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

GOSPODARKA  ENERGETYCZNA

1.     

Krajowy system społeczno-gospodarczy.

2.      Działy gospodarki – system energetyczny.

3.     

  GOSPODARKI  NOŚNIKÓW

4.     

DYSCYPLINY  TECHNICZNE

     np. Górnictwo,  Gazownictwo,

  Ciepłownictwo,  Elektrotechnika

5.      Systemy nośników.

6.     

Główne podsystemy.

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

8.      Bloki produkcyjne – grupy urządzeń.

9.      Zestawy maszynowe.

10.  Podzespoły i części maszyn.

11.  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:

zmienne decyzyjne

- użytkowania i rozdziału nośników energii Wf ,

- pozyskania krajowego i transportu nośników energii Xf ,     

- wartości importu nośników energii Yf ,

- wartości eksportu nośników energii Zf

Kf  =  Wf  +  Xf  +  Yf  -  Zf

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:

    Di f  =  Di f 1  +  Di f 2  +  Di f 3  +  Di f 4

gdzie:

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

Di f 1 – zapotrzebowanie na i-ty nośnik energii w f-tym podokresie przez nieuwzgl...