Streszczenie. Moduł do optymalizacji ścieżki Transformacji Energetycznej w skali kraju - "Zefir dla Polski" pozwala na zbudowanie modelu zadanego systemu energetycznego oraz na oszacowanie, jak na przestrzeni kolejnych lat, w zależności od przyjętych założeń scenariuszowych będzie się zmieniać struktura technologiczna i kosztowa tego systemu. Modelowany system energetyczny jest składa się ze źródeł (i magazynów energii) odpowiedzialnych za pozyskiwanie i przetwarzanie różnych typów energii, odbiorców użytkujących energię oraz innych elementów. Pod adresem https://ote.zefir.app/ można znaleźć wyniki przygotowanych przez autorów scenariuszy.

Wstęp

Transformacja energetyczna, zarówno w Polsce, jak i na świecie, to proces złożony oraz wieloaspektowy. Jej kierunek i tempo determinowane są nie tylko przez dostępność technologii czy zasobów finansowych, ale również przez decyzje regulacyjne, czynniki społeczne, czy też uwarunkowania polityczne. Zgodnie z polityką Unii Europejskiej koordynacja procesu transformacji energetycznej na poziomie europejskim obywa się cyklicznie co 10 lat za pośrednictwem przekazywanych Komisji Europejskiej Krajowych Planów w dziedzinie Energii i Klimatu (KPEIK), które są dodatkowo co 5 lat aktualizowane [1]. Jednocześnie na poziomie krajowym Rada Ministrów zobowiązana jest, co 5 lat do przyjęcia w drodze uchwały Polityki Energetycznej Państwa (PEP) przygotowanej przez ministra właściwego ds. energii [2]. Ponadto dynamika procesów transformacyjnych sprawia, że przygotowywane dokumenty często przestają być aktualne już w momencie ich publikacji. Dlatego też w ramach projektu Obserwatorium Transformacji Energetycznej, postanowiono wyjść naprzeciw potrzebie dostarczania aktualnej wiedzy na temat postępów i wizji transformacji.
 

Przegląd narzędzi zbliżonych

Przegląd [3] narzędzi do modelowania wskazuje, iż dostępne są międzynarodowe rozwiązania umożliwiające tego typu analizy. Istnieją zarówno narzędzia komercyjne takie jak Plexos [4] , MARKAL/TIMES [5] jak i darmowe jak PyPSA [6], OSEMoSYS [7] oraz EnergyPLAN [8].  W większości tego typu pakietów modelarskich przyjmowane jest założenie, że popyt na energię cieplną oraz elektryczną jest agregowany i może być zaspokojony przez wszystkie technologie istniejące w danym momencie procesu optymalizacji, a transport energii dowolnego typu odbywa się w koncepcji tzw. miedzianej płyty. Takie podejście jest akceptowalne w przypadku modelowania zagadnień stricte związanych z energetyką wielkoskalową, ale staje się nieakceptowalne w przypadku, kiedy znaczna część energii jest bilansowana lokalnie np. przy pomocy małych rozproszonych źródeł.  
Agregowanie popytu oraz dopuszczenie wszystkich technologii do jego zaspokojenia prowadzi do zaniżonych kosztów transformacji w innych modelach miksu energii. W ocenie autorów konieczne jest wprowadzenie ograniczeń w zakresie wykorzystania przez część odbiorców jedynie pewnych zestawów technologii a wykorzystywanie innych przez drugą część odbiorców, co nie jest łatwo implementowalne. Proponowanym w ramach narzędzia „Zefir dla Polski” rozwiązaniem wyżej wymienionych problemów jest zaimplementowanie rozdzielnych sposobów zaspokajania potrzeb energetycznych przez grupy odbiorców.
 

Opis narzędzia  

„Zefir dla Polski" umożliwia, stworzenie w porozumieniu z jednostkami administracji scenariuszy, na bazie których przeprowadzona jest optymalizacja procesu transformacji energetycznej z uwzględnieniem długotrwałych prognoz cen paliw, kosztów emisji CO2 oraz kosztów poszczególnych technologii. Poszczególne scenariusze można tworzyć wskazując stan początkowy, ograniczenia oraz wymagania dotyczące systemu. Jednocześnie istnieje możliwość uwzględnienia pewnych aspektów rynkowo-ekonomicznych takich jak inflacja, ograniczenia podażowe a także wybrane uwarunkowania prawno-polityczne poprzez możliwość nakładania ograniczeń na poziom emisji dwutlenku węgla i niskich emisji oraz ograniczania udziału określonych typów źródeł w strukturze technologicznej systemu w kolejnych latach trwania symulacji. Optymalizacji podlega całkowity koszt utrzymania (koszty operacyjne), modernizacji (koszty inwestycyjne) oraz eksploatacji (koszty zmienne w tym koszty paliw, emisji oraz opłaty dystrybucyjne i przesyłowe) zadanego systemu energetycznego. 
Modelowany system energetyczny obejmuje zbiór elementów odpowiedzialnych za generację, przetwarzanie, magazynowanie oraz zużycie różnych nośników energii. Składa się on z zestawu zdefiniowanych technologii odbiorców końcowych oraz infrastruktury przesyłowej. 
W systemie wyróżnia się zapotrzebowanie na energię elektryczną, ciepło do ogrzewania pomieszczeń oraz opcjonalnie na wodór i energię przeznaczoną na potrzeby transportu. 
     Model dzieli się na dwa centralne systemy energetyczne: 
•    Krajowy System Elektroenergetyczny (KSE) - obejmujący sieć wysokiego napięcia oraz centralne jednostki wytwórcze i magazynujące.
•    Centralny system ciepłowniczy - składający się z ciepłowni, elektrociepłowni oraz sieci ciepłowniczej.
    Pozostałe elementy modelu zorganizowane są w tzw. koszyki technologiczne, które stanowią kombinację przyłączy do systemów centralnych oraz lokalnych technologii. Relacja, jaka musi zachodzić pomiędzy elementami systemu to relacja bilansowania, która zakłada, że w każdej godzinie energia (cieplna oraz elektryczna) pozyskana przez źródła i przesłana do odbiorców jest równa zapotrzebowaniu odbiorców. 
    Celem zmniejszenia złożoności zadania optymalizacyjnego dokonywana jest agregacja odwzorowywanych elementów systemu energetycznego.

Lokalne Koszyki Technologiczne (LKT)

Lokalny koszyk technologiczny (LKT) jest zbiorem dowolnych kombinacji technologii, które mogą zaspokoić zapotrzebowanie danej części odbiorców. Zbiór kilku koszyków technologicznych reprezentuje możliwe sposoby zaspokojenia wszystkich potrzeb energetycznych przez grupy odbiorców.  W proponowanej koncepcji, optymalizator decyduje o rozdziale pomiędzy koszyki technologiczne udziałów (gdzie suma wynosi zawsze 100%) w zaspokajaniu potrzeb energetycznych odbiorców.  Innymi słowy cechą charakterystyczna LKT jest wyłączność: dana część odbiorców (frakcja,udział) w zadanym okresie modelowania (np. rok) może korzystać wyłącznie z jednego LKT. O wielkości udziału danego koszyka oraz rozkładzie technologii na przestrzeni czasu, decyduje optymalizator. 
 W rozdzielczości godzinowej, na przestrzeni okresu lat optymalizacji, możliwe jest m.in. wyliczenie generacji, kosztów zmiennych, zużycia paliw, emisji, energii niedostarczonej oraz energii zmarnowanej na skutek odłączenia poszczególnych elementów systemu, natomiast dane dotyczące kosztów inwestycyjnych, operacyjnych oraz mocy zainstalowanych w systemie dostępne są z dokładnością co do roku. 
Jako przykład możliwych analiz, które można wykonać na podstawie wyników dostarczonych przez narzędzie „Zefir dla Polski” na Rys. 1. przedstawiono roczną generację w przykładowym systemie KSE na przestrzeni 20 lat. Wykres przedstawia średnioroczną generację systemu elektroenergetycznego zgodnie z jednym ze scenariuszy, którego głównym założeniem była redukcja emisji CO2.  

Rys.1. Generacja KSE dla przykładowego systemu. Źródło: opracowanie własne.

W tym przypadku optymalizator dla podanych właściwości modelu dobrał najlepszą ścieżkę spełniającą założenia scenariusza oraz wyliczył moce zainstalowane, koszy oraz punkty pracy elementów systemu. Dzięki takiej analizie możliwe jest wyliczenie niemalże każdego parametru systemu.

Podsumowanie 
"Zefir dla Polski" wpisuje się w potrzeby administracji publicznej i daje jej możliwość testowania skutków wdrażania potencjalnych polityk i działań bieżących np. analizy skutków proponowanych systemów wsparcia dla poszczególnych technologii lub modeli biznesowych jeszcze przed ich rzeczywistym wdrożeniem. Obecnie, w porozumieniu z MKIŚ rozwiązanie wykorzystywane jest przy pracach nad najnowszą wersją KPEIK. Jednocześnie Autorzy za pośrednictwem portalu https://ote.zefir.app/ udostępnili wykorzystywane w ramach narzędzia parametry oraz przygotowali przykładowe scenariusze transformacji energetycznej kraju.

Artykuł opracowany w wyniku realizacji projektu „Obserwatorium Transformacji Energetycznej jako instrument wspierania społeczno-gospodarczego rozwoju Polski (OTE)” współfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu badań naukowych i prac rozwojowych "Społeczny i gospodarczy rozwój Polski w warunkach globalizujących się rynków" GOSPOSTRATEG. (Umowa nr GOSPOSTRATEG9/ 000D/2022 z dnia 27/06/2023).

Autorzy: mgr Tomasz Chmiel, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail:  Tomasz.Chmiel@pse.pl; dr Maksymilian Grab, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Maksymilian.Grab@pse.pl; mgr inż. Artem Kartashov, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Artem.Kartashov@idea.edu.pl, , mgr Maciej Krakowiak, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Maciej.Krakowiak@pse.pl;  Maciej Mazurek, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Maciej.Mazurek@pse.pl; prof. dr hab. inż. Józef Paska, PSE.S.A., E-mail: Józef.Paska@pse.pl; mgr inż. Karol Pilot, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, E-mail: Karol.Pilot@idea.edu.pl, dr Grzegorz Plewa, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Grzegorz.Plewa@pse.pl; Agnieszka Sobolewska, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: agnieszka.sobolewska@pse.pl; mgr Michał Szymczuk, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Michał.Szymczuk@pse.pl; Sławomir Walkowiak, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Sławomir.Walkowiak@pse.pl; dr inż. Karol Wawrzyniak, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, PSE.S.A., E-mail: Karol.Wawrzyniak@pse.pl.     

Literatura:
[1] Rozporządzenie Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/1999 z dnia 11 grudnia 2018 r. w sprawie zarządzania unią energetyczną i działaniami w dziedzinie klimatu.
[2] Dz.U.2024.266 Ustawa prawo energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 r.
[3]  Majidi H., Hayati M. M., Breyer C. Mohammadi-ivatloo B., Honkapuro S., Karjunen H., Laaksonen P., Sihvonen V., Overview of energy modeling requirements and tools for future smart energy systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews 212 (2025).
[4]  Platforma symulacji rynku energii elektrycznej. https://www.energyexemplar.com/plexos
[5] Model analiz energetycznych i środowiskowych. https://iea-etsap.org/index.php/etsap-tools/model-generators/times
[6]  Zestaw narzędzi do symulacji i optymalizacji. https://pypsa.org/
[7] Platforma modelowania systemów zaopatrzenia w energie, https://osemosys.readthedocs.io/en/latest/index.html
[8] Narzędzie do symulacji systemów elektroenergetycznych. https://energyplan.eu/        

Projekt jest współfinansowany ze środków Narodowego Centrum Badań i Rozwoju w ramach programu badań naukowych i prac rozwojowych "Społeczny i gospodarczy rozwój Polski w warunkach globalizujących się rynków" GOSPOSTRATEG / Umowa nr GOSPOSTRATEG9/000D/2022 z dnia 27 czerwca 2023 r. (wartość projektu: 7 881 705 PLN, wartość dofinansowania: 7 719 705 PLN)