SYSTEMY ENERGETYCZNE

ZASTOSOWANIE METOD OGÓLNEJ TEORII SYSTEMÓW DO TWORZENIA, BADANIA I ROZWOJU SYSTEMÓW ENERGETYCZNYCH

Systemem nazywamy wszelki skoordynowany wewnętrznie i wykazujący określoną strukturę układ elementów. Układ taki, rozpatrywany od zewnątrz jest całością, rozpatrywany od wewnątrz - zbiorem, do którego przynależność warunkuje związki wzajemnej zależności między wszystkimi jego elementami:

- ogół elementów systemu to skład systemu,

- ogół relacji między tymi elementami to struktura systemu.

Systemem nazywamy również zespół metod działania i wykonywania złożonych czynności oraz całokształt zasad organizacyjnych, norm i reguł, obowiązujących i stosowanych w danej dziedzinie.

Zagadnienia związane z konstruowaniem i badaniem systemów w różnych znaczeniach tego terminu są przedmiotem badania wielu nauk. Problematyką systemów w sensie najogólniejszym zajmuje się prakseologia i cybernetyka. W ramach ogólnej matematycznej teorii systemów opracowano matematyczne metody analizy systemowej i modelowania systemów.

Metody modelowania powinny realizować szybkie i przejrzyste przedstawienie szerokiego zakresu rzeczywistych sytuacji, warunków i powiązań o różnym charakterze. Sama metoda modelowania powinna umożliwiać i stymulować aktywną współpracę autorów modelu z ekspertami z dziedzin, które model opisuje. Warunek ten jest - z praktycznego punktu widzenia - bardzo ważny dlatego, że opracowanie modelu, ewentualnie zbioru modeli, nie jest bynajmniej tylko sprawą metod matematycznych, ale konstruowanie modeli i praca nad nimi powinna być prowadzona przez liczne zespoły fachowców z różnych dziedzin (podejście interdyscyplinarne). Metody modelowania powinny być dostatecznie ogólne, umożliwiając przejścia między poszczególnymi submodelami i poziomami hierarchicznymi, tak aby wyniki uzyskane za pomocą modelu na niższym poziomie można było włączyć do modelu na wyższym stopniu hierarchii bez naruszenia struktury systemu.

Rys. 1. Schemat logiczny postępowania przy modelowaniu

W badaniu rzeczywistych, dużych, wielopoziomowych systemów często staje się przed barierą ograniczonej wiedzy o nich. Wśród wielu wzajemnie powiązanych grup czynników decydujących o niedoprecyzowaniu wielkich systemów dynamicznych można przede wszystkim wymienić:

Czynniki nieokreśloności dotyczące systemu w każdym czasie

- wielka liczba elementów w systemie i ich duża niejednorodność oraz stosowane w opisie systemów grupowania elementów w klasy i posługiwanie się w nich uśrednionymi i uproszczonymi charakterystykami,

- losowość zmian stanu poszczególnych elementów oraz wielka liczba możliwych stanów systemu,

- szczególne trudności rozpoznawania stanów i struktury podsystemów socjologicznych, ekologicznych, geologicznych itp. oraz właściwego charakteryzowania ich elementów,

- wielość możliwych struktur roboczych systemu, ich duża złożoność i zmienność w czasie,

- bardzo liczne i niedostatecznie znane powiązania systemu z otoczeniem, istotny wpływ otoczenia na system oraz niedosta-teczna wiedza o tym otoczeniu,

- wielofunkcyjność wielkiego systemu dynamicznego, ograniczone możliwości uściślenia i sprecyzowania celów i zadań oraz zapewnienia ich wzajemnej zgodności i integracji wewnątrz systemu,

- brak możliwości pełnego zdeterminowania i określenia jakości sterowania i zarządzania, decydujących o skuteczności i efektywności działania systemu,

- błędy pobierania, przesyłania i przetwarzania oraz agregacji i dezagregacji informacji w wielkim systemie,

- brak praktycznych możliwości pełnego odwzorowania i przeliczenia systemu.

Czynniki niepewności odnoszące się wyłącznie do przyszłości systemu

- czynniki niepewności odnoszące się do stanów natury (przyrody),

- czynniki niepewności odnoszące się do postępowania osób i instytucji.

Niepewność dotycząca przyszłości systemu poszerza się i pogłębia wraz ze zwiększaniem:

- wielkości systemu oraz liczby i różnorodności elementów w systemie,

- liczby i siły powiązań wewnętrznych i zewnętrznych systemu,
- zakresu zmian strukturalnych,
- zakresu wprowadzania nowych reguł i zasad działania,
- ogólnej dynamiki systemu,

- długości rozważanego horyzontu czasu ( predykcji ).

Wskazane powyżej nieokreśloność i niepewność są tylko częściowe. Prawie zawsze dysponuje się również pewną wiedzą dotyczącą przyszłości systemu, wynikającą choćby tylko z bezwładności materialnej konkretnego systemu dyna-micznego i jego otoczenia. Istotne są również pewne determinanty zewnętrzne w formie np. określonych decyzji władz, zbiorów praw i zasad działania oraz funkcjonowania systemu, a także świadomość jego wewnętrznej racjonalności i celowości. Wszystko to pozwala, mówiąc ogólnie o opisie informacyjnym systemu i jego otoczenia, wyróżnić następujące obszary:

- obszar informacji deterministycznych,

- obszar informacji probabilistycznych i stochastycznych,

- obszar nieokreśloności, dla którego brak wiarygodnych informacji.

W miarę oddalania rozpatrywanego horyzontu czasowego obszar nieokreśloności w opisie informacyjnym danego systemu zwykle się poszerza, a dwa pierwsze obszary szybko się zwężają. Istotne dla praktyki jest określenie zakresu poszczególnych obszarów informacyjnych dla różnych rozpatrywanych horyzontów czasu.

Metody matematycznej analizy i modelowania systemów mogą mieć zastosowanie do opisu i badania problematyki związanej z gospodarką paliwowo-energetyczną na różnych poziomach: światowym, krajowym, regionalnym, komu-nalnym, zakładowym itp. Energia, która jest tutaj głównym obiektem zainteresowania, a ściślej mówiąc jej pozyskiwanie, przetwarzanie, przesyłanie i wykorzystywanie, musi być w obecnej dobie rozpatrywana nie tylko w aspekcie technicznym i ekonomicznym ale również ekologicznym i socjologicznym. Zaspokajanie potrzeb energetycznych staje się coraz waż-niejszym i trudniejszym problemem społeczności ludzkich. Coraz częściej wyczuwa się konieczność ujmowania energii jako systemu, a jego złożoność i zakres stawia wysokie wymagania metodologii modelowania. Głównymi problemami są w tym przypadku: wielorakość celów, podejmowanie decyzji w warunkach nieokreśloności i niepewności, konieczność poszukiwania rozwiązań optymalnych itp.

CECHY I STRUKTURA DUŻYCH SYSTEMÓW ENERGETYCZNYCH ORAZ ICH MODELOWANIE I OPTYMALIZACJA

Dziedzina badań gospodarki paliwowo-energetycznej to:

- w sensie rzeczowym: gospodarstwo energetyczne, na które składają się zasoby energetyczne
oraz ogół urządzeń i obiektów energetycznych wraz z ich powiązaniami,

- w sensie czynnościowym: gospodarowanie paliwami i energią jako odpowiednia sfera działań praktycznych.

Gospodarka paliwowo-energetyczna jest więc dziedziną zajmującą się:
- zasobami energetycznymi,
- pozyskiwaniem energii pierwotnej,
- uszlachetnianiem i przetwarzaniem paliw na wtórne nośniki energii,
- transportem i przesyłem nośników energii,
- użytkowaniem i wykorzystywaniem energii.

Podstawowym przedmiotem nowoczesnej gospodarki paliwowo-energetycznej są nie tyle poszczególne urządzenia i obiekty energetyczne ile podsumowywanie wyników szczegółowych badań w tym zakresie oraz wzajemne powiązania tych obiektów i realizowanych w nich procesów. Przedmiotem tym są więc przede wszystkim systemy energetyczne oraz programowanie i planowanie harmonijnego ich rozwoju w powiązaniu z innymi działami gospodarki. Głównym czynnikiem integrującym fizycznie tak szeroki przedmiot badań jest daleko idąca substytucja różnych paliw i form energii w fazie ich przetwarzania i użytkowania.

Podstawowym zadaniem nowoczesnej gospodarki paliwowo-energetycznej jest optymalizacja globalna, społeczno-gospodarcza całości kompleksowego systemu energetycznego, to jest struktury obiektów energetycznych i ich powiązań wzajemnych z uwzględnieniem oddziaływań i ograniczeń otoczenia.

Przeznaczeniem systemu energetycznego jest pełne zaspokojenie wszystkich potrzeb energetycznych na danym szcze-blu, przy minimalnych kosztach społecznych (uzasadnione potrzeby, koszty w długich okresach czasu). Do istoty prze-znaczenia systemu energetycznego należy racjonalizacja i optymalizacja gospodarowania nośnikami energetycznymi od pozyskania aż do użytkowania. Należy tu również dostawa niektórych nośników energetycznych jako surowców do procesów produkcyjnych pozaenergetycznych oraz na eksport, tam gdzie jest to uzasadnione efektywnością społeczno-gospodarczą.

Rys. 2. Przedmiot gospodarki energetycznej - powiązania obiektów i procesów

Rys. 3. Metody i wyniki badań, stosowane i wykorzystywane w gospodarce energetycznej

SYSTEM ENERGETYCZNY

Hierarchiczna struktura rzeczowa i zakresy badań różnych nauk z nim związanych

1. 
   Krajowy system społeczno-gospodarczy.

2. Działy gospodarki - system energetyczny.

3. 
   
   
   Systemy nośników.

4. 
   Główne podsystemy.

5. Obiekty przemysłowe ( kopalnie, gazownie,
   ciepłownie, elektrownie).

6. Bloki produkcyjne - grupy urządzeń.

7. Zestawy maszynowe.

8. Podzespoły i części maszyn.

9. Proste urządzenia.
   10. Elementy maszyn.

O spójności systemu energetycznego decydują następujące czynniki, integrujące poszczególne podsystemy:
- jedno nadrzędne przeznaczenie,
- te same kryteria oceny jakości realizacji zadań oraz te same zasady optymalizacji rozwiązań,
- daleko idąca substytucja nośników energetycznych,
- wspólne ograniczenia globalne ( zapotrzebowanie, środki inwestycyjne, zatrudnienie, ochrona środowiska i inne ),
- dalsze dodatkowe powiązania i uwarunkowania technologiczne i organizacyjne.

Dodatkowo integrują takie wspólne cechy jak:
- podobne struktury,
- brak szerszych możliwości magazynowania nośników i związek czasowy podaży z popytem,
- mała elastyczność popytu,
- inercyjność systemu ( powolna zmiana struktury i wydajności ),
- ekstensywny rozwój systemu,
- powstawanie, eksploatacja, likwidacja poszczególnych obiektów w systemie, gdy system jako całość trwa i stale się rozwija,
- złożony i zwykle niepełny opis informacyjny.
Te pierwotne czynniki stanowią warunki oraz wyznaczają granice rozwoju racjonalnych powiązań organizacyjnych i technicz-no-transportowych.

Ze względu na wielobranżowy charakter gospodarki paliwowo-energetycznej badania strategii rozwoju systemu energetycznego na różnych poziomach są mniej lub więcej interdyscyplinarne i międzybranżowe. Na ogół wymagają one wyznaczenia wielu programów rozwoju danego systemu paliwowo-energetycznego, optymalnych dla kilku istotnych i prawdopodobnych scenariuszy zmian przyszłych warunków ( sytuacji politycznej, międzynarodowych i regionalnych struktur cen, postępu technologicznego, kondycji gospodarki itp.). Optymalna strategia rozwoju polega na preferowaniu tych przed-sięwzięć gospodarczych, które okazują się korzystne przy wszystkich lub większości możliwych, rozpatrywanych scenariuszy warunków, oraz tych które pozwalają na łatwą adaptację systemu energetycznego do innych warunków, jakie mogą zaistnieć, bez narażania gospodarki na poważne straty.

Kryterium optymalizacji społeczno-gospodarczej perspektywicznych rozwiązań energetycznych są uogólnione koszty społeczne.

Dane potrzebne do optymalizacji rozwoju systemu energetycznego są następujące:

- charakterystyki energetyczno-ekonomiczne i ograniczenia wszystkich kierunków użytkowania nośników energii,

- charakterystyki energetyczno-ekonomiczne i ograniczenia dla technologii pozyskiwania i przetwarzania nośników energii,

- charakterystyki obiektów istniejących w początkowej fazie programowania rozwoju w sferze pozyskania i użytkowania nośników energii,

- dane dotyczące przewidywanych możliwości eksportu i importu nośników energii oraz cen transakcyjnych,

- ogólne wariantowe założenia rozwoju społeczno-gospodarczego regionu i kraju dla analizowanego horyzontu czasu,

- ograniczenia globalne dotyczące zatrudnienia, zanieczyszczeń środowiska, nakładów inwestycyjnych, wartości importu i inne.

Informacje te tworzą bazę danych umożliwiającą przeprowadzenie obliczeń. Określenie rodzaju danych wejściowych i ich uzyskanie jest na ogół najbardziej pracochłonnym etapem prac nad modelem systemu energetycznego. Wymagane jest tu rów-nież wskazanie dla poszczególnych podokresów programowania rozwoju:

- typów i wydajności nowych technologii, jakie powinny być zastosowane do produkcji poszczególnych wyrobów energo-chłonnych oraz do zaspokajania wyróżnionych potrzeb energetycznych,

- typów i wydajności nowych obiektów różnych technologii, jakie powinny być zastosowane do pozyskania poszczególnych nośników energii,

- rozmiarów eksportu i importu odpowiednich nośników,

- pełnego bilansu ilościowego poszczególnych nośników energii,

- nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji systemów dostawy wszystkich nośników energii,

- nakładów inwestycyjnych i kosztów eksploatacji związanych z rozwojem produkcji wyrobów energochłonnych oraz zaspo-kajaniem innych wyróżnionych potrzeb energetycznych.

Świadome i prawidłowe rozwiązywanie zagadnień należących do tego obszaru decyduje nie tylko o prawidłowości odwzo-rowania modelowego, ale i o możliwości właściwej interpretacji wyników.

Jeden z możliwych schematów obliczania optymalnych struktur systemu energetycznego przedstawia rys. 4.

Rys. 4. Schemat obliczeń optymalnej struktury systemu energetycznego

Kryterium optymalizacji w podokresie f stanowi tu minimalizacja sumy kosztów:

- użytkowania i rozdziału nośników energii W_f ,

- pozyskania krajowego i transportu nośników energii X_f ,

- wartości importu nośników energii Y_f ,

- wartości eksportu nośników energii Z_f

K_f = W_f + X_f + Y_f - Z_f

W obliczeniach występują dwie grupy bilansów:

- produktów energochłonnych oraz potrzeb w pozaprzemysłowych działach gospodarki,

- nośników energii.

Bilanse te zapewniają zaspokojenie zapotrzebowania zdeterminowanego nośników energii, które musi być pokryte przez produkcję obiektów uwzględnianych w procesie optymalizacji. Zapotrzebowanie to jest sumą salda produkcji i zużycia danego nośnika w obiektach istniejących oraz zapotrzebowania ze strony nie uwzględnionych w modelu kierunków użytkowania ener-gii. Reszta zapotrzebowania związana jest ze zmiennymi decyzyjnymi i w związku z tym uwzględniana jest w odpowiednich równaniach bilansowych modelu. Zdeterminowaną część zapotrzebowania na nośniki energii oblicza się z zależności:

D_{i f} = D_{i f 1} + D_{i f 2} + D_{i f 3} + D_{i f 4}

gdzie:

D_{i f} - zdeterminowane zapotrzebowanie na i-ty nośnik energii w f-tym podokresie, które musi być pokryte przez obiekty nowe,

D_{i f 1} - zapotrzebowanie na i-ty nośnik energii w f-tym podokresie przez nieuwzględniane w modelu kierunki sfery użytko-wania,

D_{i f 2} - zapotrzebowanie na i-ty nośnik energii w f-tym podokresie, przez obiekty ze sfery użytkowania energii w uwzględnia-nych w modelu kierunkach, istniejące na początku okresu programowania rozwoju,

D_{i f 3} - zapotrzebowanie na i-ty nośnik energii w f-tym podokresie, przez obiekty ze sfery pozyskania energii w uwzględnianych w modelu kierunkach, istniejące na początku okresu programowania rozwoju,

D_{i f 4} - produkcja i-tego nośnika energii w f-tym podokresie, w obiektach ze sfery pozyskania energii w uwzględnianych w mo-delu kierunkach, istniejących na początku okresu programowania rozwoju.

W modelu znajduje się szereg ograniczeń nałożonych na zmienne decyzyjne, takich jak:

B_{i f} - zadane rozmiary przyrostu zużycia i-tego nośnika energii w f-tym podokresie,

B_{u f} - zadane rozmiary przyrostu produkcji u-tego wyrobu energochłonnego w f-tym podokresie,

W_umf, X_inf, Z_ihf, Y_igf - więzy, tzn. zadane maksymalne bądź minimalne wartości zmiennych decyzyjnych w f-tym podokresie.

Znaczenie występujących w modelu i schemacie obliczeń wskaźników porządkowych:

f - numer analizowanego podokresu,

i - numer nośnika energii,

n_i - numer technologii pozyskania i-tego nośnika energii,

u - numer kierunku użytkowania energii,

m_u- numer technologii produkcji u-tego wyrobu lub potrzeby,

h_i - numer transakcji sprzedaży i-tego nośnika energii,

j - numer ograniczeń globalnych w modelu,

g_i - numer transakcji zakupu i-tego nośnika energii.

Współczynniki występujące w modelu i schemacie obliczeń:

k - koszty pozyskania i wytwarzania nośnika energii,

z - zużycie nośnika energii,

c - ceny importu i eksportu nośnika energii,

a - współczynniki ograniczeń ogólnych.

Na podstawie niezbędnych, zgromadzonych i wykorzystywanych (w przedstawionym schemacie obliczania optymalnych struktur systemu) danych wejściowych, można również przeprowadzać ocenę energochłonności wybranej struktury systemu energetycznego. Dane te tworzą trzy podzbiory:

- dane o programach i strukturach technologicznych rozwoju wytwarzania produktów energochłonnych i zaspokajania innych energochłonnych potrzeb ( zbiór danych B_z ),

- dane o programach i strukturach technologicznych systemów pozyskiwania i dostawy nośników energii ( zbiór B_p ),

- dane o współczynnikach jednostkowej energochłonności pozyskania nośników energii, wytwarzania produktów energo-chłonnych i zaspokajania energochłonnych potrzeb oraz o pozostałym zapotrzebowaniu gospodarki, tzn. zapotrzebowaniu nie związanym z produkcją rozpatrywanych wyrobów czy zaspokajaniu wyróżnionych potrzeb ( zbiór B_t ).

Rys. 5. Schemat działania programów do badań energochłonności systemu energetycznego

W tym celu są one przetwarzane za pomocą dwóch programów obliczeniowych, zwanych umownie programem A i programem B. Program A oblicza, przy wykorzystaniu informacji ze zbiorów B_z i B_t, bezpośrednie zapotrzebowanie systemu na nośniki energii (wariant I obliczeń). Program B natomiast służy do odwzorowania przepływów nośników energii w przemyśle pali-wowo-energetycznym, jego działanie oparte jest na metodzie przepływów międzygałęziowych „input-output”. Umożliwia on obliczenie na podstawie założonego pozyskania poszczególnych nośników, podaży nośników przeznaczonych do bez-pośredniego zużycia (wariant II obliczeń). Program B rozwiązuje również zadania odwrotne: obliczenie wymaganego pozyskania pierwotnych nośników energii dla zadanego zapotrzebowania końcowego (wariant III obliczeń). Jednoczesne zastosowanie programów A i B umożliwia określenie niezbędnych rozmiarów pozyskania pierwotnych nośników energii dla analizowanych scenariuszy rozwoju systemu energetycznego (wariant IV obliczeń). Schematy działania tych programów we wszystkich czterech wariantach przedstawiono na rys. 5.

Racjonalne gospodarowanie nośnikami energii na różnych szczeblach, od zakładu przemysłowego do państwa, wymaga znajomości rzeczywistych, rynkowych i społecznych kosztów tych nośników, zarówno bieżących jak i pers-pektywicznych. Niestety koszty te w znacznym stopniu nie są znane, a łączy się z nimi poważna niepewność, mająca swe źródło w czterech grupach czynników:

- metodzie wyznaczania kosztów,

- niepełnej znajomości wszystkich aktualnych składników tych kosztów,

- braku pewnych danych dotyczących stopnia zmian tych kosztów w przyszłości,

- braku danych dotyczących zmian cen nośników energetycznych na rynkach międzynarodowych w okresie perspektywicznym.

Przedmiotem badań powinny być ceny podstawowych nośników energetycznych, pozyskiwanych w kraju lub z importu, przetwarzanych i użytkowanych na analizowanym poziomie, zagregowanych w grupy substytucyjne, w których nośniki chara-kteryzują się podobnymi cechami użytkowymi. W analizie powinno się uwzględnić istotne na danym poziomie (zakład, region, państwo) składniki nakładów oraz kosztów rynkowych i społecznych, przedstawione na rys. 6.

KOSZT SPOŁECZNY PALIWA

Nakłady wyprzedzające realizacje inwestycji

Koszty eksploatacyjne ( bieżące )

Koszty utrzymania i rozwoju sfery nieprodukcyjnej państwa

Nakłady bezpośrednie i towarzyszące

Koszty ochrony środowiska naturalnego

Koszty rozwoju sfery produkcyjnej państwa

Nakłady na utrzymanie produkcji

Szkody i inne straty gospodarcze

Zysk minimalny przedsiębiorstwa

Nakłady na ochronę środowiska i rekultywację

Końcowa wartość majątku trwałego netto

Rys. 6. Uproszczony schemat struktury kosztów nośników energii

8

GOSPODARKA ENERGETYCZNA

GOSPODARKI NOŚNIKÓW

DYSCYPLINY TECHNICZNE

np. Górnictwo, Gazownictwo,

Ciepłownictwo, Elektrotechnika

zmienne decyzyjne

---