Pátek, 29. března 2024

Energetická budoucnost: virtuální elektrárny a inteligentní sítě

Po celém světě se energetičtí odborníci stále více zaobírají otázkou: Jaká bude budoucnost energetiky?
Energetická budoucnost: virtuální elektrárny a inteligentní sítě

Kroky těchto expertů zatím ponejvíce směřují k harmonické symbióze omezeného počtu modernizovaných klasických výroben elektřiny a velkého množství malých decentralizovaných výrobních energetických jednotek pracujících na různých fyzikálních principech.

Od okamžiku, kdy Nikola Tesla prezentací svých vynálezů, využívajících střídavý proud, v Americkém institutu elektroinženýrů obrazně položil základy distribučním sítím, které jsou v téměř nezměněné podobě používané až dodnes, je tomu letos přesně 120 let. Hlavními parametry těchto "tradičních" distribučních sítí jsou centralizovaná výroba a jednosměrný tok energie od výrobce směrem ke konečnému spotřebiteli. Za dobu, která uplynula od zveřejnění Teslových vynálezů, doznal svět a celá lidská společnost výrazných změn. Ty se samozřejmě projevují jak v posunu nároků na distribuční sítě na straně jedné, tak v technologických možnostech jejich automatizace, dálkové kontroly a řízení na straně druhé.

MĚNÍCÍ SE NÁROKY NA DISTRIBUČNÍ SÍTĚ

Zejména v posledním desetiletí je kvůli rostoucím cenám fosilních paliv, jejich tenčícím se zásobám a vlivu emisí oxidu uhličitého na globální klima především ve vyspělých státech patrný příklon k výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů. Ty se svou malou instalovanou kapacitou a decentralizovaným charakterem výroby zásadně liší od tradičních výrobních zdrojů založených na fosilních palivech. Je zřejmé, že tento trend bude do budoucna posilovat. Podle Mezinárodní agentury pro energii (IEA) vzroste do roku 2030 v Evropě podíl elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů na celkové vyrobené elektřině ze současných 13 % na 26 %. Z předpovědí Evropské komise dále vyplývá, že kapacita decentralizované výroby se v rámci EU 27 zvýší do roku 2020 o 400 % a dosáhne 10% podílu na celkové výrobní kapacitě. Integrace tak velkého množství decentralizovaných výroben do distribuční sítě s sebou přinese nové požadavky na její řízení a celkové uspořádání.

S postupující liberalizací trhu s elektřinou se mění i nároky a očekávání spotřebitelů týkající se možností aktivně kontrolovat svoji spotřebu a požadavků na tarify šité na míru jejich potřebám.

Této emancipaci spotřebitelů je navíc v řadě evropských zemí aktivně napomáháno i ze strany místních energetických regulátorů upřednostňováním nebo vyžadováním implementace "chytrých elektroměrů" - tzn. digitálních elektroměrů schopných oboustranné dálkové komunikace a kontinuálního měření průtoku elektřiny. Jako příklad zde můžeme uvést Itálii, Nizozemí a Švédsko, kde je plánována celoplošná instalace těchto elektroměrů.

INTELIGENTNÍ PŘENOSOVÉ A DISTRIBUČNÍ SÍTĚ

Je tedy jasné, že distribuční sítě v dnešní podobě již pomalu přestávají stačit nárokům, které na ně ti, již je využívají, kladou a do budoucna budou klást. Zhruba před pěti lety se v souvislosti s distribučními sítěmi nové generace začal používat termín "smart grids". Smart grids můžeme definovat jako inteligentní, samočinně se řídící a regulující přenosové/distribuční sítě, schopné přenášet elektřinu vyrobenou z jakéhokoliv zdroje od centralizované i decentralizované výrobny až ke konečnému spotřebiteli, a to vše s minimem lidských zásahů. Tyto sítě umožní optimální využití elektřiny z obnovitelných zdrojů, což povede k podstatnému snížení emisí oxidu uhličitého. Zároveň jsou schopné samy reagovat na hrozící přetížení v síti a přesměrovat tok elektřiny, čímž předcházejí možným výpadkům. Lze tedy konstatovat, že veškeré technické problémy budou vyřešeny na základě nosné technické koncepce "virtuálních elektráren" a "inteligentních sítí".

Máme-li uvést základní atributy těchto sítí nové generaci, musíme především zmínit:

Plná automatizace zahrnující digitální kontrolní a řídicí systém, integrované senzory monitorující chování sítě a automatické obnovování provozu po poruše, včetně procesu sebehojení. Nedílnou součástí je dostupnost informací v reálném čase o zatížení sítě, kvalitě dodávky, přerušení apod. Hlavními přínosy plné automatizace jsou lepší kontrola nad sítí spolu s minimalizací možných poruch a výpadků díky možnosti flexibilně přesměrovat tok elektřiny, a izolovat tak postižené místo, což samozřejmě vede i ke zlepšení kvality dodávky elektřiny.

Plná integrace zákazníků spočívající jak v instalaci digitálních měřidel dovolujících obousměrný přenos informací, tak v začlenění zákaznických elektrických zařízení přímo do sítě. Přesné informace v reálném čase umožní vznik sofistikovaných tarifů stanovujících cenu za spotřebovanou elektřinu podle aktuální situace v síti. To spolu se schopností ovládat dálkově "chytré" domácí spotřebiče dá zákazníkům příležitost lépe řídit svoji spotřebu, např. zapínat ohřev teplé vody nebo praní prádla, pouze existuje-li v síti volná kapacita. Na druhou stranu energetické společnosti získají přesné informace o chování jednotlivých zákaznických segmentů, což v ideálním případě povede ke zkvalitnění jejich služeb.

Adaptace na různé způsoby výroby elektřiny - smart grids zapojí do tradiční distribuční sítě další výrobní zdroje a umožní obousměrný tok elektřiny k zákazníkovi i od něj. Do sítí budou elektřinu dodávat nejen dnes běžné velkokapacitní elektrárny, ale navíc budou zapojeny menší lokální či regionální zdroje, jako například palivové články, solární elektrárny, větrné farmy, mikroturbíny a jiné decentralizované technologie výroby elektřiny. Tímto bude umožněno, aby koncoví zákazníci z řady měst a obcí či obchodních firem a průmyslových podniků vyráběli elektřinu vlastními zdroji a její přebytky dodávali do sítě, případně při jejím nedostatku ze sítě čerpali. Předpokladem je samozřejmě také obousměrný tok elektřiny mezi distribučními a přenosovými soustavami.

Téma smart grids je již určitou dobu aktuální jak v zemích Evropské unie, tak ve Spojených státech, a to nejen mezi státními a správními orgány, ale i v soukromém sektoru.

EVROPSKÁ UNIE NESPÍ

V Evropě vývoj na tomto poli rozhodně nestojí. V rámci institucí EU zahájila v roce 2005 svou činnost skupina pojmenovaná Smart Grids European Technology Platform. Jejím cílem je vytvořit společnou vizi pro rozvoj moderní evropské elektrické sítě do roku 2020 a tuto vizi také implementovat v jednotlivých zemích. Platforma sdružuje více než 200 expertů z energetických společností, dodavatelů zařízení, poradenských společností, politických i akademických kruhů.

Jedním z jejích prvních výsledků je dokument Strategický plán pro energetické technologie ("Strategic Energy Technology Plan"). Dokument stanovuje energetické cíle EU do roku 2020. Kromě podpory biopaliv a technologií pro snižování emisí oxidu uhličitého se zaměřuje také na další oblasti - vznik inteligentních elektrických sítí včetně skladovacích zařízení pro elektrickou energii. Tyto sítě by také měly umožnit integraci všech obnovitelných decentralizovaných výrobních zdrojů a také zavedení efektivnějších koncových zařízení a systémů, např. palivových článků apod.

V několika státech EU již začaly energetické společnosti přicházet s konkrétními projekty. V Portugalsku plánuje do konce roku 2009 konsorcium "InovGrid" investovat do vzniku inteligentních sítí 20 milionů eur. Spotřebitelů se tato investice dotkne prostřednictvím instalace "energy boxu" v každém domě. Ten v první fázi umožní domácnostem zjednodušenou správu účtů za elektřinu a dále pak domácnostem s generátory energie z obnovitelných zdrojů obousměrný tok elektrické energie, tzn. její nákup i dodávku do sítě.

Ve španělské části Pyrenejského poloostrova firma Iberdrola pracuje na definici a testování nové otevřené veřejné telekomunikační architektury, která bude sloužit jako podpora "chytrým" elektroměrům a rovněž bude základem architektury budoucích inteligentních elektrických sítí.

Nicméně aktivní v této oblasti nejsou pouze jihoevropské státy - Irsko nedávno oznámilo svůj záměr investovat do inteligentních elektroměrů a sítí 10 miliard USD jako součást své snahy o snížení emisí oxidu uhličitého pod limity stanovené EU. V řadě evropských zemí jsou navíc technologické inovace a investice do nich přímo či nepřímo podporovány místními energetickými regulačními úřady.

A jaká je situace v České republice? Podle seriozních odhadů se bilance vývozu a dovozu elektrické energie na tuzemském trhu vyrovná někdy v letech 2012-15. Pokud v budoucnu nechceme elektrickou energii dovážet, a to bezpochyby za vysoké ceny, musíme problém její výroby v ČR začít řešit v nejbližší možné době a technickými prostředky, které máme reálně k dispozici.

SITUACE ZA ATLANTIKEM

Ve Spojených státech se oblastí smart grids zabývá přímo ministerstvo energetiky, které před dvěma lety vyhlásilo program s názvem "Strategie moderní sítě". Tento program se soustředí na vývoj a zavedení technologií v oblastech integrované komunikace, pokročilých zařízení, metod řízení sítě, měření a vyhodnocování stavu sítě a jejích komponent a systémů pro podporu rozhodování.

Nejpokrokovějšími státy jsou z pohledu implementace konceptů smart grids Kalifornie a Colorado. V San Diegu místní energetická společnost San Diego Gas & Electric ve spolupráci s lokální univerzitou připravila v roce 2006 studii, která navrhla a prioritizovala hlavní iniciativy pro vytvoření inteligentní sítě do roku 2016. Součástí studie byla také kvantifikace přínosů v oblasti úspor při údržbě sítě, vyššího využití přenosových kapacit, snížení poptávky po energii ve špičkách, vytvoření pracovních míst v regionu atd. Z dlouhodobého pohledu dvaceti let mohou tyto přínosy celkem dosáhnout téměř 3 miliard USD při investicích přibližně 0,5 miliardy USD a provozních nákladech 25 milionů USD ročně.

Situace ve městě Boulder v Coloradu je ještě o krok dále. Iniciátorem je zde energetická společnost Xcel Energy, jež ve spolupráci se Smart Grid Consortium provádí analýzu současného stavu infrastruktury ve městě s cílem stanovit rozsah a směr výstavby smart grid. Dle předběžného plánu má být celé město pokryto inteligentní sítí do roku 2010, přičemž celková investice obnáší cca 100 milionů USD. Síť bude tvořena prvky pokročilých komunikačních technologií a chytrými elektroměry s programovatelným ovládáním pro domácnosti, které umožní uživatelům automatizovat kontrolu nad spotřebou elektrické energie. Nabyté zkušenosti budou následně využity při plánování implementace smart grids ve všech sítích Xcel Energy.

BĚH NA DLOUHOU TRAŤ

V novodobé koncepci využití elektrické energie, která počítá se zaváděním úsporných opatření s cílem snižování emisí a využitím "zelených" a distribuovaných zdrojů energie, bude potřeba adekvátně přizpůsobit i elektrické distribuční sítě. Smart grids je bezesporu způsob, který je reálně uskutečnitelný a nabízí vše podstatné. Je však potřeba podotknout, že jeho úspěšná implementace nezávisí pouze na technické stránce sítě, nýbrž je úzce spjata i s dalšími oblastmi. Bude potřeba dále provádět intenzivní výzkum a vývoj se zaměřením na distribuované zdroje a skladování energie, které jsou klíčovým prvkem a důvodem vzniku inteligentních sítí. Velkou pozornost je nutné věnovat vývoji obslužných zařízení sítí a jejich standardizaci, ale také vlastní logice a systémům řízení sítí. Nemalou pozornost bude vyžadovat také nastavení architektury pro komunikaci mezi jednotlivými elementy.

Podniky a domácnosti budou vyžadovat podporu při zavádění distribuovaných zdrojů energie, které budou šetrné k životnímu prostředí, a také úsporných opatření. S ohledem na lepší balancování dodávek energie do sítě bude také potřeba lépe plánovat její spotřebu. Regulátoři pak budou muset zohlednit tato omezení ze strany spotřebitele, např. v nastavení nových pravidel a cen s ohledem na čas dodávky a odběru, které budou účtovány v reálném čase. Mnohde bude také potřeba stanovit striktnější pravidla s cílem snižování regulovaných nákladů pro zajištění motivace stávajících operátorů sítí k úsporným opatřením, ale také připravit pobídky pro investory, kteří budou chtít smart grid implementovat.

Zavedení inteligentních sítí do reálného provozu tedy bude vyžadovat skutečnou spolupráci mnoha skupin a společností, které prozatím pracují často individuálně a vyvíjejí pouze části uceleného řešení. Navíc vzhledem k celosvětové potřebě optimalizovat dostupnost elektrické energie bude nutné tyto snahy koordinovat nejen na lokální, ale také na mezinárodní úrovni.

Příklady praktických dopadů smart grids

INTELIGENTNÍ DŮM

To, jak by měly inteligentní sítě reálně fungovat, lze například demonstrovat na projektu tzv. inteligentního domu, který ukazuje využití technologií inteligentních sítí pro běžného spotřebitele. Jeho potencionální přínosy spočívají především v optimalizaci spotřeby elektřiny, a tedy nižších nákladech na ni, v možnosti zvýšeného využití elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů a v neposlední řadě i v celkovém zefektivnění využití distribuční sítě.


1 - Solární panely

Využitím solárních panelů domácnost vyrábí část elektřinu, případný přebytek lze odprodat do sítě.


2 - Hybridní auto napájené ze zásuvky

Pokud auto není využito k primárnímu účelu, může sloužit jako (záložní) zdroj pro domácnosti v době špičky.


3 - Chytré elektroměry

Cena elektřiny měnící se na základě aktuální situace v síti vytváří nové příležitosti pro spotřebitele.


4 - Vysokorychlostní spojení

Základem celého systému jsou moderní senzory rozmístěné po síti a vysokorychlostní komunikační síť.


5 - Zákazník má možnost volby

Kliknutím myši lze zvolit typ a množství odebírané energie, například mix zdrojů či 100% zelenou energii.


6 - Chytré elektrospotřebiče

Integrovaná "mluvící" inteligence zapíná/vypíná přístroje dle pokynů na síti, tím optimalizuje její zatížení.


Model nasazení virtuálních elektráren a inteligentních sítí

Virtuální elektrárnu vytvoříme seskupením různě dislokovaných větrných farem na mořském pobřeží a ve vnitrozemí, malých vodních elektráren, slunečních elektráren a v neposlední řadě plynových a bioplynových elektráren, které zajišťují stabilizační funkci. Tyto virtuální elektrárny integrujeme pomocí inteligentních sítí do elektroenergetické soustavy.

Dostatečně dimenzovaný, stabilní, rychlý a softwarově zvládnutý řídicí systém zajistí všechny potřebné funkce. Takže, pokud nefouká vítr, popřípadě nesvítí slunce ve vnitrozemí, mohou pracovat výrobní jednotky na pobřeží, případně výpadek produkce pokryjí elektrárny plynové a bioplynové atd. Řídicí systém rovněž zajistí veškeré regulační a stabilizační funkce v rámci soustavy.

Do celého systému bude patřit i speciální meteorologický satelit s úkolem, zasílat data o síle větru, intenzitě slunečního záření a velikosti mořských vln do lokálního řídícího a komunikačního centra, aby energetičtí dispečeři mohli tato data zadat do řídícího systému a on-line předpovídat a řídit výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů. Ve výsledném efektu to znamená zajištění rovnováhy mezi výrobou a spotřebou elektrické energie, decentralizovanou výrobu elektrické energie v blízkosti míst spotřeby a omezení dálkových přenosů elektrické energie na nejnižší nutnou míru. To vše je samozřejmě zaměřeno na hlavní cíl - ochranu životního prostředí na kvalitativně vyšší úrovni oproti stávajícímu stavu.

DEFINICE POJMŮ

Inteligentní sítě: jsou silové a komunikační sítě, které umožní řídit tok elektrické energie mezi dodavateli a odběrateli, tj. zajistí "interaktivní komunikaci" výrobních a spotřebitelských jednotek s cílem optimalizovat proces výroby, spotřeby a uchovávání energie a řízení přenosové a distribuční el. sítě v reálném čase.

Virtuální elektrárny: jsou definovány jako množiny malých decentralizovaných a diverzifikovaných výrobních jednotek, které jsou centrálně řízeny prostřednictvím inteligentních sítí, takže z hlediska el. soustavy se chovají jako "klasické" výrobní jednotky většího výkonu.

Zdroj:Technik
Sdílet článek na sociálních sítích

Partneři

Asekol - zpětný odběr vysloužilého elektrozařízení
Ekolamp - zpětný odběr světelných zdrojů
ELEKTROWIN - kolektivní systém svetelné zdroje, elektronická zařízení
EKO-KOM - systém sběru a recyklace obalových odpadů
INISOFT - software pro odpady a životní prostředí
ELKOPLAST CZ, s.r.o. - česká rodinná výrobní společnost která působí především v oblasti odpadového hospodářství a hospodaření s vodou
NEVAJGLUJ a.s. - kolektivní systém pro plnění povinností pro tabákové výrobky s filtry a filtry uváděné na trh pro použití v kombinaci s tabákovými výrobky
E.ON Energy Globe oceňuje projekty a nápady, které pomáhají šetřit přírodu a energii
Ukliďme Česko - dobrovolnické úklidy
Kam s ním? - snadné a rychlé vyhledání míst ve vašem okolí, kde se můžete legálně zbavit nechtěných věcí a odpadů