Flexibilita letem světem

Důležitou součástí kritické infrastruktury státu je elektrizační síť. Ta vznikla postupným spojováním decentralizovaných, povětšinou obnovitelných, zdrojů. V době normalizace vznikla masivní centralizovaná soustava, která je dnes opět “rozkládána” díky obnovitelným zdrojům. Decentralizovaná výroba roste díky šíření nových technologií a lokální zdroje jsou posílením bezpečnosti a přínosem pro místní ekonomiku (viz např. Strategický rámec udržitelného rozvoje). 

Strategické cíle ČR v oblasti energetiky a ochrany klimatu

Do budoucna musí Česko podstatně snížit spotřebu energií a fosilních paliv. Klíčovými aspekty jsou zvyšování energetické účinnosti, vyšší podíl energie z obnovitelných nebo jaderných zdrojů, energetické využití odpadů a mnoho dalších. Trvalé snižování podílu fosilních paliv na spotřebě primární energie je v oblasti energetiky vyjádřeno mj. snížením podílu uhlí a ostatních tuhých neobnovitelných paliv na hrubé výrobě elektřiny z 50 % v roce 2016. Jak proběhne útlum až úplné odstavení uhelných zdrojů ještě není zcela definováno, ale dle různých prognóz, nebo spíše zájmů, to bude mezi lety 2033 a 2038. Vzhledem k rostoucí ceně emisních povolenek je však možné, že z ekonomických důvodů budou provozovatelé od spotřeby uhlí ustupovat již mnohem dříve. 

Proměna energetiky musí splňovat základní podmínky. Těmi jsou bezpečné dodávky při běžném provozu i při náhlých změnách vnějších podmínek, ceny srovnatelné se zahraničními pro firmy a ceny, které nepovedou k energetické chudobě pro domácnosti. Zároveň musí být energetika udržitelná v tom smyslu, aby nepoškozovala životní prostředí a byla schopna zajistit suroviny pro svůj provoz a celý sektor byl ekonomicky stabilní.

Ve Strategickém rámci udržitelného rozvoje ČR (Vláda ČR, 2010) je definován cíl č. 10.3 Infrastruktura pro elektrickou energii, podle kterého „MPO zajistí, aby elektrizační soustava hladce přešla na decentralizaci výroby elektřiny, na lokální výrobu a výrobu z různých typů zdrojů.“ Taková proměna s sebou však přináší zásadní technické, ekonomické a obchodní výzvy.

Bilanční výhled a zdrojová základna ČR

Dominantní část výroby (50 % výkonu i výroby) v ČR nadále představují zdroje s palivovými kotli a parními turbínami (elektrárny, teplárny a závodní energetiky). Převažujícím palivem u těchto výroben je hnědé a černé uhlí (Graf 1). 

Graf 1: Podíl paliv u zdrojů elektrické energie v ČR (zdroj: Roční zpráva o provozu ES ČR, ERÚ, 2020)

Výroba v tomto segmentu zdrojů druhý rok za sebou mírně klesala, a to především v důsledku omezení výroby elektřiny v teplárnách. Výroba v jaderných elektrárnách opět meziročně vzrostla. Roky 2016 a 2017 byly ovlivněny nadstandardně dlouhou dobou odstávek bloků pro údržbu a kontroly. Struktuře spotřeby paliv odpovídá i struktura instalovaných výkonů a vyrobené elektřiny (Graf 2).

Graf 2: Struktura instalovaných výkonů a vyrobené elektřiny jednotlivých zdrojů (zdroj: Roční zpráva o provozu ES ČR, ERÚ, 2020)

Pro stanovení předpokladů v oblasti střednědobého výhledu provozu zdrojů, společnost ČEPS provádí každoroční dotazníkové šetření zahrnující všechny tepelné a vodní elektrárny s instalovaným výkonem nad 10 MWe (zdroje, jejichž souhrnný výkon dosahuje 18,4 GW, tj. 84 % instalovaného výkonu, tedy přibližně 93 % výroby elektřiny v ČR).

Součástí dotazníkového šetření je i přímé ověřování výhledu dostupnosti jednotlivých elektrárenských bloků se zohledněním provozně–ekonomických parametrů, ze kterého lze odvodit postupný útlum až na úrovni instalovaného výkonu jednotlivých bloků (Graf 3).

Graf 3: Předpokládaný útlum těžby uhlí s výhledem do roku 2050 (zdroj: Očekávaná dlouhodobá rovnováha mezi nabídkou a poptávkou elektřiny a plynu do roku 2060. MPO/OTE/EGÚ, 2019)

V kombinaci se zvažovanými strategiemi rozvoje ostatních zdrojů (především jaderných a obnovitelných) a s výhledy vývoje poptávky po elektřině pak lze stanovit různé scénáře úbytku pohotového výkonu.

Graf 4: Čtyři scénáře úbytku pohotového výkonu (zdroj: Očekávaná dlouhodobá rovnováha mezi nabídkou a poptávkou elektřiny a plynu do roku 2060. MPO/OTE/EGÚ, 2019)

Je zřejmé, že mezi roky 2024 a 2031 Česká republika ztratí schopnost pokrývat vlastní spotřebu průmyslu a obyvatelstva. V tomto předpokladu však záměrně není počítáno s regulační schopností malých decentrálních zdrojů. 

Dostupnost podpůrných služeb výkonové rovnováhy

V jednotlivých scénářích budoucího vývoje energetiky je deficit instalovaného uhelného výkonu ve větší či menší míře nahrazován zdroji obnovitelnými, plynovými a jadernými. Nárůst výroby z decentralizovaných a obnovitelných zdrojů zvyšuje pro provozovatele přenosové a distribuční soustavy míru nejistoty na straně výroby i spotřeby ze dvou příčin:

• vlastní výrobní zdroj (vnořený uvnitř odběrného místa) mění doposud obvyklé, a tedy predikovatelné odběrové chování zákazníků,

• nárůst výroby z OZE (slunce, vítr, voda) přináší vyšší závislost na vnějších klimatických podmínkách.

Nutno říci, že predikce počasí je dnes pro plánování chování energetické soustavy klíčová a je již na velmi dobré úrovni. Počasí, v krátkodobém horizontu, předpovídat umíme, a tím i celkem přesně odhadujeme výkon ze zdrojů na něm závislých. Kromě těchto zdrojů závislých na počasí zde máme ještě vynucenou výrobu (technologické a teplárenské zdroje), neřízené zdroje (decentrální zdroje bez řízení, třeba bioplynové stanice) a přeshraniční toky elektřiny. Když je odečteme od právě aktuálního zatížení sítě, získáme tzv. reziduální zatížení. Tím, jak roste vliv decentrálních zdrojů, často i legislativně preferovaných, klesá prostor pro zdroje reziduálního zatížení. Lze tedy z různých scénářů očekávat, že:

• uhelné zdroje, tvořící řiditelné reziduální zatížení, vyměníme za zdroje legislativně anebo ekonomicky upřednostněné. Dojde tedy ke ztrátě dynamiky zdrojů a sníží se výkon zdrojů poskytující podpůrné služby.

• zdroje, které nevyrábí (z důvodu nahrazení upřednostněnými zdroji), nemohou poskytovat zápornou regulaci (snížení výkonu) a ani nejsou schopny poskytovat kladnou regulaci, protože nájezd z nulového výkonu je problematický. 

• vlivem rostoucí velikosti mezihodinových změn reziduálního výkonu je vynucován velký výkon s krátkým časovým využitím.

• dochází ke změně regulačních diagramů, které vykazují strmější náběh a kratší odezvu.

Z toho všeho plyne, že pro budoucí stabilitu sítě musíme hledat náhradu funkce systémových zdrojů u samotných centrálních zdrojů. Poskytování regulačních služeb nemusí být již vázáno na dodávku elektřiny anebo může jít o kombinaci zdrojů s dalšími technologiemi (např. rychlým úložištěm energie), které umožní dosahovat rychlejších změn výkonů a poskytovat služby sítě nárazově.

Podmínky pro dekarbonizaci energetiky

Podpůrné služby výkonové rovnováhy typu FCR a aFRR jsou dnes převážně poskytovány točivou rezervou elektrárenského bloku, obvykle s parní turbínou, kde je teplo pro výrobu páry získáváno spalováním fosilních paliv, převážně hnědého uhlí a okrajově zemního plynu. Taková elektrárna je schopna rezervu výkonu poskytovat pouze tehdy, pokud je v provozu technicky alespoň na minimálním výkonu, ekonomicky blízko optimálnímu, nebo maximálnímu výkonu 80 až 90 %.

Základní technologií pro poskytování podpůrných služeb typu mFRR je netočivá rezerva elektrárenského bloku. V praxi se používají rychle startující přečerpávací vodní elektrárny (Dlouhé stráně, Štěchovice 2) nebo rychle startující plynové motory anebo turbíny (OCGT). 

Svázání schopnosti poskytovat podpůrné služby s nezbytným provozem zdroje pro výrobu elektrické energie (EE) zásadním způsobem omezuje proces dekarbonizace, zejména z pohledu možného odstavování uhelných elektráren. Chceme-li tedy odbourat uhlí z našeho energetického mixu, musíme změnit i samotné základy energetiky.

Hledáme tedy řešení, které naplní tyto požadavky:

• zdroje EE s nízkým dopadem na klima,   

• poskytování služeb výkonové rovnováhy, ne nutně svázanými s výrobou EE,

• ideálně nulové emise v případě, kdy není požadována služba výkonové rovnováhy (SVR),

• ideálně nulové nebo velmi nízké emise při poskytování SVR,

• vysoká spolehlivost a připravenost k provozu,

• rychlá reakce na změnu výkonu/počátek a konec SVR,

• decentrální umístění s možností rozšíření, 

• malý požadavek na prostor, ideálně využití stávajících záborů zemědělské půdy.

Většinu těchto požadavků bioplynové stanice naplňují. Není tedy důvod, aby obor tyto vlastnosti nenabídl a nepomohl tak k zajištění dekarbonizace energetiky v ČR. Díky rozvoji komunikačních systémů vzdálených dispečinků již není třeba, aby každá BPS byla samostatným poskytovatelem služeb výkonové rovnováhy. Pro zvýšení spolehlivosti poskytování služeb bude možné spojit několik výroben a vytvořit z nich bezpečný agregovaný výkon.    

Cesta k flexibilitě je občas pěkný off road  

Flexibilita sem, flexibilita tam. Zdá se to celkem jednoduché, někdo zavolá, já dám pokyn mašině a snížím výkon, protože jsem jel naplno, a když jsem na plno nejel, tak pokud bude potřeba, výkon zvýším. Vždyť se kouknu na budík a hned vím co můžu a co prostě zrovna nejde. 

Takový způsob regulace byl asi možný u výroben s několika desítkami nebo stovkami MW s vlastním trvalým dispečinkem a s možností regulace v řádech desítek MW. Se snižujícím se výkonem poskytovatele flexibilního výkonu již není možné spoléhat se na osobní kontakt a telefon. Navíc reakční časy, a tím pádem i vyhodnocovací časy se pohybují v minutách. Pro přesnost pokynu musí být dostatek informací o všem podstatném (aktuální výkon, požadovaný výkon, nastavená výkonová křivka, stav regulátorů a reakčních prvků, stav umožňující snížení nebo zvýšení výkonu atd.), a to každou vteřinu. Ono není jednoduché ani sladit čas odeslaných dat s časem přijímaných dat, přeci jen i to nejrychlejší připojení má nějaké zpoždění. Navíc všechna data musí být přenášena zabezpečeným přenosem a zálohována.

Jestli je vše v pořádku, dle přání provozovatele přenosové soustavy, zjistí certifikační autorita, která provede podrobnou kontrolu a patřičné zkoušky. Zatím nejsou úplně vyladěny všechny detaily, přeci jen jde o novou věc, i když s výhodou, že jinde již úspěšně funguje. Dejme tomu, že vše se podařilo zdárně projít a výrobna po podpisu smluv může být připravena na první regulační pokyn. Zadáním pokynu dochází ke změně režimu z běžného obchodního vztahu výroba/odběr na smluvní poskytnutí služby. Je to velmi důležité pro to, aby na faktuře za odběr elektřiny nepřistály nesmyslnosti jen proto, že bylo někomu děláno po vůli. V tomto případě je třeba spojení mezi ČEPS a OTE. Jde o dva samostatné subjekty, což vše trochu technicky i komerčně komplikuje a samozřejmě také zdržuje.  

Schéma trhu flexibility (Zdroj CZ Biom) 

Najíždíme rampu a sledujeme odchylku

Po zadání pokynu k provedení předem nasmlouvané služby přichází čas na zvládnutí závazku. První, co musí být pro zdárné prokázání dodané flexibility uděláno, je nastavení základní úrovně. Jde o definice, resp. předpovědi toho, jaké bude chování poskytovatele flexibility, pokud k žádnému požadavku nedojde. 

Z průměrných provozních hodnot se tedy nastaví základní úroveň výroby či spotřeby a od této úrovně se hodnotí splnění očekávaného požadavku zvýšení nebo snížení výkonu nebo spotřeby. Samozřejmě je definován čas a rychlost náběhu na požadovaný výkon. Vznikne tedy výkonová křivka – rampa. V případě, že se poskytovatel služby do této rampy a mezní tolerance netrefí, následuje penalizace dle smlouvy. Po zadání pokynu s nájezdem na rampu zadavatel služby počítá a dokáže určit jaký bude mít poskytnutá služba vliv na chování sítě. 

Schéma výkonové rampy při plnění požadavku na změnu výkonu (Zdroj CZ Biom) 

Vše vychází z toho, že právě zadavatel služby dokáže predikovat diagram zatížení sítě. Má k tomu i ekonomické nástroje, které však platí jen na velké odběratele a nikoliv např. na fanoušky sledující finále na olympiádě. Mezi očekávanou spotřebou dle diagramu zadavatele služby a dodanými službami je vždy nějaký rozdíl, nikdy se nepodaří tyto dvě věci úplně sladit, a tím vzniká odchylka. Ta je dále porovnávána se základním diagramem a skutečným odběrem či dodávkou. Následně OTE odchylku vyfakturuje tomu, jehož vinou vznikla. 

Měření 

Měření spotřeby a výroby je pro prokázání skutečného efektu dodání flexibility klíčovým nástrojem. Navíc musí splňovat vysoké nároky na přesnost a dálkový odečet, ideálně v reálném čase. Je tedy nutné zajistit průběhové měření, a to buď ze strany distributora v místě připojení anebo podružným měřením přímo u konkrétní technologie poskytující flexibilitu. 

Role agregátora

Z výše popsaného je zřejmé, že čím menší je flexibilní výkon, tím komplikovanější bude splnění všech podmínek k jeho zasmluvnění a využití. V takových případech nastupuje role agregátora, který na sebe přebírá smluvní povinnost, včetně zajištění všech potřebných technikálií s objednatelem služby. Aby byl agregátor následně schopen splnit dohodnutou výkonovou rampu při povelu pro dodání služby, musí mít smluvně a komunikačně zajištěné dílčí plnění od jednotlivých malých dodavatelů flexibility. 

Když si představíme, jak pestrá může být paleta poskytovatelů flexibility, od relativně jednoduché kogenerační jednotky, až po řízení spotřeby mlýnů kamene či výkonu kompresoru v mrazícím boxu, musí k tomu být adekvátně pestrý a otevřený software zajišťující zpracování dat, výpočet možné flexibility a podávající pokyny k řízení. 

Výhodou agregátora je, že může pracovat s vyšším stupněm jistoty naplnění požadované rampy, protože ji má krytou dostatečným počtem zdrojů flexibility. Čím větší je však portfolio poskytovatelů flexibility, je i menší finanční ohodnocení připravenosti, protože se příjem z poskytované služby musí rozpočítat mezi více subjektů. Skutečným produktem agregace je tedy elektrický výkon, kladný i záporný, poskytovaný v daném čase za dohodnutých podmínek.

Schéma výkonové rampy agregátora při plnění požadavku na změnu výkonu (Zdroj CZ Biom)

Samozřejmě může nastat několik rolí a funkcí agregátora. Důležitý je hlavně pohled, kdo ponese odpovědnost za odchylku. Agregátor tedy může být závislý (integrovaný), odpovědný za odchylku, anebo nezávislý, který přenechává odpovědnost za odchylku někomu jinému. Jestliže bude požadavek na široké spektrum flexibility, tak bez nezávislého agregátora to nepůjde. Flexibilita se tedy stane běžnou přirozeností, ale mezitím, než se tak stane, je třeba vybudovat potřebnou infrastrukturu, jejímž základem bude neustále vyvíjející se software, připojující stále nové a nové poskytovatele flexibility. 

A proč to všechno vlastně budeme dělat? Protože nám to zajistí vysokou míru integrace levných obnovitelných zdrojů do energetiky a vytěsnění fosilních zdrojů. Když bylo využití solární energie pro ohřev vody teprve v plenkách, tradovala se taková hláška: „Ten kdo má solár na střeše, užívá koupele v plné teplé vaně během slunečných dnů, jinak má rád jen rychlou spršku.“ Typický příklad flexibility, i když společensky neoblíbený. Dnešní člověk raději volí flexibilitu bez omezení životního komfortu, a k tomu ať nám napomáhají moderní technologie!

Článek byl publikován v časopisu Biom 1/2021 Flexibilita energie biomasy a bioplynu.

Tweet

Regulace teploty plynových motorů

Bioplynová stanice s kogeneračními jednotkami TEDOM

Olej pro plynové motory – klíčová volba pro kogenerační jednotky

Kam směřuje české odpadové hospodářství z pohledu prevence jejich vzniku?

Jak získat udržitelnou biomasu