Když jsou sítě chytřejší

Je nesporné, že energetika je páteří společností a v současnosti prochází velmi složitým obdobím. Bylo by asi zdlouhavé rozebírat, které aspekty a jak významně se na vytváření tohoto složitého období podílejí. Snad postačí letmý výčet některých faktorů: privatizace a s ní související restrukturalizace, liberalizace a s ní spojený unbundling, energetické a jiné krize, snaha o zachování tzv. udržitelného rozvoje a celá sféra aktivit za omezení klimatických změn aj. Přitom neustále roste spotřeba elektrické, ale i jiných energií. Energetika v současné době stojí před třemi zásadními úkoly: 1) Zvládnout nárůst současných i budoucích požadavků na dodávku. 2) Respektovat požadavky související s životním prostředím. 3) Dosáhnout odpovídající bezpečnosti a spolehlivosti dodávky. První se dá zajistit zvýšením výrobních kapacit, či snížením požadavků na dodávku. Druhý úkol v dnešním „rozložení sil“ alternativu nemá. A třetí, ten je jen důsledkem technického, ekonomického a konečně i sociálního rozvoje současné industriální společnosti. Pokusíme-li se zkrátit předešlou analýzu situace v energetice do podoby konkrétních dopadů, resp. do podoby očekávaných a požadovaných nových trendů jejího rozvoje, rýsují se dvě významné oblasti: 1) Zásadní zvýšení počtu tzv. obnovitelných zdrojů, většinou distribuovaných, tzn. lokalizovaných v sítích hlavně nízkého a částečně i vysokého napětí. 2) Důraz na efektivní využívání elektrické energie, především na straně spotřeby. Co charakterizuje energetické sítě minulosti a současnosti? Jednoduchá hierarchická struktura (viz obr. 1), kde na nejvyšší úrovni je většina zdrojů, tok výkonu jde vždy „shora dolů“, výroba všech (či alespoň většiny), vždy sleduje aktuální spotřebu. Plánování provozu sítí postupuje ve směru toku výkonu, tedy vždy od nejvyšší úrovně směrem dolů. Řízení provozu sítí stojí především na historických zkušenostech. Samozřejmě, existují i výjimky. Můžeme nalézt zdroje i v ostatních úrovních sítě. Někdy (ale opravdu jen někdy - za mimořádných situací), dochází k obrácení toku výkonu z distribuční do přenosové soustavy (tedy ze sítí napěťové úrovně 110 kV do sítí 400, nebo 220 kV). Existují zásobníky elektrické energie, které umožňují spotřebovat, a tedy i jinde vyrábět elektrickou energii, která není momentálně na straně „normální“ spotřeby požadována (kupř. přečerpávací elektrárny). A samozřejmě se stává, že je třeba operativně měnit plány provozu na základě neplánovaných, či mimořádných událostí v nižších napěťových úrovních sítě, kupř. v síti distributora nebo u velkého zákazníka. Sítě, které mají splnit budoucí požadavky budou vypadat poněkud odlišně (viz obr. 2). Stále budou převládat zdroje připojené na nejvyšší úrovni sítí. Současně ale přibude řada zdrojů, které budou připojeny prakticky do všech ostatních úrovní sítě. Poměr mezi těmito centrálními zdroji a zdroji distribuovanými je dán především politickolegislativními aspekty. Za předpokladu, že distribuovanými zdroji budou tzv. obnovitelné zdroje, což samozřejmě budou. Významným atributem těchto zdrojů, kromě toho že jsou „obnovitelné“, je (kupř. větrné a solární elektrárny) to, že jejich provoz je přerušovaný. Díky významnému nárůstu instalací zdrojů do dalších vrstev sítě se tok výkonu změní, z převážně jednosměrného „shora dolů“, na obousměrný. Požadavky na regulaci spotřeby budou realizovány komplexním začleněním odpovídajících funkcí do ostatních operací řízení a plánování provozu sítí. Celkově pak dojde k výraznému nárůstu počtu monitorovaných a řízených objektů v sítích a systémy a jejich funkce, realizující globální či dílčí procesy řízení, budou stále více a častěji spoléhat na aktuální real-time informace ze stále většího počtu míst v síti. Chytré sítě Uvedená představa o sítích, plnící budoucí požadavky, není jen technickou rozvahou nad možným budoucím rozvojem. Je výsledkem trvale probíhajících procesů analýzy a plánování dalšího rozvoje energetiky. V evropské struktuře je tento proces organizován na řadě úrovní. Počínaje orgány EU, přes jednotlivé národní instituce, až po komerční subjekty, výrobce, operátory přenosových soustav a distributory, a pochopitelně i tradiční dodavatele technologií. V rámci těchto procesů se vžil termín Smart Grids. Toto označení bylo přejato z podobně probíhajících procesů na severoamerickém kontinentu, i když tam je obsah stejného pojmu mírně odlišný. Hovoří-li se o Smart Grids v naší české kotlině, velmi často se používá termín Chytré sítě. Co lze očekávat od sítě, která si bude činit nárok na to, že se stala chytřejší? l Velkou řadu zdrojů připojených do celé sítě. Počínaje solárními panely na střechách rodinných domků či jejich plynovými kotli vybavenými palivovými články, přes podobná řešení na komunitní či obecní úrovni, nebo u menších komerčních subjektů (zde jako doplňková aktivita k hlavnímu předmětu podnikání). Nejpravděpodobněji doplněná o větrné elektrárny a výroby elektřiny z biomasy, přes střední a velká řešení s charakterem hlavního předmětu podnikání. l Rozsáhlý nárůst počtu zdrojů a způsobu jejich provozu (přerušovaná výroba) s sebou přináší nové požadavky na regulaci napětí. Již nestačí prostá regulace v předávacích místech mezi jednotlivými napěťovými úrovněmi. Je třeba realizovat regulaci respektující neustále se měnící podmínky v oblasti provozu zdrojů jak činného, tak především jalového výkonu. l Přerušovaný charakter výroby v řadě zdrojů generuje požadavky na řešení napěťové a výkonové stability v okamžicích, kdy tyto zdroje budou v „nevýrobním cyklu“ (solární v noci, větrné za bezvětří apod.). To vede k výraznému nárůstu požadavků na nezávislé zdroje jalového výkonu, mnohdy s možností skokové, či plynulé regulace, tedy instalace řešení na bázi výkonové elektroniky SVC (Static Var Compensator). l Přiblížení výroby ke spotřebě doprovází významný negativní aspekt: bezpříkladné zvýšení zkratového výkonu. To generuje požadavky na rekonstrukce částí sítí (zejména rozvodny), příp. je řešitelné instalací omezovačů zkratových proudů. l Přerušovaný charakter výroby v řadě zdrojů také generuje požadavky na řešení možnosti ukládání elektrické energie pro její pozdější využití. Rozvíjejí se technologie ukládání elektrické energie, především malého a středního objemu. V současné době je kapacita takových řešení (především na elektrochemickém principu) velmi omezená a využívá se hlavně pro překlenutí krátkodobých přechodných stavů. Velmi často jsou tato řešení kombinována se zdroji jalového výkonu s využitím jednoho společného zařízení SVC. Začínají se však realizovat i kombinovaná řešení obsahující celé spektrum různých typů zdrojů, kde je princip akumulace elektrické energie realizován nepřímo, kupř. akumulačním stlačováním vzduchu. Ten se pak využívá při výrobě v klasickém turbosoustrojí plynová turbína – elektrický generátor. l Existence velkého počtu zdrojů distribuovaných výrob s sebou přináší očekávaný požadavek na to, aby vybrané části sítě mohly pracovat v tzv. ostrovním provozu. Což (s ohledem na charakter takových oblastí) přináší požadavek na nutnost aktivního řízení konkrétních částí sítě. A to nejen v ustáleném stavu ostrovního provozu, ale i při přechodech do a z něj. l A konečně poslední je oblast aktivního řízení spotřeby. A to nejen z hlediska tarifní politiky a snahy o „vtažení“ zákazníka do celého procesu využívání elektrické energie. Důležitým aspektem řešení této oblasti se (kromě již notoricky prosazovaného dálkového odečtu elektroměrů) stávají funkce on-line využívání informací o spotřebě pro procesy řízení a plánování provozu sítí, možnosti aktivního řízení spotřeby distributorem (samozřejmě v dohodnutých mezích), či efektivní spolupráce v případech, kdy je spotřebitel (i na té nejnižší úrovni) zároveň i výrobcem (solární panely na střeše rodinného domku). Smart Grids jsou tématem, které v současné době energetikou „hýbou“. Ing. Jiří Roubal, Senior Technical Specialist, Divize Power System, ABB s.r.o.