Krajiny EÚ sú vo veľkej miere závislé od dovozu primárnych zdrojov energie z politicky aj ekonomicky nestabilných regiónov. Táto reforma spočíva vo zvýšení podielu obnoviteľných zdrojov v rámci energetického mixu, vo zvyšovaní energetickej efektívnosti v súkromnom aj verejnom sektore (zateplenie budov, úspornejšie osvetlenie a pod.) a v zavádzaní tzv. inteligentných sietí (smartgridov) v rámci stále viac sa rozširujúcej decentralizácie zdrojov na výrobu energie a vzniku lokálnych smartgridov. Tieto riešenia síce na jednej strane prinášajú očakávaný efekt, no tiež ukazujú celý rad problémov, ktoré vznikajú pri testovaní nových riešení a technológií. Vzniká tak významný potenciál spolupráce v právnej, výskumnej a technickej priemyselnej sfére, ako aj neoddeliteľnej spolupráce so slovenskými aj zahraničnými univerzitami. Aplikovaným výskumom boli vyhodnotené zozbierané údaje z prevádzky fotovoltickej elektrárne, kde experimentálne výsledky poukazujú na zaujímavé javy v prevádzkovom dynamickom režime. Uvedené výsledky sú prezentované v tomto článku.

V rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra vznikol projekt Medzinárodné centrum excelentnosti pre výskum inteligentných a bezpečných informačno-komunikačných technológií a systémov – II. etapa (ďalej len CE2), ktorý si kladie za cieľ v nadväznosti na niektoré ambiciózne ciele Európskej komisie prinášať riešenia pre rozvoj smartgridov. Jedným z nich je napr. príprava slovenského energetického sektora na nové výzvy plynúce z aktuálnych európskych právnych predpisov v týchto oblastiach. Projekt má priniesť nové pohľady na matematicko-fyzikálne modely inteligentných sietí, resp. vytvoriť simulačné prostredia pre širokú verejnosť, ktoré by poskytovali používateľom možnosť technicky a ekonomicky si namodelovať lokálnu inteligentnú mikrosieť (smart mikrogrid). Modelovaním a simuláciami by sa mali dosiahnuť výsledky, aké prípadné technické vplyvy má daná konfigurácia mikrogridu na okolie, čo by umožnilo optimalizáciu návrhov tak, aby boli v súlade s podmienkami prevádzky takýchto lokálnych smartgridov. Projekt realizuje konzorcium štyroch výskumných inštitúcií, a to Atos IT Solutions and Services, s. r. o., spoločnosť SFÉRA, a. s., a výskumné inštitúcie Slovenská technická univerzita v Bratislave (STU) a Ústav materiálov a mechaniky strojov Slovenskej akadémie vied (ÚMMS SAV).

V rámci projektu sa realizuje výskum a vývoj, priemyselný výskum a experimentálny vývoj nových inteligentných riešení reagujúcich na súčasné trendy a požiadavky o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov energie (OZE) a potreby zabezpečenia kvality, spoľahlivosti a riadenia výroby, akumulácie, distribúcie a spotreby energie. Smartgridy predstavujú generačnú zmenu fungovania distribučných sietí, ktoré sa menia z centralizovaných na decentralizované s možnosťou trhového fungovania a fyzického riadenia toku energie v sieti, s integrovanými OZE a ďalšími nízkouhlíkovými technológiami. Tento príspevok je venovaný doterajším špecifickým výsledkom a praktickým prínosom v rámci riešenia projektu, ktoré boli dosiahnuté počas spolupráce STU v Bratislave a ÚMMS SAV.

Súčasná problematika

Na Slovensku sa aktuálne pripravuje novela zákona o energetike, ktorá, ako aj ďalšie platné, ale aj pripravované právne predpisy, vychádza z balíka legislatívnych dokumentov známych ako tzv. zimný energetický balíček. Novela vyvoláva búrlivú diskusiu zástupcov odborníkov a významných spoločností na slovenskom trhu s energiami. Aktuálne je diskutovaná problematika merania energie, zberu a spracovávania nameraných dát. V úzkej súvislosti so zberom a spracovávaním nameraných dát je následne problematika kybernetickej bezpečnosti, práv a povinností subjektov na trhu, ktoré operujú s týmito údajmi. Legislatíva by tak mala dávať odpovede na možnosti rozvoja nových obchodných modelov trhu s energiou, nakoľko právne predpisy EÚ definujú viaceré nové pojmy na trhu s elektrinou a nové subjekty, ktoré budú vykonávať špecifickú činnosť na trhu.

V rámci rozvoja lokálnych inteligentných sietí sú to napr. subjekty ako prosumer či agregátor a v terminológii nových služieb je to napr. služba poskytovania flexibility. Zjednodušene povedané, rozvojom obnoviteľných zdrojov energie aj v segmente malých výrobcov, napr. budov s fotovoltickou elektrárňou, sa z majiteľa výrobného zdroja, ktorý však elektrinu aj spotrebováva na svojom odbernom mieste, stáva prosumer. Vyšší počet prosumerov v rámci lokálneho mikrogridu vyžaduje agregátora, ktorý bude agregovať, teda spájať a riadiť ich dynamické správanie v sieti s využitím ďalších prvkov, napríklad technológie akumulácie energie, prípadne technológie aktívneho riadenia iných prvkov v sieti. Využívanie aktívneho riadenia výroby, akumulácie a spotreby elektriny v sieti dáva agregátorovi potenciál poskytovať flexibilitu do distribučnej sústavy, teda službu, ktorú distribútor využije na udržanie bezpečnej prevádzky nadradenej siete a agregátor získa možnosť aktívne sa zúčastňovať na dynamickom vývoji trhu s elektrinou.

Nevyhnutnou súčasťou akéhokoľvek rozvoja smartgridov je rozvoj inštalácie inteligentných elektromerov (smartmeters). Pojem inteligentný merací systém (IMS) je v slovenskej legislatíve už pomerne dlho známy. Jeho definícia vychádza zo zákona o energetike č. 251/2012 Z. z. [1] a paradoxne v zmysle definície už takmer všetky elektromery sú inteligentné. Inteligentným elektromerom na účely fakturácie sú tzv. určené meradlá a ďalšie technické prostriedky, ktoré umožňujú zber, spracovanie a prenos nameraných údajov o výrobe alebo spotrebe elektriny alebo plynu, ako aj poskytovanie týchto údajov účastníkom trhu. Nasadzovanie inteligentných elektromerov upravuje vyhláška č. 358/2013 Z. z. [2], ktorá definuje tri triedy inteligentných elektromerov v zmysle ich dodatočných funkcionalít podľa toho, pre aké kategórie (celkovo štyri) odberateľov budú nasadené. Odberné miesto, v ktorom sa nachádza zariadenie na výrobu elektriny, napr. prosumer s fotovoltickou elektrárňou, je v zmysle tejto vyhlášky vybavené inteligentným elektromerom najvyššej triedy funkcionality, t. j. IMS so špeciálnou funkcionalitou.

Zavádzanie inteligentných elektromerov v procese rozvoja smartgridov a obnoviteľných zdrojov elektriny špecifikuje aj smernica EÚ o vnútrom trhu s elektrinou [3], kde sú v článku 20 uvedené nevyhnutné funkcie inteligentných elektromerov. Pri implementácii tejto smernice do novely zákona o energetike sa v súčasnosti vedie diskusia hlavne o prístupe k meraným údajom koncových odberateľov. Odberateľ by tak v zmysle tejto smernice mal mať prístup k výrobe a spotrebe elektriny bez dodatočných nákladov cez štandardizované rozhranie alebo cez vzdialený prístup a k meraným údajom v tzv. takmer reálnom čase. Takmer reálny čas je v kontexte inteligentného merania krátke časové obdobie, obyčajne v rozsahu sekúnd alebo až po interval zúčtovania odchýlok na vnútroštátnom trhu, čo na Slovensku predstavuje 15-minútový interval.

Na základe uvedených skutočností vznikla v spolupráci STU a ÚMMS SAV analýza rôznych spôsobov získavania dát z rôznych druhov inteligentných meracích systémov v rámci spoločne riešeného projektu CE2. Obidve inštitúcie majú vlastné, špecifické laboratórium na výskum OZE [4], [5], vybudované počas predchádzajúcich projektov financovaných z európskych štrukturálnych a investičných fondov. V tejto etape projektu sa realizuje ich modernizácia a čiastočná zmena spôsobu prevádzky jednotlivých výrobných zdrojov tak, aby predmet ich výskumu priamo nadväzoval na výskumné aktivity v druhej etape projektu. Pristúpilo sa k zameraniu na spôsoby riadenia týchto výrobných zdrojov aj na pokročilé simulácie technických vplyvov mikrogridu na okolitú sieť pri rôznych kombináciách režimu prevádzky jednotlivých výrobných zdrojov, ako aj inštalovaných spotrebičov.

Súčasný progres v modernizácii laboratória STU

Výskumné aktivity STU vychádzajú z postupnej modernizácie vybraných OZE [4], [5], inštalácie nových technológií a systému merania vybudovaného inteligentného mikrogridu. Smartgrid sa nachádza vo vysunutom pracovisku Fakulty elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave v Laboratóriách vysokých napätí (LVN) v Trnávke v Bratislave. V týchto priestoroch sú nainštalované aj iné OZE [4], [5]. Medzi najvýznamnejšie OZE inštalované a čiastočne modernizované s cieľom riešenia aktivít tohto projektu patria bioplynová stanica s kogeneračnou jednotkou [10], fotovoltická elektráreň v sieťovej prevádzke a batériový systém akumulácie s možnosťou riadenia toku výkonov. Takto inštalovaný mikrogrid zodpovedá potrebám výskumu a tvorby simulačných modelov správania sa mikrogridu a následnej reálnej prevádzky, kde možno nasimulované stavy prevádzky mikrogridu overiť v praxi.

Medzi modernizované časti technológie smartgridu na účely praktického výskumu a prevádzky mikrogridu patrí kompletná rekonštrukcia bioplynovej stanice s technológiou tzv. suchej fermentácie, kde bol počas predchádzajúcich projektov financovaných z európskych štrukturálnych a investičných fondov inštalovaný jej prototyp. V priebehu času sa pri prevádzke prototypu zdokumentovali nedostatky a faktory, ktoré bolo treba odstrániť pre ďalšiu prevádzku. Bioplynová stanica dokáže produkovať bioplyn z výskumných vzoriek substrátov a následne pomocou technológie úpravy bioplynu môže napájať kogeneračnú jednotku s výkonom 20 kWe a vyrábať elektrickú energiu do sústavy v mikrogride.

Medzi novovybudované časti technológie smartgridu na účely praktického výskumu mikrogridu patrí technológia akumulácie elektriny. Technológia sa skladá z dvoch akumulačných systémov. Jeden je na báze lítiových akumulátorov a druhý na báze trakčných olovených akumulátorov. Celková kapacita systému je 50 kWh a je navrhnutá pre rôzne varianty spôsobu prevádzky. Akumulačný systém dokáže pracovať v ostrovnom režime a poskytovať zabezpečené napájanie vybraných elektrických obvodov, ale aj akumulovať a dodávať elektrinu v rámci smartgridu. Spôsob prevádzky bude zvolený na základe konkrétnej potreby výskumu mikrogridu. Môže byť v súčinnosti s kogeneračnou jednotkou, fotovoltickou elektrárňou, tepelným čerpadlom, ale aj s ostatnými spotrebičmi v mikrogride. Ostatné spotrebiče mikrogridu tvoria bežné spotrebiče v rámci budovy laboratória, ako sú osvetlenie, klimatizácia, výpočtová technika, rozvody vykurovania a mnohé iné.

Medzi plánované investície v rámci modernizácie smartgridu sú zaradené aj aktuálne rozpracované činnosti na realizácii inteligentného osvetlenia areálu laboratória a vybudovanie nabíjacej stanice pre elektromobily. Tieto investície významne rozšíria možnosti výskumu smartgridu v oblasti simulácií vplyvu mikrogridu na okolitú sieť a vytvoria možnosti na ich otestovanie v reálnej prevádzke.

Špecifikáciou smartgridu STU a prínosom pre výskum je technológia merania. Ako už bolo spomenuté, legislatíva merania a získavania dát je na účely rozširovania decentralizovanej výroby a rozvoja OZE pomerne komplikovaná. Pristúpilo sa k voľbe realizovať meranie prostredníctvom inteligentných elektromerov dvoma spôsobmi. Systém merania v smartgride v laboratóriu STU je založený na elektromeroch v zmysle vyhlášky 358/2013 Z. z. [2] ako IMS so špeciálnou funkcionalitou, ktoré sú certifikované ako určené meradlá v distribučných sieťach. Tieto elektromery využívajú na definovanie meraných veličín špecifický spôsob parametrizácie a zber a posielanie nameraných dát prebieha cez štandardizované rozhranie RS-485. Následne sa prostredníctvom ethernetovej komunikácie namerané údaje ukladajú do vlastného dátového centra. Cieľom voľby tohto spôsobu zberu dát bolo poskytnúť partnerom projektu merané údaje v štandardizovanom formáte a štruktúre, v akých bežne vykonávajú meranie distribučné spoločnosti, ktoré používajú špecifické softvéry a algoritmy na spracúvanie veľkého množstva meraných údajov z ich odberných miest. Na spracúvaní nameraných údajov participujú priemyselní partneri projektu a vyvíjajú vlastný algoritmus spracúvania údajov a následného vyhodnocovania s ohľadom na vlastné matematicko-ekonomicko-obchodné modely v rámci mikrogridu.

V rámci užšieho výskumu v zmysle aktivít projektu sa tím riešiteľov STU sústredil na výber matematických modelov na základe stanovených požiadaviek na tvorbu simulačného modelu mikrogridu. S cieľom podrobného modelovania a simulovania stavov v mikrogride došlo k výberu moderného databázového simulačného prostredia špeciálne pre energetiku s možnosťami širšieho použitia tak, aby bol zabezpečený súlad s požiadavkami nariadenia EÚ 2016/631 [5], ktoré stanovuje požiadavky na pripojenie výrobcov do elektrizačnej sústavy, tzv. RfG NC (European Network Code Requirements for Generators). V rámci aktivít projektu bol navrhnutý a realizovaný simulačný model mikrogridu v prostredí Matlab, ktorý bude slúžiť na ladenie simulačného modelu v obstaranom špičkovom energetickom simulačnom prostredí Power Factory. Okrem hlavných výskumných línií sa v uplynulom období realizovali aj sekundárne ciele, ktoré predstavovali štúdium simulačného prostredia Simscape v prostredí Matlab alebo zostavenie a parametrizáciu jednovetvového modelu mikrogridu v prostredí Matlab Simscape a simuláciu dát na modelovanie neurónovými sieťami. V prostredí Matlab Simscape bol zostavený a parametrizovaný hybridný model mikrogridu s OZE a nabíjacími stanicami, kde boli simulované údaje na modelovanie a predikciu neurónovými sieťami v závislosti od počasia.

Literatúra

[1] Zákon č. 251/2012 Z. z. z 31. júla 2012 o energetike a o zmene a doplnení niektorých zákonov. [online]. 

[2] Vyhláška 358/2013 Z. z. Ministerstva hospodárstva Slovenskej republiky z 28. októbra 2013, ktorou sa ustanovuje postup a podmienky v oblasti zavádzania a prevádzky inteligentných meracích systémov v elektroenergetike. [online]. 

[3] Smernica Európskeho parlamentu a Rady (EÚ) 2019/944 z 5. júna 2019 o spoločných pravidlách pre vnútorný trh s elektrinou a o zmene smernice 2012/27/EÚ. [online]. 

[4] Perný, Milan – Janíček, František – Šály, Vladimír – Packa, Juraj – Kováč, Zoltán: Fakulta elektrotechniky a informatiky STU participuje na významnom projekte z oblasti smart energetiky. In: Energetika, strojárstvo 2022. Bratislava: Infoma Business Trading, 2021, s. 63 – 66. ISBN 978-80-89087-91-4.

[5] Janíček, František – Šály, Vladimír – Packa, Juraj – Perný, Milan – Kováč, Zoltán – Szabová, Miriam: STU, Slovenská akadémia vied a priemyselní partneri riešia v rámci spoločného projektu kľúčové otázky zo smart energetiky. In: Magazín mobilita – stroje – technológie – ekológia, 16, s. 48 – 50.

[6] Nariadenie komisie (EÚ) 2016/631 zo 14. apríla 2016, ktorým sa stanovuje sieťový predpis pre požiadavky na pripojenie výrobcov elektriny do elektrizačnej sústavy. [online]. 

[7] Buchholz, Bernd M. – Styczynski, Zbigniew. Smart Grids – Fundamentals and Technologies in Electricity Networks. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg 2014. ISBN 978-3-642-45119-5.

[8] SLÁVIK, Jakub – HOLIŠ, Martin – PONIČAN, Ján – SADLOŇ, Matej: Tri piliere Smart grid. In: ATP Journal, 2020, roč. 27, č. 10, s. 18 – 21. ISSN 1335-2237.

[9] Nojavan, Sayyad – Zare, Kazem: Demand Response Application in Smart Grids. Springer, Cham 2020. ISBN 978-3-030-31399-9.

[10] Pípa, Marek – Kment, Attila – Janíček, František: Experimental Biogas Power Plant at STU in Bratislava Based on Dry Fermentation. In: DRÁPELA, J. – MACHÁČEK, J. Electric Power Engineering 2012: Proceedings of the 13th International Scientific Conference. Brno, Czech Republic, 23. – 25. 5. 2012. Brno: University of Technology, 2012, s. 643 – 646. ISBN 978-80-214-4514-7.

Poďakovanie

Táto publikácia vznikla vďaka podpore v rámci Operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt Medzinárodné centrum excelentnosti pre výskum inteligentných a bezpečných informačno-komunikačných technológií a systémov – II. etapa, kód ITMS: 313021W404, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

This publication was created thanks to support under the Operational Program Integrated Infrastructure for the project: International Center of Excellence for Research on Intelligent and Secure Information and Communication Technologies and Systems 2nd stage, ITMS code: 313021W404, co-financed by the European Regional Development Fund.

Táto práca vznikla vďaka Agentúre na podporu výskumu a vývoja na základe zmluvy č. APVV-20-0157.

This work was supported by the Slovak Research and Development Agency under the contract No. APVV-20-0157.

Ing. Ján Poničan
jan.ponican@stuba.sk

Ing. János Kurcz
janos.kurcz@stuba.sk

Ing. Milan Perný, PhD.
milan.perny@stuba.sk

Ing. Jakub Slávik
jakub.slavik@stuba.sk

prof. Ing. František Janíček, PhD.
frantisek.janicek@stuba.sk

Mgr. Matej Sadloň
matej.sadlon@stuba.sk

Dr. Ing. František Simančík
simancik@up.upsav.sk

Ing. Marek Gebura, PhD.
marek.gebura@savba.sk

Ing. Milan Jarás, PhD.
milan.jaras@savba.sk

Ing. Attila Kment, PhD.
attila.kment@stuba.sk

Ing. Marek Pípa, PhD.
marek.pipa@stuba.sk

Slovenská technická univerzita v Bratislave
Fakulta elektrotechniky a informatiky
Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky
Ilkovičova 3, 812 19 Bratislava

Slovenská akadémia vied
Ústav materiálov a mechaniky strojov
Dúbravská cesta 9, 841 04 Bratislava 4