Elektromobilność. Rozwój elektromobilności w Polsce i związane z tym wyzwania dla systemu elektroenergetycznego

Elektromobilność - sektor transportu samochodowego opartego na pojazdach elektrycznych, przyspieszył, również w Polsce. Ten trend jest widoczny na całym świecie, mimo że dla większości państw proces wprowadzania pojazdów elektrycznych stanowi wyzwanie zarówno organizacyjne, jak i techniczne. Obserwując sytuację na globalnym rynku, można śmiało stwierdzić, że rozwój elektromobilności zapowiada się bardzo dynamicznie.

Spis treści

1. Rozwój elektromobilności
2. Elektromobilność a struktura techniczna Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE)
3. Metodyka prowadzenia analiz wystarczalności technicznej KSE dla elektromobilności
4. Elektromobilność a system elektroenergetyczny
5. Elektromobilność - podsumowanie

Rozwój elektromobilności

Każdorazowo przy podejmowaniu działań w tym zakresie, należy sprawdzić wystarczalność istniejącej krajowej infrastruktury elektroenergetycznej i mogące tu zaistnieć negatywne interakcje pomiędzy powstającym rozproszonym systemem ładowania pojazdów elektrycznych a istniejącym elektroenergetycznym. Ponadto trzeba określić kierunki jego rozbudowy w celu zaspokojenia potrzeb energetycznych dla elektromobilności.W związku z tym, że sektor pojazdów elektrycznych oraz stacji ładowania samochodów elektrycznych znajduje się dopiero na początkowym etapie rozwoju oraz, zważywszy na jego interdyscyplinarność, jest on atrakcyjny dla potencjalnych inwestorów zarówno w obszarach bezpośrednio związanych z samochodami elektrycznymi, jak i w branżach pochodnych, dotyczących potrzeb własnych elektromobilności. Obserwując sytuację na globalnym rynku, można śmiało stwierdzić, że będzie się on rozwijał bardzo dynamicznie.

• Czytaj też: Polski samochód elektryczny

Elektromobilność a struktura techniczna Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE)

Krajowy System Elektroenergetyczny składa się z trzech głównych podsektorów:

• wytwórczego,
• przesyłowego,
• dystrybucyjnego.

Pierwszy stanowią wszystkie istniejące obiekty generujące energię elektryczną, czyli elektrownie dołączone do krajowej sieci przesyłowej i dystrybucyjnej. W zależności od lokalizacji, technologii i mocy zainstalowanej biorą one udział w bilansowaniu potrzeb energetycznych odbiorcy końcowego, realizując również inne usługi systemowe. Podsektor przesyłowy w strukturach, gdzie funkcjonuje służba dyspozytorska operatora systemu przesyłowego (OSP), odpowiada za stabilną pracę krajowej sieci przesyłowej, zbudowanej z linii oraz w pełni zautomatyzowanych (sterowalnych) i opomiarowanych stacji elektroenergetycznych, pracujących z napięciami roboczymi 750, 400, 220 oraz 110 kV (tylko niektóre o znaczeniu priorytetowym). Podsektor dystrybucyjny jest odpowiedzialny za rozdział energii i zasilanie „odbiorcy końcowego” z wykorzystaniem linii i stacji 110 kV oraz głównie linii średniego i niskiego napięcia (SN i nn). Zasilanie odbiorcy końcowego jest realizowane z wykorzystaniem stacji elektroenergetycznych WN/SN, najczęściej 110/15 kV. Po stronie wysokonapięciowej część z nich jest dołączona do krajowej sieci przesyłowej, pracującej w strukturze zamkniętej, charakteryzującej się dużą niezawodnością pracy, co wynika z jej pierścieniowej struktury. Dwustronne zasilanie (dwiema niezależnymi liniami) umożliwia ich działanie nawet w stanach awaryjnych N-1. Natomiast większość tych stacji, pracująca w obszarze dystrybucji, zasilająca sieci SN i następnie nn, funkcjonuje w strukturze pierścieniowej z rozcięciami, czyli w rzeczywistości w systemie otwartym, w którym zasilanie odbywa się jednotorowo, co skutkuje niskim poziomem niezawodności takiej sieci.

Obecna struktura KSE ujawnia problemy, z jakimi będzie musiała się zmierzyć w przyszłości polska energetyka, głównie na poziomie sieci dystrybucyjnych i rozdzielczych, chcąc w dalszym ciągu prowadzić proces elektryfikacji w sposób ciągły i bezpieczny dla krajowej gospodarki, uwzględniając tu również rozwój elektromobilności. Najważniejszym wyzwaniem jest pełna automatyzacja sieci dystrybucyjnych i umożliwienie pracy w układach zamkniętych, co zdecydowanie poprawi niezawodność zasilania i skompensuje przewidywany negatywny wpływ nowych technologii dołączonych do KSE po stronie odbiorcy końcowego.Proces automatyzacji sieci średniego i niskiego napięcia wpisuje się w idee typu smart w obszarze nowoczesnej, przyszłościowej elektroenergetyki i stanowić będzie o bezpieczeństwie energetycznym kraju. Należy zaznaczyć, że przy obecnej infrastrukturze elektroenergetycznej na poziomie sieci dystrybucyjnej i rozdzielczej, uwzględniając wszystkie jej niedociągnięcia techniczne, nie można zapewnić odpowiedniego poziomu niezawodności dostaw energii elektrycznej przy jednoczesnym dynamicznym rozwoju elektromobilności w Polsce.

Metodyka prowadzenia analiz wystarczalności technicznej KSE dla elektromobilności

W warunkach polskich wystarczalność techniczną KSE pod kątem możliwości wprowadzenia nowych energochłonnych technologii do krajowej gospodarki analizuje się każdorazowo w trzech podsektorach: wytwórczym, przesyłowym i dystrybucyjnym. Również dla elektromobilności obecnie wykonywane są skrupulatne analizy, które mają wykazać w poszczególnych podsektorach przygotowanie (lub jego brak) do współpracy z infrastrukturą ładowania pojazdów elektrycznych. Metodykę prowadzenia analiz wystarczalności można przedstawić następująco:

• opracowanie scenariuszy rozwoju elektromobilności w Polsce w ujęciu ilościowym i obszarowym, definiujących liczbę pojazdów elektrycznych oraz wymaganą liczbę stacji ładowania dla różnych horyzontów czasowych z uwzględnieniem potrzeb rozpatrywanych społeczności,
• wykonanie analiz rozpływowych systemu elektroenergetycznego, biorących pod uwagę scenariusze ilościowe i obszarowe wprowadzania na szeroką skalę floty samochodów elektrycznych do Polski,
• opracowanie wyników ww. prac analitycznych i koncepcyjnych w celu rozpoznania wystarczalności istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej KSE i mogących tu zaistnieć negatywnych interakcji pomiędzy rozproszoną infrastrukturą ładowania a KSE,
• rozpatrzenie w ujęciu lokalnym, obszarowym i krajowym wpływu wzrostu udziału generacji rozproszonej (w tym OZE) na funkcjonowanie infrastruktury KSE wraz z infrastrukturą ładowania pojazdów elektrycznych rozwijaną zgodnie z opracowanymi scenariuszami.

Należy tu zauważyć, że teoretyczne oszacowanie liczby punktów ładowania pojazdów elektrycznych, bazujące wyłącznie na ich łącznej liczbie, nie jest wystarczająco dokładne oraz nie oddaje charakteru i sposobu ładowania pojazdów tego typu. Infrastrukturę ładowania trzeba bezwzględnie rozpatrywać we wszystkich segmentach transportu samochodowego (tj. samochodów osobowych, autobusów oraz pojazdów spedycyjnych) oddzielnie. Techniczne sumowanie wyników musi nastąpić po indywidualnej analizie zapotrzebowania dla wymienionych sektorów w rozpatrywanej lokalizacji (gmina, miasto, miejscowość, osiedle, centrum miasta, centrum handlowe, podmiejska strefa mieszkalna, pętla autobusowa, centrum spedycyjne itd.). Ponadto należy przewidzieć/zaprojektować okresy pracy punktów ładowania dla poszczególnych rodzajów pojazdów elektrycznych w ciągu doby dla dni powszednich i wolnych od pracy.Przykładowo, okres typowych godzin pracy (godz. 9:00–17:00) charakteryzuje się zwiększonym poborem mocy przez odbiorców biurowych, przemysłowych, a także na stacjach benzynowych czy w szkołach oraz mniejszym dla większości odbiorców mieszkalnych. W trakcie projektowania infrastruktury do ładowania pojazdów elektrycznych nie należy zapominać o skrajnie niekorzystnych okresach pracy KSE, takich jak: powtarzające się i losowo występujące „szczyty” energetyczne pojawiające się np. w okresach występowania anomalii pogodowych i wynikającej z tego wzmożonej pracy układów kondycjonowania powietrza.

Elektromobilność a system elektroenergetyczny

Otrzymane dotychczas wyniki analiz prowadzonych zgodnie z przedstawioną metodyką, które uwzględniają różne scenariusze rozwoju elektromobilności w Polsce, umożliwiają już formułowanie pierwszych wniosków dotyczących funkcjonowania KSE i możliwości jego współpracy z infrastrukturą ładowania pojazdów elektrycznych. Po przeprowadzeniu badań i analiz powstały poniższe wnioski:

• rozwój elektromobilności w Polsce dotknie wszystkie obszary działalności systemu elektroenergetycznego – sektor dystrybucyjny, przesyłowy oraz wytwórczy; problemy związane z wpływem stacji ładowania pojazdów elektrycznych na jakość dostawy energii elektrycznej narastają wraz ze wzrostem ich liczby w kolejnych latach;
• biorąc pod uwagę rozkład gęstości zaludnienia kraju przewiduje się, że największa liczba pojazdów elektrycznych pojawi się w zachodniej, centralnej oraz południowej Polsce, a najmniej na terenach województwa warmińsko-mazurskiego oraz podlaskiego;
• w wyniku pracy punktów ładowania pojazdów zapotrzebowanie na moc czynną i bierną wzrośnie w każdej porze w ciągu doby na obszarach z rozwiniętą elektromobilnością;
• wzrost zapotrzebowania na moc czynną i bierną w latach 2017–2025 stanowi wyzwanie szczególnie dla podsektora wytwórczego i operatorów sieci dystrybucyjnych OSD, w najmniejszym stopniu dla operatora sieci przesyłowej OSP; przeprowadzone analizy wykazały, że przy założeniu dynamicznego rozwoju floty samochodów elektrycznych (we wszystkich segmentach transportu samochodowego) mogą wystąpić niedobory mocy w systemie po roku 2025, a przy skrajnie niekorzystnych warunkach pogodowych nawet wcześniej; obciążenie praktycznie wszystkich największych elektrowni w kraju (za wyjątkiem szczytowo-pompowych) pełną mocą nie wystarczy do poprawnego zbilansowania systemu elektroenergetycznego; wykorzystane w trakcie analiz modele systemu elektroenergetycznego reagują na tak duże obciążenie poprzez wykorzystanie łączy transgranicznych do zbilansowania krajowego systemu elektroenergetycznego; należy pamiętać, że jest to skrajny przypadek, szczególnie przy założeniu, że obecnie istnieje wiele możliwych wariantów rozwoju systemu szczególnie w sektorze wytwórczym;
• dla analizowanych wariantów rozwoju elektromobilności w rozpatrywanych aglomeracjach miejskich stwierdzono potencjalną zmianę dotychczasowego profilu zapotrzebowania na moc (dociążenie rozważanych stacji elektroenergetycznych 110 kV/SN) – najwyższe występuje w godzinach pracy w ciągu dnia i trwa przez cały ten okres; jest to spowodowane ładowaniem samochodów na parkingach typu P&R, na terenach centrów spedycyjnych oraz obsługi transportu publicznego, co znacznie obciąża sieć elektroenergetyczną w godzinach pracy; należy się spodziewać również zwiększonego zapotrzebowania na moc w godzinach nocnych, kiedy zakłada się proces ładowania większości pojazdów elektrycznych, w tym autobusów;

• w celu pokrycia zapotrzebowania wynikającego z pracy stacji ładowania samochodów elektrycznych, wraz z elektromobilnością należy rozwijać Generację Rozproszoną (GR), co w znaczny sposób redukuje zapotrzebowanie na moc pobieraną z KSE; wpływ GR jest odczuwalny także na poziomie lokalnym – energia dostarczana z lokalnego źródła (rozproszonego) lub zasobnika energii do lokalnych rozdzielnic nn odciąża mocowo wszystkie elementy sieci dystrybucyjnej (transformatory i linie);
• w przypadku rozwoju elektromobilności na terenie dużych aglomeracji miejskich przewiduje się dynamiczną rozbudowę lokalnej infrastruktury wytwórczej, wykorzystującej technologię OZE (elektrownie słoneczne lub/i wiatrowe) na obrzeżach miast;
• w celu regulacji przepływu mocy w systemie elektroenergetycznym z rozwiniętą Generacją Rozproszoną, w tym z OZE, należy wraz ze źródłami wytwórczymi GR instalować zasobniki energii (duże i rozproszone mikroinstalacje) usprawniające funkcjonowanie zarówno OZE (poprawa dyspozycyjności), jak i sieci dystrybucyjnych (odciążanie istniejącej infrastruktury w szczytach zapotrzebowania na energię i kompensacja w obszarze parametrów jakościowych energii elektrycznej);
• dla sektora wytwórczego problemem mogą być okresy znacznego dociążenia jednostek wytwórczych w czasie skrajnie niekorzystnych warunków pogodowych; szczególnie w okresie letnim, gdy dostęp do zasobów wody wykorzystywanej w procesie produkcji energii elektrycznej jest znacznie ograniczony, a system dociążony pracą układów kondycjonowania powietrza;
• potrzeby energetyczne sektora transportu samochodowego opartego na pojazdach z napędem elektrycznym jedynie pogłębią stan skrajnie niebezpieczny dla funkcjonowania KSE;
• możliwości wytwórcze GR z OZE są zależne od aktualnych warunków pogodowych oraz poziomu naładowania zasobników energii;
• Generacja Rozproszona znacznie zmniejsza obciążenie KSE w trakcie występowania skrajnie niekorzystnych warunków pracy, co ma duże znaczenie dla sieci przesyłowej i podsektora wytwórczego (poprawia niezawodność KSE); praca GR kompensuje spadki napięcia w sieciach dystrybucyjnych, poprawiając parametry jakościowe energii elektrycznej na danym obszarze z GR;
• w związku z dużą liczbą odbiorników nieliniowych lub quasi-liniowych, jakimi są stacje ładowania pojazdów elektrycznych, planowanych do przyłączenia w ramach rozwoju elektromobilności, przewiduje się wzrost odkształceń napięcia w KSE (podobny wpływ mają urządzenia elektroenergetyczne wykorzystywane w Generacji Rozproszonej); należy bezwzględnie określić wymagania dotyczące parametrów jakościowych energii pobieranej przez stacje do ładowania pojazdów elektrycznych – stacja przed dopuszczeniem do użytku powinna przejść odpowiednią inspekcję potwierdzającą, że nie wpływa ona negatywnie na funkcjonowanie sieci dystrybucyjnej;
• w razie potrzeby przyłącza współpracujące ze stacjami ładowania powinny być wyposażane w układy typu softstart, eliminujące „udarowe” załączanie stacji ładowania, aktywne filtry wyższych harmonicznych z kontrolą stanów rezonansowych oraz urządzenia kompensujące moc bierną;
• planując uruchomienie stacji ładowania pojazdów elektrycznych w danej lokalizacji, należy wykonać analizę wystarczalności technicznej elementów sieci dystrybucyjnej oraz urządzeń rozdzielnic SN i nn, które będą brały bezpośredni udział w zasilaniu projektowanej instalacji;
• planowanie rozwoju elektromobilnności w ujęciu lokalnym musi być oparte na odpowiednich badaniach społecznych, mających na celu określenie liczby i typów ładowarek potrzebnych w danej lokalizacji; w związku z tym, że większość pojazdów elektrycznych stanowić będą pojazdy osobowe, najpopularniejszymi rozwiązaniami będą urządzenia o mocy 11–22 kW (domowe i tzw. słupkowe) – ładowanie przy ich pomocy trwa kilka godzin, więc używane są głównie w nocy oraz w godzinach pracy; przy planowaniu infrastruktury do ładowania pojazdów elektrycznych należy zapewnić równomierne obciążanie sekcji w istniejących i nowo budowanych stacjach 110/SN. W tabeli przedstawiono charakterystykę techniczno-użytkową uwzględnionych w analizach (dostępnych na rynku) stacji ładowania;

• przewidywana liczba dodatkowych transformatorów potrzebnych do zasilania punktów ładowania pojazdów elektrycznych może być znaczna w niedalekiej przyszłości; mogą pojawić się problemy z dodatkowymi przestrzeniami pod infrastrukturę elektroenergetyczną dla elektromobilności, zwłaszcza w centrach dużych aglomeracji miejskich;
• rozbudowana infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych pozwala na wykorzystanie możliwości związanych z technologią V2G – interfejsem Pojazd–Sieć, umożliwiającym dwukierunkowy przepływ energii między pojazdem elektrycznym a siecią; ze względu na specyfikę technologiczną, pojazdy elektryczne są mobilnymi zasobnikami energii elektrycznej o definiowanej pojemności, ale również odbiornikami sterowalnymi – te właściwości mogą i powinny być wykorzystane przez operatorów do usprawnienia funkcjonowania sieci dystrybucyjnych; takie działania są jednym z elementów tworzenia inteligentnych sieci elektroenergetycznych Smart Grid oraz wdrażania idei Smart City; zastosowanie inteligentnych aktywnych urządzeń (np. filtrów harmonicznych, kompensatorów mocy biernej, automatycznej podobciążeniowej regulacji napięcia transformatorów SN/nn, aparatury kontrolno-pomiarowej) w połączeniu z wykorzystaniem systemów komunikacji, monitorowania i odpowiednich algorytmów optymalizacyjnych pozwoli OSD na efektywne zarządzenie siecią – zmodernizowana sieć stanie się inteligentnym systemem elektroenergetycznym (z ang. Smart Grid);
• szacowane podstawowe koszty, związane z modernizacją sieci na potrzeby powstającej infrastruktury ładowania, zależą od planowanej na danym obszarze liczby pojazdów elektrycznych, a co za tym idzie – liczby stacji umożliwiającej swobodne ich użytkowanie; różnice w kosztach między kolejnymi etapami tworzenia infrastruktury wynikają z przyjętej strategii rozwoju elektromobilności – odpowiednie zaplanowanie na początku inwestycji pozwoli na bardziej ekonomiczne przeprowadzanie potrzebnych prac modernizacyjnych infrastruktury elektroenergetycznej.

Elektromobilność - podsumowanie

Obecny stan oraz struktura sieci przesyłowej i dystrybucyjnych pozwala na rozwój infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych. Rozwój elektromobilności powinien być skoordynowany z planami rozbudowy krajowych sieci elektroenergetycznych na poziomie lokalnym i krajowym celem prowadzenia procesu elektryfikacji kraju w sposób efektywny. Pozwoli to na uniknięcie licznych i częstych awarii, wynikających z nieprzystosowania sieci do współpracy z nowoczesną infrastrukturą ładowania pojazdów elektrycznych.Przygotowanie długofalowych planów dotyczących rozwoju infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych umożliwi przygotowanie przez OSD odpowiedniej strategii modernizacji sieci dystrybucyjnej, która ma tę infrastrukturę zasilać. W ten sposób możliwe będą znaczne oszczędności wynikające z optymalizacji stosowanych rozwiązań.

Współautorzy: Józef Paska, Łukasz Rosłaniec, Magdalena Błędzińska, Rafał Bielas, Karol Pawlak, Piotr Marchel, Łukasz Michalski, Paweł Terlikowski, Krzysztof Zagrajek i Konrad Wróblewski.

Literatura

1. M .Kłos, Ł. Rosłaniec, R. Bielas, M. Błędzińska, J. Paska, K. Zagrajek, K. Wróblewski, „Analizy rozpływowe systemu elektroenergetycznego uwzględniające scenariusze ilościowe i obszarowe wprowadzania na szeroką skalę floty samochodów elektrycznych do Polski. Rozpoznaniewystarczalności istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej KSE i mogących tu zaistnieć negatywnych interakcji pomiędzy rozproszoną infrastrukturą ładowania a KSE. Analiza wpływu wzrostu generacji rozproszonej (OZE) na infrastrukturę KSE wraz z infrastrukturą ładowania. Podsektor dystrybucyjny KSE”, IEN PW, Warszawa 2017.

2. Ł. Rosłaniec, Ł. Michalski, K. Zagrajek, K. Wróblewski, „Analizy rozpływowe systemu elektroenergetycznego uwzględniające scenariusze ilościowe i obszarowe wprowadzania na szeroką skalę floty samochodów elektrycznych do Polski. Rozpoznanie wystarczalności istniejącej infrastruktury elektroenergetycznej KSE i mogących tu zaistnieć negatywnych interakcji pomiędzy rozproszoną infrastrukturą ładowania a KSE. Analiza wpływu wzrostu generacji rozproszonej (OZE) na infrastrukturę KSE wraz z infrastrukturą ładowania. Podsumowanie”, IBS PW, Warszawa 2017.

3. D. Baczyński, P. Helt, P. Piotrowski, D. Pyza, S. Robak, P. Kapler, T. Wójtowicz, „Ocena poziomu potencjalnych zakłóceń mogących negatywnie wpłynąć na sieć elektroenergetyczną na poziomie niskiego napięcia związanych z zaprojektowaną infrastrukturą ładowania samochodów elektrycznych w wybranych lokalizacjach. Analiza wybranych aspektów ekonomicznych”, IEN PW, Warszawa, 2017.

Artykuł ukazał się w publikacji „Sektor Elektroenergetyczny”Zobacz e-wydanie