1. TECHNOLOGICZNA TRANSFORMACJA
SYSTEMÓW I SIECI EE
NADPRZEWODNIKOWE
ZASOBNIKI ENERGII (SMES)
dr hab. inż. Antoni Cieśla, prof. n.
Akademia Górniczo – Hutnicza, Wydział EAIiE
Katedra Elektrotechniki i Elektroenergetyki
Spotkanie panelowe
w ramach Forum Nowej Gospodarki AGH, 15 listopada 2011 roku

2. Wyzwania dla elektroenergetyki
• Wzrost zapotrzebowania na energię
energię
• Niedostatki infrastruktury generacyjnej i sieciowej,
trudności z nowymi inwestycjami
trudnoś
• Wzrost udziału generacji rozproszonej
udział
• Wymogi UE: 20/20/20 do 2020 roku
• Konkurencja na rynku energii elektrycznej
• Wzrost zagrożeń blackoutami
zagroż
Czynniki, o których mówi się w tym panelu, to
czynniki, które wymuszają na elektroenergetyce
działania zmierzające do nowej koncepcji
systemów i sieci EE
2

3. KONCEPCJA NOWEJ SIECI
Nowa sieć umożliwia współpracę z tak
dotychczas nietypowymi źródłami jak panele
fotowoltaiczne, turbiny wiatrowe oraz
elektrownie wodne. Źródła te mogą być
umieszczone w budynku mieszkalnym bądź
użyteczności publicznej.
2. Nowa sieć miałaby większe szanse
opanowania kaskadowego rozwoju zdarzeń
chociażby na drodze ograniczenia wartości
mocy, przepływających przez sieć przesyłową.
3

4. KONCEPCJA NOWEJ SIECI
4

5. Nowa platforma technologiczna
(Smart Grid) powinna być:
INTELIGENTNA – reagująca na przeciążenia sieci, działająca
autonomicznie, zanim obsługujący system człowiek będzie w stanie
podjąć decyzje o działaniu, dostosowująca się równocześnie do
potrzeb dostawcy, odbiorcy i regulatora,
WYDAJNA – zdolna spełniać rosnące potrzeby odbiorcy bez potrzeby
rozbudowy infrastruktury,
ELASTYCZNA – akceptująca każde źródło energii, zdolna zaadoptować
każdą nową, sprawdzoną idee, czy technologię,
MOTYWUJĄCA – poprzez możliwość bieżącej komunikacji na linii
dostawca – odbiorca sieć smart grid umożliwia odbiorcy
indywidualne zarządzanie konsumpcją energii w zależności od
preferencji takich jak koszty czy ekologia,
5

6. Nowa platforma technologiczna
(Smart Grid) powinna być:
WYSOKIEJ JAKOŚCI – zdolna zaopatrywać coraz wrażliwsze na
zmiany napięcia urządzenia w najwyższej jakości energię – bez
obniżek napięcia, przerw w dostawach czy zakłóceń,
ODPORNA – na ataki terrorystyczne czy katastrofy naturalne poprzez
decentralizację systemu oraz wzmocnione protokoły bezpieczeństwa,
EKOLOGICZNA – spowalniające zmiany klimatyczne, a także oferująca
oryginalne rozwiązania w celu działań proekologicznych
6

7. SMART GRID
SMART GRID
to system elektroenergetyczny integrujący
w sposób inteligentny działania
wszystkich uczestników procesów
generacji, transmisji, dystrybucji
i użytkowania, w celu dostarczania energii
elektrycznej w sposób ekonomiczny,
pewny i bezpieczny
Źródło: prezentacja prof. A. Wiszniewskiego 7

8. INTELIGENTNE ALGORYTMY
Polegają na:
przewidywaniu konsekwencji
zaistniałej sytuacji,
oraz
podejmowaniu decyzji,
celem maksymalizacji korzyści
lub minimalizacji strat.
…Wszystko jest monitorowane w czasie
rzeczywistym, czujniki są wszędzie… 8

9. mniej produkcji,
więcej zarządzania
energią
9

11. Filar sieci SMART GRID:
SMART METERING
• Opomiarowanie, czyniące sieć obserwowalną
z niezbędnym nadmiarem, w wymaganym
horyzoncie czasowym.
• Systemy telekomunikacyjne, przekazujące dane
pomiarowe do punktów decyzyjnych.
• Inteligentne systemy informacyjne,
prognostyczne i decyzyjne.
• Nowa architektura systemu. 11

12. Wadą OZE jako alternatywnych źródeł energii jest okresowość
występowania (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 względu w układach z
alternatywnymi źródłami energii jednym
z najważniejszych problemów jest jej
magazynowanie.
12

13. W technice wykorzystywane są różne sposoby
magazynowania energii:
_ baterie akumulatorów,
_ kompresyjne zasobniki energii,
_ elektrownie szczytowo-pompowe,
_ kinetyczne zasobniki energii,
_ superkondensatory,
_ ogniwa paliwowe.
_ nadprzewodnikowe magnetyczne
zasobniki energii (SMES –
Suerconducting Magnet Energy Storage), 13

14. 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.

15. NADPRZEWODNIKOWE
ZASOBNIKI ENERGII
W uzwojeniu nadprzewodnikowym
prąd płynie bez strat,
więc zmagazynowana energia nie jest
rozpraszana i może być
przechowywana dowolnie długo,
gdy elektromagnes znajduje się
w stanie nadprzewodzącym.

16. NADPRZEWODNIKOWE
ZASOBNIKI ENERGII
Opracowane i realizowane w ostatnich latach projekty
przemysłowych zastosowań SMES-ów obejmują trzy grupy:
• układy µSMES o energiach rzędu MJ wchodzących
częściowo w fazę komercjalizacji,
• układy o energiach rzędu GJ (lub MWh), będące jeszcze
w fazie studiów projektowych i konstrukcyjnych,
• zasobniki wysokotemperaturowe o niewielkich energiach
w zakresie kilodżuli, których technologia wymaga
jeszcze intensywnych badań.

17. NADPRZEWODNIKOWE
ZASOBNIKI ENERGII

18. WSPÓŁPRACA NADPRZEWODNIKOWYCH
ZASOBNIKÓW ENERGII
Z SIECIĄ ELEKTROENERGETYCZNĄ
Zastosowania układów SMES można podzielić
na dwie grupy:
1. układy poprawy stabilności układu
elektroenergetycznego,
2. układy poprawy jakości energii.

19. NADPRZEWODNIKOWE
ZASOBNIKI ENERGII

20. NADPRZEWODNIKOWE
ZASOBNIKI ENERGII
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.

21. NADPRZEWODNIKOWE
ZASOBNIKI ENERGII
Przemysłowa produkcja zasobników nadprzewodnikowych odbywa się na
razie jedynie w Stanach Zjednoczonych, natomiast w laboratoriach
zachodniej Europy, Japonii, Rosji, Korei i Chin prowadzone są
intensywne prace badawcze i projektowe, w ramach których budowane są
coraz liczniejsze urządzenia eksperymentalne.
Niezbyt zaawansowany poziom technologii nadprzewodnikowych
w pozostałych krajach, w tym także w Polsce, wynika zapewne z
niedoceniania możliwości ich praktycznych zastosowań, braku
wystarczającego finansowania badań, jak też z niewielkiego
upowszechnienia wiedzy o tych unikalnych, ale obiecujących
urządzeniach.
To jednak jest technologia trudna, wymagająca istnienia towarzyszącej
infrastruktury (niskie temperatury, próżnia)
Dysponuję zestawieniem prowadzonych w ostatnich latach projektów,
realizacji i przemysłowych zastosowań zasobników energii z
elektromagnesami z nadprzewodników nisko- i wysokotemperaturowych.

22. NADPRZEWOD-
NIKOWE
ZASOBNIKI ENERGII