Inteligentná elektrina – Virtuálne elektrárne, inteligentné siete

Využívanie obnoviteľných zdrojov je trendom, ktorý úplne mení tvár energetického priemyslu. Ako pri každej zmene, aj v tomto prípade prináša nová situácia otázky, na ktoré treba nájsť odpoveď.

Súčasná realita ukazuje, že namiesto niekoľkých veľkých elektrární, ktoré dlhodobo zabezpečovali stabilnú dodávku energie, sa začínajú objavovať desiatky menších výrobní, ktoré získavajú energiu z obnoviteľných zdrojov. Sú však geograficky roztrúsené na mnohých miestach a ich dodávky závisia do značnej miery od výkyvov počasia. Z hľadiska funkčnosti a stability celej rozvodnej siete tak elektrárne, ktoré využívajú obnoviteľné zdroje energie (na čele so slnečnými a veternými), predstavujú veľkú výzvu. Jedným z riešení takéhoto stavu môže byť virtualizácia, ktorá využíva ďalší zo súčasných trendov známych napríklad z IT oblasti.

Ako to funguje
Podobne ako sa môže v IT sfére prepojiť niekoľko počítačov do jedného virtuálneho servera, môže sa prepojiť aj niekoľko menších elektrární do jedinej virtuálnej elektrárne. Takéto usporiadanie nielenže výrazne uľahčuje správu jednotlivých čiastkových elektrární, ale prináša aj rad nových možností, ktoré by v prípade práce so samostatnými jednotkami neboli k dispozícii. Virtuálna elektráreň totiž využíva na zabezpečenie svojho chodu veľké množstvo údajov – od aktuálnych cien elektriny cez energetický dopyt až po predpovede počasia. Systém potom na základe týchto údajov vytvára harmonogram, podľa ktorého sa riadia čiastkové elektrárne. Cieľom harmonogramu je zabezpečiť čo najväčšiu efektivitu prevádzky elektrární, stabilizáciu dodávky energie do rozvodnej siete a súčasne minimalizáciu nákladov na výrobu elektriny. Vzhľadom na to, že množstvo energie vyrobené z obnoviteľných zdrojov kolíše, možno s ním vďaka virtuálnej elektrárni lepšie obchodovať na energetických trhoch.

Princíp virtuálnej elektrárne V podstate je to veľmi jednoduché – pomocou špeciálnych informačných a komunikačných technológií sú jednotlivé elektrárne pripojené na jeden počítač, cez ktorý sa ovládajú ako celok. V budúcnosti by sa malo dať do virtuálnej elektrárne prihlásiť aj cez internet prostredníctvom špeciálne zabezpečených internetových protokolov.

Príklady z Nemecka
Príkladom realizácie takéhoto systému môže byť virtuálna elektráreň, ktorá spravuje jednu veternú elektráreň, päť vodných elektrární a šesť kogeneračných jednotiek v okolí nemeckého Mníchova a má celkový výkon 20 MW. Alebo ďalšia virtuálna elektráreň na území Nemecka, ktorá má podobné parametre, do roku 2015 by však mal jej výkon postupne narásť až na desaťnásobok. Odborníci zo spoločnosti Siemens predpokladajú, že v budúcnosti by mali byť virtuálne elektrárne štandardom a neoddeliteľnou súčasťou tzv. inteligentných sietí (Smart Grids). Aby sa to dalo dosiahnuť, pracujú vývojári na kľúčových aspektoch virtuálnych elektrární, napríklad na tzv. decentralizovanom komunikačnom rozhraní.

Aké sú to inteligentné siete? Smart Grids sú automatizované, spoľahlivé a efektívne riadené distribučné siete, ktoré podporujú obojsmernú komunikáciu medzi výrobnými zdrojmi, distribučnou sieťou a zákazníkmi. Na základe komunikácie sa zbierajú informácie o aktuálnych potrebách výroby a spotreby energie, ktoré sa ďalej využívajú na efektívne nakladanie s elektrickou energiou.

Smart Grids a spotrebitelia Inteligentné siete prinesú spotrebiteľom omnoho širšiu ponuku taríf a možnosť odoberať elektrinu v časoch, keď je lacná. Presun spotreby do nízkej tarify by mali automaticky zvládať práčky, mrazničky, sušičky aj umývačky riadu. Spotrebiče budú priamo zo siete vedieť, aká je aktuálna cena elektrickej energie. Nízke tarify budú vhodné aj na dobíjanie elektromobilov. Naopak, v čase vysokých taríf sa bude časť energie čerpať z akumulátorov áut nabitých lacnou elektrinou – a práve uchovávanie elektriny bude kľúčové z hľadiska úspechu inteligentných sietí. Vďaka úsporám, ktoré sa takto dosiahnu, sa môže spotreba v domácnostiach znížiť o 10 až 15 %. Okrem toho sa vďaka transformácii rozvodných sietí na tzv. viacprúdové môžu budovy zmeniť z čistých odberateľov energie na aktívnych účastníkov trhu s elektrinou, ktorí ponúkajú na predaj vlastnú energiu. A to sa týka aj domácností, ktoré sa zmenia na mikroelektrárne a budú sa podieľať na výrobe elektriny pomocou solárnych článkov a kombinovaných kotlov.

Decentralizácia v hlavnej úlohe
Aj keď sa decentralizácia môže v celom koncepte virtuálnej elektrárne javiť ako nezmysel, nie je to tak. Namiesto toho, aby sa dala elektráreň ovládať výlučne jedným počítačom, sa pri decentralizovanom rozhraní poverení operátori budú môcť prihlásiť do správy virtuálnej elektrárne z ľubovoľného počítača prostredníctvom špeciálne zabezpečených internetových protokolov. Desiatky či stovky menších elektrární – veterné turbíny, geotermálne jednotky alebo solárne elektrárne – by sa tak spojili do jednej virtuálnej elektrárne, ktorá by automaticky spravovala podriadené jednotky. K jednotlivým elektrárňam možno postupne pridávať ďalšie zariadenia, ktoré môžu dodávať elektrinu do siete alebo v prípade potreby môžu elektrinu spotrebovávať. Týka sa to najmä fotovoltických jednotiek na strechách domov a v budúcnosti napríklad aj elektromobilov, ktoré komunikujú s rozvodnou sieťou. V takejto schéme zapojenia podriadených jednotiek by už virtuálne elektrárne neboli len nástrojom na jednoduchšie obchodovanie a správu elektrární, ale skôr kľúčovým článkom, ktorý zabezpečuje bezproblémový chod celej siete.

Výroba verzus spotreba
Medzi nové prvky v energetickom priemysle nepatrí len využívanie obnoviteľných zdrojov, naliehavou sa stáva aj otázka, ako riešiť rastúci nesúlad medzi výrobou a spotrebou elektrickej energie. Odpoveďou by mali byť práve inteligentné siete (Smart Grids). Koncepcia ich nasadenia vnesie do energetiky revolučné zmeny – zatiaľ čo klasické ponímanie energetiky počíta s kontrolovateľnou produkciou a nepredvídateľnou spotrebou, pri Smart Grids je to presne naopak. Časť výroby sa po väčšom zapojení obnoviteľných zdrojov nebude dať predvídať a naopak, časť spotreby sa bude dať kontrolovať. Koncept počíta s distribučnými sieťami, ktoré sa dokážu samy regulovať. Priemyselné a verejné objekty sa premenia na aktívnych účastníkov trhu s elektrickou energiou. Zmeny sa dotknú aj jej výroby, spotreby a skladovania.

Súčasné rozvodné siete končia
Okrem dosiaľ spomínaných nových výziev energetiky sa jasne ukazuje aj to, že súčasné rozvodné siete dosiahli svoje hranice. Svedčia o tom aj viaceré plošné výpadky elektrickej energie, ktoré v minulých rokoch zažili niektoré priemyselné oblasti v Európe a Amerike.

Faktom je, že čím ďalej, tým viac energie prúdi sieťami, ktoré sú zväčša staršie ako štyridsať rokov. Navyše, v budúcnosti budú stále významnejšiu úlohu zohrávať obnoviteľné zdroje energie a elektrické generátory s menším výkonom, ktorých využitie naráža v rámci súčasnej infraštruktúry na veľké prekážky. Zároveň bude treba zvládnuť špičkové odbery a prebytočnú energiu niekde uskladniť. Pomyslené nožničky medzi maximálnymi a minimálnymi odbermi sa budú totiž viac a viac roztvárať.

Aj v tomto prípade sa očakáva, že riešenie prinesú Smart Grids, ktoré sa v niektorých štátoch začali už budovať. Cieľom je dosiahnuť, aby všetky objekty regulovali svoje ener­getické nároky, uskladňovali nevyužitú energiu a dodávali vlastnú vyprodukovanú energiu do rozvodnej siete automatizovaným energetickým riadiacim systémom. Prvé lastovičky v podobe inteligentných meračov už majú v Taliansku, Švédsku alebo v Dánsku. Pilotný projekt zavádza aj česká energetická spoločnosť ČEZ v regióne Vrchlabí (viac v samostatnej časti na konci tohto článku).

Dopyt po elektrickej energii narastá. Čo s tým?
Už teraz je zrejmé, že na spoľahlivé a ekologické uspokojenie rastúceho dopytu po elektrickej energii bude svet potrebovať inteligentné siete. Odhaduje sa, že do roku 2030 sa dopyt po elektrickej energii zdvojnásobí, a to aj vďaka takým trendom, ako je napríklad e-mobilita.

Vďaka Smart Grids by sa v najbližších desaťročiach mohla zredukovať viac ako miliarda ton emisií oxidu uhličitého. Treba však podotknúť, že inteligentné siete majú aj svoje zápory. Patria medzi ne najmä vysoké investičné náklady, ktoré si vyžiada vybudovanie potrebnej infraštruktúry. Podľa odhadov Electric Power Research Institute bude len v USA stáť modernizácia sietí počas najbližších dvadsiatich rokov 338 až 476 miliárd dolárov.

Energetická revolúcia
Zvýšenie energetickej efektivity sa bude dať dosiahnuť len tým, že informácie z rozvodnej siete sa budú integrovať priamo v technologických aplikáciách. V rozvoji Smart Grids budú preto zohrávať dôležitú úlohu inteligentné elektrospotrebiče.

Podstatou inteligentných elektrizačných sietí je ovládať premenné veličiny v reálnom čase. Prvé elektrárne v Európe sa začali stavať približne pred 120 rokmi, ani dnes však spotrebitelia a dodávatelia nevedia, kedy presne tečie elektrina cez distribučné linky a koľko jej preteká. Elektrina k nim jednoducho prúdi viacerými sústavami, aby nakoniec skončila v elektrických zásuvkách. Vďaka inteligentným meračom sa to však zmení. Príkladom môže byť švajčiarske mestečko Arbobe, kde v tomto roku spoločnosť Siemens postupne nahradí technicky zastarané elektromery v približne 8 700 domácnostiach. V energetike to znamená skutočnú revolúciu, porovnateľnú so zavedením mobilných telefónov alebo internetu.

Nové merače umožňujú merať nielen spotrebu elektriny, ale zároveň zbierať údaje o dodávke plynu, vody a tepla. Tieto údaje sa okamžite odošlú dodávateľovi, ktorý je tak informovaný o energetických požiadavkách každého spotrebiteľa – bez ohľadu na to, či ide o chladničku v byte, alebo výrobnú linku v závode.

Prepájanie svetov
Základnou podmienkou úspešného fungovania Smart Grids bude efektívne prepojiť rastúce vzdialenosti medzi miestami výroby energie a spotrebiteľmi. Technológia vysokonapäťového jednosmerného prenosu HVDC dokáže prepravovať veľké množstvo elektriny na vzdialenosť tisícok kilometrov s minimálnymi stratami.

Takéto energetické diaľnice prekročia v budúcnosti hranice štátov a prepoja aj celé kontinenty. Umožnia optimálne využívať zme­ny ročných období, denných časov a geografických podmienok. Tieto supersiete by sa mohli využívať aj na prepravu solárnej energie zo severnej Afriky do Európy, ako to opisuje projekt Desertec.

Nové nároky aj vďaka budovám
Energetické siete budú ovplyvnené aj inteligentnými systémami riadenia budov, ktoré zmenia nároky na ne a budú do nich dodávať aj vlastnú vyrobenú elektrinu. Technológie inteligentného riadenia budov sú v súčasnosti žiadané všade na svete – inteligentné elektrické merače, ktoré sa zavádzajú v rámci projektov Smart Grids, sú len predzvesťou mnohých ďalších zmien. Európska únia požaduje, aby od roku 2010 boli všetky nové a modernizované budovy vybavené inteligentnými meračmi. Zatiaľ čo zákazníci budú mať lepší prehľad o svojich nákladoch na elektrinu, dodávatelia budú môcť presnejšie predvídať dopyt. Energetici budú schopní ponúknuť odberateľom nové produkty vrátane tzv. dynamických sadzieb, ktoré sa budú podľa dopytu meniť možno dokonca až každých pätnásť minút. Tým by sa mohli dosiahnuť úspory až do 20 %.
Malé zariadenia na kombinovanú výrobu tepla a elektriny v budovách bude možné jednoduchšie integrovať do rozvodnej siete. Ak sa zvýši dopyt po elektrine, kogeneračná jednotka dodá energiu do siete, pričom odpadové teplo sa odvedie do miestneho systému tepelného skladovania.

Najťažšou úlohou bude navzájom skoordinovať podsystémy každej budovy a riadiť ich komunikáciu s okolím. Nie je to triviálna záležitosť, pretože jednotlivé systémy sa vyvíjali mnoho rokov nezávisle – napríklad rozhrania, ktoré umožnia komunikáciu medzi riadiacimi systémami. V praxi sa už začínajú tieto problémy riešiť, napríklad divízia stavebných technológií spoločnosti Siemens vyvíja softvérové riešenia súhrnne označované ako Total Buidling Solutions, ktoré by mali plniť práve úlohu koordinácie. Spoja do jediného celku celú škálu systémov – od technológie riadenia a zabezpečenia budov, vykurovania, ventilácie, klimatizácie, distribúcie elektrickej energie cez požiarnu ochranu, ochranu proti vlámaniu až po reguláciu prístupu či videodohľad. Iba ak budú všetky tieto systémy perfektne synchronizované, bude možné plne využiť ich ekonomický potenciál – bez ohľadu na to, či pôjde o štadión, administratívny komplex, hotel, nemocnicu, továreň, alebo nákupné centrum. Reálne by sa takto mohli dosiahnuť úspory vo výške 20 až 25 %.

(sf)
Článok vznikol z podkladov spoločností Siemens a ČEZ
Foto: Siemens, thinstock.cz

Smart Region Vrchlabí Pilotný projekt Smart Region postavený na koncepte inteligentných sietí realizuje Skupina ČEZ vo Vrchlabí od začiatku roka 2010 a bude trvať päť rokov. Projekt Smart Region pokračuje v napĺňaní stanovených cieľov v rámci Grid4EU – európskeho najvýznamnejšieho projektu nových technológií Smart Grids v distribučnej sústave. Realizuje sa v šiestich členských štátoch EÚ a je spolufinancovaný z fondov EÚ určených na výskumné účely. Skupina ČEZ nasadzuje v rámci projektu najmodernejšie technológie do distribučnej siete, testuje prevádzku inteligentných elektromerov vrátane interaktívneho zapojenia zákazníkov, vo veľkej miere využíva IT technológie na riadenie siete, zapája lokálne výrobné zdroje (kogeneračné jednotky) a testuje elektromobilitu. Prečo Vrchlabí Mikroregión Vrchlabí sa zvolil preto, že má vhodnú veľkosť z pohľadu zámerov skúšobného projektu, existujú tu obnoviteľné zdroje energie, ktoré sa dajú zapojiť, a možno tu vybudovať niekoľko jednotiek kombinovanej výroby elektriny a tepla. Vrchlabí je vzhľadom na blízkosť Krkonošského národného parku ideálne aj z hľadiska ekologických prínosov projektu. V neposlednom rade tu projekt vznikol aj vďaka podpore a ústretovosti vedenia mesta. Ciele projektu Z pohľadu jednotlivých oblastí možno ciele projektu zhrnúť takto: 1. Inteligentné siete modernizácia distribučnej siete zodpovedajúcej novým požiadavkám zákazníkov aj výrobcov obojsmerná komunikácia medzi distribučnou sieťou a zákazníkmi začlenenie nových funkcií distribučnej siete, napríklad dobíjacej stanice na elektromobily 2. Zákazníci možnosť sledovať aktuálnu spotrebu elektrickej energie pomocou inteligentných elektromerov testovanie unikátneho, tzv. multiutilitného merania spotrieb domácností optimalizácia riadenia spotreby pomocou inteligentných elektromerov 3. Technológie  výstavba dobíjacích staníc a prevádzka elektromobilov automatizácia a monitoring komponentov na úrovni vysokého a nízkeho napätia lokálny riadiaci systém distribučnej sústavy so schopnosťami rýchlej manipulácie v prípade porúch testovanie bezdrôtových IT technológií diaľkového prenosu dát 4. Výrobné zdroje  výstavba lokálnych výrobných zdrojov – kogeneračných jednotiek dodávky elektrickej energie do distribučnej siete a tepla do centralizovaného zásobovania teplom výrobné zdroje elektrickej energie na testovanie havarijného stavu siete – ostrovnej prevádzky. Doterajšie práce Po zrekapitulovaní uplynulého roka možno povedať, že projekt sa už nachádza v plnej realizačnej fáze. Za jeho najviac viditeľné aktivity sa považujú sprevádzkovanie kogeneračných jednotiek, pokračujúca výmena káblov vysokého napätia alebo vybudovanie dobíjacích staníc na elektromobily. V minulom roku sa uviedli do prevádzky tri moderné kogeneračné jednotky s celkovým elektrickým výkonom 3 920 kW a celkovým tepelným výkonom 4 351 kW, ktoré prispejú v budúcnosti k riešeniu situácie v dodávkach tepla do systému centralizovaného zásobovania teplom (CZT). Jedna z kogeneračných jednotiek bude od roku 2013 pripravená na riešenie stavu výpadku napájania distribučnej sústavy. Kogeneračné jednotky zabezpečujú pri plných dodávkach do CZT asi 67 % celoročného tepla potrebného na zásobovanie CZT vo Vrchlabí. Od konca roku 2011 je vo Vrchlabí nainštalovaných takmer 5 000 inteligentných meračov, rok 2012 sa tak niesol v znamení vyladenia ich prevádzky a zisťovania akceptácie týchto nových technológií zo strany zákazníkov. Vybranej skupine zákazníkov sa s inteligentnými meračmi ponúkli aj nové tarifné podmienky. Cieľom bolo zistiť ochotu meniť spotrebné správanie v závislosti od cenových ponúk. Plány na rok 2013 V tomto roku by sa mala dokončiť realizačná fáza, ktorá by mala prejsť postupne do testovacej fázy. Tá je plánovaná na roky 2014 a 2015. Budú pokračovať práce na projekte Grid4EU podľa nastavených cieľov a zámerov. V oblasti distribúcie elektrickej energie sa dokončia práce v oblasti výmen káblov vysokého a nízkeho napätia. Komplexne sa sprevádzkuje optická sieť na rýchlu komunikáciu medzi ochranami na rozvádzačoch vysokého napätia. V testovacom režime sa spustí komunikácia prostredníctvom bezdrôtovej siete WiMAX, ktorá by mala ukázať vhodnosť tejto technológie na prenos informácií k silovým distribučným prvkom. Pribudne aj rýchlodobíjacia stanica na elektromobily a budú sa testovať jej vplyvy na distribučnú sieť.

Všetci získajú Projekt vo Vrchlabí je súčasťou veľkého európskeho projektu, ktorého sa zúčastňujú desiatky spoločností z rozličných kútov kontinentu. Na siedmich overovacích experimentoch na rôznych miestach Európy chcú spolu vyskúšať princípy nových technológií rozvodných sietí. Výsledky by potom mali slúžiť všetkým účastníkom projektu rovnakým dielom.

Ostrov sám pre seba V rámci českého projektu by mal vzniknúť mikrosvet, ktorý sa o seba dokáže sám postarať v oblasti výroby a distribúcie energie, a to nielen vďaka tomu, že má dosť vlastných zdrojov, ale predovšetkým vďaka lepšiemu riadeniu výroby a spotreby energie. Nejde však len o nejakú simuláciu – ak pôjde všetko dobre, architekti projektu hodlajú centrum regiónu skutočne fyzicky oddeliť od siete a pri prevádzke ho zase pripojiť. Bez nových technológií by takýto krok stál prevádzkovateľov nemalé peniaze, okrem iného minimálne za odškodné za zničené spotrebiče odberateľov. Očakáva sa, že v infraštruktúre tzv. inteligentné­ho regiónu by mala fungovať rušná obojsmerná komunikácia v reálnom čase. Údaje by si nema­li vymieňať len distribútori a správcovia elektrických rozvodných sietí, ale aj drobní užívatelia až na úrovni jednotlivých domácností. Zákazníci by tak mali mať možnosť presného sledovania svojich spotrieb a nákladov. Prevádz­kovatelia by mali mať zase príležitosť efektívnejšie a lacnejšie riadiť elektrickú sieť – mali by napríklad zvládnuť regulovať prevádzku v režime ostrova, v rámci ktorého sa Vrchlabí nemôže spoliehať na rýchly nábeh vzdialených vodných alebo plynových elektrární. Lepšie narábanie s energiou v sieti by tak mohlo ušetriť náklady na tieto veľké záložné zdroje.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.