Polski przemysł: energetyka

Energetyka to jeden z najważniejszych sektorów gospodarki. Na jej efektywność coraz większy wpływ ma rozwój szeroko pojętej automatyki przemysłowej oraz systemów pomiarowych. To właśnie innowacyjność ma być również kluczem do rozwoju energetyki przyjaznej dla środowiska.

Branża energetyczna zajmuje się wytwarzaniem, przesyłaniem, dystrybucją i handlem energią elektryczną, paliwami gazowymi oraz energią cieplną zawartą w parze wodnej, gorącej wodzie i powietrzu. Innymi słowy, jest to dział gospodarki, na który składają się: elektroenergetyka, gazownictwo i ciepłownictwo.
W obszarze tym można wyróżnić dwa sektory – energetykę zawodową i przemysłową.W pierwszym przypadku wytwarzanie i dystrybucja energii to główna działalność przedsiębiorstwa (np. elektrociepłownie, elektrownie, sieci przesyłowe itd.). W drugim wytwarzanie energii stanowi niejako drugoplanową działalność w stosunku do głównego procesu zakładu, który wykorzystuje ją przede wszystkim na własne potrzeby – niekiedy nadwyżki energii oddawane są do sieci, ale nie jest to regułą.

Sektor energetyczny w Polsce – dziś i jutro 
Do podmiotów operujących na polskim rynku energii elektrycznej należą: 
-> przedsiębiorstwa będące wytwórcami energii elektrycznej (np. elektrownie systemowe, elektrociepłownie komunalne i przemysłowe, niezależni producenci energii); 
-> Polskie Sieci Elektroenergetyczne – spółka Skarbu Państwa zajmująca się zarządzaniem Krajowym Systemem Elektroenergetycznym – przesyłem energii elektrycznej poprzez sieci najwyższych napięć; 
-> operatorzy systemów dystrybucyjnych; 
-> spółki zajmujące się obrotem energią elektryczną.
W strukturze wytwarzania energii elektrycznej w Polsce dominującymi obiektami pozostają elektrownie i elektrociepłownie na węgiel kamienny i brunatny. Ze względu jednak na konieczność spełnienia przez nasz kraj celów polityki klimatycznej UE, w ostatnich latach dynamicznie rozwijał się segment wytwórców energii elektrycznej i ciepła z odnawialnych źródeł energii (OZE). Ich wykorzystanie w istotny sposób minimalizuje negatywny wpływ energetyki konwencjonalnej na środowisko naturalne, głównie poprzez ograniczenie emisji dwutlenku węgla, pyłów oraz związków siarki i azotu. Mimo że obecnie w rodzimej branży OZE panuje zapaść, to jednak, zdaniem ekspertów, udział w rodzimym miksie energetycznym innych źródeł energii niż węgiel będzie się stopniowo zwiększał.
Na odnawialne źródła energii składają się: elektrownie wiatrowe, elektrownie wodne, elektrownie oraz elektrociepłownie biomasowe i biogazowe, współspalające biomasę i biogaz, a także elektrownie słoneczne.
Wśród źródeł OZE w Polsce największą moc zainstalowaną mają elektrownie wiatrowe. Powołując się na dane Urzędu Regulacji Energetyki, w ciągu ostatnich pięciu lat moc zainstalowana w energetyce wiatrowej wzrosła o ok. 3300 MW, osiągając na koniec roku 2016 łącznie 5800 MW. 
Według prognozy zapotrzebowania na paliwa i energię do 2050 r., przygotowanej przez Krajową Agencję Poszanowania Energii na zamówienie Ministerstwa Gospodarki, polska energetyka w połowie wieku będzie się znacznie różnić od dzisiejszej, opartej prawie w 90% na węglu. Przewiduje się, że w 2050 r. nastąpi ukształtowanie się miksu elektroenergetycznego wciąż z największym, choć mniejszym niż obecnie, udziałem energii elektrycznej wyprodukowanej z węgla kamiennego (33% – wobec 57% dziś). Zróżnicowane technologie produkcji energii ze źródeł odnawialnych łącznie osiągną wówczas udział zbliżony do energetyki węglowej (33%), jednak dalszy wzrost ich znaczenia będzie hamowany przez ograniczoną dyspozycyjność farm wiatrowych i fotowoltaiki. Energia jądrowa będzie odpowiadała za 19% produkowanej energii, natomiast gaz – za 9%. Z kolei jedynie 5% energii elektrycznej w 2050 r. (wobec 29% dziś) produkować będą dobiegające końca eksploatacji ostatnie bloki opalane węglem brunatnym.
W oparciu o automatykę
Nowoczesneelektrownie – w tym również te konwencjonalne, zasilane np. węglem kamiennym – pracują w oparciu o kompleksową sieć czujników, sterowników cyfrowych oraz komputerów nadzorujących, która pozwala na obsługę i skoordynowanie podsystemów całej elektrowni. 
W przypadku ciepłowni i elektrociepłowni automatyzacja ma na celu zapewnienie właściwej i automatycznej pracy źródła przy zmieniającym się zapotrzebowaniu na ciepło, parę i energię elektryczną. System automatyki powinien obejmować wszystkie węzły technologiczne ciepłowni i elektrociepłowni: kotły energetyczne, pompy zasilające kotłów i pompy sieciowe, uzdatnianie wody, uzupełnianie i napełnianie sieci, zasilanie obiektu i wyprowadzenie mocy, przygotowanie i podawanie paliwa, doprowadzenie powietrza i odprowadzenie spalin, usuwanie pyłu i żużla, a także turbiny, wymienniki i stacje redukcyjne.
Istotnym zadaniem systemu automatyki w tego rodzaju zakładach jest zbieranie kompletnych danych dotyczących: zużycia paliw (węgla, biomasy, gazu, oleju), zużycia energii na potrzeby własne (ciepła i energii elektrycznej), produkcji ciepła i energii elektrycznej (dla wszystkich typów odbiorców), a także emisji do atmosfery substancji szkodliwych.
W przypadku sektora energetycznego – niezwykle wrażliwego na wszelkie nieprawidłowości w przesyle danych – bardzo ważną kwestią jest zapewnienie swobodnej i bezproblemowej wymiany informacji pomiędzy urządzeniami, co jest gwarantem ciągłości dostaw energii. Przykładem działań mających na celu zmniejszenie wskaźników czasu trwania przerw w dostawach energii elektrycznej jest instalowanie na liniach wysokiego napięcia specjalnych punktów pomiarowych, składających się ze stacji pogodowej, urządzeń zasilających oraz modułu komunikacyjnego przesyłającego dane do serwera systemu komputerowego. Specjalistyczne oprogramowanie, na podstawie zebranych danych, wylicza maksymalny prąd obciążenia dla każdej linii, a zebrane i wyliczone dane są dostępne w systemie informatycznym i służą dyspozytorom w ich codziennej pracy.

Automatyka dla wiatru i słońca
Elektrownie wiatrowe, wytwarzające energię elektryczną przy pomocy generatorów (turbin wiatrowych) napędzanych energią wiatru, są najczęściej wykorzystywane na Wybrzeżu, gdzie z dużą prędkością wieją silne wiatry. Najwięcej zespołów elektrycznych wiatrowych można spotkać w Polsce w pobliżu wyspy Wolin. Ogólnie szacuje się, że w naszej strefie morskiej da się zlokalizować farmy wiatrowe o łącznej mocy nawet powyżej 10 tys. MW. Zgodnie z prognozami do 2030 r. ich moc osiągnie 5 tys. MW. Na lądzie przybędzie też 5 tys. MW nowych instalacji, w wyniku czego łączna moc elektrowni wiatrowych w Polsce w 2030 r. mogłaby wynieść ok. 15 tys. MW.
W celu optymalnego wykorzystania energii zawartej w strumieniu powietrza – a tym samym dopasowania prędkości turbiny do prędkości wiatru – ważne jest odpowiednie sterowanie takimi parametrami, jak: prędkość obrotowa, moment rozwijany przez wirnik i moc oddawana przez prądnicę. 
Podstawą kontroli jest utrzymanie stałej prędkości wierzchołkowej łopatki w stosunku do prędkości wiatru, dzięki czemu można uzyskać optymalny współczynnik wykorzystania energii wiatru. Układ kontroli stale mierzy prędkość obrotową wirnika oraz aktualną prędkość wiatru. Gdy prędkość obrotowa jest zbyt niska dla zastanej prędkości wiatru, wówczas prostownik zostaje odpowiednio wysterowany i następuje przyspieszenie wirnika do odpowiedniej prędkości. Kiedy prędkość wiatru osiągnie wartość wystarczającą do uzyskania nominalnej mocy, należy zmienić ustawienia łopat wirnika. Wraz ze wzrostem prędkości wiatru odpowiednio zwiększany jest kąt natarcia łopatki, aby zmniejszyć moment aerodynamiczny rozwijany przez wirnik. Dzięki temu, że działanie przekształtnika jest dużo szybsze od mechanizmu zmiany ustawienia łopat, można uniknąć niepotrzebnych strat mocy.
Obecnie oferta dla energetyki wiatrowej jest bardzo szeroka i obejmuje całe spektrum produktów, systemów i usług. W asortymencie dostawców znajdują się generatory dla turbin, transformatory rozdzielcze oraz mocy, rozdzielnice i całe kompaktowe podstacje rozdziału wtórnego, przekształtniki niskiego napięcia oraz przekształtniki mocy średniego napięcia, a także aparaty niskiego, średniego i wysokiego napięcia – m.in. wyłączniki, przekładniki, ograniczniki przepięć, styczniki oraz zabezpieczenia. 
W przypadku turbin wiatrowych bardzo ważną rolę odgrywają systemy diagnostyczne, które w trybie ciągłym analizują podstawowe funkcje maszyny oraz jakość produkowanej energii elektrycznej. Ewentualne awarie są sygnalizowane operatorowi farmy wiatrowej w sposób zdalny. Chcąc sprawdzić, z jaką usterką mamy do czynienia, oraz podjąć odpowiednie działania zgodnie z procedurami (np. wstrzymać pracę lub zaplanować wizytę serwisową), wystarczy dostęp do Internetu. Dodatkowe bezpieczeństwo gwarantuje monitoring wizyjny oraz system alarmowy. Dzięki takim rozwiązaniom elektrownie wiatrowe są praktycznie bezobsługowe i nie wymagają obecności człowieka na miejscu. 
Innym źródłem energii odnawialnej jest energia słońca. Systemy fotowoltaiczne są coraz szerzej stosowane, również w strefie o nasłonecznieniu podobnym jak w Polsce. Zważywszy na to, że ich ceny sukcesywnie spadają, już za kilka lat powinny osiągnąć konkurencyjność w stosunku do paliw kopalnych. W ofercie dostawców operujących na polskim rynku znajduje się również szeroki wachlarz produktów przeznaczonych dla rynku energetyki słonecznej, w tym również dla dużych elektrowni słonecznych o mocach do kilku megawatów. Są to m.in. transformatory, aparatura rozdzielcza czy inwertery solarne, różnego rodzaju systemy przeznaczone do dystrybucji energii i jej monitorowania. 
Jeśli chodzi o przemysł fotowoltaiczny, pomocnym rozwiązaniem są z pewnością roboty i systemy zrobotyzowane, które świetnie sprawdzają się przy obsłudze zarówno paneli słonecznych, jak i większych elementów, takich jak np. moduły solarne.
<—newpage—>Woda jako źródło energii
Pozostając w temacie OZE, warto wspomnieć też o elektrowniach wodnych, które są stosunkowo tanim źródłem energii i mogą szybko zmieniać generowaną moc w zależności od zapotrzebowania. Ich wadą jest ograniczona liczba lokalizacji, w których da się je budować. Ponieważ na terenie Polski nie ma zbyt dużo odpowiednich rzek, moc polskich hydroelektrowni jest niewielka. 
Elektrownie wodne można podzielić na: pływowe (wykorzystują energię potencjalną wody morskiej spiętrzonych w czasie pływów), przepływowe (buduje się je na rzekach, stawiając zapory wodne, np. na Sanie w Solinie i na Wiśle we Włocławku), małe elektrownie wodne (określane skrótem MEW, o mocy poniżej 5 MW) oraz szczytowo-pompowe, w których uzyskuje się największą ilość energii elektrycznej (m.in. w Żarnowcu, Żydowie i na górze Żar w Beskidach). 
Aby elektrownia wodna pracowała w optymalny sposób, niezbędne jest odpowiednie jej zautomatyzowanie, czyli zastosowanie czujników, sterowników oraz różnego rodzaju urządzeń śledzących parametry pracy i umożliwiających osiągnięcie najwyższej wydajności. Wykorzystywane są systemy kontroli i sterowania, w których główne funkcje to m.in.: kontrola prędkości obrotowej turbiny, ustawianie kąta i kierunku łopatek wirnika i kierowniczych, ustalenie skrajnych pozycji łopatek; kontrola mocy generatora i przepływu wody, kontrola nastaw założonych, zabezpieczenia przeciw porażeniom i pożarom, ochrona maszyn.
W elektrowniach wodnych zastosowanie znajdują takie rozwiązania, jak czujniki i mierniki, a także inne elementy mające bezpośredni wpływ na przepływ: iglice, odchylacze strumienia, jazy oraz oprzewodowanie służące sterowaniu i sygnalizacji; elementy wykonawcze – siłowniki; systemy bezpieczeństwa – ograniczniki przepływu, zawory, sprzęgła, wyłączniki; systemy kontroli: pętle kontroli pozycji, prędkości, mocy; systemy komunikacyjne: panele operacyjne oraz telemetria.
Obecnie dzięki zastosowaniu innowacyjnych systemów automatyki możliwe jest sterowanie z dowolnego miejsca całą elektrownią, bez konieczności stałego nadzoru operatora nad pracą turbiny oraz ręcznego sterowania poszczególnymi urządzeniami. Co ważne, ogromną zaletą transmisji danych pomiędzy sterownikiem a innymi wyspecjalizowanymi urządzeniami związanymi z hydrozespołem (np. regulator turbiny, zabezpieczenia elektryczne, przetworniki pomiarów elektrycznych, system diagnostyki drgań) jest dostęp do pełnej informacji o stanie wszystkich urządzeń, co pozwala odpowiednio wcześnie interweniować w przypadku pojawienia się awarii. 
Jeśli chodzi o małe elektrownie wodne (MEW), każda tego rodzaju jednostka powinna być zautomatyzowana w zakresie niezbędnym technicznie. Wymagają tego względy bezpieczeństwa pracy MEW oraz warunki eksploatacji, które winny być spełnione przez te elektrownie.
W MEW bezobsługowych z nadzorem okresowym wymagany jest maksymalny stopień automatyzacji. O wyborze zakresu automatyzacji szerszym niż niezbędny decyduje właściciel MEW. W MEW automatyzacja może dotyczyć takich procesów, jak: uruchomienie hydrozespołu, zatrzymanie i odstawienie hydrozespołu, regulacja turbin, kontrola parametrów MEW, rejestracja zachodzących procesów, generowanie i zapis alarmów, sterowanie obciążeniem i kolejnością załączania poszczególnych generatorów.
Bardzo ważną kwestią jest też wizualizacja pracy MEW – zobrazowana np. na monitorze komputera PC czy panelu operacyjnym dotykowym – która pozwala na zbieranie i archiwizację najważniejszych danych, śledzenie pracy MEW na odległość w trybie online, a także na wczesną interwencję w przypadku wystąpienia niepokojących zjawisk. Komunikacja z MEW może się też odbywać za pośrednictwem sieci GSM – modemy komunikacyjne GSM umożliwiają np. zbieranie danych o pracy elektrowni, w tym m.in. informacji o aktualnej mocy chwilowej turbozespołów czy obniżeniu poziomu wody górnej. 

Drony w energetyce
W energetyce z powodzeniem stosowane są też drony, zwłaszcza w takich obszarach, jak sieci elektroenergetyczne (monitorowanie linii napowietrznych), elektrownie konwencjonalne, jądrowe czy wykorzystujące OZE. Dzięki użyciu dronów można ocenić m.in.: skutki zniszczeń spowodowanych przez anomalie pogodowe, stan luster fotowoltaicznych elektrowni słonecznych, a nawet ewentualne zniszczenia w elektrowniach atomowych.Wykorzystanie dronów w energetyce sprowadza się głównie do monitoringu infrastruktury. Drony z powodzeniem zastępują helikoptery używane do inspekcji linii energetycznych – drogie w eksploatacji oraz mniej dokładne. Nowoczesne, małe bezzałogowce mogą wykonać pomiary z bardzo bliskiej odległości i pod różnymi kątami. Jest to szczególnie istotne w przypadku montażu na dronie sensora termowizyjnego. Drony doskonale nadają się do wykrywania m.in. korozji, przerwania przewodów energetycznych oraz określenia stopnia ich zużycia, a także pozwalają zidentyfikować roślinność znajdującą się zbyt blisko linii przesyłowych.
Drony są też wykorzystywane w elektrowniach wiatrowych. Dzięki temu, że potrafią osiągnąć pułap nawet ok. 200 m, możliwe staje się przeprowadzenie profesjonalnej analizy najwyższych masztów. Pozwalają na sprawne i szybkie przeprowadzenie m.in. kontroli generatora i elementów wirujących, a także łopat turbin wiatrowych. 
Można je stosować również do regularnych inspekcji paneli fotowoltaicznych oraz diagnostyki. Dodatkowo, stosując kamery termowizyjne zintegrowane z systemem GPS, jesteśmy w stanie stworzyć całą mapę terenu wraz z przestrzennym rozkładem temperatur.
Wykorzystanie dronów do diagnostyki termowizyjnej pozwala na skrócenie czasu takiego badania, szybszą lokalizację usterek oraz zwiększenie niezawodności całej elektrowni słonecznej.
Inteligentne sieci energetyczne
Smart grids to inteligentne sieci elektroenergetyczne, w których wszyscy uczestnicy rynku energii (włącznie z dostawcą) komunikują się ze sobą cyfrowo, zapewniając obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności oraz zintegrowanie rozproszonych źródeł energii, w tym także energii odnawialnej. Rozwiązanie to łączy tradycyjne sieci elektroenergetyczne z nowoczesnymi technologiami komunikacyjnymi i informatycznymi, automatyką, generacją rozproszoną czy rozwiązaniami mobilnymi. 
Przedsiębiorstwa elektroenergetyczne od wielu lat wydają ogromne sumy na automatyzację i optymalizację przesyłu i dystrybucji, postrzegając je jako istotny element strategii budowy sprawnej sieci. Aby stała się ona bardziej „inteligentna”, firmy inwestują w rozwiązania oferowane przez różnych producentów, takie jak automatyzacja podstacji, automatyzacja dystrybucji, inteligentne liczniki, zarządzanie stroną popytową, zarządzanie zasobami energii odnawialnej itd.
Te narzędzia i technologie mogą być zastosowane przez przedsiębiorstwo energetyczne w celu poprawienia ogólnej jakości usług energetycznych, dzięki właściwemu zarządzaniu np. stratami technicznymi lub rozproszonym wytwarzaniem energii. Przykładem mogą być narzędzia teleinformatyczne, które automatyzują kontrolę przepływów energii oraz przywracają po usterce sprawność sieci energetycznej w taki sposób, aby przerwy w dostawie prądu były jak najkrótsze.
Przeprowadzenie takiej automatyzacji wymaga zainwestowania w następujące rozwiązania: komponenty pomiarowe (transformatory prądowe, inteligentne liczniki itp.), komponenty przełączające i zabezpieczające (bezpieczniki, wyłączniki z samoczynnym ponownym zamykaniem, statyczne kompensatory mocy itp.), sieci komunikacyjne umożliwiające transmisję typu backhaul danych dotyczących energii oraz zdalne kontrolowanie komponentów, operacje (zarządzanie popytem, zarządzanie energią odnawialną, monitorowanie sieci, obsługa pracowników mobilnych, zarządzanie danymi pomiarowymi itp.).
Korzyści płynące z wprowadzenia inteligentnych urządzeń pomiarowych dotyczą możliwości indywidualnego dostosowania taryf dla konkretnych grup odbiorców, ograniczenia zużycia energii i wzrostu efektywności zużycia na skutek lepszego dostosowania popytu i podaży energii. 
Ponadto tego typu rozwiązania zmniejszają bariery w przypadku zmiany sprzedawcy energii elektrycznej, powodują wzrost jakości dostarczanej energii elektrycznej i szybsze uporanie się z problemami, które wystąpią w sieci.

Informatyzacja w sektorze energetycznym
Informatyzacja w zakładach związanych z energetyką postępuje krok za krokiem. Jak podkreśla Jacek Piotrowski, dyrektor zarządzający sektora utilities w firmie Sygnity, bez narzędzi IT firmy nie będą w stanie sprostać nowym wyzwaniom rynku. Zdaniem eksperta najlepiej sprawdzają się rozwiązania, które pozwalają na automatyzację wszelkich procesów związanych z zarządzaniem majątkiem i skuteczną obsługą klienta. 
Dzięki odpowiednim narzędziom informatycznym firmy mogą budować swoją przewagę konkurencyjną. Jest to o tyle istotne, że rynek energetyczny stał się bardzo rozproszony. Jeszcze kilka lat temu na polskim rynku było zaledwie kilku dużych graczy. Dziś działa na nim prawie 130 podmiotów, które sprzedają energię – przy czym ta liczba stale rośnie. Narzędzia IT wspierają elektroenergetykę w zakresie produkcji i sprzedaży energii, rozliczania obrotu energią, a także zarządzania danymi pomiarowymi, świadczenia usług dystrybucyjnych, obsługi klientów czy zarządzania majątkiem sieciowym.
Dla firm z sektora małych i średnich przedsiębiorstw dobrym rozwiązaniem jest też chmura publiczna, gdzie funkcjonalności są łatwo dostępne przy stosunkowo niskich nakładach na budowę infrastruktury. 
Autorka: Agata Abramczyk jest dziennikarką, publicystką, autorką tekstów, pasjonatką nowoczesnych technologii, od wielu lat związaną z branżą dziennikarską i wydawniczą.
Tekst pochodzi z nr 3/2017 magazynu "Control Engineering". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.