Chytré sítě musí přesvědčit. Mají čím?

Budoucnost energetiky je zřejmě v zapojení informačních technologií a novém způsobu řízení sítě. Revoluce přichází do tohoto odvětví pomalu a změní ho na dlouhá desetiletí dopředu. Energetika je odvětví, ve kterém se plánovalo vskutku rozvážně na desetiletí. V současnosti ale prožívá bouřlivé období, v němž musí často reagovat na zavádění nových zdrojů, politická rozhodnutí a do jisté míry i změny na trhu energetických surovin. Jednou z možností, jak situaci i do budoucna zvládnout, je učinit síť pružnější a přizpůsobivější. A to je úkol „Smart Grids“, tedy chytrých sítí. Pod marketingovým názvem se skrývá především průnik informatiky do energetické sítě a tím změny jejího řízení. Obvykle se počítá s kontrolovatelnou produkcí a nepředvídatelnou spotřebou, Smart Grids to mohou do jisté míry obrátit. Část výroby může být nepředvídatelná, protože část spotřeby bude mnohem lépe kontrolovatelná – nebo alespoň velmi dobře známá. INFORMAČNÍ REVOLUCE Přechod ke Smart Grids bude mnoha zákazníkům nejspíše signalizovat výměna měřáků. Podstatou inteligentních elektrizačních sítí je totiž ovládání proměnných veličin v reálném čase, a proto chtějí provozovatelé získat více informací o dění v síti. Ne že by spotřebitelé a dodavatelé nevěděli, kdy a jaká je spotřeba elektřiny. Z pohledu dnešní doby, kdy se analýza „velkých dat“ získávaná provozovateli internetových služeb od milionů uživatelů dají zpracovat po petabytech, není informací z rozvodné sítě zase tolik. Díky inteligentním měřidlům se to má změnit. Pro energetiku by to měla být skutečná revoluce, porovnatelná se zavedením mobilních telefonů anebo internetu. Například měřidla Amis značky Siemens umožňují měřit nejen spotřebu elektřiny, ale také sbírat údaje o dodávce plynu, vody a tepla. Tyto údaje se okamžitě odešlou dodavateli, který je tak informován o energetických požadavcích každého spotřebitele – bez ohledu na to, zda se jedná o ledničku v bytě anebo výrobní linku v závodě. Rozvodná soustava se tak de facto stane informační dálnicí, která umožní domácnostem pouštět elektrospotřebiče v čase, kdy jsou ceny elektřiny nízké. Odběratelé budou mít možnost selektivně vypnout přístroje v odběrových špičkách. Aby to však mohli udělat, potřebují vědět, kdy jsou tarify nejnižší. Moderní měřidla jim tuto informaci poskytnou, mnohem jednodušší však je, když si odběr řídí sám spotřebič. Samozřejmě jde o obdobu systému automatického spínání spotřebičů na noční proud, který v České republice známe už desítky let, jenom v dokonalejším a elegantnějším provedení. Jinými slovy, české sítě už v některých ohledech velmi chytré jsou. Jinde může tato možnost představovat novinku. Jinak řečeno: Smart Grids mají každé části světa nabídnout něco trochu jiného. OBNOVITELNÉ ZDROJE Bolavým místem rozvodných sítí vyspělých států, včetně bohužel České republiky, je zapojování obnovitelných zdrojů energie. Jsou poměrně těžko předvídatelné a neovladatelné (i když naštěstí ne zcela, jak se ukazuje). Mají také tu velkou nevýhodu, že vznikají neplánovaně, velmi rychle a vytváří síť distribuovaných zdrojů. I když stavba velkých obnovitelných zdrojů už se zřejmě nebude zrychlovat, spíše naopak, trend přesto nezmizí ani v příštích letech. Podepíše se na něm například přechod k pasivním a časem i aktivním budovám, který je v EU dán zákonnými normami. Stále větší podíl elektřiny se tak nebude vyrábět v několika velkých elektrárnách, ale bude ji produkovat mnoho středních a malých zdrojů. Ty budou vyrábět elektřinu jednou pro vlastní potřebu, jindy ji budou dodávat do sítě. Rozvodné sítě, které jsou zatím jednosměrnými cestami, se budou muset transformovat na víceproudové obousměrné magistrály. V průmyslově vyspělých zemích se mnohé budovy transformují z čistých odběratelů energie na aktivní účastníky trhu s elektřinou, kteří nabízejí vlastní energii na prodej. Dokonce i domácnosti se změní na mikroelektrárny a budou se podílet na výrobě elektřiny pomocí solárních článků a kombinovaných kotlů. Taková situace si zřejmě vyžadá nejen změny přímo na rozvodnách a vedeních, ale i v systému řízení. Bez větší míry automatizace a počítačového řízení na lokální i centrální úrovni se patrně neobejde. „Chytrá“ měřidla a další prvky v něm musí mít zcela zásadní roli. BATERIE VE VAŠÍ GARÁŽI Záplavy informací by měly umožnit i další nové „triky“: distribuci nejen výroby, ale i dalších funkcí. Například k přechovávání energie využít baterií v automobilech. Nemusí se výhradně jednat jenom o čisté elektromobily. Neúprosné požadavky na emisní limity a nízkou spotřebu povedou dosti pravděpodobně v příštích letech zřejmě k nárůstu počtu nejrůznějších hybridních vozů, které využívají spalovací motor v kombinaci s elektrickou baterií. Velká část takových vozů bude přes noc připojená do elektrické sítě. I když ponecháme stranou nejoptimističtější odhady, během 10 let by se mohlo jednat o stovky tisíc vozidel. To už je číslo, se kterým je zapotřebí počítat. Například Dánové doufají, že jim velké autobaterie pomohou překlenout fluktuace v dodávkách energie z větru. Namísto bloků na uskladňování elektrické energie použijí elektromobily či hybridy, jež poskytnou dodatečnou skladovací kapacitu na kompenzaci špičkových odběrů v plném rozsahu. Vzniklo proto několik projektů, které se zabývají praktickými aspekty tohoto problému. Například projekt Edison se soustřeďuje na využívání obousměrného toku elektrické energie – ze sítě do vozidel a naopak. Praktické zkoušky se uskuteční na dánském ostrově Bornholm v Baltském moři. Testovací vozidla se budou dobíjet elektřinou získanou z větru přes veřejnou síť. Pokud budou požadavky na odběr narůstat, například v čase ranních špiček, zaparkovaná vozidla budou vracet energii zpět do sítě. Otázkou je, jak se bude chovat síť, ke které se budou denně připojovat a odpojovat velká množství vozidel. Odpověď hledá vědecké středisko v Ris?, které má vlastní elektrickou rozvodnou síť, na níž se modelují děje ve velké síti. Při obrovském počtu zařízení vznikají během připojování na síť s frekvencí 50 Hz harmonické oscilace, které mohou vést k rezonanci a vychýlit z rovnováhy síťovou frekvenci. Takové poruchy, jež se označují jako kontaminace kvality sítě, mohou zapříčinit selhání celé soustavy. Samozřejmě zapojení elektromobilů do energetiky není nic samozřejmého. Síť musí být nejen dost chytrá, ale také solidně postavená, aby umožnila dvousměrný provoz. Také je zapotřebí počítat s tím, že v garážích stojí především auta, a ne baterie. Nebudou k dispozici vždy, když jsou přímo zapotřebí. Vyjasněné není ani placení této služby. Opakované vybíjení a nabíjení totiž baterie poškozuje, tak proč by jejich majitelé souhlasili s takovým využitím bez nějaké kompenzace? To všechno jsou otázky, které se ještě musí vyřešit. Ale „baterie na kolech“ představují lákavou možnost pro skladování energie a chytré sítě by mohly být dost chytré na to, abychom našli způsob, jak ji využít. SKOKAN NA DLOUHÉ VZDÁLENOSTI Pokud se má energetika stát jako celek pružnější, bude zapotřebí nejen lepších informací, ale i sítě, schopné účinně přenášet energii na dlouhé vzdálenosti. Na pohled troufalý, ale zřejmě opravdu uskutečnitelný projekt Desertec navrhuje využít přírodních podmínek severní Afriky k výrobě elektřiny, a pak její dopravu do Evropy s minimálními ztrátami. To by měla umožnit Technologie vysokonapěťového jednosměrného přenosu HVDC. Má potenciál nejen překročit hranice států, ale propojit celé kontinenty do jedné velké sítě, v níž lze pak dobře využívat změny ročních období, denních dob a geografických podmínek. Jde vlastně o návrat do minulosti, ale okořeněný notnou dávkou novějších technologií. Od té doby, co stejnosměrný proud zcela legitimně a pochopitelně prohrál svůj boj se střídavým proudem, představovaly stejnosměrné sítě spíše technické relikty. Přitom má pro přenos své nepopiratelné výhody, díky kterým je účinnější. U skutečně dlouhých vedení střídavého napětí se stane, že se napěťové vlny na začátku a na konci přenosového vedení vzájemně posunou. Náprava si žádá instalaci velkých polí kondenzátorů za účelem sériové kompenzace, vždy po několika stovkách kilometrů. Stavba se tak poměrně výrazně prodraží. Pochopitelně ani převod na stejnosměrný proud zase zpět není beze ztrát, ale zásluhou nových generací měničů a dalších technologií je dnes ekonomická výhoda na straně stejnosměrného přenosu. Týká se to samozřejmě jenom přenosů na opravdu dlouhé vzdálenosti, řádově zhruba nad 1000 km. Někdy samozřejmě i více, pokud už je na místě infrastruktura pro přenos střídavého proudu. Pokud ovšem je zapotřebí stavět nové zařízení, stejnosměrný proud, i přes své komplikace, je velmi lákavou volbou. Proč, to může vysvětlit například projekt v čínském Lufengu. V tomto městě začíná téměř 1500 km dlouhá trasa, která přivádí elektřinu z tuctu vodních elektráren na řece Jinsha do čínských velkoměst Guangzhou, Shenzhen a Hongkong na jihovýchodním pobřeží. Síť pracuje s napětím 800 kV. Volba tak vysoké hodnoty je daná fyzikálně: že pro dané množství energie je proud nepřímo úměrný napětí. Čím vyšší je tedy napětí, tím nižší je proud a tím víc se redukují energetické ztráty vznikající ohřevem vodiče. S kombinací stejnosměrného proudu a vysokého napětí se tak k zákazníkům dostane 95 procent původní energie. V případě použití střídavé sítě by toto číslo kleslo na 87 procent. A to by se v přepravovaném objemu energie rovnalo ztrátě 400 MW, což už je výkon jedné (ne moc velké) elektrárny. Neznamená to, že by přeměna byla jednoduchou záležitostí. Ještě před 20 lety by se asi o podobném zařízení dalo uvažovat čistě jenom teoreticky, ale postavit ho by bylo možné jen těžko. Technické zázemí projektu v Lufengu je ovšem i dnes impozantní. Stojí v hale o velikosti leteckého hangáru, pod jehož střechou se snoubí přesnost a velkovýroba. Jádrem zařízení jsou řady drobných zlatých plechovek, které jsou zapojeny do série a propojeny přes optické kabely s ovládacími obvody. Uvnitř jsou tyristory, čili měničové klapky z křemíku, molybdenu a mědi, které se aktivují opticky pomocí laserového paprsku 50krát za sekundu – přesně ve fázi, kdy proud mění polaritu. Děje se to s přesností do miliontiny sekundy, takže záporné vlny střídavého napětí se „překlopí“ bez toho, aby vznikl jednosměrný proud. Poněvadž tento proud má stále vysoký obsah střídavých složek, přechází dále do tzv. jednosměrného pole, které se nachází hned za halou, kde kondenzátory dočasně skladují náboj a „vstřikují” ho do střídavých složek. Cívky odfiltrují rušivé signály pocházející z usměrňovačů v hale. Všechno jsou to standardní obvody, které se nacházejí v libovolném zařízení napájeném ze sítě, ale v tomto případě jsou jejich rozměry gigantické. Usměrňovače a jednosměrné pole jsou duplicitní. Výhodou je, že jeden vodič funguje jako 800kilovoltový kladný pól a druhý jako 800kilovoltový záporný pól, čímž se mezi nimi vytvoří napětí 1,6 mil. V. Energie se tak rozdělí mezi dva vodiče, aby se minimalizovaly přenosové ztráty. Současně je to i bezpečnostní opatření pro případ, že by jeden pól vypadl. Jde o technologii, která se nevyplatí vždy a všude. Ale při provázání vzdálených oblastí do budoucna se s ním patrně bude setkávat stále častěji. AMBICIOZNÍ, NEBO POSTAVENÝ NA PÍSKU? Třeba v případě projektu Desertec. To je projekt, který na pohled vypadá jako z říše sci-fi. Chce změnit pouště a neúrodné části pobřeží na severu Afriky na zdroje elektřiny, které by mohly nasytit velkou část evropské spotřeby. Pouště mají pokrýt velké solárně-termální elektrárny – celé tisíce čtverečných kilometrů solárních panelů a zrcadel. Na pobřežích mají vyrůst stohy větrných turbín. Neskutečný projekt odhadem za 400 mld. eur (ale to je opravdu jen odhad) už není jenom přeludem. V červnu 2009 tucet evropských společností založilo průmyslovou iniciativu Desertec. Nechybí mezi nimi největší německá strojírenská společnost Siemens. Ta mimo jiné má dodávat systémy pro přenos vysokonapěťového jednosměrného proudu, které mají sehrát klíčovou roli při dopravě elektřiny ze zcela pustých oblastí výroby k zákazníkům. Pro tento účel se hodí technologie dokonale, protože v případě dopravy přes poušť a Středozemní moře nevadí, že proud nelze odebírat na trase, ale jen v jeho koncovém bodě. Není kdo by ho odebíral. Projekt má vznikat velmi postupně. Zatím se zkouší technologie, které by měl používat a pomalu, velmi pomalu se navyšuje výrobní kapacita zemí u Středozemního moře. Přípravné projekty se týkají všech aspektů řešení chytrých sítí. Jeden z nejdůležitějších je na straně výroby: problém nestability obnovitelných zdrojů, které mají vyrábět většinu energie v rámci Desertecu. Prvním řešením, které se nabízí, je přijít s novými technologiemi pro alespoň krátkodobé skladování energie z těchto zdrojů. Alespoň tak, aby se vyhladily krátkodobé špičky a výroba se rovnoměrně rozložila do větší části dne, případně i noci. Jádrem Desertecu mají být sluneční elektrárny. A právě u těch se skladování energie zdá být řešitelné. Roku 2009 byla ve španělské Andalusii zapojena do sítě solárně-termální elektrárna Andasol s parabolickými žlaby. Zakřivená parabolická zrcadla jsou uložena v dlouhých řadách na ploše přibližně 500 000 m2. Zrcadla se nepřetržitě otáčejí za sluncem. Získané teplo se přivádí do vakuových trubic se speciálním olejem, který se ohřívá na takřka 400 °C. Následně tento olej ve výměnících tepla přesune svoji tepelnou energii do vody a vytvoří páru. Podobné solárně-termální elektrárny (v Andalusii není jediná na světě) dokáží díky skladovanému teplu elektrárny vyrábět elektřinu i v noci. Jako skladovací médium se většinou používají velké izolované nádrže s kapalnými solemi s bodem tání okolo 200 °C. Je to zatím zřejmě nejslibnější trik, jak obejít omezení solární energetiky. Má samozřejmě své problémy: používané teploty jsou sice na pohled vysoké, ale u tepelných elektráren jsou přece jen o něco vyšší, a díky tomu je vyšší i účinnost turbín napojených na systém. Také používaná média jsou velmi drahá; sůl určená na skladování energie ze Slunce stojí až desítky miliony eur pro jednu elektrárnu. Tyto elektrárny jsou vůbec kapitálově příliš náročné, ale to by mohly změnit jen další zkoušky, vývoj a případný náběh výroby. Jistý problém představuje i nedostatek vody: je překážkou při chlazení kondenzátorů v parním cyklu. Výhodu má Egypt, který má dostatek vody v Nilu. V suchých oblastech lze kondenzátory chladit pomocí vzduchu, ale je v takovém případě nejméně o 20 procent nižší. Někde se to může vyplatit i v takovém případě, například v Alžírsku. Tamní kamenné pouště jsou totiž jinak pro tento druh energetiky vhodné. A to především proto, že se na nich nevyskytují pouštní bouřky, které by mohly poškodit zrcadla. Alžírsko se rozhodlo možnost technologie vyzkoušet stavbou 160megawattové elektrárny Hassi R’Mel, která kombinuje konvenční závod s plynovou a parní turbínou se solární technologií. Slunce představuje jen jeden z možných zdrojů energie, takže provoz není závislý jen na přízni počasí. To znamená, že do cyklu běžné tepelné elektrárny je zařazen další výměník využívající energii uchovanou v nádržích s roztavenou solí. Nevýhodou je, že sluneční termální elektrárny vyžadují přímé sluneční světlo, tedy naprosto čistou oblohu. Ale té je ve Středomoří tolik, že právě díky modrému nebi se tento projekt ještě neporoučel do říše fantazie. Už na první pohled je totiž jasné, že energie v této oblasti opravdu je. Stačilo by zrcadly pokrýt asi 90 000 km2 pouště, tedy necelou Českou republiku, a vyrábělo by se tu dost elektřiny pro celý svět (alespoň při současné spotřebě). Evropě by mělo stačit zhruba necelé 3000 km2 na pokrytí zhruba čtvrtiny poptávky, i když přesněji se uvidí až na základě údajů z ověřovacích projektů. I přesto, že fyzikálně má své opodstatnění, Desertec je ohromný infrastrukturní projekt, který má do realizace daleko a nemá nic jistého. Chytré sítě se nám ovšem nepochybně představí dříve a v menším. ČESKÝ OSTROV Jak to bude vypadat, zkouší se i v severočeském Vrchlabí. Město se stane v příštích dvou letech největším českým ostrovem, tedy z energetického hlediska. Energetici tu mají předvést, jak v budoucnosti může vypadat soběstačný „ostrovní provoz“. Region, především lokalita Liščí kopec, která je centrem ověřovacího projektu, by si měla udržet bezpečný provoz i ve chvíli, kdy zbytek sítě zkolabuje a všude zavládne tma. Český díl projektu má ve své režii ČEZ. V jeho rámci by měl vzniknout mikrosvět, který se o sebe dokáže v oblasti výroby a distribuce energie postarat sám. Nejen díky tomu, že má dost vlastních zdrojů, ale především díky lepšímu řízení výroby i spotřeby energie. A nejde jen o nějakou simulaci: pokud vše půjde dobře, architekti projektu hodlají Liščí kopec od sítě skutečně fyzicky oddělit a za provozu zase připojit. Bez nových technologií by takový krok stál provozovatele nemalé peníze minimálně na odškodném za zničené spotřebiče odběratelů. Aby se Vrchlabí změnilo na zlatý důl odborných informací, vloží společnost ČEZ do projektu několik desítek milionů korun. Jako ve všech „chytrých sítích“, i ve Vrchlabí půjde především o informace. V infrastruktuře „chytrého regionu“ by měla fungovat rušná obousměrná komunikace v reálném čase. Údaje by si neměli vyměňovat jenom velcí hráči, jako jsou distributoři a správci elektrických rozvodných sítí, ale i drobní uživatelé až na úrovni jednotlivých domácností. Zákazníci by tak měli mít možnost přesného sledování své spotřeby a nákladů. Provozovatelé by měli mít zase možnosti efektivněji a levněji řídit elektrickou síť. Díky tomu by měli být schopni regulovat provoz detailně v režimu „ostrova“, kdy se Vrchlabí nemůže spoléhat na rychlý náběh vzdálených vodních nebo plynových elektráren. Pokud se jim podaří bezpečně zvládat provoz v takovém režimu, může se pak v důsledku uvažovat o úspoře nákladů na udržování stálých záložních zdrojů. Právě úspory a bezpečnost budou hlavním motem nejen vrchlabského projektu, ale vůbec celého přechodu ke Smart Grids. S pomocí těchto dvou klíčových slov se budou snažit dodavatelé přesvědčit spotřebitele, aby změnu podpořili nebo alespoň přijali bez odporu. Vysvětlit jim ji totiž budou muset: náklady na stavbu vyspělých sítí budou ohromné. V USA se odhadují možné náklady na modernizaci celé sítě do „chytré“ podoby na čtvrt až půl bilionu dolarů. V Evropě by mohly být o něco nižší. A nebo možná ještě vyšší, pokud se například podaří ekonomicky odůvodnit projekt Desertec, který by měl vyjít na zhruba 400 mld. eur. Spokojenost spotřebitelů s novým uspořádáním tedy bude klíčová. Ti chtějí především stabilitu a nízké ceny. Chytré sítě budou muset ukázat, že jsou ta správná cesta k tomuto cíli. Josef Janků, Vlado Duduc Zdroj: Visions