1 UVOD Področje energetike je ključni dejavnik pri težnji k zagotavljanju trajnostnega razvoja. Eden izmed številnih kazalnikov, uporabljenih za ovrednotenje le-tega, je delež proizvodnje električne energije iz obnovljivih virov energije (OVE) [1]. Posledično se s čedalje večjim številom priključenih razpršenih virov (RV), distribucijska omrežja (DO) spreminjajo iz pasivnih v aktivne elemente elektroenergetskega sistema. Zato je treba ovrednotiti vse vplive, ki jih prinašajo na novo priključeni elementi, in z ustreznimi nadgradnjami sistemov vodenja zagotoviti, da se koristi, ki jih ti omogočajo, maksimalno izrabijo. Od vseh trenutno razpoložljivih RV fotonapetostni (PV) sistemi kljub zmanjšanju subvencij še vedno zbujajo veliko pozornost. Pretvorniki PV-sistemov čez dan obratujejo z maksimalno močjo le v kratkih časovnih intervalih in je zato preostalo razpoložljivo moč mogoče uporabiti za regulacijo napetosti z ustrezno generacijo jalove moči [2], [3]. Tako lahko tudi zmanjšamo prenosne izgube in hkrati zmanjšamo obratovalne stroške [4]. Primer, kako lahko z ustrezno kombinacijo geografskih, ekonomskih in tehničnih vidikov ustrezno umestimo PV-sisteme v DO, je prikazan v [5]. V prispevku je predstavljena analiza vključevanja dodatnih PV-sistemov, v del srednjenapetostnega (SN) omrežja na levem bregu reke Drave v Mariboru. Podoben primer je bil obravnavan v [6], s to razliko, da sta bila v [6] ovrednotena vpliva generacije delovne in jalove moči na prenosne izgube ter na napetostne razmere, upoštevane so bile maksimalna proizvodnja dodatnih PV-sistemov in različne stopnje obremenitve, upoštevano pa je bilo tudi drugačno število izbranih lokacij za postavitev PV-sistemov. V tem prispevku pa so na podlagi časovnih profilov porabe in proizvodnje ovrednoteni celoletni prihranki energije, ki jih je mogoče doseči z generacijo delovne in potrebam omrežja prilagojeno generacijo jalove moči dodatnih sončnih elektrarn, postavljenih na najprimernejše lokacije, gledano s stališča sončnega in PV-potenciala. Prispevek je sestavljen iz šestih poglavij. V drugem poglavju je prikazano ovrednotenje sončnega in PV- potenciala in je na podlagi teh podatkov izbranih deset lokacij, najprimernejših za postavitev PV-sistema. V tretjem poglavju je opisan obravnavani del SN DO Elektro Maribor na levem bregu reke Drave, v četrtem pa je predstavljen postopek izračuna in pridobitve vhodnih podatkov porabe in proizvodnje. V petem poglavju je podan opis dobljenih rezultatov ovrednotenja prihrankov energije z upoštevanjem generacije delovne in različnih stopenj generacije jalove moči. V šestem poglavju je podan sklep. Prejet 14. december, 2015 Odobren 14. januar, 2016 2 SREĆKOVIĆ, LUKAČ, ŠTUMBERGER 2 OVREDNOTENJE FOTONAPETOSTNEGA POTENCIALA Lukač in soavtorji [7] so prikazali uspešno metodo za ovrednotenje streh glede ustreznosti za postavitev PV- sistemov. Na podlagi natančnih topografskih podatkov LiDAR (ang. Light Detection And Ranging) in podatkov sončnega obsevanja, izmerjenih s piranometrom, je bila ocenjena vrednost sončnega potenciala (povprečno obsevanje) in PV-potenciala streh (električna energija, ki jo je s postavitvijo PV- sistema na obravnavano površino mogoče generirati). Pri izračunu so upoštevani tudi vplivi lokacije, orientacije in naklona streh, oblačnosti, okoliškega terena ter senčenja zaradi sosednih objektov in vegetacije. Rezultati povprečnega sončnega obsevanja, določenega za strehe v središču Maribora, so prikazani na sliki 1. Z različnimi barvami so označene kategorije streh glede na ustreznost za postavitev PV-sistemov. Na podlagi določenih vrednosti PV-potencialov je izbranih deset streh (oz. skupin streh), ki pripadajo kategoriji z zelo visoko vrednostjo sončnega obsevanja in so posledično najprimernejše za postavitev PV-sistemov. Slika 1: Kategorizacija streh v Mariboru glede na vrednosti sončnega obsevanja [7] 3 TESTNI MODELI OMREŽIJ Del DO na levem bregu reke Drave v Mariboru, obravnavan v tem prispevku, je prikazan na sliki 2. Prikazani so vsi obstoječi elementi in povezave, ki med normalnim obratovanjem niso nujno hkrati aktivni. S temnimi poligoni so označene tudi strehe oz. skupine streh, izbrane kot najprimernejše za postavitev PV- sistemov. Izkaže se, da večino časa dela omrežja, priključena na RTP Koroška Vrata in RTP Melje, obratujeta ločeno drug od drugega in ni prisotno zankanje. Zato je izračune obratovalnih stanj mogoče opraviti neodvisno za oba dela obravnavanega dela SN DO. V ta namen sta pripravljena dva neodvisna modela radialnih SN-omrežij (slika. 3), napajana prek RTP Koroška Vrata in RTP Melje. Slika 3: Skica SN DO, povezanih na RTP Koroška Vrata in RTP Melje Slika 2: Del DO Maribora na levem bregu reke Drave VPLIV DODATNIH FOTONAPETOSTNIH SISTEMOV NA PRIHRANKE ENERGIJE V SREDNJENAPETOSTNEM … 3 Uporabljena sta modela trifaznih simetričnih omrežij. Nizkonapetostni odseki vodov so zanemarjeni, moči priključenih bremen in RV pa so upoštevani na SN- omrežju. Na sliki 3 je označeno, v katere SN/NN transformatorje je na nizkonapetostni strani v omrežje priključen že obstoječi RV, v izračunu pa smo upoštevali le proizvodnjo SE. S sivo barvo je označena lokacija priključitve dodatnih PV-sistemov, izbranih v drugem poglavju. Pet izmed desetih izbranih lokacij (poligoni od 1 do 5, na sliki. 2), so priključeni v omrežje RTP Koroška Vrata, pet pa v omrežje RTP Melje (poligoni od 6 do 10, na sliki. 2). 4 POSTOPEK DOLOČITVE LETNIH PRIHRANKOV ENERGIJE Določitev letnih prihrankov energije v omrežjih RTP Koroška Vrata in RTP Melje je izvedena s pomočjo časovno diskretnih izračunov obratovalnih stanj. Uporabljena je direktna metoda za izračun pretokov energije [8], s katero računamo vrednosti prenosnih izgub v omrežju. Na podlagi 24 izračunov pretokov energije smo določili prenosne izgube v sistemu za vsako uro povprečnega dneva v mesecu (delovnika in vikenda). Razlika površin pod krivuljami izgub pri obstoječem stanju v omrežju in pri upoštevanju dodatne proizvodnje izbranih PV-sistemov pomeni dnevno prihranjeno energijo. Ta prihranek energije je rezultat zmanjšanja prenosnih izgub v omrežju zaradi vključitve dodatnih proizvodnih enot. Če poznamo energijo, prihranjeno med povprečnim delovnikom in vikendom za vsak mesec, lahko ovrednotimo letne prihranke energije kot večkratnik dnevnih prihrankov in ustreznega števila dni v mesecu. 4.1 Podatki porabe Na podlagi kombinacije podatkov lastnih meritev in študije izdelave nadomestnih obremenitvenih diagramov za slovensko distribucijsko omrežje [9] so bili določeni nadomestni profili porabe za povprečni delovnik in vikend vsakega meseca. Tako je bilo za eno leto določenih 24 normiranih profilov porabe. Obremenitvene diagrame smo normirali in jih na podlagi tipov odjemalcev, priključenih na NN-stran transformatorskih postaj, razvrstili glede na dejavnosti, ki jih opravlja večina priključenih odjemalcev (večinoma stanovanjski, industrijski, rekreativno/kulturno/športni objekti). Nato smo diagrame ustrezno dodelili vsem vozliščem na podlagi tipov odjemalcev. V vsakem vozlišču s priključenim transformatorjem nazivne moči 𝑆T,N izbrani diagram skaliramo z močjo 𝑆T, dobljeno na podlagi podatkov o nazivnih močeh 𝑛 priključenih transformatorskih postaj ter predpostavljenih moči na posameznih izvodih iz RTP, 𝑆i (1). 𝑆T = 𝑆T,N 𝑆i ∑ 𝑆T,N,i 𝑛 𝑖=1 (1) 4.2 Podatki dodatne proizvodnje V drugem poglavju so bile izbrane strehe oz. skupine streh, najprimernejše za postavitev SE, gledano s stališča PV-potenciala. Podatki desetletnega zajemanja vrednosti sončnega obsevanja so uporabljeni za določitev povprečnih profilov proizvodnje, ki bi jih bilo mogoče doseči s postavitvijo monokristalnih sončnih modulov. Za vsak mesec nato določimo profil povprečne dnevne proizvodnje, sestavljen iz 24 enournih podatkov. Slika 4 prikazuje primer določenega povprečnega profila porabe za strehe zajete s poligonom 7. Slika 4: Povprečni dnevni diagrami proizvodnje za poligona 7 5 REZULTATI Namen tega prispevka je ovrednotenje letnih prihrankov energije ∆𝑊izg, dobljenih na račun zmanjšanja prenosnih izgub v omrežjih RTP Koroška Vrata in RTP Melje, zaradi dodatne vključitve PV-sistemov na izbrane lokacije. Na podlagi časovno diskretnih izračunov pretokov energije so določene prenosne izgube povprečnega delovnika 𝑃izg,del in vikenda 𝑃izg,vik, v vsaki uri (𝑡), vsakega meseca (𝑚). Ob upoštevanju števila delovnih (𝑁del,m ) in nedelovnih dni (𝑁vik,m) za vsak mesec leta 2013 so letne izgube energije določene, po (2). 𝑊izg = ∑ (𝑁del,m ∫ 𝑃izg,del d𝑡 24 𝑡=0 12 𝑚=1 + 𝑁vik,m ∫ 𝑃izg,vik d𝑡 24 𝑡=0 ) (2) 4 SREĆKOVIĆ, LUKAČ, ŠTUMBERGER Pri izračunu izgub v omrežju sta bila upoštevana naslednja scenarija:  V omrežju obstajajo samo dejansko priključeni elementi – določitev 𝑊izg_dej.  V omrežju obstajajo dejansko priključeni in dodatni PV-sistemi, postavljeni na izbrane lokacije – določitev 𝑊izg_dodPV. Dodatne proizvodne enote proizvajajo delovno moč po podanem profilu proizvodnje (podpoglavje 4.2). V skladu z navodili za priključevanje in obratovanje elektrarn do moči 10 MW [10] morajo biti priključeni PV-sistemi sposobni obratovati s faktorjem cos(𝜑) do vrednosti 0,8 oz. z drugimi besedami, morajo biti sposobne proizvajati jalovo moč do vrednosti 75 % delovne moči. Zato so pri generaciji jalove moči upoštevani različni večkratniki delovne moči – v intervalu od 0 do 0,75, po koraku 0,25. V modelih omrežij so bremena induktivne narave. Zato je generirana jalova moč le kapacitivne narave, ker bi v primeru generacije jalove moči induktivne narave dodatno povečevali prenosne izgube v omrežjih [6]. Tabela 1: Prenosne izgube energije za povprečni delovni dan v mesecu, RTP Koroška Vrata Dnevne izgube – originalno omrežje (kWh) Dnevne izgube – dodatni PV-sistemi (kWh) Januar 82,71 81,48 Februar 81,41 79,41 Marec 61,19 58,52 April 44,47 41,85 Maj 33,54 30,71 Junij 36,57 33,35 Julij 37,55 34,20 Avgust 39,58 36,63 September 35,60 33,41 Oktober 46,08 44,19 November 66,90 66,02 December 81,90 82,12 Tabela 2: Prenosne izgube energije za povprečni delovni dan v mesecu, RTP Melje Dnevne izgube – originalno omrežje (kWh) Dnevne izgube – dodatni PV-sistemi (kWh) Januar 139,54 138,55 Februar 131,11 129,44 Marec 107,12 104,83 April 63,11 60,83 Maj 41,65 39,14 Junij 39,34 36,49 Julij 35,94 33,13 Avgust 36,13 33,74 September 38,63 36,88 Oktober 60,36 58,89 November 98,30 97,55 December 123,71 123,21 Vrednosti prenosnih izgub energije v povprečnem delovniku vsakega meseca, za originalno omrežje in omrežje z upoštevanimi dodatnimi proizvodnimi enotami, so prikazani v tabeli 1 za omrežje RTP Koroška Vrata in v tabeli 2 za omrežje RTP Melje. Celoletni prihranki energije, pridobljeni na račun zmanjšanja prenosnih izgub v omrežju zaradi vključitve dodatnih PV-sistemov in ob upoštevanju različne stopnje generacije jalove moči iz dodatnih RV, so predstavljeni v tabeli 3 za omrežje RTP Koroška Vrata in v tabeli 4 za RTP Melje. Vidimo, da je z večjo generacijo jalove moči mogoče še nekoliko povečati prihranke energije v omrežju. Pri tem je treba poudariti, da so v podnih rezultatih upoštevani le prihranki energije v srednjenapetostnem omrežju. Glede na [3] je mogoče pričakovati bistveno večje prihranke energije v nizkonapetostnih omrežjih, kar pa v tem delu ni upoštevano. Tabela 3: Letni prihranki energije zaradi upoštevanja dodatnih proizvodnih enot, RTP Koroška Vrata 𝑸𝐠𝐞𝐧 = 𝒒𝑷𝐠𝐞𝐧 Scenarij 1 Scenarij 2 Letni prihranki izgub 𝒒 𝑊izg_dej [MWh] 𝑊izg_dodPV [MWh] ∆𝑊izg [MWh] [%] 𝟎, 𝟎𝟎 17,90 17,15 0,75 4,17 𝟎, 𝟐𝟓 17,12 0,78 4,35 𝟎, 𝟓𝟎 17,09 0,80 4,49 𝟎, 𝟕𝟓 17,07 0,82 4,60 Tabela 4: Letni prihranki energije, zaradi upoštevanja dodatnih proizvodnih enot, RTP Melje. 𝑸𝐠𝐞𝐧 = 𝒒𝑷𝐠𝐞𝐧 Scenarij 1 Scenarij 2 Letni prihranki izgub 𝒒 𝑊izg_dej [MWh] 𝑊izg_dodPV [MWh] ∆𝑊izg [MWh] [%] 𝟎, 𝟎𝟎 26,11 25,47 0,64 2,43 𝟎, 𝟐𝟓 25,44 0,66 2,53 𝟎, 𝟓𝟎 25,43 0,68 2,59 𝟎, 𝟕𝟓 25,42 0,69 2,63 6 SKLEP V prispevku je predstavljen vpliv generacije delovne in jalove moči dodatnih proizvodnih enot, priključenih v del SN-omrežja na levem bregu reke Drave v Mariboru, na zmanjšanje prenosnih izgub in posledično doseganje prihrankov energije v omrežju. Na podlagi ocene sončnega in fotonapetostnega potenciala streh v središču Maribora je bilo izbranih deset streh (oz. skupin streh), najprimernejših za postavitev SE. Nato je bil ovrednoten njihov vpliv na letne prihranke energije izključno v srednjenapetostnem omrežju. Pri tem prihranki energije zaradi zmanjšanja izgub na transformatorjih SN/NN in v nizkonapetostnem omrežju niso vključeni v obravnavo. Rezultati kažejo, da bi bilo mogoče z inštalacijo dodatnih PV-sistemov v primeru RTP Koroška Vrata doseči 4,17-odstotni, pri RTP Melje pa 2,43-odstotni VPLIV DODATNIH FOTONAPETOSTNIH SISTEMOV NA PRIHRANKE ENERGIJE V SREDNJENAPETOSTNEM … 5 prihranek energije glede na izgube v omrežju brez dodatnih proizvodnih enot. Te vrednosti je mogoče dodatno nekoliko povečati z večjo generacijo jalove moči kapacitivne narave, dodatno priključenih proizvodnih enot. Čeprav je skupna priključena moč dodatnih proizvodnih enot v omrežju RTP Koroška Vrata (155 kWp) manjša kot v omrežju RTP Melje (225 kWp), so dobljeni prihranki energije večji. RTP Koroška Vrata je manj obremenjena, vendar tudi prostorsko bolj razpršena proizvodnja, priključena proč od RTP, zaradi manjših tokov skozi večji del omrežja pa pripomore k zmanjšanju izgub. Z razvojem DO se razvijajo tudi napredni sistemi vodenja, ki bodo na podlagi sprotnega ovrednotenja obratovalnih stanj v omrežju lahko zagotavljali optimalna obratovalna stanja omrežja. Na podlagi izračunov optimalne generacije jalove moči, ki se prilagaja dejanskim, trenutnim potrebam omrežja, bi se lahko za izbrani časovni interval dobilo stanje, pri katerem so zagotovljene najmanjše izgube v omrežju, hkrati pa bi zagotovili vrednosti vseh drugih obratovalnih parametrov, predvsem napetostnega profila, v predpisanih mejah. Tako bi bili tudi prihranki energije na letni ravni večji. Z upoštevanjem izgub v nizkonapetostnem omrežju in v transformatorjih SN/NN pa bi bili ti prihranki še znatno večji.