Rostoucí význam hybridních elektráren a jejich české řešení

Téma obnovitelné energie je v posledních letech skloňováno ve všech pádech. Z původního fotovoltaického boomu v Evropě, kdy byly instalovány obrovské MW parky na polích, k téměř úplnému zákazu instalace nových fotovoltaických elektráren (FVE) připojených k rozvodné síti, se situace pomalu stabilizuje.

Státy, které se zavázaly dosáhnout ve svém energetickém mixu určitého procenta výroby energie z obnovitelných zdrojů, poskytují finanční podporu na výstavbu fotovoltaických, větrných a vodních elektráren, jsou-li splněny předepsané podmínky. Ty se samozřejmě liší stát od státu.

Přestože v mnoha zemích není dovoleno tyto decentralizované zdroje připojovat do paralelního provozu se sítí vůbec, v jiných to lze a je zakázán pouze export výkonu do sítě, je stále mnoho zemí, kde se podpora OZE vztahuje na výstavbu malých, residenčních zdrojů do cca 10 kW nebo 30 kW. Na větší systémy (přes 30 kW) se podpora může vztahovat také, nicméně nutnou podmínkou je ostrovní provoz.

Tento článek se bude věnovat primárně výkonově větším hybridním systémům, od cca 30 kW (instalovaný výkon v FVE) využívaných zejména v komerčních budovách, až po průmyslové instalace v řádu několika desítek MW.

Hybrid nehledejte jen u aut, troufá si i na celé ostrovy

Hybridní nemusí být pouze pohony a auta, ale i zdroje energie. V tomto případě se jedná o výrobu elektrické energie z kombinace naftového gen-setu (gen-set je spojením naftového spalovacího motoru a generátoru) a obnovitelného zdroje energie, nejčastěji FVE, ale často se setkáváme samozřejmě i s větrnými elektrárnami, případně kombinací obou. Tyto systémy jsou ještě často vybavovány systémem na uchovávání energie – výkonovými bateriemi, setrvačníky, UPS, atd.

V zemích s dostatečně vyspělou energetickou sítí zajišťují většinu dodávaného výkonu uhelné, jaderné a vodní elektrárny. Dieselové gen-sety jsou využívány zejména jako záskokové zdroje energie v nemocnicích, výrobních podnicích, hotelech, atd. Nicméně v zemích s nestabilní sítí, kde k výpadkům energie dochází několikrát denně, je potřeba záskokového zdroje mnohem naléhavější, a proto i počet diesel gen-setů a objem energie z nich vyráběné je podstatně větší.

To je nejen velmi drahé, ale z hlediska ochrany životního prostředí velmi neekologické. Například v Austrálii představují off-grid (ostrovní) systémy celých 6 % z celkové spotřeby energie (instalovaný výkon cca 1,2 GW), přičemž pouhé 1 % je vyráběno z OZE.

Právě proto mají hybridní systémy velký potenciál právě v zemích s nestabilní, nerozvinutou energetickou soustavou, jako je Indie, Jihovýchodní Asie, Latinská Amerika, ale i v oblastech odlehlých, bez pokrytí rozvodné sítě. Typickým příkladem jsou právě aboriginské komunity v Austrálii, kde je velký instalovaný výkon v gensetech a spotřeba nafty enormní. Dále je velké množství výkonu v gen-setech instalováno na elektrifikaci vesnic, případně celých ostrovů, hotelových rezortů, dolů, zemědělských usedlostí, apod. Častým příkladem těchto off-grid řešení je proto kombinace FVE a gen-setů, systémů akumulace energie, které sice navyšuje pořizovací náklady a nelze je považovat za ekologický zdroj energie, ale umožní snížit točivou rezervu na gen-setech na minimum.

Off-grid systémy: Radikální snížení provozních nákladů

Takzvané off-grid systémy mohou být kombinací záložního gen-setu a FVE (často s UPS) nebo dokonce i bez gen-setu, pouze jako kombinace FVE a baterie.

Přidání fotovoltaické elektrárny ke stávající instalaci s naftovým gen-setem tak přináší významnou úsporu na provozních nákladech, které často představují nejvyšší položku v celkových nákladech vlastníka či operátora. Zejména na malých ostrovech v Pacifiku, kam nelze dopravit naftu jinak než lodí, jejíž velikost je navíc omezena velikostí přístavu, jsou náklady na dopravu paliva několikanásobně vyšší než cena paliva samotného. Tyto ostrovy často navíc nabízejí výborné povětrnostní podmínky pro instalaci elektráren z obnovitelných zdrojů – přes den jasnou oblohu s vydatným slunečním osvitem a v noci stabilní vítr od oceánu.

Přidání OZE přináší kromě snížení provozních nákladů i jiné výhody – snížení produkce emisí, snížení závislosti na dodavateli, jinými slovy větší energetická nezávislost a tím i snížení bezpečnostního rizika v případě přerušení dodávek paliva. Co některé potenciální zákazníky může odrazovat je výše investičních nákladů na pořízení fotovoltaické elektrárny. Nicméně při správně navržené velikosti PV a optimalizaci řídicího systému může být návratnost investice pouhých 5 let. A to je, při uvážení životnosti naftových gen-setů přes 20 let, investice, která se nepochybně vyplatí.

Hybridní systémy jako velké téma lídrů trhu

Hybridní zdroje energie nejsou novou technologií, jsou na trhu již přes deset let, ale v posledních letech zažívají boom a díky finanční podpoře států jsou „hybridizovány“ i obrovské projekty (například doly, které by za normálních okolností do pořízení OZE neinvestovaly, protože často nevlastní ani gen-sety k pohánění těžebních strojů).

Díky těmto prestižním projektům se hybridními systémy začali zabývat téměř všichni velcí hráči na trhu s energetikou. Společnost ComAp se zabývá návrhem řídicích systémů různých typů gen-setů a motorů pro mnoho typů aplikací téměř 25 let a mezi řešení, která nabízí, patří i síťové ochrany používané zejména na připojení decentralizovaných, obnovitelných zdrojů do sítě. Řízení hybridních systémů proto příhodně zapadlo do produktového portfolia.

Náročnost kladená na řídicí systém závisí na komplexnosti celého systému. Zde hraje velmi důležitou roli tzv. penetrace, což je poměr výkonu OZE k výkonu gen-setů. Je nasnadě, že penetrace instalovaného výkonu se může dosti lišit od aktuální penetrace, která fluktuuje v souvislosti s kolísáním zátěže a dostupností výkonu z FVE.

Obecné pravidlo je, že cca do 30% penetrace (instalovaného výkonu) alespoň jeden gen-set poběží vždy, protože výkon FVE je příliš malý, aby pokryl spotřebu. 30 až 60% penetrace už je lehce komplikovanější, protože ve chvílích nízké spotřeby a maximálního výkonu z FVE může docházet k tomu, že gen-set poběží nezatížený. To není z hlediska maximalizace úspory paliva žádoucí, nicméně pro případné snížení výkonu z FVE v důsledku zakrytí oblohy mrakem, je naprosto nezbytné, aby byla v pohotovosti točivá záloha, která převezme napájení zátěže bez přerušení dodávky. Jediným způsobem, jak se vyhnout provozu gen-setu naprázdno, je využít některý ze systémů uchovávání energie.

Při penetraci vyšší než 60 % je využití systémů akumulace energie žádoucí, protože moment, kdy gen-set běží naprázdno, je velmi častý. V jakémkoli ostrovním systému je velmi důležité udržovat neustále rovnováhu mezi energií vyrobenou a spotřebovanou. K tomu, aby byly optimálně pokryty skokové změny zátěže a nedocházelo k přerušení dodávky v důsledku např. přetížení gen-setu, výpadku nebo jednoduše z důvodu nedostatku točivé rezervy, je potřeba tuto rezervu neustále udržovat na určité hodnotě. V hybridních systémech je to o to důležitější, protože výkon z FVE může klesnout ze 100 % na 0 během několika sekund.

Kvůli tomu, že výkon FVE je velmi proměnlivý, je z hlediska efektivity žádoucí, aby tato rezerva byla také proměnná v čase. Její dynamická změna podle aktuální situace umožňuje držet hodnotu na minimu a tím rapidně zvýšit efektivitu celého systému. Právě z toho důvodu se začíná uvažovat o využití kamerových systémů sledujících oblohu, které zpracovávají data z kamer s širokým úhlem záběru (rybí oko) a dokáží predikovat úroveň slunečního osvitu v dané lokalitě. Na základě těchto údajů, ze kterých lze předpovědět předpokládaný výkon z FVE, pak řídicí systém zastaví, nebo naopak nastartuje potřebný počet gen-setů.

Optimální velikost FVE a gen-setů by měla být vždy navržena na základě vyhodnocení dlouhodobějšího měření spotřeby. Jedině tak může být splněn požadavek na maximální využití energie z FVE a minimální spotřebu nafty při současném zachování bezpečnosti a spolehlivosti provozu.

Komerční sdělení

Řešení pro hybrid aplikace zrozené v České republice

Společnost ComAp nabízí dedikovaný kontrolér pro hybridní aplikace vycházející z nejvyšší řady gen-set kontrolérů InteliSys. Velkou přidanou hodnotou kontroléru je, že si zachoval veškeré funkce na řízení gen-setu, což přináší zákazníkovi výhodu v úspoře nákladů na pořízení systému – není třeba kupovat nadřazený kontrolér, InteliSys NTC Hybrid zvládne kromě řízení jednoho gen-setu i power management s dalšími gen-set kontroléry, spočítá aktuální potřebu velikosti točivé zálohy (tzv. dynamickou točivou zálohu) na základě měření aktuálního činného výkonu z fotovoltaické elektrárny, pohlídá minimální dovolené zatížení gen-setu a v případě potřeby omezí výkon fotovoltaické elektrárny tak, aby nedocházelo k dlouhodobému provozu gen-setu pod dovoleným minimem.

Flexibilitu a variabilitu použití zajišťuje PLC, které je součástí kontroléru, a které zákazníkovi umožní upravit chování kontroléru podle specifických potřeb instalace. Snadno se také zajistí redundance pro případ výpadku – jednoduše se nainstaluje další hybridní kontrolér na druhý genset.

Kromě master kontroléru ComAp nabízí i speciální firmware na gen-setové kontroléry (InteliGen NTC BB a InteliSys NTC BB), které jsou instalovány v hybridní aplikaci s master kontrolérem třetí strany. Tento firmware přijímá předepsanou hodnotu dynamické točivé zálohy, kterou má držet na gen-setech, a na základě této hodnoty řídí power management. Fuel Save mode umožňuje výběr optimální kombinace gen-setů podle jejich velikostí, intervalů údržby a provozních hodin tak, aby byla v každém okamžiku pokryta aktuální spotřeba.

Společnost ComAp nabízí kompletní návrh i instalaci řídicího systému nejen na nové projekty, ale umožňuje i retrofit stávajících instalací, výměnu starých kontrolérů, uvedení do provozu, servis a veškerou asistenci s tím spojenou. Distributoři a pobočky ComApu pak kromě dodávky jednotlivých kontrolérů dodávají i rozvaděče. Díky celosvětovému pokrytí je zákazníkům k dispozici vždy lokální ComAp partner, který nejenže mluví lokálním jazykem, ale je schopen poskytnout technickou podporu přímo na místě instalace.

Hybridní aplikace představují bezesporu trend na cestě ke zvyšování efektivity výroby energie, aniž by byla ohrožena plynulost a bezpečnost dodávky. Po technické stránce to leckdy vyžaduje hodně času na integraci několika různých systémů, aby ve výsledku fungovaly společně.

Profil autorky:

Ing. Petra Píclová

Aplikační inženýrka

Divize Obnovitelné zdroje

Absolventka Elektrotechnické fakulty ZČU v Plzni, obor Elektroenergetika. Pro ComAp pracuje téměř 5 let, poslední rok se věnuje aplikacím s hybridními systémy.