Válka proudů 2

Rozšiřování elektrizačních soustav na co největší území má své meze. Řešením je propojení dílčích střídavých soustav stejnosměrným přenosem. Jaké jsou možnosti a perspektivy stejnosměrných elektrizačních soustav?  

Úvod

V předchozím článku (odkaz) byla řeč o možnostech pokročilé silnoproudé elektroniky. Ta umožňuje propojit navzájem velké synchronní přenosové sítě. Snad nejrozlehlejší synchronní přenosovou sítí je síť pokrývající území RF a  některých zemí SNS (Svaz Nezávislých Států). Vyznačuje se společným režimem provozu a centralizovaným dohledem. Má instalovanou výrobní kapacitu 300 gigawattů a pro svých 280 milionů zákazníků ročně vyrobí 1 200 terawatthodin (TWh). Systém zahrnuje osm časových pásem.

To je příznivé vzhledem k časovému rozprostření zátěže. V současné době je synchronně propojena s pobaltskými zeměmi. Kromě toho má propojení se skandinávským systémem prostřednictvím vysokonapěťové stejnosměrné propojky HVDC s nulovou délkou vedení (propojení ‘back to back’) umístěné ve Finsku s kapacitou 1420 megawattů.

Evropská Unie šla cestou sdružování jednotlivých přenosových operátorů do větších synchronních oblastí. Těchto oblastí je pět. Jednotlivé synchronní oblasti jsou propojeny vysokonapěťovými stejnosměrnými propojovacími prvky (HVDC - High Voltage Direct Current).

Inteligence vysoce vítána

V minulém století, kdy fungovaly elektrizační soustavy víceméně předvídatelně a jejich provoz reflektoval denní režim spotřebitelů, tedy hlavně průmyslu, železniční dopravy a domácností, byla rozlehlost sítě určitým stabilizačním faktorem. S rozvojem OZE se situace do značné míry komplikuje. Fotovoltaika také vykazuje denní rytmus, ovšem má na ni velký vliv oblačnost. Větrné elektrárny fungují značně nepravidelně a velké větrníkové plantáže v pobřežních oblastech způsobí energetickým dispečerům leckdy mnoho vrásek. OZE musejí být vzhledem ke svému nestálému charakteru zálohovány a spolehlivé záložní zdroje je nutno efektivně zapojovat a řídit. To již znamená velmi náročnou činnost, kdy je třeba sbírat velké množství údajů, vyhodnocovat je a dálkově ovládat výkonné prvky. Tady je nutné vzít do hry strojovou inteligenci.

Inteligentní sítě

Zatímco někteří si jen zoufají nad ambiciózními cíli, které před nás klade eurounijní avantgarda, jiní se snaží hledat a vyvíjet technologie a řešení, které vycházejí ctižádostivým snům alespoň zdánlivě vstříc. Vznikly různé inovační trendy, které přilákaly jak kvalitní inženýry, tak i odborníky v různých, často interdisciplinárních, oborech. K těm rozumnějším trendům patří zajištění maximálního využití dostupné elektřiny pro co největší oblasti světa. Důraz na zapojení nestálých tzv. Obnovitelných zdrojů a postupná likvidace zdrojů stávajících představuje velkou “výzvu” (jiný výraz pro “obtížný problém”). 

Jedním z řešení jsou tzv. Inteligentní sítě.

Definice Inteligentní sítě

Pro Evropskou Unii je prosazována zhruba tato definice:

Smart Grid je elektrická síť, která dokáže nákladově efektivně integrovat chování a činnosti všech účastníků, kteří jsou k ní připojeni – generátorů, spotřebitelů a těch, kteří dělají obojí – s cílem zajistit ekonomicky efektivní, udržitelný energetický systém s nízkými ztrátami a vysokou úrovní kvality s ohledem na  zabezpečení stálosti dodávek a bezpečnosti. Inteligentní síť využívá inovativní produkty a služby spolu s inteligentními technologiemi pro monitorování, řízení, komunikaci a samoopravu. 

Dále následuje soupis úkolů, které zmíněné inovace musejí zajistit. 

• Lepší usnadnění připojení a provozu generátorů všech velikostí a technologií.
• Umožnit spotřebitelům, aby se podíleli na optimalizaci provozu systému.
• Poskytnout spotřebitelům více informací a možností, jak své zásoby využívat.
• Výrazně snížit dopady celého systému zásobování elektrickou energií na životní prostředí.
• Zachovat nebo dokonce zlepšit stávající vysokou úroveň spolehlivosti systému, kvality a bezpečnosti dodávek.
• Efektivně udržovat a zlepšovat stávající služby.

Inteligentní sítě podle velikosti

Minisíť

Minisíť (minigrid) je elektrická distribuční síť mimo veřejnou síť, která zahrnuje výrobu elektřiny v malém měřítku. Je někdy definována podle jmenovitého výkonu, který je nižší než 11 kW a jejím oddělením od rozvodných sítí. Minisítě se používají jako nákladově efektivní řešení pro elektrifikaci venkovských komunit, kde je připojení k síti náročné z hlediska přenosu a nákladů na hustotu obyvatelstva koncového uživatele. Nejjednodušší minisítě si vystačí bez inteligentního řízení. Často se jedná o sítě s jednou fotovoltaickou elektrárnou a jednou akumulátorovou baterií, které zásobují jednu vesnici v rozvojové zemi. Většinou se jejich služby omezují na nabíjení mobilů a svícení LED-svítidly. 

Mikrosíť

Mikrosíť (microgrid) je decentralizovaná skupina zdrojů elektřiny a zátěže, která normálně funguje se synchronním  připojením k tradiční velkoplošné synchronní síti (macrogrid), ale je schopna se odpojit od propojené sítě a pracovat autonomně v “ostrovním režimu”.

Velkoplošná síť

Velkoplošná síť se v dnešní době stěží obejde bez inteligentního řízení. Obzvláště je-li propojena s jinými velkoplošnými sítěmi. 

Problémy velkoplošných sítí

Elektrizační soustavy musejí splňovat specifická kritéria na kvalitu služby. 

Pro synchronní sítě se jedná o tyto parametry:

• velikost napětí
• frekvence
• sinusový průběh napětí
• symetrie mezi jednotlivými fázemi

Stejnosměrné velkoplošné sítě zatím neexistují, ale za hlavní a snad i jediná kritéria kvality lze i do budoucnosti považovat tyto:

• velikost napětí
• míra rušivých složek napětí

Pro laické srovnání lze říci, že složitost řízení je úměrná množství řízených parametrů, přičemž úměra nemusí být pouze přímá. Více parametrů kvality ve střídavých (synchronních) sítích, ještě k tomu při zapojení OZE s velmi nepříznivými charakteristikami, zvyšuje nároky na řízení hrozivou měrou. 

Z toho důvodu se zvyšuje zájem o mikrosítě se stejnosměrným provozem. Na jejich realizacích si návrháři a konstruktéři vyzkoušejí řešení problémů, které se mohou v budoucnosti vyskytnout u velkoplošných stejnosměrných sítí.

Rozpojování stejnosměrného okruhu

V různých případech, jako například při zkratu,  je nutno rozpojit část vedení sběrnice. 

Stejnosměrné vedení, přestože je tvořeno pouze přímým vodičem, má určitou indukčnost. Do jisté míry se tedy chová jako elektrická cívka. Když cívkou protéká stejnosměrný proud, nic zvláštního se neděje, cívka pouze magnetuje. Jakmile se proud přeruší, napětí na přerušených kontaktech prudce vzroste a výsledkem je elektrický výboj. Toho se využívá v běžných automobilových benzínových motorech k zapalování směsi ve válcích. Jestliže se jedná o dlouhé vedení a velký proud, není výsledkem přerušení užitečná jiskérka, ale plápolavý elektrický oblouk. Ten je opravdu velice nevítán.

Ale když si dáte do vyhledávače frázi “solid-state DC circuit breaker”, získáte celou řadu řešení tohoto problému na bázi silnoproudé elektroniky. Velmi přesvědčivým příkladem je palubní lodní mikrosíť pro velké oceánské lodě, jak ji pojednala firma ABB. Tam jsou ze stejnosměrné sítě napájeny i lodní motory - pravděpodobně přes střídavé třífázové konvertory. Významným prvkem jejich řešení je ultrarychlý rozpojovač stejnosměrného okruhu. 

Dostupnost služby stejnosměrných mikrosítí

Dostupnost služby pro odběratele závisí na několika faktorech. Důležitá je kladná bilance mezi zdroji energie a spotřebiči. To samo o sobě nestačí. Energii od zdrojů je nutné přenést až k odběrnímu místu, a to i v případě přerušení některých cest. To lze ovlivnit vhodnými konfiguracemi tak, aby porucha v jednom úseku mohla být snadno izolována, aby neovlivnila  dodávku do jiných úseků a úsek s poruchou mohl být co nejdříve opraven a znovu zapojen do sítě. Důkladný rozbor podává tento dokument.

Perspektivy stejnosměrných (ss) mikrosítí

Za současného stavu techniky a legislativy v ČR vidím výhodu ss mikrosítí ve snadné rozšiřitelnosti. Například v jedné obci bude několik subjektů, jako skupina bytovek, nějaké průmyslové a zemědělské provozovny a další. Každý z těchto subjektů si může vybudovat vlastní síť a teprve podle okolností se domluvit na propojení s některou sítí v sousedství. Propojení stejnosměrným kabelem by v rámci obce bylo relativně snadno proveditelné, zajímavé by bylo vzájemné účtování přenesené energie. Pro kterýkoli z uvažovaných subjektů je nejcennější energie dodaná v době, kdy se mu energie nedostává, tedy energie “na požádání”. První nižší cenová kategorie by byla energie podle nasmlouvaného časového harmonogramu. O další stupeň níže by byla energie nabízená navíc, například dodavatelský subjekt provozuje větrnou elektrárnu, vlastní úložiště je již saturováno a jako naschvál jsou ideální větrné podmínky. Pak hledá, kde by přebytečné kilowatthodiny udal.

Službu vyrovnávání přebytků by mohly cíleně poskytovat majitelé velkých úložišť. 

Dalším dodavatelem energie na požádání by mohli být provozovatelé disponující přípojkou k veřejné distribuční síti. Zařízení pro napojení na distribuční síť je relativně nákladné

Popsaná skupina sítí v jedné obci byla vlastně z hlediska síťového jednou mikrosítí, libovolně rozšiřitelnou.

Závěr

Stejnosměrné mikrosítě jsou velmi zajímavým oborem, který láká množství vědců, inženýrů a podnikatelů. Jejich úsilí podněcuje rozvoj silnoproudé elektroniky a výsledky rozvoje zase povzbuzují tvorbu aplikací.