Mezi často probíraná témata poslední doby patří otázka obnovitelných
zdrojů. Tyto zdroje, které nejsou závislé na dovážených fosilních palivech,
jsou obecně pokládány za prostředek ke zvýšení bezpečnosti dodávky
elektrické energie, navíc přispívají k redukci emisí skleníkových plynů.
Mezi obnovitelné zdroje energie patří vodní
(VE) a větrné elektrárny (VtE), tepelné elektrárny
spalující biomasu a v poslední době
i fotovoltaické elektrárny (FVE). (FVE využívá
fotovoltaického jevu k výrobě elektrické
energie – přeměňuje energii slunečního záření
přímo na elektřinu (na rozdíl od solární tepelné
elektrárny, která přeměňuje energie slunečního
záření na teplo a vyrábí elektřinu klasickým
způsobem v parní elektrárně).
Masivní a nekontrolovaný nárůst instalovaného
výkonu obnovitelných zdrojů elektřiny (OZE)
s proměnlivou výrobou, tedy zejména fotovoltaickými
elektrárnami (FVE) a větrnými elektrárnami
(VtE), však může způsobit problémy s řízením
elektrizační soustavy (ES). Česká republika se
v nárůstu instalovaného výkonu vloni umístila
na 5. příčce ve světě za velmocemi Německem,
Itálií, Japonskem a USA (viz tabulka).
Instalace FVE pokračuje sice zmírněným tempem
- podle statistiky ERÚ (http://www.eru.cz) narostl
instalovaný výkon za prvních 8 měsíců roku 2010
o dalších 230 MW, ale podle tiskové zprávy ČSRES
(České sdružení regulovaných elektroenergetických
společností) by však instalovaný výkon mohl
do konce roku 2010 vzrůst až na 2952 MW (z toho
2495 MW ve FVE a 458 MW ve VtE). Tato hodnota
už může negativně ovlivnit provoz ES ČR z hlediska
regulovatelnosti činného výkonu a dodržování
dovolených hodnot odchylek výkonu a energie.
Chytré sítě
Dalším aktuálním tématem je koncept tzv. chytrých
sítí (Smart Grid), které se vyznačují mimo
jiné i aktivním zapojením odběratelů do řízení
elektrizační soustavy (ES), řízením všech dostupných
zdrojů pro udržování výkonové rovnováhy
(tedy nejen systémových zdrojů vyvedených
do přenosové soustavy jako dosud, ale i tzv. rozptýlené
výroby vyvedené do distribuční soustavy)
využitím možností akumulace elektřiny (např.
v bateriích elektromobilů).
Mezi další rysy chytrých sítí patří:
l plná automatizace, která zahrnuje digitální kontrolní
a řídicí systém, integrované senzory monitorující
chování sítě a automatické obnovování
provozu po poruše,
l plná integrace zákazníků, jejíž podstatou je
vybavení zákazníků digitálními měřidly s obousměrným
tokem informací v reálném čase, který
umožňuje tvorbu cenových tarifů podle aktuální
situace v síti (odběratelé – zákazníci tak mohou
efektivně řídit spotřebu, např. ohřev vody, praní
prádla či dobíjení baterií v době s nižším tarifem,
kdy je v síti přebytek výrobní kapacity),
l adaptace na různé způsoby výroby elektřiny,
umožňující zapojení např. fotovoltaických a větrných
elektráren, plynových mikroturbín a dalších
decentralizovaných výrobních technologií,
což dává příležitost zákazníkům vyrábět elektřinu
z vlastních zdrojů a její přebytky prodávat do sítě.
Vliv obnovitelných zdrojů
energie na spolehlivost ES
Zatímco dříve se OZE (většinou VtE) potýkaly se
schopností odolávat poruchám v síti typu zkratů (při
větších poklesech napětí sítě se tyto zdroje vypínaly
a způsobovaly výkonovou nerovnováhu), moderní
VtE (a údajně i FVE) již disponují značnou odolností
proti blízkým zkratům (tzv. Fault ride-through capability)
i schopností regulovat napětí. Tyto schopnosti
jsou již definovány i v Pravidlech provozování distribučních
soustav a jsou pro zdroje nad 100 kVA a pro
všechny zdroje vyvedené do sítě 110 kV povinné.
Objevují se však jiné problémy se začleněním
obnovitelných zdrojů do elektrizační soustavy. Je
to zejména již zmíněný masivní nárůst instalovaného
výkonu ve fotovoltaických elektrárnách,
které se, stejně jako větrné, vyznačují proměnlivostí
dodávaného výkonu v závislosti na intenzitě
slunečního záření a rychlosti větru. Pokud jejich
podíl ve skladbě zdrojů přesáhne určitou mez, nastanou
problémy s udržením výkonové rovnováhy.
Je tedy ohrožena spolehlivost soustavy, která
má podle klasické definice NERC („North American
Electric Reliability Council“) dvě složky –
bezpečnost a adekvátnost provozu. Bezpečnost
provozu je definována schopností soustavy odolávat
poruchám typu zkratů a výpadkům zařízení
a souvisí tak s dynamickou stabilitou a dodržováním
kritéria N-1. Adekvátnost je dána schopností
soustavy zajistit dodávku výkonu odběratelům –
neboli udržovat výkonovou rovnováhu v každém
časovém okamžiku.
A právě adekvátnost může být zvýšeným podílem
FVE a VtE ohrožena v případě, kdy ostatní
zdroje nestačí svým výkonem kompenzovat jejich
proměnlivou výrobu, která se kumuluje s proměnlivostí
zatížení. Podle standardů provozu
propojené ES (definovaných v tzv. Provozních
příručkách, musí totiž být nepřežitě udržována
v každé regulační oblasti výkonová rovnováha –
to znamená, že výkon zdrojů musí pokrývat spotřebu,
ztráty v sítích a plánovanou výměnu (export/
import) s ostatními regulačními oblastmi.
Provozními pravidly jsou stanoveny dovolené
okamžité a hodinové odchylky od plánovaných
výměn, které by za běžného provozu neměly být
překračovány.
OZE mají sice proměnnou výrobu, ale dá se
predikovat s přesností odpovídající přesnosti
předpovědi počasí (slunečního svitu i rychlosti
větru). Ukazuje to obr. 2 - porovnání predikce (plná
čára) a skutečné výroby (čárkovaně) ve FVE
a VtE u dvou sousedních provozovatelů přenosových
soustav v Německu na náhodném vzorku dat
z 8. 9. 2010 (http://www.transparency.eex.com).
U FVE (VtE) činí střední kvadratická odchylka
chyby predikce 210 (386) MW pro transpower
a 115 (777) MW pro 50 Hz (dřívější Vattenfall
Europe Transmission), což určitě není špatný výsledek.
Podobně úspěšně se používá predikce výroby
VtE ve Španělsku (viz obr. 3).
Předpověď (obr. 3) je kreslena zeleně a skutečnost
žlutě. Na obrázku je vidět i červeně kreslené
zapojení výroby z VtE do trhu s elektřinou. To
znamená, že vyrobená elektřina má předem určeného
spotřebitele. V případě, že skutečná výroba
se odchýlí od predikce (a hrozilo by, že vznikne
nerovnováha mezi spotřebou a výrobou ve VtE),
má španělský provozovatel sítě, společnost REE
- Red Electrica Espana, prostřednictvím speciálního
řídicího střediska („Control Center for Renewable
Energy“, které řídí OZE s výkonem větším
než 10 MW přímo) možnost výrobu omezit. Jak
je i vidět na obr. 3 - po 8. hodině byl výkon VtE
snížen tak, aby odpovídal predikci a zajištěnému
odběru.
Podobně provádí od května 2009 zapojení VtE
do trhu s elektřinou i nezávislý provozovatel soustavy
ve státě New York (NYISO). Jednotlivé
větrné farmy zasílají na dispečink NYISO své
nabídkové ceny a ten jim na základě predikce výroby
zasílá zpět požadovaný výkon.
Použití dynamického modelu
Pro analýzy adekvátnosti je vhodné používat
dynamické modely, které však musí umožnit simulaci
dlouhodobé dynamiky (několik hodin až
dnů). Takový model zahrnuje distribuční a přenosovou
soustavu (včetně propojení na sousední
soustavy) s vyvedením velkých systémových
elektráren i vnořené výroby, tvořené jak OZE,
tak i dalšími, především kogeneračními zdroji
(viz obr. 4).
V horní části obrázku je naznačena přenosová
soustava tvořená sítí o napětí 400 a 220 kV,
do které jsou vyvedeny tzv. systémové elektrárny
nejvyšších výkonů (s bloky o jmenovitém výkonu
200 MW a více – většinou s parními turbínami)
a která je propojena se sousedními soustavami
hraničními vedeními. Tato vedení umožňují realizovat
export a import elektřiny. V dolní části
obrázku je naznačena distribuční soustava, jíž
tvoří síť o napětí 110 kV a nižším, do které jsou
vyvedeny tzv. distribuovaná nebo také vnořená
výroba, tvořená závodními elektrárnami, teplárnami
(jedná se o kogenerační zdroje neboli o tzv.
kombinovanou výrobu elektřiny a tepla KVET)
a rostoucím počtem OZE. Do distribuční soustavy
jsou zapojeni i odběratelé (jak je naznačeno
v levé spodní části obrázku). Jsou to průmyslové
podniky s převahou motorické zátěže, komerční
a bytový odběr s běžnými spotřebiči (z nichž
např. elektrické topení a ohřev teplé užitkové
vody je již dnes dálkově řízen pomocí hromadného
dálkového ovládání a v budoucích chytrých
sítích budou takto ovládány a další spotřebiče
jako pračky, sušičky a myčky nádobí) a v budoucnosti
i elektromobily zapojené do sítě při
nabíjení (případně i vybíjení) baterií. Přenosová
a distribuční soustava tvoří jednu regulační oblast
řízenou obvykle provozovatelem přenosové
soustavy, který je zodpovědný za udržování
výkonové rovnováhy, což je jeho základní tzv.
systémová služba.
Model postihuje základní rysy ES, a to jak z hlediska
napětí (lokální záležitost distribuční sítě
napájené síťovým transformátorem z přenosové
soustavy, přičemž napětí v přenosové soustavě
je udržováno systémovými zdroji a napětí na sekundáru
síťového trafa je udržována hladinovou
regulací napětí), tak z hlediska regulace činného
výkonu (sekundární a terciární regulace pro udržování
plánovaného salda a pokrývání denního
diagramu zatížení). Model tedy ukazuje kvalitativní
dynamické chování ES s nově instalovanými
FVE a VtE s proměnlivým výkonem.
Použití dynamického modelu umožňuje analyzovat
různé způsoby provozování sítí a řízení
zdrojů při proměnném odběru (daným denním
diagramem zatížení) i proměnné dodávce z OZE
(daným jak denní dobou, tak nestálostí počasí).
První výsledky ukazují, že při stávajícím způsobu
řízení (výroba OZE je autonomní a není
kompenzována odběrem zařazením těchto
zdrojů do trhu s elektřinou) vznikají odchylky
výkonu, které musí v rámci systémové služby
udržování výkonové rovnováhy odregulovat
provozovatel přenosové soustavy. Tím ovšem
narůstá potřeba regulačních výkonů pro sekundární
regulaci, a tím i objem podpůrných služeb,
které poskytují ostatní řiditelné zdroje v soustavě.
Pokud budou do řízení zahrnuty i vnořené
zdroje včetně OZE, požadavky na regulaci ze
strany provozovatele přenosové soustavy se
zmenší a tyto zdroje mohou být do soustavy
integrovány, aniž by byla výrazným způsobem
ohrožena spolehlivost ES jako celku.
Aktivní způsob řízení rozptýlené výroby (zapojení
zdrojů jak do pokrývání změn denního diagramu
zatížení, tak i do regulace napětí) umožní
vznik skutečných chytrých sítí. To si ovšem vyžádá
zásadní změny v koncepci technického řízení
i v organizaci trhu s elektřinou. Karel Máslo
VĚDY, TECHNI
KY A DESIGNU
