Energia elektryczna

Optymalizacja elektrycznej mocy umownej

W mojej, ocenie wszelkie analizy dotyczące modernizacji systemu energetycznego należy zaczynać od pozyskania 15 minutowych pomiarów elektrycznej mocy czynnej oraz mocy biernej indukcyjnej i pojemnościowej za okres roku bazowego. Rok bazowy stanowi pomiary kolejnych 365 dni roku. Nie musi to być rok kalendarzowy. Najważniejsze, żeby były to kolejne miesiące dające obraz rocznego zużycia prądu.

Od pewnego czasu inwestorzy spotykają się ze zdecydowanym oporem Operatorów Systemów Energetycznych (OSD) do udostępniania pomiarów 15 minutowych. Uważam, że jest to działanie bezprawne, gdyż inwestor ma prawo do przeanalizowania swoich danych dotyczących profilu zużycia prądu. Dla OSD udostępnianie pomiarów 15 minutowych stanowi zagrożenie dla bezzasadnych przychodów. Jeśli inwestor ma przewymiarowane moce umowne to ponosi na rzecz OSD dodatkowe koszty. Nieświadomy inwestor to dobry inwestor.

Optymalizacja mocy umownych nie leży w interesie OSD. Niestety, Urząd Regulacji Energetyki staje po stronie Operatorów odmawiających udostępnienia inwestorom danych o ich zużyciu prądu.

Dlatego zawsze zachęcam inwestorów, żeby planując modernizację systemu energetycznego, ze sporym wyprzedzeniem, instalowali rejestratory jakości energii elektrycznej. Koszt analizatora z funkcją strażnika mocy umownej oraz kontrolerem opłaty mocowej zwraca się bardzo szybko.

Zacznijmy od podstawowych pojęć, z którymi część inwestorów ma problemy. W każdym zakładzie możemy mówić o następujących mocach elektrycznych:

• moc przyłączeniowa;
• moc zainstalowana;
• moc umowna.

Moc przyłączeniowa jest to moc czynna planowana do pobierania (lub dostarczania)z sieci elektroenergetycznej. Najprościej można też ją określić jako fizyczna zdolność sieci do zasilania obiektu.Określana jest na etapie projektowania zakładu lub przy jego rozbudowie i zwiększonym zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Moc przyłączeniowa może podlegać zmianie przy budowaniu instalacji PV oraz magazynu energii.

Moc zainstalowana stanowi sumę wartości mocy znamionowych wszystkich urządzeń elektrycznych, stałych i przenośnych, zainstalowanych w zakładzie. Nie jest rzadkością, że moc przyłączeniowa jest tożsama z mocą zainstalowaną. Ma to miejsce wtedy, gdy projektant nie uwzględni współczynnika jednoczesności, czyli jednoczesnego wykorzystywania wszystkich urządzeń.

Moc umowna jest to moc czynna, uwzgledniająca współczynnik jednoczesności,deklarowana przez inwestora jako maksymalna moc elektryczna pobierana z sieci lub oddawana.

O ile z mocą przyłączeniową oraz zainstalowaną nie wiążą się żadne dodatkowe koszty dla inwestora to moc umowna jest składnikiem stawki sieciowej i wpływa na koszt świadczenia usług przesyłowych.

Przywołajmy teraz zapisy Taryfy dla usług dystrybucji energii elektrycznej Energa-Operator S.A.:
4.2.9. Operator monitoruje pobór mocy czynnej pobieranej przez odbiorcę, zwanej dalej „mocą pobraną” i mocy czynnej oddawanej do sieci przez podmiot przyłączony oraz wyznacza wielkości nadwyżek mocy pobranej ponad moc umowną określoną w Umowie.
4.2.10. Nadwyżki mocy czynnej wyznacza się dla każdej godziny okresu rozliczeniowego, ze średnich wartości tej mocy rejestrowanych w okresach piętnastominutowych lub dla każdej godziny okresu rozliczeniowego, ze średnich wartości tej mocy rejestrowanych w okresach godzinowych, o ile układy pomiarowo-rozliczeniowe uniemożliwiają rejestrację w cyklu piętnastominutowym, lub jako maksymalną wielkość tej nadwyżki mocy wyznaczoną w okresie rozliczeniowym, o ile układy pomiarowo-rozliczeniowe uniemożliwiają rejestrację w cyklu piętnastominutowym i godzinowym.
4.2.19. Za przekroczenie mocy umownej określonej w Umowie pobierana jest opłata w wysokości stanowiącej iloczyn składnika stałego stawki sieciowej oraz:
a) sumy dziesięciu największych wielkości nadwyżek mocy pobranej ponad moc umowną, albo
b) dziesięciokrotności maksymalnej wielkości nadwyżki mocy pobranej ponad moc umowną zarejestrowanej w okresie rozliczeniowym, jeżeli układy pomiarowo-rozliczeniowe nie pozwalają na zastosowanie sposobu wskazanego w lit. a).

Ponieważ przekroczenia mocy umownej rozliczane są w cyklach godzinowych to do obliczania opłaty za przekroczenia brana jest największa średnia wartość mocy pobranej liczonej za okres 15 minut z danej godziny.

Analizując pomiary 15 minutowe z wybranej doby mamy sześć przekroczeń mocy umownej (czerwona przerywana linia) w czterech godzinach, ale do opłaty dodatkowej przyjmujemy jedynie cztery największe przekroczenia w poszczególnych godzinach (kolor czerwony).

Z punktu widzenia interesu inwestora ważne jest, że:

• W rozliczeniach uwzględnia się średnie wartości pobieranej mocy w okresie 15 minut.
• Jeżeli w ciągu tej samej godziny nastąpiło przekroczenie mocy więcej niż w ciągu jednej średniej 15-minutowej, do obliczeń brane jest tylko największe z przekroczeń.
• Do obliczenia opłaty brane jest maksymalnie 10 największych przekroczeń w ciągu miesiąca, nawet jeżeli przekroczeń było znacznie więcej. Jeżeli przekroczeń jest mniej niż 10 liczy się tylko suma zarejestrowanych przekroczeń.

Odpowiedzmy teraz na pytanie, dlaczego upieramy się przy pomiarach 15 minutowych i nie wystarczą nam informacje o obciążeniu godzinowym. Pokażemy to na prostym przykładzie, na którym pokazane są trzy przedziały czasowe.

Pierwszy przedział godzinowy pokazuje zużycie prądu 60 kWh/h, czyli moc 60 kW.

Drugi przedział pokazuje cztery chwilowe obciążenia 15 minutowe w ciągu godziny, a zużyta energia w tym przedziale wynosi także 60 kWh/h. Chwilowe (15 minutowe) moce nie przekraczają mocy umownej 65 kW.

W trzecim przedział pokazane są cztery chwilowe obciążenia 15 minutowe w ciągu godziny, także ze zużyciem 60 kWh/h, ale mamy jednokrotne przekroczenie mocy umownej o 23 kW.

W każdym z tych trzech przypadków pomiary wykażą taką samą ilość zużytej energii elektrycznej (60 kWh/h) i będziemy przekonani, że nie było żadnego przekroczenia mocy umownej.

Należy w tym miejscu zwrócić uwagę na zapis 4.2.11 taryfy Operatora. Jest tam mowa o pobieranej opłacie. W większości materiałów jakie można znaleźć na temat mocy umownej, autorzy posługują się określeniem kara.

Z takim podejściem zdecydowanie się nie zgadzam, gdyż oprócz kwestii językowych, stoi ono w sprzeczności z ideą optymalizacji mocy umownej.

Poniżej pokazany jest bazowy 15 minutowy profil zużycia prądu oraz stała moc umowna 380 kW.

Analizując comiesięczne faktury za prąd inwestor jest zadowolony, bo żadnym miesiącu nie ma opłaty za przekroczenie mocy umownej. Jednak z faktur nie uzyska informacji jakie powinien mieć optymalne zmienne moce umowne i ile miesięcznie przepłaca.

W każdym przypadku określamy stałą moc umowną oraz zmienne optymalne moce umowne dla każdego miesiąca.

Określenie optymalnej mocy umownej nie polega na obliczeniu takiej wartości mocy umownej, przy której nie będzie występowało żadne przekroczenie.

Sztuka polega na tym, żeby obliczyć taką wartość mocy umownej, przy której oszczędności uzyskane w stosunku do mocy bazowej (obowiązującej) są większe niż opłata wynikająca z taryfy powiększona o opłatę dodatkową za ewentualne przekroczenia.

Dlatego moc umowna liczona jest dla trzech wartości: zakładanej wartości optymalnej oraz dwóch różniących się np. o ± 5%.

Powyższą metodę zaprezentujemy na przykładzie wyliczenia optymalnej stałej mocy umownej.

Jeśli bazowa stała moc umowna wynosi 380 kW to optymalna moc bazowa będzie miała 355 kW.

Moc umowna mniejsza o 5% od optymalnej wynosi 337 kW, a większa o 5% wynosi 373 kW.

Uzyskane oszczędności wynoszą odpowiednio: 4.207 zł/rok dla optymalnej mocy umownej oraz 735 zł/rok dla mocy mniejszej i 1.501 zł/rok dla mocy większej.

Oczywiście, oszczędność na poziomie 4.207 zł za rok nie jest powodem do zachwytów, ale to zawsze jest taniej.

Często zadawane jest pytanie o koszt przekroczenia mocy umownej – pokazuje to kolejny wykres.

W roku bazowym składowa kosztów prądu wynikająca z mocy umownej wynosiła 78.660 zł/rok.

Powyższy wykres pokazuje podział kosztów i oszczędności odniesiony do poziomu roku bazowego. Interesują nas głównie słupki czerwone i zielone. Dla optymalnej stałej mocy umownej mamy wspomniane wcześniej oszczędności, ale są także koszty za przekroczenie mocy umownej wynoszące 968 zł/rok. Gdybyśmy zwiększyli moc umowną do poziomu 373 kW to wprawdzie nie będzie opłaty za przekroczenie mocy umownej, ale i oszczędności wynoszą jedynie 1.501 zł/rok. Zbytnie zmniejszenie stałej mocy umownej poniżej optymalnego poziomu da symboliczne oszczędności 735 zł/rok, a opłata za przekroczenie mocy umownej wyniesie 8.114 zł/rok.

Profil 15 minutowego zużycia prądu oraz bazowa i stała optymalna moc umowna wygląda następująco:

W okresie od czerwca do sierpnia wystąpią przekroczenia optymalnej mocy umownej. Wyraźnie widać, że jest spory zakres do obniżania mocy umownej w poszczególnych miesiącach roku. Zasada obliczania zmiennej mocy umownej jest taka sama jak stałej mocy umownej, z tym, że trzeba przeliczać każdy miesiąc oddzielnie.

Przekroczenie zmiennej optymalnej mocy umownej będzie występowało w każdym miesiącu, ale uzyskane oszczędności będą większe. Żeby nie przywoływać dwunastu wykresów, dla każdego miesiąca, obrazujących oszczędności i koszty opłaty za przekroczenie mocy umownej, porównajmy oszczędności uzyskane dla stałej optymalnej mocy umownej i zmiennej mocy umownej w odniesieniu do roku bazowego.

Jeśli inwestor zastosuje stałą optymalną moc umowną to uzyska oszczędność 4.207 zł/rok, co stanowi 5,35% w stosunku do roku bazowego.

Zastosowanie optymalnych zmiennych mocy umownych da oszczędność 11.339 zł/rok, co stanowi 14,42% w stosunku do roku bazowego.

Czy takie oszczędności mogą satysfakcjonować – każdy inwestor musi sobie sam na to odpowiedzieć. Kwotowo może i nie są to wielkie wartości, ale obniżenie kosztów o 14,42% jest warte optymalizacji.

Na zakończenie należy zwrócić uwagę na kilka kluczowych zagadnień:

• Optymalizacja mocy umownej (oprócz jednorazowego wynagrodzenia dla analityka) jest działaniem bezkosztowym. Wystarczy wypełnić druk, który udostępnia OSD i wpisać nowe moce umowne – i to cały wysiłek po stronie inwestora.
• Na podstawie analizy 15 minutowego profilu zużycia prądu w roku bazowym można wydzielić występujące piki mocy. Jeśli zastosujemy dodatkowo strażnika mocy umownej to w naszym przypadku możemy zwiększyć oszczędności o kolejne kilka procent uzyskując niewiele poniżej 20% oszczędności.
• Wynagrodzenie analityka jest zależne od wykazanych oszczędności. Jeśli moce umowne są dobrane prawidłowo to wynagrodzenie analityka jest symboliczne lub żadne. Czyli ryzyko jest po stronie analityka.

Zapraszam do współpracy.

Weryfikacja elektrycznej mocy biernej

Dopuszczalny pobór mocy biernej z systemu elektroenergetycznego określony jest przez podanie wartości współczynnika, którego wartość nie może być mniejsza niż tgφ_o = 0,4, a w uzasadnionych przypadkach, spółka dystrybucyjna może żądać przyjęcia wartości mniejszej od 0,4 (w praktyce wartość ta nie jest mniejsza niż 0,2).

Przez ponadumowny pobór energii biernej przez odbiorcę rozumie się ilość energii elektrycznej biernej odpowiadającą:

1. współczynnikowi mocy tgφ wyższemu od umownego współczynnika tgφ_o (niedokompensowanie) i stanowiącą nadwyżkę energii biernej indukcyjnej ponad ilość odpowiadającą wartości współczynnika tgφ_o, lub
2. indukcyjnemu współczynnikowi mocy przy braku poboru energii elektrycznej czynnej lub
3. pojemnościowemu współczynnikowi mocy (przekompensowanie) zarówno przy poborze energii elektrycznej czynnej, jak i przy braku takiego poboru.

Rozliczeniami za pobór energii biernej objęci są odbiorcy zasilani z sieci SN i WN, a w uzasadnionych przypadkach także odbiorcy zasilani z sieci nN, którzy użytkują odbiorniki o charakterze indukcyjnym. W okresie rozliczeniowym opłacie podlega ponadumowny pobór energii biernej, określony jako nadwyżka tej energii ponad ilość odpowiadającą wartości współczynnika tgφ_o (gdy tgφ> tgφ_o), zmierzona w strefach, w których jest prowadzona kontrola poboru tej energii lub całodobowo, w zależności od rodzaju zainstalowanego układu pomiarowego.

Opłatę za nadwyżkę energii biernej indukcyjnej O_b pobranej ponad ilość wynikającą ze współczynnika tgφ_o w okresie rozliczeniowym oblicza się według wzoru:

gdzie:

 Opłatę za nadwyżkę energii biernej pojemnościowej oblicza się według wzoru:

gdzie:

a pozostałe parametry jak wyżej.

Energia bierna indukcyjna i pojemnościowa, obciążając źródło prądu, przyczynia się do zwiększenia strat cieplnych. W odróżnieniu od energii czynnej, nie jest ona zamieniana na pracę użyteczną. W efekcie nadwyżka mocy biernej oznacza dodatkowy koszt za energię. Odpowiedni wybór urządzeń kompensacyjnych, jak również dopasowanie ich parametrów kompensacji do wymaganych wartości i możliwość ekonomicznego zarządzania energią elektryczną obiektu, pozwalają na ograniczenie opłat związanych z nadprodukcją energii do bezpiecznego minimum.

Duża część nowoczesnych odbiorników energii elektrycznej, do których zaliczyć można lampy LED, falownikowe urządzenia wentylacyjne, zasilacze impulsowe komputerów, wyróżniają się charakterem pojemnościowym. Poprzez silny wpływ na odkształcenia przebiegu sinusoidalnego układu zasilania przyczyniają się do nieprawidłowego działania układów regulacyjno-kompensujących.

Przykładowy bilans mocy czynnej i biernej w poszczególnych miesiącach pokazuje poniższy wykres.

W umowie na dostawę energii elektrycznej określona jest wartość współczynnika tgφ_o równa 0,4 po przekroczeniu której odbiorca obciążany jest dodatkową opłatą.

Posługując się powyższymi wzorami możemy obliczyć jakie są koszty mocy biernej indukcyjnej i pojemnościowej w ciągu roku.

Dysponując wiedzą na temat mocy czynnej i biernej należy wykonać odpowiednie pomiary jakości prądu celem doboru odpowiednich urządzeń kompensujących.

 Tak samo jak w przypadku rozbudowy zakładu, albo np. poważnych zmian w organizacji produkcji lub funkcjonowania zakładu, należy dokonać analizy i optymalizacji elektrycznej mocy umownej, to po modernizacji polegającej na zastosowaniu kogeneracji, wymianie oświetlenia na LED lub budowie instalacji PV, bezwzględnie należy przeprowadzić analizę mocy biernej.