Příběh 'Chytré energie' bez růžových brýlí

Vydáno dne 24. 10. 2010 (3985 přečtení)

V minulém článku Pohled na chytrou energii jsme uvedli základní předpoklady, na základě kterých byla zpracována studie 'Chytrá energie'. Dnes se podíváme na uvedený energetický model a provedeme analýzu, jak vlastně bude model fungovat v reálném čase.

V tomto článku nevyhlašujeme boj proti obnovitelným zdrojům energie, ale nabízíme pohled do prostředí procesu v reálném čase, abychom upozornili na úskalí, která takový systém provází.

Pokud někdo není zběhlý v hodnocení energetických údajů, může příslušný odstavec přeskočit.

Elektřina
Princip řešení ve studii Chytrá energie spočívá v stanovení spotřeby a v druhém plánu její zajištění příslušnými zdroji OZE. K roku 2050 jsou ve scénáři „Důsledně a chytře“ stanoveny roční hodnoty spotřeby a roční energie zdrojů, které spotřebu pokrývají. Zdroje elektřiny z OZE mají tu nepříjemnou vlastnost, že se během ročních období mění s obtížnou předpovídatelností. Ze studie máme k dispozici sumu energetické potřeby a sumu energie zdrojů v PJ resp. TWh.
Závěr studie je, že suma spotřeby = produkci zdrojů, takže systém je prohlášen za provozuschopný, energeticky soběstačný.
Bohužel nehovoří o tom, jak bude zajištěna dodávka energie, když bude v zimě nad střední Evropou období anticyklony, kdy nic neroste, teplota až -20°C, v anticykloně je na celém území inverze, klid a obloha zatažena.

Vzhledem k tomu, že studie Chytrá energie tyto problémy neřeší, provedeme to my pomoci simulačního modelu, který nám umožní vyhodnotit časový průběh energetické rovnováhy v průběhu celého roku, při čemž celková suma energií odpovídá údajům ze studie.
Jak pracuje simulační model
Proces spočívá v tom, že na základě energetického požadavku po hodinách v průběhu roku (charakter průběhu zatížení a počasí převzaty od ERÚ, ČEPS a ČHMÚ) do systému vstupuje dodávka zdrojů – celkem 11 možných, využito 7 - a v každé hodině se vyhodnocuje, jestli je soustava v rovnováze, přičemž roční spotřeba a produkce energie odpovídá údajům ze studie. Pokud je požadavek větší než zdroj, čerpá se ze zálohy a z importu do nasmlouvané kapacity a přípustného zatížení sítě, jinak nastává blackout, pokud je větší zdroj, dojde akumulaci, eventuálně exportu. Každý obnovitelný zdroj je reprezentován stochastickým modelem, který generuje průběh dodávky během roku. Další podrobnosti nejsou předmětem tohoto článku.
Hodnoty spotřeby, se kterými studie Chytrá energie operuje
Hrubá spotřeba elektrické energie je energie na svorkách generátorů od které se odečítá:
- vlastní spotřeba elektrického zdroje
- spotřeba na ztráty rozvodné sítě
- spotřeba na regulaci elektrizační sítě
- přečerpávání u přečerpávacích vodních elektrárnách (PVE)
- spotřeba na systémové služby elektrizační sítě

spotřeba elektromobilů, které mají nahradit veškerou automobilovou dopravu
spotřeba konečných odběratelů
– domácnosti,
- průmysl
abychom dostali spotřebu netto.

Podle studie je celková roční hrubá spotřeba elektrické energie 62 TWh včetně náhrady ropy pro pohon elektromobilů.

Zkratky:VE-vodní elektrárny, MVE- malé vodní elektrárny, VTE- větrné elektrárny, FV-fotovoltaika, PPE – paroplynové elektrárny, PVE- přečerpávací vodní elektrárny, Biom – biomasa, Biop – bioplyn, Smart Grid - Chytré sítě, ZP – zemní plyn, ES – elektrizační soustava

Hodnoty zdrojů se kterými studie Chytrá energie operuje
Studie předpokládá následující zdroje:

VE, FV, VTE	26 220	GWh
Biom	26 270	GWh	Veškerá energie kogenerací
ZP + Biop	2 700	Gwh	Studie připouští pouze tento fosilní zdroj
Celkem	55 190	Gwh	Import z evropské supersítě

Uvedené hodnoty ve studii jsou uvedeny v GWh a pro potřeby simulace jsou rozloženy do hodinových výkonů podle stochastických modelů jednotlivých zdrojů a jsou vyhodnocovány s hodnotami spotřeby. Uvedené hodnoty jsou převzaty a zdůvodněny ve studii Chytrá energie a Innovative Approach scenario Wuppertalského institutu. (94)

Počáteční podmínky
- Přečerpávací vodní elektrárny (PVE) jsou naplněny
- K dispozici je regulační výkon 1133 MW z PVE, 600 MW z PPE + 400 MW ze (Smart Grid), který podle studie zahrnuje regulaci a akumulaci.
- Model předpokládá, že může do Smart Grid ukládat při přebytku a čerpat při nedostatku.
Blíže viz studie Chytrá energie.
- Model využívá regulační výkon jako souhrn regulací SR, TR+, TR-, QS (sekundární, terciární, okamžitá)
- Dle studie se předpokládá rovnoměrná zásoba biomasy po celý rok
- Simulační běh začíná v pondělí 1. den roku
- Instalované výkony zdrojů: VE=752, MVE=550, VTE=6500 MW, FV=12000 MW, Biom=3650 MW, BioP=200 MW, vnitřní zálohy=PPE 600 MW+400 MW Smart Grid
- Do modelu jsou započítány zdroje a spotřeba připojené k síti, nikoliv nezávislé zdroje.
- Přípustný výkon přeshraničního přenosu 3000 MW
Průběh Chytré energie
Průběh lednový – počasí: teploty -5 až -20°C, 3 sluneční dny, mlhavo, inverze, vítr do 6 m/s

Je podrobně sledován měsíc leden.
V pondělí 1. ledna v 01 hod. bylo zatížení sítě 5965 MW, okam.výk. zdroje 3362 MW, zapnuty všechny zdroje PVE 1133 MW, nestačilo to, zapnut regulační výkon PPE 978 MW, ještě to nestačilo, proto zapnut import 491 MW. Podobně to pokračovalo do 6 hod.
V 6 hod. Stoupla spotřeba na hodnotu 7200 MW, vnitřní zálohy nestačily, import stoupl na 2020 MW v 11 hod se vyčerpaly PVE a zvýšil se import až do 21. hod. v rozmezí regulačního výkonu 2000 až 3000 MW. V úterý to probíhalo podobně, ale se zvýšeným importem po vyčerpání PVE a v 17 hod. import překročil povolenou hranici na 3339 MW. V tomto režimu pokračoval provoz až do pátku 24 hod. Za proběhlých 5 dnů se zcela vyčerpaly zálohy PVE, pro nedostatek výkonu nebylo možné načerpat ani v nočních hodinách. Regulace byla zajištěna pomoci PPE a Smart Grid + import. V sobotu poklesla spotřeba na 6000 MW a v neděli poklesla spotřeba na 5500 MW a poprvé svítilo slunce, tak se na 2 hodiny mohl vypnout regulační import, regulaci zajišťovaly PPE+Smart Grid s občasným spuštěním importu do výkonu 150 MW. 2. týden probíhal podobně jako v 1. v týdnu, ve středu na 4 hodiny svítilo slunce, snížil se import, ale stačilo to na k načerpání jen 27% PVE. V neděli opět zasvítilo slunce na 4 hodiny, poprvé se začaly načerpávat PVE, ale vzhledem k bezvětří se ještě v neděli vyčerpaly. 3. týden probíhal podobně jako 1. a 2. Průměrný import byl 1836 MW, maximální překročil limit na 3886 MW. V neděli opět zasvítilo slunce a začaly se krátce načerpávat PVE, ale pouze na hodnotu 3600 MWh a ještě v neděli se stačily vyčerpat. Za leden nedošlo k žádnému exportu.
Poučení
Činnost PVE byla úplně ochromena pro nedostatek energie, PPE a SmartGrid ani zdaleka nestačily regulovat výkyvy spotřeby a produkce, hlavní tíha regulace byla na importu-průměrný regulační výkon importu byl 1836 MW, maximální 3886 MW. Soustavně byly překračovány povolené hodnoty pro regulační import, z důvodu nepřetržitého překračování zátěže importu a neschopnosti vlastní regulace se elektrizační soustava nacházela ve stavu permanentního black-outu. V ČR není nasmlouvána průběžná regulace ES jako v Dánsku prostřednictvím norských a švédských hydroelektráren v sytému NORDEL. ČR dostane krátkodobou pomoc v případě havárie a ES musí regulovat vnitřními kapacitami.

Závěr
- Za měsíc leden:

Celkem produkce	3 405,0	GWh
PVE	20,0	GWh
Záloha +	709,0	GWh
Záloha -	-1,6	GWh	Pouze v několika hodinách slunečního svitu
Import	1 228,0	GWh
Export	0,0	GWh
Celkem regulace	1 956,0	Gwh	t.j.55 % z produkce
Celkem produkce + regulace	5 362,0	GWh	brutto

- Vzhledem k tomu, že nebyla nasmlouvána trvalá regulace z importu/exportu, nemůžeme její hodnotu počítat do bilance. Vzhledem k tomu, že záloha od prvního dne nestačila regulovat výkon zdrojů, dostala se ES v reálu do kolapsu a dále bez regulačního importu nebyla schopna provozu. Ten se nedá předpokládat, protože sousední státy budou mít podobné problémy.
- Vzhledem k rychlým časovým změnám výkonu ES není schopná fungovat bez stálého zdroje alespoň 70% celkového výkonu. Bez stálé dodávky dochází k rychlým změnám řádově v tisících MW, což přetěžuje rozvodnou síť a regulační zdroje nejsou schopny tak rychle reagovat.

Graf zobrazuje výkony zdrojů a záloh při maximálním importu 3886 MW dne 19.ledna. V ten den byla inverze, zataženo, nepracovala FV, VTE a PVE, došlo k přetížení přenosové sítě. V dané hodině 60 % přicházelo z regulačních zdrojů z toho 75% z importu.

Poznámky autora
- Počáteční podmínky jsou zadány na základě studie Chytrá energie. Vstupní parametry je možné měnit a modelovat, jak se bude ES chovat v různých podmínkách.
- Smart-Grid – Chytrá síť předpokládá schopnost produkovat regulační výkon a zálohování v našem případě v rozsahu 400 MW. Technické podmínky provozu nejsou ve studii uvedeny. Předpokládá se využití podzemních zásobníků na stlačený vzduch, akumulace do auto-baterií (nebyla dostatečně popsána funkčnost) a měřící zařízení u spotřebitelů.
- Byl zde popsán první měsíc roku, celoroční provoz bude popsán v dalším samostatném článku, jak se bude soustava chovat zejména v letních měsících.
- Simulační model může kritické stavy (např. Black-out) zaznamenat, ale na rozdíl od reálného systému může pokračovat a vyšetřovat další stavy.
- FV a VTE se dají velmi těžko nasmlouvat jako fosilní zdroje na rok, měsíc a den, proto regulace probíhá nikoliv odchylek, ale plných okamžitých výkonů.
- Instalované výkony vycházející z předpokládané produkce, viz odst. 4 překračují i dnešní možnosti regulace FV spočítané v ústavu EGÚ o 8000 MW, VTE o 2000 MW jinak není možné deklarované produkce energie dosáhnout.
- Analýzu o Připojování OZE do ES ČR vypracoval ČSRES výzkumný ústav EGÚ Brno s tím rozdílem, že připojování FV provádí ke stávajícímu systému ES do r. 2015, pomoci simulačních modelů, kdežto my provádíme simulaci vize Chytré energie k roku 2050 s použitím pouze OZE (kromě ZP), takže naše výsledky se mohou lišit.
- Je celkem překvapující, že ve studii předpokládaná spotřeba elektřiny zahrnuje v plném rozsahu elektrickou energii elektromobilů nahrazující ropu.
- příště bych uvedl pohled na Chytrou energii v kontextu celého roku, stanovil, za jakých podmínek je možno uvedenou soustavu provozovat s vlastní regulací bez regulačního importu/exportu.

Omlouvám se všem čtenářům za přemíru informací a pokud je někomu některý údaj nesrozumitelný, může ho přeskočit. Nenašel jsem jinou formu jak popsat uvedený systém OZE v realitě, tak jsem se uchýlil k poněkud exaktnímu popisu, pokud jsem se chtěl vyhnout obecným ideologicko/filosofickým úvahám kterých je v internetovém prostoru habděj.
Zpracoval Mojmír Štěrba
Zdroje
www.hnutiduha.cz/publikace/wuppertalsky_insti-tut_scenare.pdf
http://chytraenergie.info/images/stories/chytra_energie.pdf

Celý článek | Autor: Mojmír Štěrba | Počet komentářů: 243 | Přidat komentář |