Systemy off-grid mogą być jednym z elementów zwiększających odporność państwa na długotrwałe awarie sieci energetycznej. Przez wiele lat bezpieczeństwo energetyczne kojarzyło się przede wszystkim z dużymi elektrowniami, sieciami przesyłowymi, zapasami paliwa i zdolnością państwa do pokrycia zapotrzebowania na energię. Ostatnie lata pokazały jednak jeszcze jeden aspekt problemu: nie wystarczy energię wyprodukować. Trzeba jeszcze dostarczyć ją tam, gdzie jest potrzebna – i zrobić to również wtedy, gdy część infrastruktury przestaje działać.
Właśnie w tym miejscu pojawia się rola lokalnych systemów energetycznych zdolnych do pracy niezależnej od sieci.
Nie chodzi przy tym o zastępowanie krajowego systemu elektroenergetycznego tysiącami małych elektrowni. Byłoby to zarówno ekonomicznie, jak i technicznie nieracjonalne. Chodzi o coś innego: o zapewnienie wybranym obiektom możliwości dalszego funkcjonowania w sytuacji dłuższej przerwy w dostawie energii.
Off-grid to coś więcej niż fotowoltaika poza siecią
W Polsce określenie „systemy off-grid” jest nadal często kojarzone z domem stojącym daleko od sieci energetycznej, kilkoma panelami fotowoltaicznymi i akumulatorem.
To tylko jedno z możliwych zastosowań.
W szerszym znaczeniu system off-grid jest lokalnym systemem wytwarzania, magazynowania i zarządzania energią, który może funkcjonować bez zewnętrznego zasilania.
W zastosowaniach związanych z bezpieczeństwem szczególnie istotna staje się możliwość pracy wyspowej. Obiekt może w normalnych warunkach korzystać z sieci, ale po jej zaniku przechodzi na własne źródła energii.
I tu zaczyna się zasadnicza różnica pomiędzy zwykłą instalacją fotowoltaiczną a rzeczywistym systemem zapewniającym ciągłość zasilania.
Sam agregat również nie rozwiązuje całego problemu
Klasycznym rozwiązaniem stosowanym od dziesięcioleci jest agregat prądotwórczy. Technologia jest sprawdzona, stosunkowo prosta i pozwala uruchomić produkcję energii niezależnie od pogody.
Ma jednak oczywistą wadę: potrzebuje paliwa.
Jeżeli awaria trwa kilka godzin, zazwyczaj nie stanowi to większego problemu. Zupełnie inaczej wygląda sytuacja, gdy zasilania nie ma przez kilka dni, a jednocześnie utrudnione są transport i dostawy.
Dlatego bardziej interesującym kierunkiem stają się systemy hybrydowe.
Fotowoltaika może produkować energię w dzień. Nadwyżkę można zgromadzić w bateriach. Energia z magazynu może zasilać obiekt po zachodzie słońca albo podczas krótkich okresów zwiększonego zapotrzebowania.
Dopiero gdy energii słonecznej i energii zgromadzonej w bateriach zaczyna brakować, uruchamiane jest źródło sterowalne – na przykład agregat lub jednostka kogeneracyjna.
W takim układzie w naszym systemie off-grid silnik nie musi pracować przez całą dobę. Uruchamia się wtedy, kiedy rzeczywiście jest potrzebny.
Prąd to tylko połowa problemu
W polskich warunkach klimatycznych bezpieczeństwo energetyczne nie kończy się na energii elektrycznej.
Potrzebne jest również ciepło.
Dotyczy to szczególnie okresu zimowego. Obiekt posiadający własne zasilanie elektryczne, ale pozbawiony możliwości ogrzewania, po pewnym czasie również może stać się niezdatny do użytkowania.
Dlatego ciekawym rozwiązaniem jest połączenie lokalnej produkcji energii elektrycznej z kogeneracją.
Silnik napędzający generator wytwarza nie tylko energię elektryczną. Znaczna część energii paliwa zamienia się w ciepło. W zwykłym agregacie duża część tego ciepła jest odprowadzana do otoczenia przez układ chłodzenia i spaliny.
W układzie kogeneracyjnym można je odzyskać i wykorzystać do ogrzewania budynku lub przygotowania ciepłej wody.
W praktyce z tej samej ilości paliwa otrzymujemy więc dwa użyteczne produkty: prąd i ciepło.
Magazyn ciepła może być równie ważny jak bateria
W dyskusji o bezpieczeństwie energetycznym bardzo dużo uwagi poświęca się obecnie magazynom energii elektrycznej. Jest to uzasadnione, ale energia elektryczna nie zawsze musi być magazynowana w bateriach.
Jeżeli w danym momencie mamy nadwyżkę energii, a budynek potrzebuje ogrzewania, część energii można skierować do zbiornika buforowego z wodą.
Taki zbiornik staje się prostym magazynem energii cieplnej.
Pozwala to inaczej projektować cały system. Nie każda kilowatogodzina wyprodukowana przez fotowoltaikę musi trafić do baterii. Nie każda kilowatogodzina ciepła wytworzona podczas pracy silnika musi zostać natychmiast wykorzystana.
W naszym systemie off-grid energią można zarządzać zależnie od aktualnych potrzeb.
Gdzie takie systemy mogą mieć zastosowanie?
Lista potencjalnych zastosowań jest znacznie szersza niż same obiekty wojskowe.
Pierwszą grupę stanowi infrastruktura krytyczna: wodociągi, przepompownie, oczyszczalnie ścieków, elementy infrastruktury telekomunikacyjnej czy lokalne centra zarządzania.
Drugą są obiekty, których wyłączenie nawet na stosunkowo krótki czas może powodować poważne konsekwencje – placówki medyczne, magazyny, centra logistyczne czy obiekty wykorzystywane przez służby ratownicze.
Kolejnym zastosowaniem mogą być miejsca czasowego zakwaterowania ludności, schronienia oraz budynki publiczne wyznaczone do funkcjonowania w sytuacjach kryzysowych.
W każdym przypadku wymagania będą inne. Szpital potrzebuje innego systemu niż przepompownia, centrum telekomunikacyjne czy budynek administracyjny. Dlatego trudno mówić o jednym uniwersalnym zestawie off-grid odpowiednim dla każdego obiektu.
Rozproszenie może zwiększać odporność
Duży system energetyczny ma ogromną przewagę ekonomiczną i techniczną w normalnych warunkach pracy. Jednocześnie posiada elementy, od których zależy funkcjonowanie bardzo dużej liczby odbiorców.
Lokalne źródła energii wprowadzają inną filozofię.
Awaria jednego niewielkiego systemu dotyczy przede wszystkim obiektu, który ten system zasila. Nie powoduje automatycznie utraty zasilania przez dziesiątki innych instalacji.
Dlatego rozproszenie części zdolności wytwarzania i magazynowania energii może być jednym z elementów zwiększających odporność infrastruktury państwa.
Nie należy jednak wyciągać z tego wniosku, że systemy off-grid eliminują potrzebę istnienia silnej sieci elektroenergetycznej. Jest dokładnie odwrotnie. Najbardziej racjonalnym rozwiązaniem wydaje się połączenie obu modeli: sprawnej sieci w normalnych warunkach oraz lokalnej zdolności do samodzielnej pracy tam, gdzie przerwanie dostaw energii byłoby szczególnie niebezpieczne.
Problemem jest nie tylko produkcja energii
System przeznaczony do pracy awaryjnej musi być przygotowany na sytuację, w której przez większość czasu… nic się nie dzieje.
To wcale nie ułatwia zadania.
Baterie wymagają kontroli. Silnik wymaga okresowego uruchamiania i obsługi. Paliwo musi być dostępne. Automatyka musi wiedzieć, kiedy ładować magazyn, kiedy korzystać z fotowoltaiki, kiedy uruchomić generator i które odbiorniki mają pierwszeństwo.
Dlatego niezależność energetyczna nie polega na ustawieniu agregatu obok budynku.
Kluczowym elementem staje się zarządzanie energią.
W sytuacji ograniczonych zasobów system powinien w pierwszej kolejności zasilać urządzenia niezbędne do funkcjonowania obiektu, a dopiero później odbiorniki o niższym priorytecie.
Od instalacji off-grid do lokalnej mikroelektrociepłowni
Kolejnym etapem rozwoju takich rozwiązań może być połączenie kilku technologii w jeden system:
fotowoltaiki, magazynu energii elektrycznej, sterowalnego generatora, odzysku ciepła, magazynu energii cieplnej oraz automatycznego systemu zarządzania.
Właśnie w tym kierunku rozwijana jest koncepcja CEWITA.
Nie jest to próba zastąpienia krajowej energetyki ani rozwiązanie przeznaczone wyłącznie dla wojska. Założenie jest znacznie prostsze: stworzyć lokalne źródło prądu i ciepła, które w normalnych warunkach może ograniczać pobór energii z sieci, a w sytuacji awaryjnej umożliwić obiektowi dalszą pracę.
W zależności od potrzeb taki system może mieć kilka, kilkadziesiąt albo więcej kilowatów mocy.
Najtańsza energia nie zawsze jest najważniejsza
W normalnych warunkach przy wyborze źródła energii podstawowym pytaniem jest cena kilowatogodziny.
W sytuacji kryzysowej hierarchia wygląda inaczej.
Jeżeli bez energii przestaje działać pompa wody, łączność, ogrzewanie czy infrastruktura niezbędna do funkcjonowania obiektu, różnica kilku lub kilkunastu groszy w koszcie kilowatogodziny przestaje być najważniejszym parametrem.
Liczy się dostępność energii.
Dlatego systemów off-grid przeznaczonych do zwiększania odporności infrastruktury nie powinno się oceniać wyłącznie przez prosty czas zwrotu inwestycji. Część ich wartości stanowi ubezpieczenie na sytuację, która może nigdy nie wystąpić, ale której konsekwencje mogą być bardzo kosztowne.
Podobnie przecież traktujemy instalacje przeciwpożarowe, zasilanie awaryjne czy wiele innych systemów bezpieczeństwa.
Energetyka rozproszona jako element obrony cywilnej
Doświadczenia ostatnich lat przypomniały Europie, że odporność państwa nie zaczyna się i nie kończy na armii.
Potrzebna jest woda, ogrzewanie, żywność, transport, telekomunikacja i możliwość funkcjonowania podstawowych usług publicznych.
Wszystkie te elementy mają jeden wspólny mianownik: potrzebują energii.
Dlatego rozwój lokalnych systemów off-grid, magazynów energii i niewielkich źródeł kogeneracyjnych warto rozpatrywać nie tylko jako kolejny segment energetyki odnawialnej.
W określonych zastosowaniach mogą być również częścią infrastruktury zwiększającej odporność państwa na awarie, klęski żywiołowe, długotrwałe przerwy w dostawach energii oraz inne sytuacje kryzysowe.
Nie zastąpią elektrowni i sieci energetycznych.
Mogą natomiast sprawić, że awaria sieci nie będzie automatycznie oznaczała zatrzymania wszystkiego, co jest do niej podłączone.