerwone. Jego obecność w atmosferze może przyczynić się do tak zwanego wtórnego sztucznego napromieniowania podczerwonego, powracającego w dolne partie atmosfery, powodującego efekt cieplarniany. Należy jednak podkreślić, iż omawiany wyżej efekt cieplarniany jest wywoływany sztucznie, powiększany przez działalność człowieka, w odróżnieniu od naturalnego ocieplania powodowanego przez wydzielającą się parę wodną, CO₂ itp. Roczny wskaźnik emisji SF₆ z urządzeń elektroenergetycznych stanowi 0,1% rocznego wskaźnika emisji globalnie wytwarzanych przez człowieka gazów cieplarnianych (tzw. szklarniowych). Na międzynarodowej konferencji CIGRE przyjęto dopuszczalny poziom emisji 1% rocznie. Dla uściślenia – emisja europejskich producentów i użytkowników stanowi tylko 0,008% globalnej emisji. Na rysunku 1 pokazano wpływ gazów na efekt cieplarniany.
Szacując przyszły wpływ SF₆ na omawiane zjawisko przyjęto, że mimo iż w roku 2100 ilość uwolnionego do atmosfery gazu wyniesie 1/3 globalnej produkcji, to jednak wpływ SF₆ będzie rzędu 0,2% całego wpływu wszystkich wytwarzanych w wyniku działalności człowieka gazów. Zatem wykazano, iż mimo dużego relatywnego i potencjalnego wpływu na globalne ocieplenie, przyczynienie się SF₆, zarówno obecnie jak i w przyszłości, do zwiększenia efektu cieplarnianego będzie nieistotne. Wynika to głównie z ograniczenia ubytków gazu z urządzeń i emisji gazu wskutek błędów obsługi.

Rys. 1. Wpływ gazów na efekt cieplarniany [3]

W dyskusji nad wpływem SF₆ na atmosferę ziemską często przyjmowane jest niesłuszne założenie, że cała wyprodukowana ilość tego gazu zostanie ostatecznie uwolniona do atmosfery. Jednakże, w przeciwieństwie do innych wytworzonych przez człowieka gazów, SF₆ zastosowany w urządzeniach energetycznych nie musi tam trafić. Jedną z opcji jest recykling, mający na celu zapobieganie powstawaniu odpadów, począwszy od etapu produkcji, aż do likwidacji urządzenia. Szczegółowe wyjaśnienia dotyczące recyklingu znajdą się w Technicznej Broszurze CIGRE nr 117. Termin recykling należy rozumieć jako połączenie regeneracji i ponownego użycia na miejscu zainstalowania urządzenia energetycznego, lub oczyszczenie gazu u producenta, gdy nie może być on łatwo zregenerowany na miejscu, aż po nieszkodliwe dla środowiska naturalnego ostateczne usunięcie SF₆ z ekocyklu.
Obecnie, gdy już w Polsce coraz więcej przedsiębiorstw ubiega się o certyfikację zarządzania środowiskowego według norm międzynarodowych serii ISO 14001, trudno się godzić na ewentualne, niefrasobliwe emitowanie SF₆ do atmosfery w przypadku likwidacji urządzenia. W tej sytuacji poddawanie SF6 recyklingowi jest logicznym etapem jego użytkowania. Technika SF₆ na bieżąco oferuje najlepszy możliwy kompromis w odniesieniu do kosztów, wykorzystania naturalnych surowców, efektywności eksploatacyjnej, bezpieczeństwa i zwartości konstrukcji aparatury SN. Na całym świecie użytkownicy aparatury z SF₆, producenci, organizacje zawodowe i kompetentne autorytety zobowiązują się do działań minimalizujących uwalnianie do otoczenia gazu SF₆ na wszystkich etapach produkcji i eksploatacji urządzeń elektrycznych. Udział emisji SF₆ pochodzącej z urządzeń elektrycznych SN i WN w globalnej emisji gazów cieplarnianych jest znikomy. Wynosi około 0,1% i wykazuje tendencję spadkową.

Przyszłościowe układy pracy sieci rozdzielczych

Prognozy przewidują, że następować będzie wzrost zapotrzebowania na energię elektryczną. Dotyczyć to będzie przede wszystkim ośrodków mocno zurbanizowanych. Taki stan rzeczy będzie wymagał radykalnych rozwiązań – polegać one będą na zasadniczej zmianie struktury sieci rozdzielczej średniego i niskiego napięcia. Zmieni się tutaj proporcja długości sieci – będzie malała długość sieci niskiego napięcia, przy równoczesnym wydłużeniu długości sieci średniego napięcia. Efekt tych zmian to jak najdalsze dotarcie średnim napięciem do finalnego odbiorcy. Strategia ta będzie możliwa jedynie przy wykorzystaniu stacji małogabarytowych w oparciu o SF₆. W tym względzie nieodzowne są dalsze badania i analizy zmierzające do określenia ekonomiczno-technicznych uwarunkowań proponowanych rozwiązań – zostaną one zaprezentowane w oddzielnym opracowaniu [9, 16].

Podsumowanie

Prezentowany artykuł jest próbą pokazania potencjału nowoczesnych rozdzielnic z sześciofluorkiem siarki jako innowacyjnych elementów Smart Grids przewidzianych do szerokiego zastosowania w przyszłościowych strukturach sieci rozdzielczych średniego i niskiego napięcia. Rozwiązania, które tu zasygnalizowano, są jedną z zasadniczych dróg prowadzących do podniesienia efektywności rozdziału energii elektrycznej w polskim systemie elektroenergetycznym, przyczyniając się do zmniejszenia energochłonności polskiego sektora energetycznego.

prof. dr hab. inż. Jerzy Szkutnik
Autor jest pracownikiem naukowym Instytutu Elektroenergetyki
Politechniki Częstochowskiej
e-mail: szkutnik@el.pcz.czest.pl

Literatura
[1] Ball E.: Modern cable termintions in metalclad switchgear., IEE Conference on metalclad switchgear. Conf. Publ. 83;
[2] Battaglia B.: L’hexafluorure de soufre, nouveau moyen d’extinction de l’arc dans les disjoncteurs a haute tension., Bull. SFE, ser 8-e. T. III. 1962, nr 34;
[3] Baum K.: Linie wysokiego napięcia w technologii wysokotemperaturowych przewodów o małym zwisie. Rynek Energii nr 1 (98) luty 2012;
[5] Dołęga W.: Odpowiedzialność ekonomiczna operatorów systemu przesyłowego i systemów dystrybucyjnych za bezpieczeństwo dostaw energii. Rynek Energii nr 6 (85) grudzień 2009;
[6] Dołęga W.: Ocena infrastruktury elektroenergetycznej w aspekcie bezpieczeństwa dostaw energii elektrycznej. Rynek Energii. Rynek Energii nr 1 (98) luty 2012;
[7] European SmartGrids Technology Platform, Directorate-General for Research Sustainable Energy System, Vision and Strategy for Europe`s Electricity Networks of the Future, European Commission, Luxembourg, Office for official Publications, 2006;
[8] IEC, Raport Techniczny Nr 1634 – Typu 2, 04 – 1995;
[9] Marzecki J.: Optymalna lokalizacja miejskich stacji transformatorowo-rozdzielczych 110 kV/SN w warunkach gospodarki rynkowej. Rynek Energii nr 2 (81), kwiecień 2009;
[10] Malko J.: Sieci inteligentne jako czynnik kształtowania sektora energii elektrycznej. Rynek Energii nr 2 (87), kwiecień 2010;
[11] Mauthe G. i inni: „SF₆ and the global atmosphere”, Elektra nr 164, 1996 r.;
[12] Malko J.: Sieci inteligentne – zasady i technologie, Rynek Energii 2009, nr 3;
[13] Paska J.: Metodyka analizy i ocena niezawodności systemu elektroenergetycznego w warunkach rynku energii elektrycznej. Rynek Energii nr 6 (91) 2010;
[14] Rakowska A., Hajdrowski K.: Smart Grids – drogi realizacji i sposoby upowszechniania, Konferencja „Smart grids a poprawa efektywności energetycznej. Nauka i standaryzacja w rozwoju koncepcji inteligentnych sieci”, Warszawa 8 grudnia 2011;
[15] Sokolik W., Jakubczak P.: Poprawa efektywności przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej za pomocą niskostratnych przewodów o małych zwisach typu ACCC/TW, Wiadomości Elektrotechniczne nr 2009/6, (2009);
[16] Szkutnik J.: Szkutnik J.: Perspektywy i kierunki rozwoju systemu elektroenergetycznego. Zagadnienia wybrane. Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa, 2011 r.;
[17] Szkutnik J.: Efektywność w sektorze dystrybucji energii elektrycznej, aspekty ekonomiczne, pod redakcją Jerzego Szkutnika, Wydawnictwo Tekst, Częstochowa 2009 r.
[18] www.wikipedia.pl