Regulace elektrické sítě a obnovitelné zdroje

Veřejná elektrická síť je komplexní infrastruktura, která zajišťuje distribuci elektrické energie od výrobců k spotřebitelům. Tato síť, někdy také označována jako přenosová a distribuční soustava, hraje klíčovou roli v každodenním životě moderní společnosti. Bez spolehlivé a efektivní elektrické sítě by nebylo možné udržet chod domácností, průmyslu, dopravy ani služeb.

Součásti veřejné elektrické sítě

• Výroba elektrické energie: Elektrická energie se vyrábí v elektrárnách, které mohou být založeny na různých zdrojích energie, jako jsou fosilní paliva (uhelné, plynové elektrárny), jaderná energie, vodní energie, větrná energie a solární energie.
• Přenosová soustava: Přenosová soustava zahrnuje vysokonapěťové vedení, které přenáší elektřinu z elektráren na dlouhé vzdálenosti do rozvodných stanic. Přenosová soustava ČR se skládá se ze dvou okruhů: sítě o napětí 220 tisíc voltů (200 kV), která byla budována v poválečném období, a modernější sítě o napětí 400 tisíc voltů (400 kV), jež se začala budovat od poloviny šedesátých let.
• Distribuční soustava: Na přenosovou soustavu navazuje distribuční soustava, která sítěmi vysokého napětí (vn) 22 kV a 100 kV rozvádí elektřinu ke spotřebitelům. Distribuční soustava převádí vysoké napětí na nižší napětí, které je bezpečné pro domácnosti a podniky. Mezi jednotlivými sítěmi je transformace, která převádí elektřinu mezi napěťovými úrovněmi.

Přenosová soustava zajišťuje dálkový přenos elektřiny, náhradní dodávku v případě lokálního výpadku a řízení celé soustavy. Elektrické energie se šíří teoreticky rychlostí světla a teče sítí všemi souběžnými cestami současně. Případné změny (poruchy) se tak projeví v celé síti a ve stejném okamžiku. V zásadě není skladovatelná, takže síť nemá akumulační schopnost a současně musí být v každém okamžiku stejná výroba jako spotřeba. Jedním z úkolů soustavy je tak výrobu přizpůsobovat spotřebě. Většina až dosud postavených elektráren proto má své řídicí systémy propojené s centrálním dispečinkem a zajišťuje tzv. podpůrné služby, které umožňují udržet v síti v každém okamžiku rovnováhu výroby a spotřeby.

Výzvy a řešení v regulaci elektrické sítě

Hlavním úkolem veřejné elektrické sítě je zajištění spolehlivé a nepřetržité dodávky elektrické energie. K tomu je zapotřebí složitá koordinace mezi výrobci, přenosovou soustavou a distribučními společnostmi.

• Regulace napětí a frekvence: Pro udržení stability sítě je nutné pečlivě řídit napětí a frekvenci elektrické energie.
• Správa zatížení: Elektrická síť musí být schopna vyrovnávat nabídku a poptávku v reálném čase.
• Kybernetická bezpečnost: S narůstajícím využíváním digitálních technologií v energetickém sektoru roste riziko kybernetických útoků na kritickou infrastrukturu. Zajištění bezpečnosti dat a ochrany proti útokům je proto zásadní.
• Regulační a politické překážky: Energetický sektor je silně regulovaný a změny v legislativě mohou mít významný dopad na investice do infrastruktury a rozvoj nových technologií i motivaci všech subjektů k jejich zavádění.

Obnovitelné zdroje energie a jejich integrace

S rostoucím zájmem o obnovitelné zdroje energie se stává stále důležitější integrovat fotovoltaické systémy do elektrických sítí. Napětí a frekvence jsou klíčovými parametry pro bezpečný a spolehlivý provoz elektrické sítě. Při integraci fotovoltaiky je důležité zajistit, aby se tyto parametry udržovaly v požadovaných mezích. Regulace napětí je důležitá z hlediska ochrany spotřebičů před nadměrným napětím, které by mohlo způsobit jejich poškození. Zároveň je důležité udržovat napětí na konstantní úrovni pro spolehlivý provoz elektrických zařízení. Frekvence elektrické sítě je dalším klíčovým parametrem, který musí být pečlivě regulován. Nestabilita frekvence může mít negativní dopad na provoz elektrických zařízení a může vést k výpadkům v dodávce elektrické energie.

Pro správnou regulaci napětí a frekvence při integraci fotovoltaiky do elektrické sítě je tedy nezbytné využít moderní regulace a řízení sítě. To zahrnuje použití speciálních technologií a zařízení, které umožňují aktivní regulaci napětí a frekvence v reálném čase. V současné době je tedy důležité věnovat zvýšenou pozornost regulaci napětí a frekvence při integraci fotovoltaiky do elektrické sítě. Správná regulace těchto parametrů je klíčová pro bezpečný a spolehlivý provoz elektrické sítě a zároveň umožňuje efektivní využití energie z fotovoltaických systémů.

Čtěte také: Tělesné klima

Vývoj na straně zdrojů elektřiny až donedávna vypadal následovně: Budované elektrárny využívaly fosilní paliva - uhlí, plyn, topný olej, nebo jaderné palivo, tedy primární energii v poměrně koncentrované podobě. U těchto zdrojů platí „úspory z velikosti“, tedy větší výkony produkují elektřinu vždy s nižšími jednotkovými náklady (levněji). Proto byly budované zdroje téměř ve všech případech s výkonem nad 50 MW. U nich bylo ekonomicky dostupné instalovat řídicí systémy a zapojit je do řízení soustavy. Všechny také měly možnost plynule regulovat svůj výkon, případně ho zčásti či zcela odstavit, a všechny mají stejné postavení na trhu. Výjimku tvořily malé vodní zdroje průtočného charakteru, menší teplárny a závodní elektrárny, jejichž elektrický výkon byl přímo závislý na výrobě tepla. Tyto zdroje vynuceného výkonu tvořily celkově méně než 15 % z celkového dodávaného výkonu a nebyly řízeny. Jejich výkon byl poměrně stabilní, daný omezeným množstvím vodních elektráren a poptávkou po teple v centralizovaných a závodních systémech.

S nástupem obnovitelných zdrojů (OZE), zejména fotovoltaických, došlo k zásadní změně situace. V horizontu tří let (což je z hlediska sítě krátké období) došlo k připojení více než 2150 MW instalovaného výkonu v malých zdrojích OZE a tedy téměř k ztrojnásobení kapacit malých neřízených zdrojů. Aby se dosáhlo vyrovnané bilance, může dojít k tomu, že budou muset být odstavovány klasické elektrárny. To lze, pokud tyto elektrárny neposkytují regulační výkony. Jakmile se ale začnou odstavovat elektrárny, poskytující regulační výkon, každým dalším odstavením je již omezována spolehlivost provozu soustavy. Pokud je elektřiny nedostatek, lze to řešit (ve stavech nouze) jejím vypínáním. Pokud jí je ale přebytek a v soustavě jsou již jen zdroje, které nepodléhají dálkovému řízení a zdroje které poskytují regulační výkon, pak tuto situaci prakticky nejsme schopni řešit (teoreticky lze přebytečnou elektřinu vyvézt, ale pokud na tom budou sousední země obdobně, pak ani to nepřipadá v úvahu).

A v tom je základní problém současného stavu: Koncept, ve kterém pro malé zdroje není stanovena povinnost být zapojen do dálkového řízení je sice levnější, ale platí jen pro určitý podíl těchto zdrojů. Modelováním provozu soustavy v nepříznivých podmínkách (minimální spotřeba, maximální výkon OZE) očekávatelných v průběhu letních měsíců byl stanoven limitní výkon těchto zdrojů pro ČR, a to 1650 MW dodávaného výkonu (což odpovídá zhruba 2200 MW instalovaného výkonu). Pokud bude tento výkon překročen, aniž by byly zdroje zapojeny do dálkového řízení s možností regulovat jejich výkon v mezních situacích, nelze dále garantovat spolehlivost soustavy. V současnosti bylo již tohoto limitu dosaženo.

Z hlediska připojování dalších zdrojů je tedy nezbytné zajistit nejprve připojení dostatečného množství menších zdrojů do dálkového řízení. To má dvě roviny: Zdroje musejí být vybaveny zařízením umožňujícím jejich regulaci nebo odpojení a propojeny s dispečinkem a musí existovat oprávnění regulaci v mezních případech použít. Obojí je řešeno v návrhu novelizace energetického zákona, který se projednává v parlamentu.

Dá se říci, že již končí etapa, kdy přednost OZE byla absolutní a požadavky na ně kladené z hlediska přenosové soustavy byly nulové, a to přesto, že jejich vliv na ni je relativně značný. OZE jako zdroj dodávky elektřiny vyrostly z plenek a jejich podíl dosahuje aktuálně téměř 10 % spotřeby (odhad pro rok 2011). Pro jejich další rozvoj a pro zvyšování jejich podílu v celkovém energetickém mixu (přes 30 % do roku 2050 podle státní energetické koncepce) již samy musejí převzít část odpovědnosti společně se stranou spotřeby, která se bude muset v určitém rozsahu rovněž přizpůsobit. S postupným zapojením zdrojů nad 100 kW do dálkového ovládání se může limit připojitelného výkonu zvyšovat a postupně zmizet úplně. Tak, jak bude narůstat podíl OZE na zdrojovém mixu, bude ale nutné počítat i s uplatňováním regulace. Rozhodující roli bude hrát trh s elektřinou, který by měl zajistit, že očekávaná výroba z OZE bude respektována ve výrobních plánech ostatních zdrojů, které se jí přizpůsobují. S poklesem dodávky klasických zdrojů bude stoupat cena podpůrných služeb a postupně je začnou nabízet i velké zdroje OZE. Teprve v mimořádných případech, kdy tržní a jiné mechanismy selžou, nastoupí direktivní dispečerské řízení zdrojů.

Čtěte také: Kvalita ovzduší v MSK

Smart metering a HDO

V této kapitole se budeme zabývat aktuálním systémem dálkového ovládání spotřebičů, systémem hromadného dálkového ovládání „HDO“. Systém HDO v dnešní době zajištuje přepínání pouze mezi dvěma cenovými tarify, nízkým a vysokým. Dále zajišťuje blokování a spínání velkých tepelných spotřebičů, 6-9 % celkového zatížení. Časové úseky trvání těchto tarifů určuje distributor, od kterého zákazník odebírá elektrickou energii. Zákazník může využívat jednotarifní sazbu, kde je cena elektrické energie v průběhu dne neměnná.

Stávající systém HDO řeší tuto problematiku špatného přenosu informace opětovným vysíláním signálu HDO, kterým se snaží zajistit správnou funkci přijímačů signálu, které při prvním vyslání zareagovaly špatně či vůbec. Dnešní moderní systémy jsou schopny šířit signál nejen po sítích NN a VN, ale také po sítích drátového rozhlasu či televize. Moderní HDO systémy jsou zkonstruovány tak, aby mohly ovládat plošně všechny přijímače v síti. Pro šíření signálu používá HDO sítě, jak NN a VN, tak rádiové. Hlavním ovládacím bodem systému HDO je centrála, která má za úkol vysílat signály pro změnu tarifů. Každá HDO centrála obsahuje hodiny, které zajišťují spínání v předem sjednanou dobu, dle rozhodnutí distributora elektrické energie. Signál se šíří po přenosových zařízeních k lokálním vysílačům a dále se větví k jednotlivým přijímačům. Vazba vysílače zabraňuje pronikání síťového kmitočtu do napájecích obvodů měniče a také slouží k zavedení tónového kmitočtu do sítě. V České republice se používá volná vazba, která je připojena k síti paralelně a její velkou výhodou je stabilní dodávka elektrické energie. Při poruše HDO vysílače nedochází k přerušení obvodu sítě.

Technologie HDO je mnohem obsáhlejší, než je tomu uvedeno v 1. kapitole. Funkce změny tarifních sazeb přispěla k větší rovnoměrnosti celkové spotřeby a přinesla tak ekonomickou efektivitu. Systém HDO zároveň přispívá k větší stabilitě sítě a jejímu efektivnímu využití. Systém HDO se rovněž stal důležitým prvkem při výstavbě inteligentních domů.

Myšlenka smart meteringu je obdobná jako u HDO, tedy možnost přesunutí spotřeby elektrické energie do časových intervalů, kdy je obecně spotřeba malá a výroba velká. Přesunutí spotřeby má za následek snížení špiček spotřeby. Snížení špiček spotřeby elektrické energie dovoluje efektivnější využití stávajících přenosových kapacit a snížení využívání regulační energie a efektivnější využívání stávajících zdrojů. Další nespornou výhodou je možnost většího využívání aktuálního přebytku energie z obnovitelných zdrojů a tedy i zvýšení jejich zastoupení v energetickém mixu.

Princip smart meteringu je v podstatě velice jednoduchá myšlenka, a to myšlenka kontinuálního měření spotřeby elektrické energie s možností okamžitého dálkového odečtu. Na základě této informace o aktuální spotřebě pak ovlivnit zákazníka, spotřebitele, aby upravil svou spotřebu dle požadavků. Smart meter je elektronické zařízení usazené v hlavní rozvodné skříni, je moderní obdobou stávajících indukčních a statických elektroměrů. Jeho největším technologickým rozšířením je možnost vzdálené oboustranné komunikace s centrálou obchodníka či přenosové společnosti v reálném čase. Dnes se používá odečet nejčastěji po 15 minutách, lze jej však přizpůsobit požadavkům provozovatele.

Čtěte také: Česká legislativa a kvalita ovzduší

V porovnání s HDO dochází k oboustranné komunikaci mezi smart metrem a centrálou shromažďující a vyhodnocující přijatá data. Samotný přenos dat není přímý, ale zřizují se tzv. datová centra a koncentrátory dat, kde jsou data akumulována a přeposílána k dalšímu zpracování. Přítomnost datových koncentrátorů do datových toků umožnuje efektivnější sběr dat z více zařízení. Koncentrátory tvoří v systémech AMM řídící body pro ucelené skupiny měřících přístrojů. Koncentrátory jsou umisťovány do prostoru distribučních transformačních stanic a obstarávají komunikaci s nadřízenými prvky, proto jsou na ně kladeny velké softwarové a hardwarové nároky. Používá se bloková konstrukce těchto komunikačních prvků pro adaptibilitu a flexibilitu použití pro různé prostředí a zákazníky. Komunikace mezi měřicími přístroji a koncentrátory dat má svá specifika. Může být pouze jednosměrná, objem přenášených dat je menší, vzdálenost přenosu je kratší. Větší nároky jsou pak kladeny na rychlost a bezchybnost komunikace.

Zařízení FACTS pro řízení toku výkonu

Běžně využívaná zařízení pro řízení toku výkonu činného či jalového se souhrnně nazývají FACTS (Flexible Alternating Current Transmission Systems). Do této skupiny elektrických zařízení spadá řada systémů skládajících se především z pasivních prvků jako kondenzátory nebo tlumivky, které bývají řízeny výkonovou elektronikou. Statické kompenzátory jsou hojně využívány pro řízení jalového toku v přenosových sítích, především za účelem regulace napětí. Typické prvky SVC systému. Dalším ze zařízení pro optimalizaci toků výkonu v síti je statický kompenzátor. Základním prvkem tohoto kompenzátoru jsou trojfázové VSC (voltage source converter) měniče. Jedná se o moderní zařízení, které k řízení výkonu protékajícího vedením využívá sériově zapojený VSC měnič, připojený k vedení pomocí přídavného transformátoru. Svým chováním působí SSSC jako sériově zapojený kondenzátor či cívka, v závislosti na regulačním napětí, kterým vedení ovlivňuje. Tento druh kompenzačního zařízení je složen z kondenzátoru, jenž je sériově zapojen do regulovaného vedení, a k němu paralelně připojené tlumivky řízené tyristorem. UPFC regulátor je kombinací již dříve popsaných zařízení - kombinuje funkce příčně zapojeného STATCOM se sériově zapojeným SSSC. Zařízení se skládá ze dvou trojfázových VSC měničů, jež jsou vzájemně propojeny stejnosměrným obvodem. Univerzální regulátor tedy umožňuje regulaci všech základních systémových parametrů - uzlového napětí, impedance vedení, fázového posunu. Stejně jako většina dříve zmíněných regulátorů je schopen dodávat i spotřebovávat jalový výkon. Je speciálním druhem výkonového transformátoru, který na rozdíl od běžných typů umožňuje řídit velikost i směr toku činného výkonu.

Budoucnost veřejné elektrické sítě

Budoucnost veřejné elektrické sítě je úzce spjata s technologickým pokrokem a globálními snahami o dekarbonizaci energetiky.

• Smart Grids (chytré sítě): Chytré sítě využívají pokročilé digitální technologie pro monitorování a řízení distribuce elektřiny v reálném čase.
• Decentralizace výroby energie: Rostoucí počet malých, decentralizovaných zdrojů energie, jako jsou střešní solární panely a malé větrné turbíny, mění tradiční modely výroby a distribuce elektřiny.
• Elektrifikace dopravy: S rostoucím počtem elektromobilů se zvyšují nároky na kapacitu a flexibilitu elektrické sítě.

Veřejná elektrická síť je páteří moderní energetiky, zajišťující spolehlivou dodávku elektřiny pro domácnosti, průmysl i služby. I přes mnoho výzev, kterým čelí, má tato infrastruktura díky technologickému pokroku a inovacím velký potenciál pro budoucí růst a zlepšení.

tags: #regulace #elektrické #sítě #obnovitelné #zdroje

Oblíbené příspěvky:

• Nízkoemisní zóny Nizozemsko
• Práce v energetice a ekologii Ústecký kraj
• Škodliviny v ovzduší ČR
• Emisní Limity a Metodiky Měření
• Zimní péče o slepice