Bilansowanie produkcji energii w ciepłownictwie

Historycznie systemy ciepłownicze opierały się na scentralizowanym podejściu: pojedyncze ciepłownie bazujące głównie na węglu dostarczały ciepło do odbiorców końcowych na danym obszarze. Scentralizowana architektura takiego układu była relatywnie łatwa do zarządzania i sterowania – niejednokrotnie rozruch ciepłowni następował na początku okresu grzewczego, a zatrzymanie na wiosnę – gdy temperatury wystarczająco wzrosły. Jednym z efektów zmiany klimatu jest znaczne skrócenie okresu grzewczego i wydłużenie się okresów z przejściowymi warunkami pogodowymi. Dostarczenie w takich okolicznościach odpowiedniej ilości ciepła, źródłami o wysokiej bezwładności (np. kotły węglowe) jest o wiele trudniejsze.

Dodatkowo zarządzanie sieciami ciepłowniczymi staje się trudniejsze ze względu na wymogi związane z potrzebą dekarbonizacji. Sprawiają one, iż takie obiekty muszą być rozbudowywane o nowe, niskoemisyjne źródła ciepła, takie jak układy kogeneracji kotły biomasowe, elektrodowe, czy farmy fotowoltaiczne. Na znaczeniu zyskują również magazyny ciepła oraz magazyny energii elektrycznej. Technologie te pozwalają zmniejszyć ślad węglowy, ale jednocześnie sprawiają, iż znacząco wzrasta stopień skomplikowania systemu ciepłowniczego.

Wpływają na to czynniki takie, jak:

• różny koszt jednostkowy wytworzenia energii w tych źródłach ciepła i energii elektrycznej,
• skrajnie różna bezwładność takich źródeł energii – od rzędu minut, dla układów kogeneracji, do rzędu godzin, dla kotłów węglowych,
• układy takie jak instalacje fotowoltaiczne, czy turbiny wiatrowe zależne wyłącznie od warunków pogodowych,
• dostępność paliwa oraz jego cena,
• wymogi związane z udziałem OZE w całkowitym miksie energetycznym danego obiektu.

Wszystko to sprawia, iż potrzebne jest nowe podejście do zarządzania takimi systemami, wymagające większej elastyczności, a tę mogą zagwarantować specjalistyczne rozwiązania informatyczne, zwłaszcza iż częścią systemu jest rozproszona sieć dystrybucyjna złożona z setek węzłów ciepłowniczych, które wymagają stałego monitorowania telemetrycznego. Oznacza to, iż generują bardzo dużo danych, które trzeba na bieżąco analizować. Bez zaawansowanych rozwiązań informatycznych taka analiza nie jest już możliwa.

Współczesne systemy ciepłownicze

Dane na trzech poziomach zarządzania

Warto przy tym dodać, iż bieżące zbieranie informacji z całego systemu ciepłowniczego ma najważniejsze znaczenie, ponieważ z jednej strony pozwala utrzymać ciągłość dostaw do odbiorców, a z drugiej opracowywać nowe modele biznesowe, pozwalające dostosowywać się do bieżącej sytuacji w sieci i na rynku, by generować jak największy zysk. Zasadniczym zadaniem tych systemów cyfrowych jest więc zbieranie informacji i dostarczanie ich tam, gdzie są najbardziej potrzebne, czyli na trzy główne poziomy: operacyjny, taktyczny i strategiczny, by na każdym z nich bilansować zużycie i produkcję energii.

Na poziomie operacyjnym dane można wykorzystać lokalnie do sterowania konkretnym podsystemem, dostosowując w czasie rzeczywistym jego ustawienia do wymagań otoczenia. Na przykład dzięki funkcji „zero export” można zablokować wprowadzanie energii do sieci w konkretnym przedziale czasowym, choćby dlatego, iż właśnie wtedy jej cena jest ujemna.

Działanie na poziomie taktycznym pozwala poszerzyć spojrzenie i przez pryzmat danych z systemu informatycznego zobaczyć cały układ, sterować produkcją w perspektywie średnioterminowej na przykład w okresie jednej doby mając na względzie to, jakie jest zapotrzebowanie na ciepło sieci, albo bieżące ceny energii.

Wreszcie na poziomie strategicznym dane służą do tego, by patrzeć na wskaźniki biznesowe, które rzutują na całą sieć ciepłowniczą i jednostki wytwórcze, na przykład prognozowane ceny energii w perspektywie tygodnia, czy wymogi związane z całkowitym udziałem odnawialnych źródeł energii w miksie energetycznym przedsiębiorstwa. Dzięki ich poznaniu można lepiej dopasować produkcję do strategicznych założeń.

Trzy kroki technologiczne

Pierwszym krokiem jest integracja baz danych i sygnałów pochodzących ze wszystkich źródeł wytwórczych, węzłów ciepłowniczych i ze wszystkich systemów automatyki oraz źródeł zewnętrznych takich jak prognozy pogody czy towarowa giełda energii. Chodzi o to, by był w stanie pobierać dane z wykorzystaniem różnych protokołów komunikacyjnych.

Drugi krok to archiwizacja danych w bazie historycznej. Należy zadbać o to, by system informatyczny był skalowalny. Aby to osiągnąć, należy wykorzystać rozwiązania gwarantujące archiwizowanie bardzo dużych ilości danych z dużą częstością, a więc przemysłowe bazy danych.

Trzeci krok polega na wykorzystaniu technik wizualizacji tych parametrów i dostarczeniu interfejsów operatorskich osobom, które zarządzają systemami ciepłowniczymi na wspomnianych trzech poziomach: operacyjnym, taktycznym i strategicznym. Na poziomie strategicznym doskonale sprawdzają się rozwiązania, które z lotu ptaka prezentują całą sieć ciepłowniczą, a więc systemy typu control room, które w jednym pomieszczeniu zbierają i wizualizują dane dotyczące całego przedsiębiorstwa.

Czy rewolucja już się zaczęła?

Bilansowanie zużycia energii dzięki systemom informatycznym stosują wszystkie przedsiębiorstwa ciepłownicze. Różny pozostaje jednak sposób zaawansowana implementacji rozwiązań. Wiele organizacji nie stosuje jeszcze komponentu AI, inne wciąż pracują nad integracją źródeł danych. Jest jednak silna presja, by podejmować działania modernizacyjne. Z jednej strony odpowiadają za nią regulacje unijne, wymuszające dekarbonizację, z drugiej strony są zachęty w postaci dofinansowań i licznych programów pomocowych dla modernizujących się przedsiębiorstw.

Podsumowując, wykorzystanie centralnych systemów informatycznych typu control room do bilansowania produkcji energii, zintegrowanych z narzędziami sztucznej inteligencji staje się coraz bardziej pożądanym kierunkiem w ciepłownictwie. Pozwala tak zarządzać siecią czy jej poszczególnymi węzłami, by minimalizować cenę jednostkową wytworzenia energii w zależności od czynników wewnętrznych i zewnętrznych. Systemy te ułatwiają utrzymanie ciągłości dostaw, ale otwierają też nowe możliwości biznesowe, pozwalając firmom ciepłowniczym wzmacniać swoją pozycję rynkową i generować dodatkowe zyski.