Regulace obnovitelných zdrojů – scénář S2040

Při posuzování elektrizační soustavy se vychází ze zákona 180/2005 Sb O podpoře OZE. Podle zákona se vychází z povinnosti vykoupit jakékoliv množství energie OZE, z toho důvodu musí být odstavovány nebo aktivovány regulační bloky převážně uhelné. Novela zákona 211/2011 §23 Sb nařizuje pro zdroje OZE nad 100 kW instalovat prostředky pro dispečerské řízení instalované po roce 2000. V současné době není znám model, který by umožňoval zobrazit regulaci výkyvů v síti odpojováním nebo připojováním OZE. Předkládáme simulační model s možností regulace OZE s využitím právě uvedených prostředků pro dispečerské řízení OZE.

1. Principy regulace

Simulaci regulace současné ES provádí ČSRES s výhledem našeho závazku EU 13,5% OZE do roku 2020 a současných možností připojení FVE+VTE do sítě, v zásadě vychází ze zákona 180/2005 Sb a neprovádí žádné výpočty s možností regulace připojených OZE. Pokud je známo, tak nikdo jiný takové modely neprovádí.

EU intenzivně tlačí tlačí na ČR, hrozí Evropským soudem, aby umožňovala připojení dalších zdrojů FVE a VTE do sítě. Tlak se bude stále zvyšovat, proto se budeme věnovat simulaci vlivu FVE a VTE na elektrizační soustavu.

Pokusíme se modelovat ES v konfiguraci podle scénáře S2040 tedy s rozšířeným podílem OZE do roku 2040. Jelikož OZE nemají regulační potenciál budou základní regulaci provádět bloky PPE a FVE+VTE budou na regulaci participovat přerušením dodávky při překročení základních regulačních možností a ohrožení přenosové soustavy.

Z toho důvodu se budeme podrobněji zabývat vlastnostmi FVE a VTE.

2. Vliv fotovoltaiky a větru na stabilitu sítě.
Simulační model zahrnuje samostatné pravděpodobnostní modely pro jednotlivé zdroje energie. Jejich validitu stále zdokonalujeme s využitím nejnovějších informací.
Pro simulaci jsou důležité proměnlivé FVE a VTE, proto krátce uvedeme principy jejich modelování.
Model slunečního záření.
Na přenosovou soustavu má zásadní vliv globální výkon FVE na území ČR, jednotlivé zdroje ovlivňují především uzlové body připojení distribuční sítě.

Lokální produkce
z jednoho zdroje má nepravidelný tvar podle střídání oblačnosti, může ovlivnit místa připojení, pokud bude mít zdroj vyšší špičkový výkon, např. 10 MWp.

Graf1: Obrázek zobrazuje příklad průběhu slunečního záření od východu do západu ve Volarech. Podle obrázku přímý svit byl po dobu 6 minut ve 12 hodin, v ostatní dobu byl svit difúzní s minimálním výkonem.

Globální produkce
má tvar Gaussovy křivky od východu k západu s vrcholem v poledních hodinách. Je souhrnem výkonu zdrojů připojených do sítě.

Graf2 – solarnews.cz

Pro simulaci jsou rozhodující nikoliv jednotlivé zdroje, ale výkon celoplošného rozložení. Dnešní stav instalací FVE 2 GWp a vykoupené energie na území ČR poskytuje dobré reprezentativní informace pro modelování vlivu na elektrizační soustavu.
Z Grafu2 je patrné, že ke 12. hodině dochází k strmému růstu výkonu během několika hodin, který v letním období v poledne může dosáhnout až instalované hodnoty a zase klesá k nule. Z Grafu 2 je patrné, že produkce elektřiny z FVE probíhá každý den, při oblačném počasí je produkce nízká, do 10% dosažitelné hodnoty podle typu článku, teploty prostředí, roční doby, polohy panelu a hustotě oblačnosti. V den 11.12.11 byl výkon v ČR 720 MW, jasno, doba slunečního svitu na 26 stanicích byla v průměru 5 hodin. Při 100% svitu by se zřejmě blížila k maximálním hodnotám 850 MW -viz Graf2.

Model vyhodnocuje celkové záření přímého+difúzního v případě slunečního svitu, nebo jen difúzního v případě oblačnosti nebo nulového po západu slunce. Samotné difúzní záření nemá vliv na stabilitu sítě, podstatný je přímý svit v době kolem špičky.

Graf3
Pokud jde o reálnost, odchylka průběhu simulovaného modelu od naměřeného je ±5%. Tuto hodnotu můžeme zjistit na základě skutečně vykoupené energie od všech připojených zařízení v jednotlivých měsících dle ERÚ a průběhu produkce v simulačním modelu. V Grafu3 je zobrazen modře průběh simulovaný, červeně průběh skutečný.
A jak se odchylka od naměřeného projevuje v modelu? V rámci měsíce se výkon posune o několik dnů dopředu nebo dozadu s příslušným pohybem výkonu, ale v podstatě sleduje reálný výskyt.

Vítr
Model větru vychází ze střední rychlosti větru ve větrných lokalitách. Simulovaný průběh produkce z větrných elektráren je porovnán se skutečností nákupu produkce podle ERÚ. Podle dosud uveřejněných skutečností zatím není u větru patrný rozdíl mezi měsíci letními a zimními jako u FVE. Dosavadní průměrná odchylka modelu větru od naměřené skutečnosti je ±5% v jednotlivých případech může být větší nebo menší.

3. Regulace FVE a VTE
Po uvedení přehledu začlenění FVE a VTE do simulace se přesuneme do prostředí dispečinku, který bude mít možnost regulovat překročení regulační energie ze strany FVE+VTE.

Vyjdeme ze scénáře S2040 s maximálně dosažitelným podílem OZE 14900 MW +JETE(2000)+PPE(5300).

- Jaderná elektrárna Temelín bez dostavby instalovaný výkon. 2 000 MW
- PPE 5300 MW
- Mix zdrojů OZE:
Scénář 2040
- VE=800, MVE=386, VTE=3655 FVE=8547, Biom=1000, Biop=500, Geo=20
Celkový instalovaný výkon OZE 14 908 MW.
K dispozici bude regulační výkon 3000 MW a ±6000 Gwh převážně z PPE+částečně biomasa. Export/Import bude sloužit pouze pro krátkodobou výpomoc.

Vzhledem k vysokému špičkovému instalačnímu výkonu FVE budeme sledovat přebytky výkonu v poledních hodinách. V případě potřeby jejich přenosu do exportu budeme FVE ev. VTE vypínat, vypnuté budou tak dlouho, dokud to bude překračovat možnosti vnitřní regulace. Podle průběhu simulovaného procesu je zjištěno, že na neregulovaném přebytku se podílí FVE v částečném souběhu s VTE, ostatní zdroje jsou regulovány v rámci vnitřní regulace.

4. Vyhodnocení regulace.

V uvedené konfiguraci byla před vypnutím dosažena produkce FVE 9035 Gwh, VTE 5755 Gwh, celkem 14790 Gwh, vypnutím se snížila produkce o 5226 Gwh, odkoupená produkce činila 14790-5226 Gwh = 9564 Gwh.
Vykoupená produkce se snížila o 35%. Velikost ztráty závisí na instalovaném výkonu zejména FVE. Když zvýšíme výkon na 12000 MW, ztráta se zvýší na 48%, když snížíme výkon na současných 2000 MW, výkyvy budou regulovány v rámci vnitřní regulace a ztráta bude nulová.

Oba druhy energie VFE+VTE jsou vyhodnoceny současně, protože působí v souběhu. Hlavním aktérem je FVE, VTE to doplňuje. Jak je patrno z Grafu2 FVE probíhá denně od výkonu 0 přes maximum a zase do 0, vítr má svoje výkyvy, ale není podstatně vázaný na denní rytmus, proto jejich souběh je náhodný.

V Grafu4 je v levém sloupci produkce na svorkách generátorů, v pravém sloupci po průchodu zmiňovaným regulačním zařízením, které reguluje případné přebytky.

5. Výsledky

• V tomto dokumentu jsme prezentovali možnost regulace přebytků ze zdrojů FVE a VTE v případě, že není možné energii vyexportovat nebo zužitkovat do zásobníku.

• Model vychází ze zákonné povinnosti instalovat prostředky pro dispečerské řízení OZE, instalované po roce 2000 nad 100 kW. V tomto modelu jsme je aktivovali.

• Zřejmě půjde o obtížnou regulaci, protože přebytky jsou jednorázové v době krátké špičky, pakliže ten den nastane – viz Graf2. Jedná se o technickou záležitost, kterou zde nebudeme rozebírat.

• Uvedená regulace znamená ztrátu kapacity, v naší konfiguraci zdrojů je to 35%. Při zvyšování výkonu FVE se ztráta může zvýšit až na 50%, naopak při snižování se budou ztráty snižovat až na nulovou hodnotu při současném výkonu FVE.

• Ztráta se může pohybovat v určitém rozmezí v závislosti na parametrech soustavy – mix zdrojů, jejich rozložení, technické zajištění. Obecně platí, že čím větší podíl OZE, tím budou ztráty větší.

• Uvedené zařízení umožňuje zabránit jak poškození sítě ze strany lokálních zdrojů, tak ochranu před rozsáhlými výpadky i za cenu snížení efektivnosti OZE.

Poznámka: Původně model vycházel z teoretických předpokladů. V současné době dochází k zvětšování podílu OZE na produkci což umožňuje skutečnost v ČR aplikovat do modelu a zpřesňovat výsledky.

Zpracoval Mojmír Štěrba