ZNAČAJ REZERVE ENERGIJE I SNAGE U EES-u

Potrošnja u EES-u Potrošnju u EES-u čine potrošači iz tri kategorije: - domaćinstva - komercijlna potrošnja (uključujući i javno osvetljenje) - industrijska potrošnja Potrošnja u domaćinstvima - maksimum (pik) potrošnje u domaćinstvima se pojavljuje u večernjim satima i preko vikenda, u ekonomski razvijenim zemljama često se pojavljuje maksimum potrošnje u domaćinstvima u jutarnjim časovima - najveći udeo u potrošnji u domaćinstvima ima grejanje prostora i vode i kuvanje, u nekim zemljama veliki udeo u potrošnji imaju klima uređaji - potrošnja u domaćinstvima ima značajan udeo u ukupnoj potrošnji u velikim gradovima i u ne-industrijskim zemljama - oblik dijagrama potrošnja u domaćinstvima pokazuje sezonsku zavisnost (zimski i letnji dijagram potrošnje) ali i različitost na sedmičnom nivou, a zavisi i od podneblja

Tabela 2.1: Prosečne potrošnje tipičnih potrošača u domaćinstvima Uređaji Snaga (W) Časovi Wh/dan Frižider 330 3.8 1140 Sijalice(6x30W) 180 5 900 TV,19 in.(r.rež.) 68 3 204 TV,19in.(standby) 5,1 21 107 Antena (r.rež.) 17 51 Antena (standby) 16 336 Telefon 4 24 96 Mikrotalasna 1000 0.1 100 Mašina za veš 250 0.2 50 Mala ringla 1250 0.5 625 Velika ringla 2100 1050 Pegla 105 Bojler 2000 2 4000

Komercijalna potrošnja - dostiže svoj maksimum tokom dana i pri kraju radnog vremena - javno osvetljenje postoji u večernjim satima sa neznatno manjom potrošnjom tokom noći - izražena je u visoko razvijenim industrijskim zemljama Industrijska potrošnja - dostiže svoj maksimum u toku dana - stabilnija od potrošnje u domaćinstvima i od komercijalne potrošnje - postoji mogućnost pomeranja proizvodnih procesa u cilju smanjenja maksimuma potrošnje

Slika 2.1: Karakteristični zimski dijagrami protrošnje: (a) ukupna potrošnja (b) u domaćinstvima (c) industrijska potrošnja (d) komercijalna potrošnja

Dijagram potrošnje nije konstantan, menja se zavisno od promene strukture potrošača u konzumu, od ponašanja induvidualnih potrošača koje zavise od ekonomskog i socijalnog razvoja može da se menja tarifnom politikom (skupa i jeftina tarifa) može da se menja administrativnom promenom časovnog vremena (letnje i zimsko vreme) može da se menja upravljanjem potrošnjom: potrošnja se uključuju i isključuje sa ciljem da se smanji maksimum potrošnje sastoji se iz: - baznog dela: deo koji ne varira u toku dana - srednjeg dela: deo koji ne varira više od dva puta u toku dana - vršnog dela: preostali deo potrošnja u domaćinstvima i komercijalna potrošnja imaju glavni uticaj na vršni deo dijagrama potrošnje dok industrijska potrošnja najviše utiče na bazni deo dijagrama

u zavisnosti od toga da li se odnose ili ne na promene u dijagramu potrošnje, parametri dijagrama potrošnje se dele na statičke i dinamičke kao funkcija vremena, dijagram potrošnje pokazuje nekoliko maksimuma i minimuma odnos minimuma Pmin i maksimuma (pika) Pmax se naziva minimalni faktor potrošnje: opseg varijacije snage potrošnje: faktor gustine potrošnje:

ekvivalentno vreme maksimuma potrošnje: brzina promene potrošnje: brzina promene potrošnje predstavlja dinamički parametar dijagrama potrošnje, velika brzina promene potrošnje ne mora da bude posledica velike varijacije snage potrošnje

Dnevni dijagrami i prethodne karakterteristične veličine se razlikuju za različite dane u nedelji: za radne dane (ponedeljak se posebno razmatra) i za subotu i nedelju (kao i za proznike), Dnevni dijagrami se razlikuju i na sezonskom nivou, zbog toga se razmatra karakteristični dijagram za letnju sezonu i karakteristični dijagram za zimsku sezonu: Srednji dnevni maksimum u letnoj sezoni iznosi oko 2/3 srednjeg dnevnog maksimuma u zimskog sezoni, ali je letnji minimum samo 1/5 zimskog maksimuma Prognoza vršne snage se vrši za srednje oštru zimu, što daje oko 9% veću vršnu snagu u odnosu na slučaj prosečne zime Zimski dijagram potrošnje većim delom sadrži bazni deo je kritičan sa stanovišta maksimalne snage Pmax Letnji dijagram potrošnje većim delom sadrži vršni varijabilni deo i kritičan je sa stanovišta odnosa minimuma Pmin i maksimuma Pmax (minimalnog faktora potrošnje) Karakteristični parametri dijagrama potrošnje zbog uticaja brojnih faktora se mogu predstaviti i ispitati statističkim metodama

Algorimi za određivanje karakterističnog dnevnog dijagrama potrošnje Karakteristični dijagram potrošnje predstavlja dnevni dijagram potrošnje koji najbolje reprezentuje dnevni profil potrošnje u određenom periodu (mesec, godišnje doba, letnja i zimska sezona) Maksimalna dnevna snaga: Srednja dnevna snaga: Maksimalne snage određuju termičko opterećenje vodova i transformatora Srednje dnevne snage bitne su za ocenu padova napona, faktora snage i stepena kompenzacije reaktivnih snaga

Za posmatrani period od n dana, može se odrediti srednja vrednost maksimalnih dnevnih snaga potrošnje i srednja vrednost srednjih dnevnih snaga potrošnje: Srednji dnevni dijagram potrošnje koji sadrži srednje petnaestominutne vrednosti snage potrošnje Srednji dnevni dijagram potrošnje je dobar reprezent srednjih dnevnih snaga potrošnje, ali loš reprezent maksimalnih dnevnih snaga potrošnje iz razloga što se te maksimalne snage pojavljuju u različitiim trenucima u toku pojedinih dana

Karakteristični dnevni dijagram potrošnje je dijagram iz seta dnevnih dijagrama potrošnje za posmatrani period koji optimalno reprezentuje maksimalne dnevne snage potrošnje i srednje dnevne snaga potrošnje Algoritam za određivanje karakterističnog dijagrama potrošnje: minimum sume kvadrata odstupanja dijagrama snaga potrošnje od usrednjenog dijagrama potrošnje: Slika 2.2: Srednji dijagram potrošnje i karakteristični dijagram potrošnje

Rezerve proizvodnih kapaciteta u EES-u Zadatak EES-a: obezbeđenje promenljivih zahteva potrošnje po najnižoj mogućoj ceni uz uvažavanje zahteva pouzdanosti napajanja Performanse EES-a: razmatraju se u kontekstu pokrivanje dijagrama potrošnje Proizvodnja u EES-u: ostvaruje se na nivoima sa različitim trajanjima: vršna proizvodnja ima najkraće trajanje i najmanje isporučene energije, bazna proizvodnja ima najduže trajanje i najveću isporučenu energiju U skladu sa planiranim ili prinudnim ispadima, instalisani kapaciteti moraju da imaju rezervu iznad maksimuma potrošnje Rezerve proizvodnih kapacitita su neophodne zbog: - promenljivosti opterećenja i potrošnje - ograničene raspoloživosti proizvodnih kapaciteta (zavisno od dostupnosti potencijala, plana održavanja, prinudnih ispada) Rezerve proizvodnih kapaciteta u EES-u su bitne i zbog - sve većeg učešća termoagregata velikih snaga - korišćenja obnovljivih izvora energije

Podela ukupne rezerve (UR) proizvodnih kapaciteta prema ulozi pojedinih tipova rezervi: - remontnta rezerva (ReR) - termoagregati zahtevaju 20 do 45 dana za remont svake godine - rezerva raspoloživih proizvodnih kapaciteta (RPK) - za pokrivanje svih nepredvidivih ispada u proizvodnji Rezerva raspoloživih proizvodnih kapaciteta (RPK) - operativna rezerva (OP) – koristi se neposredno u eksploataciji - rotirajuća (RoR) - nerotirajuća (NRoR) - hladna rezerva (HR) – agregati sposobni za rad ali nisu angažovani, raspolažu rezervom snage i energije (starije TE sa dovoljnom količinom uglja na deponiji i HE sa sezonskom akumulacijom i slobodnom snagom)

Slika 2.2: Šematski prikaz rezervi proizvodnih kapaciteta u EES-u

Rotirajuća rezerva (RoR) – agregati koji su delimično opterećeni: - izračunava se kao Σ maksimalnih snaga – Σ trenutnih snaga agregata - veća od snage najvećeg agregata - na osnovu maksimalnog opterećenja EES-a - rotirajuća regulaciona rezerva (RgR) – za regulaciju aktivnih snaga, odnosno učestanosti - rotirajuća havarijska rezerva (RoHR) – za prihvatanje dela opterećenja u slučaju trenutnog ispada iz pogona nekog agregata Nerotirajuća rezerva (NRoR) – agregati koji su u punoj pogonskoj spremnosti ali nisu sinhronizovani na mrežu: - hladna nerotirajuća rezerva (HNRoR) – startne elektrane (hidroelektrane i gasne elektrane) - topla nerotirajuća rezerva (TNRoR) - TE održavane u toplom stanju Ukupna havarijska rezerva (UHR) – čine je RoHR, HNRoR i TNRoR

Hronologija angažovanja rezervnih kapaciteta Nakon ispada agregata zbog debalansa aktivnih snaga u sistemu nastaje smanjenje brzine (frekvencije) Primarna regulacija: - nakon kratkog vremena reaguju regulatori brzine povećavajući dovod radnog fluida i zaustavljajući dalje smanjenje brzine (frekvencije) - frekvencija se stabilizuje na nižoj vrednosti od nominalne, dolazi do promene tokova aktivnih snaga prema susednim sistemima Sekundarna regulacija: - angažuju se određene jedinice tako što povećavaju snagu i dovode frekvenciju na nominalnu vrednost, kao i tokove aktivnih snaga sa susednim sistemima - oslobađa se primarna regulacija kako bi prihvatili naredni poremećaj Tercijerna regulacija, u slučaju ispada termoagregata (ispad traje duže): - angažuju se agregati koji nisu sinhronizovani na mrežu (hladna rezerva), a koji imaju skladišteni primarni energent (ugalj na deponiji, akumulisana količina vode)

Analiza rezervnih kapaciteta Osnovne karakteristike agregata sa stanovišta rezerve: - brzina startovanja - brzina promene opterećenja - raspoloživa energija Osnovni uslovi koje treba da ispuni rezervni proizvodni kapacitet: - postojanje skladišta primarnog energenta (deponija uglja kod TE, akumulisana količina vode kod HE, nuklearno gorivo u reaktoru NE) - postojanje slobodne snage (snage koja nije angažovana za pokrivanje konzuma) HE kao rezervni kapaciteti - posedovanje korisne zapremine akumulacije i određene količine vode - da je protok manji od instalisanog protoka elektrane - neophodna saglasnost ostalih korisnika vode i prostora na promene nivoa vode - brzina startovanja, kao i brzina promene opterećenja je različita kod pribranskih i derivacionih elektrane

TE kao rezervni kapaciteti: - raspolažu dovoljnim količinama uglja najmanje za 10 dana - promena opterećenja je spora zbog toplotne inercije kotlova - startovanje zahteva vreme od najmanje nekoliko sati - nizak tehnički minimim može izazvati prelivanje u HE TE-toplane kao rezervni kapaciteti: - optimalan radi ovih elektrana zahteva definisan odnos proizvodnje toplote i električne energije - najčešće nisu angažovane u letnjem periodu - ako kao energente koriste tečno gorivo ili gas, raste cena učešća u rezervi TE na prirodni gas (gasne elektrane) kao rezervni kapaciteti: - imaju brzo startovanje i značajnu brzinu promene snage - skladištenje primarnog energenta se vrši u podzemnim skladištima gasa ili se koristi gas iz gasovoda (100% raspoloživost energenta) - kratko vreme angažovanja zbog visoke cena gasa u odnosu na klasična goriva - mali investicioni troškovi

PAHE i RHE kao rezervni kapaciteti - njihove karakteristike zavise od veličine gornjeg akumulacionog bazena, raspoložive količine vode i mogućnosti pumpanja - angažuju se u operativnoj rezervi a mogu se angažovati i u hladnoj rezervi ako to omogućava gornji akumulacioni bazen OIE kao rezervni kapaciteti - vetroelektrane i solarne elektrane se ne koriste kao rezervni kapaciteti jer se njihovi primarni energenti ne mogu akumulirati - mogu se akumulirati jedino primarni energenti elektrana na biomasu Ključni uslov za normalno funkcionisanje EES-a: proizvodnja električne energije = potrošnja + svi gubici u sistemu Prethodni uslov nije jednostavno ispuniti zbog promenljivosti potrošnje i ograničene raspoloživosti proizvodnih kapaciteta

Pored tehničkih karakteristika, ekonomske karakteristike takođe utiču na korišćenje pojedinih proizvodnih jedinica: - fiksni troškovi: samo prisustvo proizvodne jedinice, u pogonu ili van pogona, uključuje troškove zbog koštanja objekta, osoblja, itd - varijabilni troškovi: zavise od cene goriva i od izlazne snage Princip smeštanja proizvodnih kapaciteta u dijagram opterećenja se vrši na osnovu tehničkih karateristika elektrane i minimuma troškova (stalnih i promenljivih), koriste se: - protočne HE - akumulacione HE - pumpno-akumulacione i reverzibilne HE - gasne elektrane - elektrane na obnovljive izvore energije - konvencionalne TE - termoelektrane-toplane - nuklearne elektrane

Protočne HE: - vreme pražnjenja akumulacije manje od 2h - raspoloživa snaga je određena raspoloživim dotokom i padom - dodeljuje im se bazni deo dijagrama kako bi radile bez prelivanja vode - imaju značajnu ulogu u vodnom delu godine, dok se u sušnom predviđa vreme za remont Akumulacione HE - vreme pražnjenja akumulacije duže od 2h - sposobne da za kratko vreme razviju Pmax koja ne zavisi od dotoka - imaju kratko vreme startovanja i brz ulazak u pogon - imaju veiku raspoloživost energije i snage - zbog manevarskih sposobnosti se koriste kao operativna rezerva - mogu da pokriju bilo koji deo dijagrama (sa dovoljno vode u njihovim akumulacijama), obično pokrivaju srednji deo dijagrama potrošnje Pumpno-akumulacione (reverzibilne) HE: - imaju sve sposobnosti kao i akumulacione HE - energija koju proizvode je skupa zbog utrošene energije na pumpanje - pokrivaju vršni deo dijagrama, kratkotrajnim angažovanjem

Gasne elektrane - mali investicioni troškovi - koriste skupa goriva (tečna goriva ili gas) - pokrivaju vršni deo dijagrama, nisu predviđene za duži rad - mogu brzo da se opterete do maksimalne snage, za 2-3 minuta - neke gasne elektrane mogu da se priključe na distributivnu mrežu a neke se koriste kao pomoćni izvori u nuklearnim elektranama Obnovljivi izvori energije - imaće značajnu ulogu u strukuturi proizvodnje u EES-u u budućnosti - njihova intermitentna priroda proizvodnje se može delimično ublažiti rezervnim kapacitetima u EES-u i delimično nalaženjem specijalnog mesta za njih na dijagramu potrošnje - vetroelektrane pokrivaju bazni deo dijagrama - solarne elektrane pokrivaju srednji deo dijagrama

Konvencionalne termoelektrane - ispunjavaju tehničke uslove za pokrivanje vršne snage na dijagramu potrošnje (ako ih ima u dovoljnom broju) ali to mogu da postignu uz operativne nedostatke i ekonomske troškove, izvestan broj TE mora biti u toploj rezervi (što utiče na pad efikasnosti) - u poređenju sa gasnim elektranama imaju veće investicione troškove ali koriste jeftinije gorivo Termoelektrane-toplane - proizvodnja električne energije je uslovljena potrebama za toplotnom energijom (tehnološka para ili vrela voda) - pokrivaju deo dijagrama prema zahtevima za proizvodnju toplote Nuklearne elektrane - imaju velike investicione troškove a koriste jeftino gorivo, zato su nepogodne za pokrivanje vršne potrošnje - predstavljaju velike proizvodne jedinice sa sporom promenom opterećenja što ih čini nepogodnim za pokrivanje vršne potrošnje - imaju veliki faktor efikasnosti, kada bi pokrivale vršno opterećenje faktor efikasnosti bi bio nizak - pokrivaju bazni deo dijagrama

Tabela 2.2: Tipovi proizvodnih jedinica u EES-u Tip elektrane NE TE na lignit TE na naftu gasna elektrana TE na ugalj protočna HE akumul. vetro-elektrana solarna elektrana deo dijagrama bazni vršni bazni, srednji relativni kapitalni troškovi 4.4 3.3 2.8 primarni energent uran pluton. lignit nafta gas ugalj voda vetar Sunčevo zračenje potrošnjja primarnog energenta Mtoe/kWh 11 11-14 9 10-12 relativni troškovi goriva 0.3 0.3-0.45 1.4 1.3 1.0 vreme startovanja 5.5h vreme sinhronizacije 40 min 75 min vreme do punog opterećenja 8.5h 8h (iz hladnog stanja) 90 min (iz toplog stanja) 90-120 brzina promene opterećenja %/min 0.1 2 4 5 3 50 opseg promene opterećenja min/max 0.8-1 0.6-1 0.25-1 0.3-1 ceo opseg radni vek, godina 15 30 20 Zagađenje okoline toplota i zračenje toplota i dim buka

Optimalna struktura proizvodnje u EES-u: zavisi od tehničkih i ekonomskih karakteristika pojedinih tipova proizvodnih jedinica u EES-u i od zahteva potrošnje Bazna potrošnja (40 do 60% potrošnje): pokriva se protočnim HE i velikim proizvodnim jedinicama koje čine TE na ugalj i nuklearne elektrane, vreme rada: praktično tokom čitave godine Srednji deo dijagrama potrošnje (30% do 40% potrošnje): pokriva se ‘cikličnim’ ili ‘srednjim’ proizvodnim jedinicama: manje modernim i manje efikasnim elektranama na fosilna goriva (ugalj, nafta ili gas), akumulacionim HE i gasnim elektranama ako je potrebno, generiše se skuplja energija, vreme rada 1500-4000h godišnje Vršni deo dijagrama potrošnje: pokriva se elektranama na gas ili naftu, pumpno-akumulacionim HE i drugim sistemima za skladištenje energije, vreme rada od nekoliko stotina do 1500h godišnje Tradicionalna struktura proizvodnje u EES-u sastavljena iz tri nivoa postaje sve manje atraktivna sa porastom cene fosilnih goriva i sa penalizacijom manje efikasnih elektrana zbor uticaja na životnu sredinu

1: protočne HE, VE 2: NE i TE >500MW 3: pumpanje vode 4: TE<500MW, akumulacione HE, solarne elektrane 5: elektrane na gas i naftu, uvoz 6: koriščenje skladištene energije 7: kriva potrošnje Slika 2.3: Doprinosi pojedinih elektrana u pokrivanju zimskog dijagrama potrošnje

Planiranje novih proizvodnih jedinica EES se sastoji iz: proizvodnje, prenosa, distribucije i potrošnje Slika 2.4: Struktura EES-a centralizovanom proizvodnjom

Slika 2.5: Struktura EES-a sa distribuiranom proizvodnjom

Struktura EES-a se menja: - potrošnja ima intermitentnu prirodu i stalno raste - proizvodnja se širi da bi se pokrila rastuća potrošnja - moraju da se grade nove elektrane da bi zamenile stare - uključuje se distribuirana proizvodnja Planiranje kapaciteta novih proizvodnih jedinica zahteva predikciju potrošnje nekoliko godina unapred Problem planiranja i projektovanja novih proizvodnih kapaciteta obuhvata određivanje optimalnog tipa, kapaciteta i lokacije da bi se obezbedila prognozirana potrošnja sa izvesnom pouzdanošću na horizontu od 7 godina Optimizacioni problem: minimimizacija ukupnih troškova (kapitalni troškovi, troškovi održavanja, troškovi goriva i troškovi gubitaka energije u komponentama EES-a) uz uvažavanje seta tehničkih, finansijskih, ekoloških i socijalnih ograničenja

Matematičko predstavljanje optimizacionog problema: uz ograničenja: gde su: f(x) – funkcija troškova u EES-u A i b – matrica i vektor koeficijena iz seta ograničenja X – vektor promenjivih koji treba da se odredi kao optimalno rešenje Načini rešavanja optimizacionog problema: - metoda linearnog programiranja uz uvažavanje slučajnih parametara potrošnje i proizvodnje - metoda Monte-Karlo simulacije rada sistema uz korišćenje parametarske analize

Pokrivanje potrošnje Problem usklađivanja proizvodnje sa potrošnjom (dispečerski problem): nalaženje optimalnog opterećenja svake generatorske jedinice na osnovu prognoze potrošnje za naredni dan i korigovanje rešenja u uslovima realne potrošnje Glavni problemi pri pokrivanju dijagrama potrošnje: - rasterećenje elektrana na početku noćnog smanjenja potrošnje - dovoljno brzo opterećenje elektrana pri jutarnjem porastu potrošnje - pokrivanje varijacija potrošnje u toku dana, posebno večernjeg pika - pokrivanja ispada proizvodne jedinice ili naglog porasta potrošnje (havarijska i regulaciona rezerva) Problemi varijacije potrošnje su vezi sa problemom stabilnosti napona i regulacije frekvencije

Slika 2.6: Uključenje rotirajuće rezerve u pokrivanje dijagrama potrošnje