Jak obnovitelné zdroje mění způsob, jakým se řídí síť v USA

Jediné, co má dnešní elektrizační soustava společného se sítí dvacátého století je, že cílem je stále nákladově efektivní spolehlivost.

Dnešní provozovatelé sítí dělají věci, které byly v roce 1999 nemyslitelné. Iowa a Jižní Dakota získaly v roce 2013 přes 25% elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Devět států získalo přes 12%. Irsko, Španělsko, Portugalsko, Dánsko a Německo přes 20%. Colorado jednoho květnového dne v roce 2013 překročilo 60%.

Aby spolehlivě a nákladově efektivně integrovali tyto úrovně variabilních obnovitelných zdrojů, provozovatelé sítí vyvíjejí nové nástroje a učí se nový jazyk.

‘‘Je užitečnější podívat se na to, jaké jsou potřeby elektrizační soustavy z hlediska energie, kapacity a flexibility, a který je nejlepší mix zdrojů,“ vysvětluje ředitel výzkumu Americké asociace pro větrnou energii (AWEA) Michael Goggin, ‘‘než kategorizace zdrojů termíny jako „základní zatížení“, které nemají přesnou definici a neodpovídají tomu, co provozovatelé sítí skutečně potřebují.“

V očekávání vydání expertízy AWEy, jakou může vítr hrát roli v náročnosti řízení sítě v programu Clean Power Plan navrhovaném EPA (vládní agentura USA pro ochranu životního prostředí), u Federální Energetické Regulační Komise (FERC), Goggin vydal novou zprávu ‘‘ Větrná energie pomáhá vybudovat spolehlivější a vyváženější energetické portfolio.‘‘ Je založena na reálných zkušenostech síťových operátorů a tuctu studií ukazujících, že obnovitelné zdroje dokáží spolehlivě pokrýt 20% až 40% americké elektrické poptávky.

Variabilita a nejistota nejsou pro síť nové

“Jedinou věcí, kterou obnovitelné zdroje a vítr obzvlášť ukázal, je, že na úrovni elektrizační soustavy je jejich rychlá variabilita nevýznamná,“ říká Goggin.

‘‘Naproti intuitivnímu pocitu mnoha lidí, že větrná energie je proměnná a elektrická poptávka a dodávka stabilní, v měřítku síťového operátora je pravdou opak. Provozovatelé sítí se již vyrovnávají s velkými výkyvy v nabídce a poptávce po elektřině. Ve skutečnosti jsou postupné a předvídatelné změny v oblasti větrné energie pro operátory mnohem snadněji řešitelné než výpadky ve velkém měřítku, které mohou nastat v klasických elektrárnách. Síť se i v minulosti dokázala vypořádat s velkými změnami v nabídce a poptávce.“

I o generaci dříve byla soustava schopna reagovat na velké výkyvy dodávky a spotřeby. Diagram zatížení z doby semifinálového zápasu světového poháru roku 1990 ukazuje výkyvy poptávky mezi 26 GW a 30 GW během pouze dvou hodin.

“Podobné věci lze pozorovat každý den s tím, jak se továrny připojují a odpojují, lidé zapínají a vypínají spotřebiče a s plánovanými nebo neplánovanými výpadky konvenčních elektráren,“ říká Goggin.

Aby se vypořádali s proměnnou nabídkou a poptávkou, provozovatelé sítí se naučili používat velké provozní plochy a flexibilní zdroje. Připraveným plynem v potrubí nebo vodou za hrází pro případ, kdyby došlo k výpadku uhelné elektrárny, provozovatel sítě v podstatě využívá skladování energie.

“Provozovatelé sítí se zajímají pouze o celkovou variabilitu elektrizační soustavy,“ říká Goggin. “Nezajímá je, co dělá konkrétní elektrárna.“

Výkon, koeficient využitelnosti a flexibilita

Pro zvládnutí variability elektrizační soustavy, provozovatelé sítí potřebují tři věci, říká Goggin: “Výkon – energii, koeficient využitelnosti – schopnost zdroje produkovat elektrickou energii, když je potřeba, a flexibilitu – schopnost měnit výkon se změnou poptávky.“

Žádný zdroj nedokáže ekonomicky poskytnout všechny tři. Zdroje tradičně uvažované pro základní zatížení jako větrné, jaderné, uhelné mohou poskytnout vysoký výkon za nízkou cenu. Ale obvykle není hospodárné je používat pro flexibilitu. Levnější, ale méně účinné elektrárny jako spalovací plynové turbíny jsou naopak vhodné pro flexibilitu, protože jsou využívány pouze občas.“

Provozovatelé sítí spolehlivě a efektivně uspokojují potřeby elektrizační soustavy rozmanitým portfoliem zdrojů. “Důležitost úvah o možnostech zdrojů a schopnosti snižování výkonu a jeho najíždění se zvyšuje,“ souhlasí Mark Rothleder více prezident California ISO.

“Společnost PJM (nezávislý provozovatel soustavy, koordinující spolehlivost provozu severovýchodní části USA) čerpá z různorodého mixu zdrojů a neposílá elektřinu do sítě v závislosti na typu výroby,“ vysvětluje komunikační konzultantka Paula Dupon-Kidd. “Aby bylo zajištěno, že bude výkon, který byl úspěšně nabídnut v kapacitní aukci, v případě potřeby dostupný, PJM podala ke schválení u Federální Energetické regulační komise návrh k odměňování dodávky výkonu a penalizaci v případě, že výkon dodán nebude.“

“Nová elektronika ve větrných turbínách umožňuje, aby vítr podporoval a chránil činnost sítě. Občas i způsoby, které konvenční elektrárny neumožňují,“ říká Goggin. “Vítr pracuje jako zdroj základního zatížení ve smyslu maximalizace produkce elektrické energie, ale zároveň může být ekonomicky výhodné využívat jej pro jeho flexibilitu tak, jak to dělá coloradský provozovatel sítě několik kritických hodin každý rok.“

“S chytrými invertory a transformátory může být i solární energie nástrojem řízení sítě,“ tvrdí Tom Starrs více prezident pro rozvoj společnosti SunPower. “ To může zabránit tomu, aby byla přetěžována vedení, a umožňuje dodavatelům praktikovat činnosti, jako odezva na poptávku, změna zatížení a prodávat přebytečnou a uloženou sluneční energii na trzích doplňkových služeb.

“Pro mnoho oblastí je kombinace energie z větru a Slunce vhodná,“ říká Goggin. “Profil výroby elektrické energie z větru je z pohledu velké oblasti stabilní a v kombinaci s energií ze Slunce se systém stává ještě stabilnějším.“

Koeficient ročního využití a rezervy

“Je mnoho rozruchu kvůli rozdílu možnosti využití výkonu v průběhu roku (koeficient ročního využití) mezi obnovitelnými a konvenčními zdroji,“ říká Goggin. “Ale rozdíly nejsou ve většině případů tak velké. Nová technologie turbín zvýšila koeficient ročního využití větrných elektráren až na hodnotu mezi 40% a 50%.“

Mezi všemi druhy výroby elektřiny z plynu se tento koeficient pohybuje okolo 20%. I bez uvažování zřídka používaných spalovacích turbín se u elektráren s kombinovaným cyklem pohybuje okolo 40%. Což je srovnatelné s vodními elektrárnami a novými větrnými projekty. Jádro je s 90% mnohem výše a uhlí se pohybuje kolem 50%, ale obojí má své nevýhody.

“Žádná elektrárna nevyrábí na 100% celý rok. Všechny mají výpadky nebo odstávky pro doplnění paliva“ říká Goggin. “Postupným změnám v produkci elektřiny z větru se mohou provozovatelé sítě relativně lehce přizpůsobit. Náhlá selhání konvenčních elektráren vyžadují velmi rychle působící rezervu ve výrobě.“

Data společnosti ESCORT ukazují, že rezerva konvenčními elektrárnami stojí spotřebitele měsíčně 76 centů, což je asi sedmnáctkrát více než 4 centy měsíčně za rezervu větrnými elektrárnami. Cena za MWh pro větrné elektrárny je zhruba poloviční oproti ceně za MWh u konvenčních zdrojů.

Ve skutečnosti je mnoho způsobů, jak může provozovatel sítě sestavit spolehlivý a ekonomicky efektivní energetický systém, ale žádný samotný zdroj nemůže poskytnout vše.

“Křivka flexibility dodávky sestavená výzkumníky NREL ukazuje, že nejvíce ekonomicky efektivní možnosti pro zvýšení spolehlivosti jsou změny v řízení sítě, protože v systému je již dostatek flexibility,“ vysvětluje Goggin. “S extrémně vysokým množstvím obnovitelných zdrojů se flexibilní zdroje stávají důležitější a věci jako odezva na poptávku, nové rychle najíždějící plynové turbíny nebo skladování energie mohou být rentabilní. Je to především otázka ekonomiky“

Mnoho společností a síťových provozovatelů vyjádřilo obavu nad tím, že návrh Clean Power Plan společnosti EPA v případě přijetí ve stávající podobě mohl ohrozit spolehlivost elektrické sítě. Ačkoli oficiální představitelé agentury již dali najevo, že nejkontroverznější body návrhu budou změněny, nedávné studie naznačily, že nařízení v případě správného přijetí nemusí pro spolehlivost představovat nebezpečí. V každém případě provozovatelé sítí říkají, že do léta, kdy bude představena konečná verze, o konkrétních dopadech návrhu na spolehlivost mohou pouze spekulovat.

“V každém případě, zvýšení produkce z obnovitelných zdrojů pomůže výrobcům a provozovatelům sítí zvýšit flexibilitu a spolehlivost elektrizační soustavy,“ tvrdí Goggin.

“Se všemi obnovitelnými zdroji již počítají předpovědi EPy pro rok 2020 a očekává se, že přesáhnou do předpovědí i pro 2020 až 2030. To sníží břemeno obtíží týkajících se ostatních odvětví a pomůže provozovatelům sítí a výrobcům spolehlivě dosáhnout na požadavky návrhu Clean Power Plan.

Autor úvodní fotografie: Eric Savage