Inteligentní rozvodné sítě
Elektrická energie je univerzální formou energie používanou na celém světě. Infrastruktura nezbytná pro výrobu, přenos, distribuci a spotřebu elektrické energie byla koncipována a navržena více než před 100 lety. Tato infrastruktura nám slouží dobře a významně přispívá k industrializaci a ekonomickému růstu ve světě v posledních několika desetiletích. Dnes neexistuje téměř žádný proces v průmyslu nebo jakákoli aplikace v soukromém životě, která nepoužívá elektrickou energii. Poptávka po elektrické energii roste rychleji než po jakékoliv jiné formě energie ve všech částech světa - zejména v zemích, které procházejí rychlou industrializací, jako jsou Čína a Indie. Současně s rostoucí poptávkou roustou i nároky na spolehlivost elektrického napájení - i chvilková narušení způsobují obrovské ekonomické ztráty. Proto jsou vedeny diskuze, navrhována nová, moderní řešení a vytvářeny typové projekty - tzv. Inteligentní rozvodné sítě.
ÚVOD
Střízlivá skutečnost dneší doby je to, že paliva z uhlí, které využívá více než 40 procent světových elektráren, jsou jedním z největších přispěvatelů k emisím CO2. Má-li být tohle přispívání k emisím CO2 omezeno na přijatelnou míru, je potřeba hledat nová řešení, která budou ekologická a zároveň efektivní. Výroba, přenos, distribuce a spotřeba elektrické energie se musí stát efektivní, úsporná a cílená. Dnes způsob, jak je elektrická energie vyráběna, přepravována a používána, není dostatečně účinný. Neefektivnost celé dosavadní struktury sítě vede k přibližně 80 procentům ztrát z primárních zdrojů elektrické energie určenou pro spotřebu elektrické energie. I když tempo růstu energie z obnovitelných zdrojů je vysoké, podíl obnovitelné energie na celkové skladbě zdrojů je stále poměrně nízký. Energie z obnovitelných zdrojů, obzvlášť tou, pocházející z přerušovaných a proměnlivých zdrojů (např. větrné a solární) představuje další problémy. V neposlední řadě jeden z problému dnešní konfigurace sítě je dostupnost, která zdůrazňuje, že je třeba nalézt vhodné systémy pro ukládání energie, jakož i systémy pro koordinaci dostupných zdrojů energie. Má-li se integrovat rostoucí množství energie z obnovitelných zdrojů energie a zároveň výrazně zvýšit efektivita v celém dosavadním systému, vyžaduje velké změny v celé struktuře sítě a způsobu, jakým by měla být tato soustava provozována. Tento budoucí vyvíjející systém byl vytvořen termín "inteligentní sítě".[3]
Elektrizační soustava dnes a zítra
Budoucnost energetického systému (elektrizační soustavy), musí být navržena ke splnění čtyř hlavních požadavků globální společnosti:
- Kapacita
- Spolehlivost
- Účinnost
- Udržitelnost
 Obr.1 - Schéma klasické elektrizační soustavy |
 Obr.2 - Schéma inteligentní rozvodné soustavy |
Kapacita
Podle trendu posledních let, tzn. neustálého navyšování požadavků na spotřebu elektrické energie, je zřejmé, že i v dalších letech bude toto navyšování pokračovat. Pokud se předpovědi Mezinárodní agentury pro energii splní, bude to znamenat, že bude muset být navýšena kapacita výkonu každý týden na příštích 20 let o 1 GW v elektrárnách a související infrastruktuře sítě. Budoucí elektrizační soustava se s tímto navýšením bude muset vyrovnat jak po technické stránce tak i po stránce ekonomické.
Spolehlivost
Neustále rostoucí množství elektrické energie v elektrizační soustavě dosahuje k hranicím stability těchto již fungujících systémů. Přesto výpadky nebo dokonce menší poruchy jsou stále nepřijatelné. Spolehlivost elektrického systému byla vždy prioritou inženýrů a dramaticky se zlepšila v posledních několika desetiletích. Přesto přerušení toku elektrické energie jsou stále pravděpodobnější. Dramatické události, jako jsou masivní výpadky proudu, které mohou odloučit celou zemi od dodávek elektrické energie jsou jen vrcholem ledovce. Tím je velký počet krátkých poruch, které přispívají k významným ekonomickým ztrátám. Nedávná studie provedená pro Spojené státy prokázala, že si nespolehlivé elektrizační soustavy vyžádají na nákladech 80 bilionů dolarů ročně [1].
Vyšší spolehlivost dodávky elektrické energie umožňuje nejen snížení vysokých nákladů a zlepšení kvality života, ale také má za následek pozitivní ovlivnění klimatu. Pokud elektrizační soustava může bezpečně předcházet a nebo stabilizovat poruchy v síti, pak tento systém bude vyžadovat méně elektráren k dispozici ve výkonové rezervě. To znamená nižší emise.
Energetická účinnost
Projekty Mezinárodní agentury pro energii ukazují, že používání energii efektivněji má větší potenciál k omezení emisí CO2 v průběhu příštích 20 let, než všechny ostatní možnosti dohromady [2]. Proto v roce 2008 na celém světě z finančního sektoru putovalo 119 bilionu dolarů investovaných do čisté energie a pouhých 1,8 bilionů dolarů bylo vynaloženo na zlepšení energetické účinnosti, podle studie OSN pro životní prostředí a New Energy Finance [3]. Nechuť investovat do energetické účinnosti je překvapující. Investice mohou být obvykle získány zpět prostřednictvím nižších nákladů na energii v méně než dvou letech. Za jiných okolností by se podniky obvykle do projektů s tak rychlou návratností vrhly.
Hlavní překážkou efektivního využití energie je nedostatek znalostí v domácnostech, firmách nebo orgánech veřejné správy o energetické účinnosti zařízení. Tato překážka je dále umocněna škálou dostupných možností. Další překážkou je nedostatek podnětů. Proč by měl pronajímatel investovat do energetické účinnosti v případě, že nájemce bude těžit z výhod? Proč by měl vedoucí nákupu věnovat více svého rozpočtu na efektivní zařízení v případě, že úspory využije oddělení, které platí za spotřebu elektrické energie? Evropská unie učinila důležitý krok v červnu 2009, kdy nastavila standardy účinnosti pro většinu užitých motorových jednotek v průmyslových aplikacích. Tento krok byl sotva viditelný, a přesto se očekává, že uspoří 135 bilion kWh ročně do roku 2020. To je třikrát více, než úspory očekávané od vyřazení klasických žárovek v evropském regionu a více než např. celková spotřeba Švédska (která v roce 2007 dosáhly 132 bilionů kWh). [3]
Udržitelnost
Výroba elektřiny využitím sluneční energie, větru, mořských vln nebo geotermální energie je bezesporu účinný způsob, jak se vyhnout emisím CO2. Tady je naděje, že se zlepšováním technologie, lepší účinností přeměny energie a snížením výrobních nákladů, bude příspěvek těchto zdrojů pro budoucí složní energetické soustavě vyšší než doposud. Vodní energie je tradiční zdroj elektrické energie bez emisí CO2 a podle IEA to bude i nadále platit pro příštích 20 let.
Výroba elektřiny touto cestou je jeden požadavek. Jiným stejně důležité požadavkem je připojení k elektrické rozvodné síti. Obrovské vzdálenosti přenostu elektrické energie vyrobené ve vodních elektrárnách do center spotřeby musí být odstraněny. Například v Číně je celková energie přepravováno více než 2 000 km přenosových cest. Nicméně, konečný spotřebitel se rozhodne, kolik a jakým způsobem chce spotřebovávat elektrickou energii. V současné době jsou možnosti snížení nákladů na energie s ohledem na rozdíl mezi vysokým a nízkým tarifem nebo pobídkou k úspoře energie omezené. Technologie by mohla zajistit větší transparentnost týkající se spotřeby v každém okamžiku v čase a s ní spojené náklady pro spotřebitele.
INTELIGENTNÍ ROZVODNÉ SÍTĚ
Definice inteligentních rozvodných sítí se mohou lišit dle geografického umístění. Podle zprávy evropské komise [4], inteligentní sítě jsou :
- flexiblita - je třeba plnit potřeby zákazníků a reagovat na změny a požadavky
- přístupnost - možnost připojení do sítě by měla být pro všechny uživatele stejná, zejména přístup na OZE
- spolehlivost - síť je bezpečná a kvalita dodávek zajištěna
- hospodárnost - využití inovací, efektivní hospodaření s energií a rovné podmínky v oblasti hospodářské soutěže a regulace
Obr.3 - Příklad koncepce inteligentní rozvodné sítě
Hlavní cíle inteligentních sítí
Hlavní cíle inteligentních sítí jsou zlepšení efektivity, spolehlivosti, bezpečnosti a udržitelnosti životního prostředí. Tyto budou záviset na celkové koncepci, vhodné kombinaci senzorů, komunikačních jednotek, informačních a řídících technologií. Při návrhu koncepce inteligentní sítě je potřeba brát v úvahu některá hlavní technická hlediska [6]:
- minimalizování nákladů a technických prostředků na kapacitu sítě a dopad na životní prostředí
- zefektivnění řízení a regulace toku energie
- správa a řízení toku energie ke snížení ztrát a špičkové poptávky jak přenosové tak distribuční soustavy
- připojení obnovitelných zdrojů energie z místních i vzdálených míst do distribuční sítě
- integrace a optimalizace skladování energie ke snížení poptávky ze sítě
- integrace mobilních zatížení (např. elektrická vozidla)
- snížení rizika výpadků, zefektivnění odhalování a likvidování jakýchkoli systémových poruch a rychlé obnovení provozu
- optimalizace využití prostředků pro řízení spotřeby elektrické energie
Komponenty inteligentních rozvodných sítí
Technologii inteligentních sítí lze rozdělit do 4 kategorií, které pracují společně, aby byly tyto sítě plně a optimálně funkční [6]:
- rozhodovací inteligence - vrsta tvořena ze všech programů, které běží v inteligentních elektronických zařízeních (IED), automatizační systém, řídící centrum a systémy informačních technologií. Tyto programy zpracovávají informace z čidel apod. a vytvářejí buď kontrolní směrnice nebo informace pro podporu rozhodování obchodních procesů.
- komunikační vrstva - spolehlivý, okamžitý a bezpečný přenos informací tam, kde je potřeba nebo kde jsou požadovány.
- senzory/aktory - přístroje reagující na změnu fyzikální veličiny/prvky systému zajišťující vykonání určité operace jako důsledek této změny
- výroba, přenos, spotřeba - monitorovaná a řízená vrstva, kde probíhá optimalizovaná výroba, přenos a spotřeba elektrické energie
Chytré měření
Aby mohly být splěny výše uvedené požadavky na inteligentní rozvodné sítě, je potřeba do místa spotřeby zařadit inteligentní prvek - chytré měření. Inteligentní měření obecně zahrnuje instalaci inteligentních měřících prvků, u kterých je prováděno pravidelné čtení, zpracování a zpětné zpracování údajů o spotřebě pro zákazník. Toto měření má následující možnosti [5]:
- real-time nebo near-time evidence využití elektrické energie a případně místní elektrické energie, např. z FV panelů
- nabízí možnost přečíst data z měření lokálně i vzdáleně (na vyžádání)
- dálkové omezení průchodnosti přes elektroměr (v krajním případě zablokování toku energie k zákazníkovi)
- schopnost číst data dalších veličin (např. plyn, voda) atd.
ZÁVĚR
Inteligentní rozvodné sítě v Evropě počítají se zapojením mnoha nových lokálních výroben elektřiny jako jsou solární elektrárny, elektrárny na biomasu, větrné turbíny a podobně. V budoucnu se navíc počítá také s dobíjecími stanicemi pro elektromobily. Podobné testovací projekty už běží například i ve Spojených státech ve městě Boulder, v Malaze ve Španělsku či Amsterdamu v Holandsku. V Itálii už může několik desítek milionů zákazníků společnosti Enel SpA využívat některých možností chytrých sítí a elektroměrů [6].
V České republice celý projekt teprve začíná. Spuštění projektu Smart Region je důležitou součástí evoluční cesty, kterou se chce dnešní svět vydat po vyhlášení snahy o modernizaci a hledání nových inovací v oblasti energetiky v létě 2009. V tomto energeticky "inteligentním" regionu je cílem vyzkoušet jak spolu mohou v malé lokalitě fungovat nejrůznější novinky: chytré měřící systémy v domácnostech, větší počet lokálních výrobních zdrojů včetně obnovitelných, dobíjecí stanice, sloučené výrobny elektřiny a tepla. Cílem je vyzkoušet v menším měřítku, jak inteligentní sítě dokáží napojit a řídit množství prvků ku prospěchu zákazníků a celé sítě. V současnosti vybírá společnost ČEZ partnera na dodání inteligentních měřících systémů, které budou nainstalovány v první fázi Smart Regionu domácnostem a podnikům, aby mohly začít poskytovat první data v reálném čase o spotřebitelském chování zákazníků v regionu.
Šance inteligentních sítí
- Změna způsobu nazírání na elektřinu - od výroby přes distribuci až po spotřebu
- výroba bude výrazně flexibilnější, umožní provoz decentralizovaných zdrojů, jako jsou například větrné nebo solární elektrárny
- distribuční společnosti výrazně omezí ztráty energie, zvýší svou efektivitu a zároveň budou profitovat z větší spolehlivosti, rychlejšího obnovení dodávek po výpadku a vyšší úrovně služeb poskytovaných zákazníkům
- spotřebitelé budou mít k dispozici podstatně detailnější informace o spotřebě a na jejich základě se budou moci rozhodovat
- inteligentní elektroměry umožní distribučním společnostem účtovat méně mimo špičku; na to samozřejmě mohou reagovat i spotřebitelé, kteří pak energeticky náročné činnosti, jako je praní nebo mytí nádobí, odloží na dobu, kdy je elektřina levnější
- průběžný přístup k údajům o spotřebě energie může významně pomoci domácnostem při regulování vlastní spotřeby.
This paper includes results of the research financed by the Ministry of Education, Youth and Sport of the Czech Republic within Project MSM0021630516. Authors gratefully acknowledge financial support from European Regional Development Fund under project No.CZ.1.05/2.1.00/01.0014.
Citace
[1] Berst, Jesse (2009, March 5). Why the smart grid industry can't talk the talk. Smart grid news. 2009, www.smartgridnews.com.
[2] International Energy Agency, Word Energy Outlook, 2009, ISBN: 978-92-64-08624-1, 650 str.
[3] Greenwood, Chris, Analysis of Trends and Issues in the Financing of Renewable Energy and Energy Efficiency, Global trends in sustainable energy investment 2009, ISBN 978 92 807 3038
[4] New ERA for electricity in Europe, Distributed generation, ISBN 92-894-6262-0, 29 str., www.smartgrids.eu,
[5] Gerwen, R.J.F., Jaarsma, S. and Koenis, F., Cost Benet Analysis for Smart Metering, Metering International, Vol. 4, 2005
[6] US Department of Energy (2003). Grid 2030: A national vision for the next 100 years, 2009, www.oe.energy.gov
Projects of the International Energy Agency show that use energy more efficiently has a greater potential to reduce CO2 over the next 20 years than all other options combined. The main objectives of intelligent networks are improving the efficiency, reliability, safety and environmental sustainability.