Energetika budoucnosti - virtuální elektrárny a inteligentní sítě?

„Inteligentní sítě“ („Smart Grids“) jsou zmiňovány například ve volebním programu Baracka Obamy „New Energy for America“ a dále v mnoha jiných dokumentech environmentalistického hnutí.

O co se vlastně jedná? V čem spočívá inteligence těchto sítí? Skutečně existují alternativní energetické koncepce umožňující nasazení obnovitelných zdrojů pro výrobu elektřiny v doposud naprosto nevídaném měřítku?

Diskuse o budoucnosti výroby elektřiny jsou fenoménem dneška, ať už s ohledem na závislost na reálně docházejících zásobách fosilních paliv a údajně docházejících zásobách uranu nebo s ohledem na vypouštění emisí skleníkových plynů a jejich případné zachycování v podobě technologie CCS.

Jednu z alternativních koncepcí budoucí (elektro)energetiky můžete nalézt v dokumentu „Vision and Strategy for Europe´s Electricity Networks of the Future“ na stránkách „European Technology Platform Smart Grids“, což je organizace s oficiální podporou Evropské komise. Předmluvu dokumentu zaštítil svým jménem Janez Potočnik, komisař EU pro vědu a výzkum.


Jak Smart Grids prezentuje vizi evropské elektroenergetiky?

Budoucnost má být harmonická symbióza omezeného počtu moderních „klasických“ výroben elektřiny a velkého množství malých lokálních energetických jednotek pracujících na různých fyzikálních principech. Veškeré technické problémy mají být vyřešeny na základě nosné technické koncepce „virtuálních elektráren“ a „inteligentních sítí“.

Inteligentní sítě jsou silové elektrické a komunikační sítě, které mají umožnit řídit výrobu a spotřebu elektrické energie v reálném čase, a to jak v jednotlivých lokálních centrech, tak i v globálním měřítku. V přeneseném slova smyslu se jedná sítě umožňující „interaktivní obousměrnou komunikaci“ výrobních zdrojů a spotřebičů o aktuálních možnostech výroby a velikosti spotřeby el. energie.

Hledá se zelená a ekologická energetika
Zdroj: Nazeleno.cz

Virtuální elektrárny jsou „volná seskupení“ lokálně rozmístěných (tj. decentralizovaných) malých výrobních jednotek využívajících nejrůznější místně dostupné alternativní zdroje energie (tj. diverzifikovaných z hlediska zdrojů). Virtuální elektrárny jsou prostřednictvím inteligentních sítí centrálně řízeny v rámci jednotné elektrické soustavy. Z hlediska el. soustavy se „virtuální elektrárny“ tedy chovají jako „klasické“ výrobní jednotky většího výkonu.Příklad funkce elektrické soustavyVirtuální elektrárny vytvoříme například seskupením různě dislokovaných větrných farem na mořském pobřeží a ve vnitrozemí, lokálně rozmístěných malých vodních elektráren, slunečních elektráren a v neposlední řadě plynových a bioplynových elektráren, které zajišťují stabilizační funkci. Jednotlivé virtuální elektrárny integrujeme do elektrické soustavy prostřednictvím inteligentních sítí, přičemž veškeré regulační a stabilizační funkce zajistí sofistikovaný řídící systém. Když ve vnitrozemí nebude foukat vítr, popř. svítit slunce, mohou pracovat výrobní jednotky umístěné na pobřeží, případně výpadek výroby pokryjí elektrárny plynové nebo bioplynové atd. Ve výsledném efektu má být dostatečně spolehlivě zajištěna rovnováha mezi výrobou a spotřebou el. energie, přičemž výroba bude decentralizovaná v blízkosti míst spotřeby a dálkové přenosy energie budou omezeny na nejnižší nutnou míru. To vše směřuje k jednomu cíli – ochraně životního prostředí na kvalitativně vyšší úrovni a podstatně vyššímu zapojení obnovitelných zdrojů oproti stávajícímu stavu. Toť byla tedy trocha teorie podle ETP Smart Grids. Nechme však teoretického výkladu a zaměřme se na prezentovanou vizi řešení zásobování městské aglomerace elektřinou:

Vize budoucí elektroenergetiky - decentralizovaná inteligentní síť
Zdroj: ETP Smart Grids

Klíčovým prvkem je „nízkoemisní“ elektrárna (Low emission power plant). Z textu dokumentu vyplývá, že by snad dokonce mohla být i jaderná, což je samo o sobě u materiálů tohoto druhu nevídaný pokrok. Výkon elektrárny je vyveden do střídavé přenosové soustavy velmi vysokého popř. zvláště vysokého napětí. Z elektrárny jsou dále vyvedeny do jednotlivých lokalit stejnosměrné přenosové linky vysokého napětí (HVDC) realizované ve formě podzemních kabelových vedení (v textu jsou dokonce jako příklad zmiňovány supravodivé kabely). Technicky vzdělaní čtenáři zřejmě brzo odhalí chybu ve vyvedení stejnosměrné přenosové VN linky přímo z transformátoru (T), správně má být realizována z elektrárny. Na horizontu hypotetické krajiny dále vidíme hydroelektrárnu, na blízkém kopci on-shore větrnou farmu, v horském údolí malou vodní elektrárnu, na úpatí hor elektrárnu s koncentračními slunečními kolektory a jednotku na zpracování biomasy. Na mořském pobřeží je instalována off-shore větrná farma a v moři vlnová elektrárna, kterou autoři zapomněli připojit kabelem do elektrické soustavy.Krásná vize budoucnosti - vodík Rovněž strana spotřeby je po technické stránce řešena velmi progresivně. Všechny objekty jsou osazeny solárními kolektory a fotovoltaickými panely. Vodíková technologie je již spolehlivě zvládnuta, včetně využití vodíkových palivových článků v automobilovém průmyslu. V lokalitě je instalována výrobna a plnírna vodíku s podzemními nádržemi stlačeného plynu. Jednotlivé lokality budou tvořit tzv. mikrosítě, které mohou pracovat i v ostrovním režimu příp. se automaticky resynchronizovat s nadřazenou sítí. Jednotlivé stavební objekty hojně využívají vodíkové palivové články, systémy pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla (CHP), supravodivé magnetické akumulátory (SMES), mikročlánky na akumulaci el. energie a nejrůznější druhy akumulátorů tepla. Středobodem aglomerace je lokální řídící a komunikační centrum (Local control and communication center) pro řízení energetického systému. Pokud někoho z čtenářů znejistí pohled na družici, tak se jedná o meteorologický satelit, jehož úkolem je zasílat data o síle větru, intenzitě slunečního záření a velikosti mořských vln do lokálního řídícího centra, aby energetičtí dispečeři mohli on-line předpovídat a operativně řídit výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů. Nepochybuji o tom, že především humanitně vzdělaní čtenáři s výrazně vyvinutým smyslem pro ochranu přírody jsou z této futuristické vize přímo nadšeni. Naprosto přesně odpovídá současné představě západoevropských environmentálních hnutí o „ekologicky správné“ budoucí výrobě elektrické energie. Vidíme masivní nasazení decentralizovaných obnovitelných zdrojů malého výkonu, důsledné využívání místních přírodních zdrojů pro výrobu energie, aplikaci nejnovějších supertechnologií pro akumulaci energie atd.

Výroba elektrické energie není jediným problémem energetiky,
důležitý je také přenos a schopnost reagovat na nenadálé situace
Zdroj: Nazeleno.cz

Na druhou stranu čtenáři, kteří utrpěli technické vzdělání, vidí desítky závažných technických problémů a sporných koncepcí, které bude nutné řešit. Upozorním pouze na některé z nich dle svého subjektivního výběru:Chybějící průmysl? V prezentované vizi si autoři nelámali hlavu s průmyslem. Nenalezl jsem žádnou průmyslovou aglomeraci nebo alespoň objekty, kde by se něco vyrábělo. Je nepochybné, že energetické potřeby průmyslových aglomerací jsou neporovnatelně vyšší než u obytných zón.Problematická koncepce využívání vodíku Vodíková energetika byla ještě před několika lety naprostým environmentálním hitem. Nicméně při podrobnějším zkoumání možných technických řešení se prokázalo, že zásadní podmínkou smysluplnosti vodíkové cesty jsou dostatečně výkonné zdroje levné elektrické energie pro systémy výroby, přepravy a skladování vodíku. V této souvislosti se dokonce začalo hovořit o jaderných elektrárnách, což bylo ihned interpretováno jako parazitování jaderné lobby na ušlechtilé myšlence vodíkové energetiky a zájem o vodík ochladl. Například ve futuristickém energetickém programu Baracka Obamy „New Energy for America“ není o vodíku ani slovo.Systém stejnosměrného rozvodu elektrické energie V lokálních sítích jsou v hojné míře využívány stejnosměrné linky HVDC, zřejmě z důvodu nižších přenosových ztrát. Dokonce se hovoří o supravodivých kabelech. Avšak drtivá většina stávajících energetických zdrojů vyrábí střídavý proud a drtivá většina spotřebičů využívá či dokonce pro svoji funkci přímo vyžaduje střídavý proud (např. většina elektrických motorů), takže v takto koncipovaném systému by bylo nutné instalovat usměrňovače a střídače, což se sebou nese dodatečné ztráty, značné technické komplikace a nemalé ekonomické náklady.Mikrosítě pracující v ostrovním režimu Autoři koncepce si byli dobře vědomi, že masivní nasazení obnovitelných zdrojů bude velmi negativně ovlivňovat stabilitu elektrické sítě. Problém „elegantně“ vyřešili tím, že při nevyrovnané bilanci výroby a spotřeby předpokládají občasný přechod postižené části sítě do tzv. ostrovního režimu. Ostrovní režim je však v podstatě havarijní stav spojený s výrazným kolísáním frekvence a napětí v ostrovní síti, což by mohlo ve svém důsledku způsobit poškození popř. zničení elektrických a elektronických spotřebičů. Nehledě na to, že z hlediska parametrů je takto „nekvalitní“ elektrická energie naprosto nepřijatelná pro dnešní náročné průmyslové technologie. Rovněž proces opětovného připojení k el. síti (tzv. resynchronizace) je technicky náročný a je vázán na přesně definované technické podmínky.

Centralizované elektrizační soustavy v Evropě a Asii.
Zdroj: Wikipedia (EN)

Extrémní nároky na komunikační systém V takto decentralizovaném energetickém systému by byla „interaktivní komunikace“ mezi výrobními zdroji a spotřebiči naprosto klíčovou záležitostí. Podle autorů koncepce by mělo tyto činnosti zajišťovat lokální řídící a komunikační centrum. Je nepochybné, že komunikační systém by musel zvládat z dnešního hlediska extrémní datové toky, navíc v reálném čase. Musel by být tedy dostatečně mohutně dimenzovaný, stabilní, spolehlivý, rychlý a softwarově propracovaný. Selhání komunikace by mělo za následek kolaps lokálního energetického systému během několika vteřin.Největší výhoda decentralizované elektroenergetiky? Touto „supervýhodou“ má být skutečnost, že výpadek zdroje malého výkonu v řádu jednotek MW v decentralizovaném systému postihne podstatně menší počet spotřebitelů než výpadek zdroje o výkonu několika set až jednotek tisíců MW v centralizovaném systému. Toto tvrzení je nepochybně pravdivé, avšak neúplné. Decentralizovaný systém skutečně nemá problémy s výpadky jednotlivých zdrojů malého výkonu, nýbrž zcela „na opačném konci“ – a to s „poskládáním“ stovek popř. tisíců malých obnovitelných zdrojů do jednotné elektrizační soustavy tak, aby byla zajištěna stabilní dodávka elektrické energie v požadovaném čase, množství a kvalitě. Rovněž si kladu otázku, co by se asi stalo při poruše počítačů v řídícím centru, kam se sbíhají informace z oněch stovek resp. tisíců decentralizovaných zdrojů?

Střídavý generátor N. Tesly (Chicago, 1893).
Zdroj: Wikipedia (EN)

Co z toho vyplývá? V počátcích elektrotechniky byl systém výroby a rozvodu el. energie „decentralizován z nouze“. Posledních sto let pracovaly největší světové technické mozky, včetně T.A. Edisona, G. Westinghouse, N. Tesly a třeba i F. Křižíka, na jeho centralizaci. Důvodem byla snaha splnit trvale vzrůstající požadavky průmyslu na zajištění vysoké kvality a spolehlivosti dodávek elektrické energie. Současné elektrotechnické a telekomunikační technologie (při splnění určitých technických podmínek) skutečně teoreticky umožňují realizovat „decentralizaci z luxusu“. Nebo-li koncepce decentralizované elektroenergetiky je, dle mého osobního názoru, v budoucnu technicky realizovatelná. Ovšem na druhou stranu podotýkám, že si nejsem ani zdaleka jist jejím přínosem pro společnost.

New York, Broadway, 1890. Období před první centralizací el. sítí
(na stožárech jsou instalována vedení různých napětí)
Zdroj: Wikipedia (EN)

Nicméně, už název odkazovaného dokumentu jasně sděluje, že se jedná o vize a možné strategie, nikoliv o návrh konkrétních technických řešení. Mnoho našich spoluobčanů bohužel ne zcela přesně chápe rozdíl mezi ambiciózní futuristickou vizí a ověřeným technickým řešením připraveným pro masové průmyslové použití, nemluvě o možném časovém horizontu a investiční náročnosti případné realizace.

Všední každodenní technická realita je už taková, že mezi formulováním vize, vytýčením strategie, výzkumem a vývojem, demonstračními projekty, průmyslovými prototypy a masovým průmyslovým nasazením uplyne mnohdy mnoho desítek let a je nutné investovat miliardy eur.

A proto je decentralizovaná elektroenergetika hudbou vzdálené budoucnosti. Příštích několik desetiletí si tedy budeme muset vystačit s tím, co máme.

Psáno pro server Nazeleno. cz a blog.iDNES.cz

Petr Nejedlý