Wczytuję dane...
Moc bierna a opłaty za energię elektryczną

Moc bierna a opłaty za energię elektryczną

mgr inż. Karol Kuczyński

Poza rozważaniami związanymi z wpływem mocy biernej na system elektroenergetyczny, spotyka się w literaturze trzy główne nurty tematyczne. Pierwszy związany jest z problemem definiowania pojęcia i wyznaczania mocy biernej w obwodach elektrycznych z dowolnymi przebiegami prądów i napięć (teoria mocy obwodów elektrycznych). Drugi dotyczy szeroko pojętego zarządzania poborem i emisją mocy biernej, poszukiwane są m.in. metody i rozwiązywania różnie nazywanych zadań (optimal reactive power: flow, dispatch, placement, planning, control), a w istocie sprowadzających się to do problemu kompensacji mocy biernej w sieci, w celu ograniczenia strat energii, a także poprawy profili napięciowych oraz dodatkowo ograniczenia kosztów. Trzecia grupa obejmuje prace dotyczące kształtowania zasad rozliczeń i systemów płatności za użytkowanie mocy biernej między podmiotami przyłączonymi do sieci elektroenergetycznej, które funkcjonują na rynku energii [1].

źródła mocy biernej

Większość odbiorników elektrycznych w zakładach przemysłowych pobiera moc bierną indukcyjną w czasie swojej normalnej pracy wraz z poborem energii czynnej. Konieczność dostawy mocy biernej do odbiorców energii powoduje obniżenie się współczynnika mocy w sieci przesyłowej i dystrybucyjnej oraz w sieci rozdzielczej zakładu przemysłowego. Współczynnik mocy (tg j), tj. wynikający z pracy odbiorników bez zastosowania urządzeń do jego poprawy, kształtuje się w granicach od 0,75 do 1,5. Tak duże wartości współczynnika mocy oddziałują niekorzystnie na system energetyczny, gdyż przesył nadmiernej ilości mocy biernej nie tylko wpływa bezpośrednio

na wzrost strat energii czynnej, ale oddziałuje też pośrednio na sprawność wszystkich elementów

tego systemu [2].

Bilans mocy biernej systemu, według stosowanych obecnie taryf rozliczeniowych, wymaga poboru energii elektrycznej przez zakłady przemysłowe przy współczynniku mocy tg j wynoszącym od 0 do 0,4. Zmusza to odbiorców do stosowania środków powodujących zmniejszenie poboru mocy biernej w stosunku do pobieranej mocy czynnej. Współczynnik mocy można poprawić przez zainstalowanie w miejscu poboru mocy biernej urządzeń wytwarzających tę moc. Ponieważ moc bierna pobierana w zakładzie przemysłowym ma charakter indukcyjny, odpowiednie urządzenia

kompensujące powinny wytwarzać moc bierną indukcyjną. Do miejscowego wytwarzania mocy biernej pobieranej przez odbiorniki, a więc do kompensacji indukcyjnej mocy biernej, mogą być używane następujące urządzenia:

- baterie kondensatorów statycznych,

- silniki synchroniczne,

- silniki asynchroniczne synchronizowane,

- generatory synchroniczne,

- kompensatory synchroniczne.

Do rozliczeń z zakładem energetycznym za dostarczoną energię czynną i bierną służą specjalne układy pomiarowo-rozliczeniowe. Wymagania techniczne dla tych układów, ich parametry, konfiguracja i wyposażenie, zostały określone Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z 4 maja 2007 r w sprawie szczegółowych warunkówsystemu elektroenergetycznego (Dz U nr 93 poz. 623 z późniejszymi zmianami). Poszczególni dystrybutorzy energii uszczegóławiają te wymagania w swoich Instrukcjach Ruchu i Eksploatacji Sieci [2].

opłata za energię bierną

Na podstawie obowiązujących przepisów (Rozporządzenie w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną [6]), za tzw. ponadumowny pobór energii biernej, odbiorca energii elektrycznej może – zgodnie z taryfą – zostać

obarczony dodatkową opłatą. Takimi rozliczeniami objęci są odbiorcy zasilani z sieci SN i wyższych napięć. W przypadku odbiorców zasilanych z sieci nn opłaty takie mogą być naliczane,

o ile taka możliwość została ujęta w treści warunków przyłączenia lub umowie o świadczenie usług

dystrybucji energii elektrycznej albo umowie kompleksowej (§45 ust. 2) [6]. Ponadumowny pobór energii biernej oznacza pobór tego rodzaju energii (§45 ust. 1) [6] o charakterze [3]:

- indukcyjnym, powodujący przekroczenie wartości umownego współczynnika mocy tg j0 (niedokompensowanie),

- indukcyjnym, przy braku poboru energii czynnej,

- pojemnościowym (przekompensowanie), bez względu na wielkość jednoczesnego poboru energii

czynnej.

Standardowo przyjmuje się wartość umownego współczynnika mocy tg j0 na poziomie 0,4, o ile nie została określona niższa wartość (na podstawie indywidualnej ekspertyzy) w treści warunków przyłączenia lub umowie o świadczenie usług dystrybucji energii elektrycznej albo umowie

kompleksowej [3]. Wartość ta nie powinna być jednak niższa od 0,2 (§45 ust. 4) [6].

Opłatę Ob za nadwyżkę energii biernej ponad wartość umowną współczynnika tg j0 oblicza się na

podstawie wzoru podanego w §45 ust. 6 rozporządzenia [6]:

gdzie:

Crk – cena energii elektrycznej, o której

mowa w art. 23 ust. 2 pkt 18 lit. B, w [PLN/MWh, PLN/kWh] (w 2012 r. wynosi 201,36 zł/MWh, a w 2014 r. 163,58 zł/MWh),

k – ustalona w taryfie krotność ceny

Crk (w 2012 r. k = 0,5),

tg j0 – umowny współczynnik mocy,

tg j – współczynnik mocy, wyznaczony jako iloraz energii biernej Q i energii czynnej P, pobranej przez odbiorcę w okresie rozliczeniowym,

A – energia czynna pobrana w danym okresie rozliczeniowym całodobowo lub w strefie czasowej, w której prowadzona jest kontrola poboru energii biernej, w [MWh lub kWh].

Problem utrzymania właściwej relacji pomiędzy energią czynną i bierną dotyczy odbiorców nn włączonych do sieci elektroenergetycznej w taryfach co najmniej C2X i wyższych, czyli o mocy umownej powyżej 40 kW. Taryfa zawiera informacje dotyczące świadczenia usług dystrybucyjnych, a przede wszystkim ceny stosowane w poszczególnych grupach taryfowych. Ustala także sposób rozliczania odbiorcy za niedotrzymanie określonej w umowie dystrybucyjnej wartości współczynnika mocy [2]. Rozliczenia za ponadnormatywny pobór mocy biernej indukcyjnej oraz przekompensowanie dokonywane są najczęściej dekadowo, zgodnie z umową

dystrybucyjną.

W efekcie:

- wielkość opłat obwarowana jest warunkami „od dołu”, a „od góry” wymaganą wartością współczynnika mocy;

- cena Crk energii jest obwieszczana Zarządzeniem Prezesa Urzędu Regulacji Energetyki;

- krotność k, ceny Crk do 2010 r. wzrastała i ustabilizowała się na poziomie 0,5 (w poprzednich latach wynosiła kolejno: 0,25; 0,375);

- rozliczenie dla mocy biernej indukcyjnej jest dekadowe, co utrudnia ewentualną możliwość korekty przekroczenia tg j, tzn. Zmniejszenia poboru mocy biernej w następujących dniach do końca miesiąca;

- rozliczenie następuje w strefach czasowych, choć energia elektryczna kupowana na rynku bilansowym jest jednostrefowa;

- przekompensowania nie można poprawić w czasie, ponieważ gdy wystąpi, staje się faktem dokonanym i zarejestrowanym (Koszt energii pojemnościowej pobieranej z sieci, na skutek przekompensowania wynosi: P = 0,5 · Crk).

Tak rygorystyczne przepisy zmuszają odbiorców usług dystrybucyjnych do tworzenia własnych źródeł mocy biernej i kompensacji jej poboru z sieci zewnętrznej w celu ustabilizowania współczynnika mocy w granicach od 0 do 0,4. Niedotrzymanie wymaganego współczynnika mocy

pobieranej z sieci zewnętrznej może skutkować bardzo wysokimi opłatami, w związku z czym działania podejmowane w celu jego stabilizacji na oczekiwanym poziomie są zazwyczaj bardzo rentowne [3].

Skala problemu eliminowania opłat za moc bierną stale rośnie, czyniąc tę problematykę bardziej znaczącą i zwiększającą możliwości oszczędzania. Okazuje się, że o wiele bardziej skomplikowanym zadaniem jest kompensacja mocy biernej w budynkach biurowych, niż obiektach przemysłowych [4].

wysokość opłaty

Można wykazać, że opłata określona zależnością (1) jest proporcjonalna do różnicy dwóch wielkości mocy czynnych, mianowicie: mocy czynnej faktycznie pobranej przez odbiorcę

P(j) oraz mocy czynnej P(j0), jaką pobrałby ten odbiorca przy identycznym poborze mocy pozornej S, ale przy współczynniku mocy równym wartości umownej tg j0 (rys. 1.):

Warto zwrócić uwagę, że hipotetyczna wartość mocy czynnej P(j0), jaką pobrałby odbiorca w przypadku skompensowania mocy biernej do tg j0 przy identycznym poborze mocy pozornej, ma uzasadnienie w przypadku, gdyby odbiorca pobierał bierną kosztem energii

czynnej. Tymczasem, kompensacja mocy biernej u odbiorcy praktycznie nie ma wpływu na wielkość poboru przez niego mocy (energii) czynnej.

Hipotetyczna wielkość mocy P(j) nie świadczy więc o utraconych korzyściach dostawcy energii elektrycznej [3].

Sytuacja zmniejszenia poboru mocy (energii) czynnej przy zwiększonym obciążeniu mocą (energią) bierną może mieć miejsce w przypadku osiągnięcia maksymalnego dopuszczalnego obciążenia odcinka zasilającego. Wówczas istotnie, ze względu na ograniczenia przepustowości, wzrostowi poboru mocy (energii) biernej towarzyszyłoby adekwatne obniżenie możliwości przesyłu mocy (energii) czynnej. W praktyce, uprzednio podejmuje się odpowiednie działania w celu niedoprowadzenia do takiego zdarzenia, gdyż sytuacja taka groziłaby w dalszej konsekwencji awarią w sieci [3].

Wysokość opłaty Ob z zależności (1) nie jest ponadto proporcjonalna do wielkości pobranej mocy (energii) biernej. Co więcej, wielkość opłaty nie odzwierciedla wpływu poboru mocy biernej na koszty strat w sieci oraz wymiarowanie urządzeń, czyli na nakłady inwestycyjne infrastruktury sieciowej [3, 4]. Straty mocy na przesyle DP (na odcinku zasilającym jeden odbiór) są bowiem proporcjonalne do kwadratu modułu płynącego prądu I, zaś różnica między mocami, od której zależy opłata, proporcjonalna jest do różnicy kwadratów tego prądu oraz prądu hipotetycznego I0 przy tg j0 (przy założeniu liniowości rezystancji odbioru):

teoria mocy a energia bierna

Analizując problem pomiaru poboru energii biernej należy również odnieść się do problematyki teorii mocy obwodów elektrycznych. Określanie

wielkości nazywanej mocą bierną zazwyczaj nie budzi kontrowersji w przypadku obwodów z przebiegami nieodkształconymi prądu i napięcia. Współcześnie, m.in. ze względu na

powszechność zastosowań urządzeń elektronicznych, odbiorników nieliniowych czy wykorzystujących przekształtniki, przebiegi idealnie sinusoidalne w sieciach dystrybucyjnych są raczej rzadkością. Do chwili obecnej opracowano co najmniej kilkanaście autorskich koncepcji w ramach teorii mocy obwodów elektrycznych, odmiennie

definiujących pojęcie mocy biernej. Oczywiście, konkretna wartość liczbowa pobranej mocy (energii) biernej zależy od wyboru teorii [3, 4]. Przegląd najpopularniejszych

koncepcji można znaleźć m.in. w [5].

Najgłębiej zakorzenioną teorią w świadomości elektryków wydaje się być ciągle koncepcja Budeanu. Dostępne przyrządy pomiarowe zazwyczaj mierzą moc bierną według tej koncepcji. Tymczasem, moc bierna według tej teorii jest tworem matematycznym,

pozbawionym interpretacji fizycznej, co może powodować, że jej zastosowanie do poprawy funkcjonowania niektórych układów technicznych prowadzi w praktyce do pogorszenia ich właściwości technicznych [3].

Pojawienie się mocy biernej informuje jedynie, że w systemie pojawiły się jakieś zjawiska, powodujące wzrost wartości prądu przy przesyle energii. W celu zdobycia informacji o tych zjawiskach, niezbędne są dodatkowe, szczegółowe pomiary.

podsumowanie

Moc bierna, poprzez wpływ na poziomy napięcia w węzłach sieci elektroenergetycznej,

pełni ważną funkcję w utrzymaniu stabilnej pracy systemu elektroenergetycznego. Deficyt

mocy biernej może być przyczyną awarii systemu elektroenergetycznego.

W prawidłowo funkcjonującym systemie powinien być zachowany bilans zarówno mocy czynnej, jak i biernej. Ze względu na lokalny charakter zależności U=f(Q), ogólnokrajowe

zbilansowanie środków regulacyjnych może być niewystarczające [3].

Aktualnie obowiązujące zasady opłat za moc (energię) bierną nie uwzględniają lokalnego charakteru zjawisk z nią związanych. Rozliczenia dokonywane są na podstawie formuły

podanej w rozporządzeniu ministra i nie obejmują wszystkich odbiorców. Stawki są ustalone arbitralnie, niezależnie od bilansu tej mocy w sieci. Operatorzy restrykcyjnie każą

odbiorców za pobór energii biernej indukcyjnej, nawet pomimo istotnych jej nadwyżek w danym obszarze lub naliczają opłaty za przekompensowanie, mimo panującego lokalnie deficytu tej mocy [1, 3].

Obecne stawki opłat nie odzwierciedlają ponadto faktycznych kosztów przesyłu energii biernej i powodowanych przez nią strat, a także nakładów inwestycyjnych na infrastrukturę sieciową. Właściwie użytkowane układy kompensacji mocy biernej mogą znacząco ograniczyć opłaty za energię, lecz pozostawione bez nadzoru (nieregulowane) mogą również doprowadzić do zwiększenia tych opłat (przez przekompensowanie), stąd ważnym jest, aby problem kompensacji był rozwiązywany przez specjalistów z dziedziny.

Dodatkowo, mając na uwadze tworzenie „inteligentnych sieci elektroenergetycznych”, należy zmienić obecną strukturę rozliczeń za pobór energii biernej. Kształt opłaty powinien

odzwierciedlać rzeczywiste koszty i powinien opierać się na łatwych do weryfikacji pomiarach wielkości fizycznych. W przyszłości należy spodziewać się zastąpienia obligatoryjnie narzuconego z góry umownego współczynnika mocy, wielkością określaną dynamicznie. Tak rozumiany dopuszczalny dynamiczny współczynnik mocy będzie zmieniał się w ciągu doby i będzie miał charakter lokalny. Wyznaczanie dynamicznego

współczynnika mocy powinno opierać się na zasadach racjonalnego użytkowania energii w całym systemie. Świadomy odbiorca/prosument energii będzie musiał dostosowywać swoją pozycję na rynku energii, zwracając uwagę na aktualne ceny nie tylko energii czynnej, ale również i biernej. Sprzyjać temu może odpowiednie wykorzystanie technik opartych na smart meteringu [1, 3].

Sprawy związane z zapotrzebowaniem na moc bierną komplikować będzie spodziewany rozwój systemów w kierunku współistnienia mikrosieci opartych na idei Smart Grid ze

źródłami odnawialnymi o ograniczonej możliwości generacji mocy biernej, wraz z systemami sterowanymi centralnie.

literatura

1. S. Bielecki, Problematyka rozliczeń za użytkowanie mocy biernej, „Energetyka” 11/2015.

2. E. Fryc, Z. Kochel, J. Krakowiak, R. Ziarno, Możliwości poprawy efektywności wykorzystania energii elektrycznej czynnej i biernej, Elektroenergetyka – współczesność i rozwój, nr 1-2/2012.

3. S. Bielecki, Opłaty za pobór mocy biernej – czy są słuszne?, „elektro. info” 12/2013.

4. Sz. Ciura, Opłaty dystrybucyjne związane z poborem mocy biernej przez odbiorców, „Energia Elektryczna” nr 2/2011

5. A. Firlit, Teorie mocy w obwodach prądu przemiennego, „elektro. info” 12/2009.

6. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 18 sierpnia 2011 r. w sprawie szczegółowych zasad

kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną. Załącznik do obwieszczenia Ministra Gospodarki z dnia 7 czerwca 2013 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Gospodarki w sprawie szczegółowych zasad kształtowania i kalkulacji taryf oraz rozliczeń w obrocie energią elektryczną (DzU z 10 października 2013 r., poz. 1200).

Źródło Elektro Info 12/2015

www.elektro.info.pl