13. 12. 2023

Stabilizace elektrizační přenosové soustavy, akumulace

Nutnost stabilní elektrizační soustavy nastala už v počátku jejího rozvoje, v průběhu jejího plošného rozšíření (a propojení v národním měřítku) se pak stala nezbytnou. V současné době, kdy jsou přenosové sítě (na 400 kV a 220 kV) propojeny mezinárodně, a navíc dochází k prudkému rozvoji získávání elektřiny z obnovitelných zdrojů, jsou požadavky na celou elektrizační síť dále zásadně vystupňovány.

Řízení

– dispečerské

Zabezpečuje rovnováhu mezi výrobou a spotřebou v reálném čase.

– systémové a podpůrné služby

Zajišťuje ČEPS na základě smluv s výrobci elektřiny; cílem je regulace, minutová záloha, snížení výkonu ap.

– rezerva pro regulaci

Rezerva pro případ vykrytí špičky, výpadku jiné elektrárny ap. – obvykle využívány přečerpávací elektrárny, jakož i pro spotřebu energie v případě nadbytku, zbytek zajišťují ostatní tepelné elektrárny. V rámci déletrvajících výpadků (např. odstávky či poruchy) jsou pak připraveny paroplynové elektrárny nabízející výhodu rychlého spuštění; případně část mohou zajistit zahraniční zdroje nebo na straně poptávky lze vypínat spotřebiče přes HDO, v horším případě pak odpojit průmyslové podniky nebo celá obydlí.

Zdroj: BP Jan Zaoral: Moderní koncepty pro eliminaci výkyvů v energetické síti, str. 23

– vyrovnávání výkyvů OZE

Česká elektrizační soustava je propojena s evropskou sítí ENTSO-E, což nabízí možnost nenulových bilancí národních systémů. Nestabilita obnovitelných zdrojů a jiných nestálých prvků se tak obvykle do jisté míry zahlazuje.

Stabilizace: Historie a dnešek

V počátcích, což byla asi 20. léta 20. století, bylo zapotřebí řešit problém způsobený vzdáleností od zdroje, kdy schopnost elektrického vedení vést proud byla limitována úhlovou nestabilitou. Od 60. let začalo docházet k propojování elektrizačních soustav, což spolu s (ekonomickými) výhodami vedlo také ke značnému zvýšení náročnosti stabilizovat síť. Splnit tento úkol výrazně napomohla výpočetní technika.

Od 70. let vynikl problém s frekvenční stabilitou. V reakci na to byly zavedeny postupy IEEE, díky kterým se včasnými zásahy podařilo problém potlačit.

V současné době se pak řeší problém s napěťovou stabilitou, daný přenosy energie na dlouhé vzdálenosti a zvyšujícím se zatížením sítí. Současné elektrizační systémy jsou tak provozovány čím dál tím více poblíž svých limitů, přičemž vliv obnovitelných zdrojů a snahy o omezování zdrojů fosilních má za výsledek stavy mnohem dynamičtější, než dříve. Zároveň to akcentuje nutnost nových kapacit záložních zdrojů, a to samozřejmě včetně nejnovějších typů akumulátorů atd.

Plynové elektrárny s otevřeným cyklem

Nejrychlejším způsobem, jak zajistit odběrové špičky, je hned po akumulátorech využití plynové elektrárny s otevřeným cyklem, tj. využití spalin k pohonu turbíny (s okolím je vyměňována jak tepelná energie, tak i pracovní médium). Tento způsob nabízí jak možnost rychlého startu, tak i poměrně masivní disponibilní výkony a jednu z nejjednodušších technologií. Na druhou stranu je zde ovšem nutnost použití zemního plynu, tedy ušlechtilého a drahého paliva, spolu s nízkou účinností (cca 31% – spaliny lze využít k předehřevu spalovacího vzduchu)

Výrazně vyšší efektivity pak dosahují elektrárny kombinující spalovací turbínu (Braytonův cyklus) s klasickým parním oběhem (Rankinův cyklus), které dosahují až 55% účinnosti. Jejich regulace je možná, ale mají pomalý nájezd (oproti čistě spalovací turbíně – oproti uhelné elektrárně jsou naopak rychlé a flexibilní).

Akumulace

Účinnost a životnost jednotlivých typů akumulace (CAES = stlačený vzduch, PHE = přečerpávací, LiIon, superkondenzátory, vodíkové články)

Stlačený vzduch

Akumulace pomocí stlačeného vzduchu je v podstatě plynovým ekvivalentem přečerpávacích elektráren. V případě přebytku energie v síti začnou kompresory vzduch stlačovat (obvykle za vzniku tepla, což se ale dá eliminovat současným nástřikem vody), a naopak v případě nutnosti vykrytí špiček pak roztáčejí turbínu (zde je ovšem problém podchlazování při dekompresi – nutno řešit ohřevem – u AA CAES využívající adiabatickou dekompresi s využitím tepla vzniklého při kompresi se dnes dosahuje až 70% účinnosti, namísto cca 40% bez výměníků). Toto řešení je perspektivní jak v domácích podmínkách, tak i velkoobjemově s využitím např. prostor po hlubinné těžbě.

Zřejmě vůbec nejvýkonnější CAES je ADELE v Německu s kapacitou 360 MWh a výkonem 90 MW.

Akumulátory

Řešení, které je na trhu už dlouho – nejprve v podobě olověných baterií (např. pro UPS), nyní velmi často s využitím lithium-iontových baterií, které jsou mnohem lehčí, netrpí samovybíjením a mají vysokou hustotu energie. V ČR byla v lednu zprovozněna jednotka o kapacitě 7,45 MWh – https://www.suas.cz/10-suas/aktuality/1005-suas-bess-zprovoznila-nejvetsi-bateriove-uloziste-v-cr – která nabízí výkon 2,5 MW pro zajištění výkonové rovnováhy. V Austrálii byla v r. 2017 instalována kapacita 129 MWh o výkonu 100 MW (blíže: https://oenergetice.cz/akumulace-energie/australska-megabaterie-od-tesly-se-sveho-provozovatele-stala-zlatym-dolem). V roce 2020 pak byla rozšířena: nyní poskytuje výkon 150 MW a má kapacitu 193,5 MWh (blíže: https://www.hybrid.cz/tesla-zvetsila-rekordni-baterii-v-australii-postavi-dalsi-v-kalifornii/)

Dlouhé stráně a ostatní přečerpávací elektrárny

V ČR zajišťují přečerpávací elektrárny cca 2% instalovaného výkonu (ten k 31.12. 2022 činil 20 781 MW). Rezerva pro regulaci je nutná okolo 10%, takže pro tento účel je zbytek zajišťován spuštěnými tepelnými elektrárnami. Princip PVE je velmi podobný akumulaci pomocí stlačeného plynu, odlišnosti plynou z použitého média, kdy nedochází ke stlačování, ale k využití kinetické energie dané rozdílem výšky hladin a hustotou média.

Dlouhé stráně mají objem 2,72 milionu metrů krychlových, horní nádrž je v nadmořské výšce 1350 metrů, spodní pak v 825 metrech – spád pak činí 510,7 metru. Poskytnout dokáže až 350 MW výkonu a její kapacita je 3,7 GWh.