Budoucnost elektroenergetických soustav aneb na co se připravit

V posledních několika letech si i laická veřejnost mohla všimnout, že se energetika mění. Média často informovala o vypínání jaderných elektráren v sousedním Německu, plánech k postupnému utlumování uhelných zdrojů a celkově o příklonu k „zelené“ energetice napříč celou Evropou, a tím i k obnovitelným zdrojům energie. Tento poměrně náhlý a dle mnohých také nepříliš uvážený odklon od tradičních zdrojů elektřiny vzbudil rozruch prakticky napříč všemi odvětvími energetiky.

Tento článek vysvětluje, co bylo pravděpodobným „spouštěčem“ takového trendu, shrnuje jeho dopady na odvětví elektroenergetiky a uvádí příklady řešení, jejichž cílem je minimalizovat negativní důsledky tohoto vývoje. Jelikož se autor profesně zabývá návrhem informačních systémů v energetice, spadají uváděná řešení výhradně do této oblasti.

(Ne)Plánovaná budoucnost

Zpětnou analýzou faktů lze dojít k tomu, že za spouštěč současného vývoje v energetice můžeme s jistotou označit tzv. Pařížskou dohodu z roku 2015.

Ta, s cílem snížit emise skleníkových plynů za účelem omezení globálního oteplování, v podstatě odsoudila uhelné zdroje k zániku a otevřela pomyslné dveře dekarbonizaci Evropy. Avšak až na průběžné reportování plnění závazků je Pařížská dohoda pro jednotlivé státy právně nezávazná. Proto se přibližně tři roky od její ratifikace nic zásadního nedělo a z reportů bylo patrné, že jednotlivé státy své závazky příliš neplní.

V případě Evropy se impulsy nezbytnými pro další vývoj staly tzv. klimatické strategie vydané Evropskou komisí, které vymezily cíle pro roky 2020, 2030 a 2050, a zároveň také tzv. klimatický balíček (Clean Energy Package).

V obou případech se jedná o stanovení závazků, kterých je potřeba dosáhnout pro úspěšné naplnění závěrů Pařížské dohody. Už se ale neuvádí, jakým způsobem má být závazků dosaženo. A co je nejzásadnější, ani jednotlivé strategie, ani CEP nepopisují, jak řešit problémy spojené s omezováním řiditelných zdrojů a vypořádat se s nárůstem těch obnovitelných.

Řešení problémů víceméně zůstává na provozovatelích přenosových soustav (TSOs). Dle dosavadního vývoje se zdá, že mohou mít jistotu alespoň v tom, že budoucnost elektroenergetiky bude pravděpodobně skutečně zaměřena na co největší využití obnovitelných zdrojů energie, což podtrhuje snaha o dosažení nulových emisí do roku 2050.

Pro zajímavost, plnění závazků Pařížské dohody a vývoj zavádění obnovitelných zdrojů v jednotlivých státech zobrazuje následující diagram. Je zde vidět, že celosvětově se podíl obnovitelných zdrojů na celkové výrobě od roku 2015 zdvojnásobil.

Záměr snížit emise za účelem získání lepšího ovzduší pro všechny Evropany je nepochybně první věc, kterou EU proklamuje a na kterou široká část veřejnosti uslyší. Osobně bych ale vyzdvihl jiný cíl, který EU také uvádí, ale zůstává spíše v pozadí, a to: renewables global leader. EU nepochybně věří, že zelená revoluce zvýší konkurenceschopnost Evropy vůči světu. Doufejme, že se tato víra ukáže jako opodstatněná.

Jeden z dalších cílů, increase energy security, kde se jedná zejména o zvýšení nezávislosti na externích dodavatelích, již může být zavádějící. Implementace obnovitelných zdrojů totiž nese celou řadu problémů, které mohou spolehlivost elektroenergetických soustav naopak snížit. Ale o tom více, až v následující kapitole.

Dopady (CEP) na účastníky trhu

Vyváženost energetického mixu jednotlivých evropských soustav dostává s trendem zavádění RES vážné trhliny. V elektroenergetice hraje významnou roli regulace elektroenergetické soustavy, tzn. udržení rovnováhy mezi spotřebovanou a vyrobenou elektřinou. Zjednodušeně se dá říci, že čím více stavíte něco, co odebírá elektřinu, tím více musíte postavit elektráren, které vám ji v požadovaném množství vyrobí. (Hráči počítačových her z 90. let si jistě vzpomenou na hru, kde to bylo samý písek a těžilo se koření – pokud jste ale měli příliš málo elektráren a postavili jste další novou montovnu aut, celé město vám zhaslo a výpadek trval do té doby, než jste vybudovali další elektrárnu.)

Z tohoto příkladu je patrné, že není možné spotřebovávat více, než se vyrobí a že dostupný výrobní výkon je důležitý. Je ale asi pochopitelné, že samotný dostupný výkon není jediným limitujícím prvkem. Dalším významným faktorem je řiditelnost výrobních (ale i spotřebních) zdrojů, která v případě většiny obnovitelných zdrojů není možná (např. větrnou elektrárnu nemůžete roztočit víc, než aktuálně fouká vítr).

Z toho se dá odvodit, že i když uhelné zdroje nahradíme obnovitelnými se stejnou výrobní kapacitou, zajištění stability soustavy nebude na stejné úrovni, což představuje vážný problém, který může vést až k black-outům.

Se zaváděním RES jsou účastníci trhu, zejména pak TSOs, nuceni hledat nová řešení řízení soustav, resp. optimalizovat již existující.

IT řešení přicházejí na pomoc

Jak již bylo vysvětleno v úvodu, zavádění RES do energetického mixu klade vyšší nároky zejména na provozovatele přenosových soustav. Ti musí být v každém okamžiku připraveni vyrovnávat (regulovat) výkyvy výroby a spotřeby. A protože jsou obnovitelné zdroje energie ve větší míře závislé na počasí, je nutné do výpočtů předpokládané úrovně výroby zahrnout predikce počasí, resp. data z měření apod.

Roste potřeba sledovat vývoj různých činitelů prakticky v reálném čase a mít možnost rychle a účinně reagovat na vzniklé situace. Dispečerská centra pro tento účel mohou být vybavena sofistikovanými systémy, které usnadňují například komunikaci s pracovníky v terénu a poskytují jim aktuální technická data vztažená ke konkrétní lokalitě (obecně jsou tyto systémy známé pod zkratkou GIS). Na významu získávají také nové technologie jako Smart Metery.

Nicméně je třeba mít na zřeteli také technické limity samotných výrobních bloků poskytujících regulační energii. Celkový instalovaný výkon konkrétního bloku může mnohonásobně převyšovat aktuální potřeby na vyrovnání výkyvu ve výrobě, ale vzhledem k technickým limitům nemůže být poskytnut v plném rozsahu.

Přesně tuto situaci bude pro irského provozovatele přenosové soustavy, společnost EirGrid, řešit nový informační systém Ramping Margin Tool (RMT), na jehož dodávku vyhrála výběrové řízení společnost Unicorn Systems.

Systém RMT bude vyvinut nad Damas MMS Platform – vlajkovým produktem společnosti Unicorn Systems pro energetiku. Při dodávce budou využity out-of-the-box vlastnosti platformy, které umožní rychlé dodání celého řešení. Architektura platformy Damas MMS zároveň splňuje požadavky společnosti EirGrid na modularitu, výkon, spolehlivost a zabezpečení celkového řešení. V případě potřeby je tak možné systém jednoduše rozšířit o další funkčnosti.

RMT budou využívat zejména dvě dispečerská centra v geograficky oddělených lokalitách – Dublinu a Belfastu. Řešení dispečerům umožní téměř v reálném čase porovnat potřebnou hodnotu výkonové rezervy se skutečně dostupnou, a pokud tato rezerva není pokryta v souladu s nastavenými limity, systém dispečery automaticky upozorní. Platforma Damas MMS navíc umožňuje konfiguraci různých forem varování – zvukovým signálem, systémovou zprávou poslanou konkrétnímu uživateli/uživatelům nebo např. odesláním SMS při dosažení stanoveného limitu. Shrnuto, dispečeři jsou včas informováni, mohou snadněji předcházet kritickým situacím, a zajistit tím spolehlivý chod přenosové soustavy.

Výši požadované rezervy systém stanovuje na základě velkého množství vstupů. Zjednodušeně lze ale říct, že jde o rozdíl očekávaného nárůstu spotřeby a výroby dostupné pro jeho pokrytí. Jde tedy o množství spotřeby, která by mohla zůstat nepokryta, plus rezervu určenou na základě bezpečnostních předpisů provozu soustavy, jako např. rezerva potřebná pro pokrytí výpadku největšího zdroje v soustavě apod. Opět díky vlastnostem Damas MMS Platformy lze vzorec pro výpočet, včetně potřebných vstupů, uživatelsky upravovat přímo v systému (tzn. vzorec není „natvrdo“ zakódován do systému) bez nutnosti opětovného nasazení, změny jsou tedy aplikované a viditelné ihned.

Výpočet rezerv systém provádí vždy na následujících 48 hodin, pro tři geografické lokality a produkty RR20, RM1, RM3, RM8. Výpočet se automaticky opakuje každých pět minut, případně může být iniciován oprávněným uživatelem manuálně z přehledové obrazovky systému, tzv. dashboardu.

Zde jsou také k dispozici informace o průběhu jednotlivých výpočtů. Vypočtené hodnoty mohou uživatelé upravovat. Samozřejmostí je, že toto právo mají pouze uživatelé, kterým data patří, resp. mají k těmto datům oprávnění. V tomto ohledu Platforma Damas MMS umožňuje nastavit oprávnění jak k obrazovkám, tak samotným datům. Veškerá historie změn je přitom auditovaná včetně původních hodnot, data změny a identifikace uživatele, který data upravil.

Beze sporu velkým kladem Platformy Damas MMS je možnost konfigurace vlastních pohledů na data. Jedná se o obrazovky systému, které může díky vlastnostem platformy vytvářet i běžný uživatel bez znalosti programování. Je pouze potřeba vědět, jaká data chce uživatel na obrazovce vidět. Systémový konfigurátor uživatele tvorbou pohledu provede a zároveň nabídne poměrně širokou škálu možností, jak data zobrazit, včetně granularity zobrazovaných hodnot, agregací apod. Případné změny jsou přitom opět jednoduše proveditelné a okamžitě aplikované.

High-level pohled na procesy systému RMT zachycuje následující diagram. Systém zajišťuje především:

• Výpočet požadovaných a dostupných rezerv
• Porovnání požadovaných a dostupných rezerv, včetně alarmů při dosažení nastavených limitů
• Integraci na okolní systémy včetně validací a data manipulation logiky
• Monitoring & Reporting

Zjednodušený návrh celkového řešení založeného nad Damas MMS Platformou zachycuje následující diagram. Nejvýznamnějšími komponentami systému jsou:

• Přehledová obrazovka (tzv. dashboard) obsahující hlavní ovládací panel, alarmy a notifikace, monitoring výpočetních procesů či přehled datových toků
• Detail požadavků – detailní pohled na výpočet požadovaných rezerv
• Detekce a evidence systémových událostí
• Monitoring – porovnání požadovaných a dostupných rezerv
• Reporting – uživatelské pohledy nad daty
• Výpočetní jádro systému
• Archivace a verzování dat
• Integrační vrstva pro komunikaci s okolními systémy

Nové směry v elektroenergetice

Dosavadním vývojem v elektroenergetice jsou provozovatelé přenosových soustav, ale také ostatní účastníci trhu nuceni hledat nové způsoby zajištění spolehlivosti soustav. Systém RMT, představený v tomto článku, je jen jednou z možností. Celkově vznikají příležitosti pro nové hráče na trhu, případně pro spolupráci mezi existujícími.

Takovým příkladem může být projekt OneNet spojující více než 70 partnerů napříč EU. Projekt se zaměřuje na vytvoření podmínek pro novou generaci podpůrných služeb umožňujících plné využití odezvy na straně poptávky, akumulace a distribuované výroby při provozování elektrizační soustavy. Cílem projektu je vytvoření nových trhů pro obchodování s flexibilitou.

Jinou alternativou je elektromobilita. Elektromobily, jednotlivě nebo propojené v „parku“, mohou být využity pro poskytování regulační energie v případě potřeby. Příkladem může být pilotní projekt Vehicle 2 Grid (V2G).

Nelze samozřejmě s jistotou označit, které nápady, resp. projekty se osvědčí a budou se používat v širším měřítku v reálném provozu. Jisté ale je, že tyto projekty firmy technologicky posouvají a v případě TSOs vedou ke zvýšení schopnosti zajistit spolehlivý provoz elektroenergetické soustavy.

O Autorovi

Energetice se Libor Sluka věnuje již od roku 2009. Jako IT Business Consultant se zabývá především návrhem Market Management Systémů pro provozovatele elektroenergetických přenosových soustav. Aktuálně sleduje také vývoj v oblasti obnovitelných zdrojů, a jeho dopady na energetické trhy.

O Unicornu

Unicorn je renomovaná evropská společnost poskytující ty největší informační systémy a řešení z oblasti informačních technologií. Dlouhodobě se soustředíme na vysokou přidanou hodnotu a konkurenční výhodu přinášenou našim zákazníkům. Působíme na trhu již od roku 1990 a za tu dobu jsme vytvořili řadu špičkových a rozsáhlých řešení, která jsou rozšířena a užívána mezi těmi nejvýznamnějšími podniky z různých odvětví. Jsme zároveň provozovateli internetové služby Plus4U, ve které nabízíme široké portfolio služeb založených na robustních softwarových řešeních pro malé a střední podniky a hlavně pro lidi.