Nekoordinované nasadzovanie obnoviteľných zdrojov elektrickej energie neprispieva k napredovaniu. Výber vhodného energetického mixu obnoviteľných zdrojov energie bude zohrávať dôležitú úlohu pre aplikáciu mikrosietí a udržania ich stability a kvalitatívnych parametrov. Hlavným prvkom mikrosietí bude vzájomné prepojenie jednotlivých zdrojov a spotrebičov a vzájomná komunikácia pri riadení. Hlavnú úlohu pri samotnej aplikácii bude zohrávať aj legislatíva a spôsob nakladania s elektrickou energiou.

Na začiatku bolo len niekoľko nadšencov, ktorí sa zaoberali elektrickou energiou. Nepochybne historické súperenie medzi T. A. Edisonom a N. Teslom odštartovalo začiatky elektrických sietí. Aktuálne si fungovanie bez elektrickej energie už ani nevieme predstaviť, hoci nie všade je elektrická energia takto ľahko dostupná. Pri ešte väčšej závislosti od nej v blízkej budúcnosti je potrebné položiť si otázku: Aké bude ďalšie smerovanie v energetike? Neustále rastúci dopyt po elektrickej energii za posledné roky naznačuje ešte výraznejší rast do budúcnosti, čo začína predstavovať prvé výzvy v prenosových a distribučných sieťach.

Nástupom digitalizácie a online sféry každoročne narastá spotreba elektrickej energie, predovšetkým pre čoraz väčší počet datacentier, ako aj narastajúci počet elektromobilov. Konvenčná centrálna výroba elektrickej energie a dlhé prenosové vedenia nebudú postačovať pre nadchádzajúce zmeny. Spôsobuje to hlavne nedostačujúca infraštruktúra, ako aj spôsob distribúcie elektrickej energie.

Rozdiel medzi centralizovanou a decentralizovanou výrobou je značný. Pri centralizovanej výrobe využívame klasické veľké elektrárne, zatiaľ čo pri decentralizovanej výrobe zase využívame veľa malých zdrojov v blízkosti spotreby. Medzi najčastejšie nasadzované malé zdroje patria práve fotovoltické systémy spolu s batériovými úložiskami, malé vodné elektrárne, palivové články a bioplynové stanice. Teda mení sa spôsob distribúcie, prenosu a rozvodu elektrickej energie, pričom zdroje elektrickej energie sa presúvajú do blízkosti spotreby, čím sa menia aj smery toku elektrickej energie z jednosmerných na obojsmerné.

Aplikácia inteligentných sietí si ešte vyžiada značný čas, pričom základným pilierom majú byť práve stabilné mikrosiete. Inteligentná sieť má zabezpečiť podporné služby pre jednotlivé mikrosiete a v prípade poruchy pomáhať s prenosom a rozvodom elektrickej energie. Analyzuje informácie získané z jednotlivých mikrosietí, ktoré riadia a spravujú miestne energetické zdroje, a na základe toho optimalizuje výrobu elektrickej energie, znižuje náklady na elektrickú energiu a zvyšuje spoľahlivosť dodávky elektrickej energie.

Mikrosiete

Distribuované zdroje elektrickej energie (DZE) sú voči konvenčným veľkým elektrárňam menšie decentralizované výrobné jednotky, ktoré dokážu vyrábať elektrickú energiu v blízkosti spotreby. Ich hlavnou výhodou je schopnosť prispievať k zníženiu závislosti od veľkých, centralizovaných výrobných zariadení a k zvýšeniu energetickej bezpečnosti.

Pri porovnaní súčasného konvenčného energetického systému s plánovaným inteligentným systémom je výrazný rozdiel v smere toku energie, ako je znázornené na obr. 1. Pripájaním DZE do elektrizačnej sústavy sa mení tradičný radiálny smer toku energie od veľkých elektrární cez prenos a rozvod dlhými vedeniami až k spotrebiteľom. Premiestnením výroby priamo do miesta spotreby alebo jeho blízkosti cez krátke distribučné vedenia vzniká obojsmerný tok energie. Na inteligentnom systéme sa aktívne podieľajú už aj samotní spotrebitelia (prosumeri), a to aj na správe takéhoto systému, zatiaľ čo pri konvenčných sieťach boli iba pasívnymi odberateľmi elektrickej energie.

V súčasnosti sa inštaláciou fotovoltických a batériových systémov niektorí používatelia podieľajú aj na riadení, ale stále poloaktívne bez zmeny riadenia podľa potrieb siete. Spotrebitelia s fotovoltickými systémami v súčasnosti využívajú hlavne služby distribučných spoločností v podobe virtuálnej batérie na zníženie vlastnej spotreby elektrickej energie.

Mikrosieť môžeme definovať ako lokálny energetický systém napájajúci spotrebiteľov elektrickou energiou, ktorý vyrába elektrickú energiu pomocou DZE. Medzi najrozšírenejšie DZE patria práve obnoviteľné zdroje energie. Takéto siete musia spĺňať predpoklad sebestačnosti vo výrobe elektrickej energie, teda je potrebné, aby mali podľa geografického umiestnenia vhodne zvolený energetický mix zdrojov. Návrh univerzálneho energetického mixu zdrojov pre zabezpečenie napájania mikrosiete je nežiaduci, keďže každá oblasť má svoje špecifické podmienky a potreby.

Mikrosiete potrebujú pokročilé riadiace systémy na vyváženie výroby a spotreby, najmä keď sú v hre premenlivé obnoviteľné zdroje energie, na ktoré majú vplyv poveternostné podmienky. Môžu fungovať ako súčasť inteligentnej siete (prevádzka pripojenia k sieti) a odoberať alebo dodávať elektrickú energiu inteligentnej sieti alebo pre okolité mikrosiete. Ďalšou obrovskou výhodou mikrosiete je plynulý prechod do ostrovnej prevádzky (odpojenie sa od siete), pričom sa využíva schopnosť autonómnej prevádzky lokálnych výrobných zdrojov elektrickej energie bez pripojenia k inteligentnej sieti. Z tohto dôvodu sa odporúča aplikovať mikrosiete ako prvé práve v lokalite, kde môže byť sieť nespoľahlivá, napríklad v oblastiach ohrozených búrkami alebo v horských oblastiach.

S uvažovaním mikrosietí však vzniká otázka: Ako vhodne zvoliť energetický mix zdrojov a zabezpečiť pritom optimálnosť, udržateľnosť a hlavne dostatočnú flexibilitu za všetkých podmienok? Pri porovnaní budovania mikrosietí možno konštatovať, že v Európe vzniká len niekoľko projektov, zatiaľ čo v USA každoročne vzniká niekoľko desiatok projektov, ktoré na to majú aj patričné dôvody.

USA má pre svoje geografické umiestnenie značne zvýšený počet výskytov hurikánov a tornád, ktoré krajinu každoročne postihujú. Od roku 2000 je to vyše 60 hurikánov, pričom jedným z najhorších hurikánov, ktorý zasiahol USA, bol hurikán Katrina v roku 2005, ktorý spôsobil výpadky elektrickej energie u miliónov ľudí na niekoľko týždňov a v niektorých odľahlých oblastiach až na mesiac. Od tohto roku USA výrazne podporuje výstavbu mikrosietí, pričom záujem o inštaláciu DZE majú samotní spotrebitelia aj komerčná sféra. Okrem problematiky výberu vhodných zdrojov elektrickej energie sa treba zaoberať aj ďalšími dôležitými oblasťami, ktoré súvisia práve s aplikáciou mikrosietí, a to systémom ochrany a komunikáciou takýchto zariadení, keďže v mikrosieťach bude zohrávať kľúčovú úlohu spoľahlivá a zabezpečená obojsmerná komunikácia medzi jednotlivými zariadeniami a ich riadením.

Integrácia distribuovaných zdrojov elektrickej energie do mikrosietí

Pripájanie DZE do distribučných sietí má v súčasnosti značné obmedzenia nielen v USA a Kanade, ale aj na Slovensku. Pri pripájaní DZE je potrebná významná investícia do meracej technológie v podobe inteligentných meracích systémov (smart metre). Aktuálne sa vo veľkom inštalujú dvojkvadrátové smart metre. Na pripojanie DZE sú však potrebné vyššie rady, a to štvorkvadrátové smart metre. Zdroje väčšie ako 100 kW vyžadujú dodatočné zariadenie na meranie dodávky elektrickej energie pre dispečing distribučnej spoločnosti. Okrem toho je potrebná investícia do samotného zariadenia na výrobu elektrickej energie v závislosti od požadovaného výkonu a požiadaviek spotrebiteľa, pričom inštalovaný výkon zdroja elektrickej energie a typ pripájaného zariadenia musí odsúhlasiť distribučná spoločnosť, do ktorej má byť daný zdroj pripojený. V závislosti od použitého DZE sa líši aj prvotná investícia a návratnosť do takéhoto zariadenia.

  • Investičné náklady na fotovoltický systém sa pohybujú okolo 1 200 eur na 1 kW inštalovaného výkonu. Vo všeobecnosti sa návratnosť investície pohybuje v rozmedzí 8 – 10 rokov.
  • Investičné náklady na veternú energiu sa pohybujú okolo 2 000 eur na 1 kW inštalovaného výkonu. Vo všeobecnosti sa návratnosť investície pohybuje v rozmedzí 11 – 14 rokov, pričom samotná realizácia je komplikovanejšia vzhľadom na schválenie umiestnenia takéhoto typu zdroja pre vizuálne aj zvukové vedľajšie vplyvy.
  • Investičné náklady na systém na biomasu sa pohybujú okolo 4 000 eur na 1 kW inštalovaného výkonu. Vo všeobecnosti sa návratnosť investície pohybuje v rozmedzí 8 – 11 rokov.
  • Investičné náklady na bioplynový systém sa pohybujú okolo 5 000 eur na 1 kW inštalovaného výkonu. Vo všeobecnosti sa návratnosť investície pohybuje v rozmedzí 6 – 7 rokov, pričom samotná realizácia je komplikovanejšia pre potrebu stálej dodávky paliva a pre zápach ako vedľajší vplyv.
  • Investičné náklady na malé vodné elektrárne sa pohybujú okolo 2 500 eur na 1 kW inštalovaného výkonu. Vo všeobecnosti sa návratnosť investície pohybuje v rozmedzí 10 – 13 rokov.
  • Investičné náklady na batériové úložisko sa pohybujú okolo 1 200 eur na 1 kWh inštalovaného výkonu. Vo všeobecnosti sa návratnosť investície pohybuje v rozmedzí 9 – 13 rokov.

Aktuálnym trendom na Slovensku je nasadzovanie fotovoltických systémov, na ktoré sa ponúkajú aj príspevky od štátu. Väčšina týchto projektov využíva práve systém prepojený so sieťou a v značne menšom počte hybridné a ostrovné systémy. Podľa aktuálneho plánu prevádzky distribučných spoločností pri výpadku siete sa všetky malé DZE vypínajú už pri výpadku siete a začínajú sa opätovne pripájať do siete až po uplynutí piatich minút od ustálenia kvalitatívnych parametrov siete od obnovenia dodávky elektrickej energie. DZE počas výpadku zostávajú vypnuté okrem hybridných a ostrovných systémov.

Prehľad projektov mikrosietí

  • Technologický gigant Google plánuje vybudovať niekoľko mikrosietí pre svoje kampusy a zamestnanecké komunity. Navrhované mikrosiete budú napájané fotovoltickým systémom s inštalovaným výkonom 7,8 MW, podporeným batériovým systémom s výkonom 10 MW a približne 47 núdzovými dieselovými generátormi. Počas realizácie sa stretli s viacerými legislatívnymi problémami hlavne v oblasti obchodovania a využitia v rámci kampusu [1].
  • Spoločnosť Concentric Power dosiahla dohodu o výstavbe mikrosiete s inštalovaným výkonom 35 MW. Napájanie mikrosiete zabezpečí fotovoltický systém s výkonom 14,5 MW, podporený batériovým systémom s výkonom 10 MW/27,5 MWh a kogeneračným zariadením na zemný plyn (CHP) s výkonom 10 MW. Potrebná investícia na vybudovanie takejto mikrosiete si vyžiada investíciu vo výške 70 miliónov dolárov, ktorá by mala výrazne podporiť hospodársky rozvoj v oblasti [2].
  • Cieľom projektu na ostrove Isle au Haut je zabezpečiť prevádzku mikrosiete pre celý ostrov so 140 zákazníkmi. Elektrickú energiu bude dodávať fotovoltický systém s výkonom 311 kW a systém super skladovania energie s kapacitou 1 MWh. Tento projekt mikrosiete predstavuje investíciu vo výške 1,9 milióna dolárov, pričom 211 000 dolárov poskytlo Americké ministerstvo poľnohospodárstva [3].
  • Projekt pre vojenskú základňu Fort Bragg, jednu z najväčších vojenských základní na svete s približne 50 000 aktívnymi zamestnancami, má za cieľ dosiahnuť nezávislosť kritickej infraštruktúry od distribučnej siete. Zásobovanie elektrickou energiou bude jedinečné vďaka inštalácii plávajúceho fotovoltického systému s výkonom 1,1 MW, doplneného batériovým systémom s výkonom 2 MW. Existujúce dieselové generátory budú slúžiť ako záložné zdroje. Investícia do vojenskej mikrosiete má hodnotu 36 miliónov dolárov a je súčasťou väčšieho energetického projektu [4].
  • Ďalší projekt pre Kanadskú vojenskú zónu pre presúvateľné dočasné tábory (RTC) má hlavnú úlohu poskytovať elektrickú energiu viac ako 1 500 osobám mimo siete a v rôznych podmienkach. Mikrosieť sa skladá z batériového systému, fotovoltického systému, veternej farmy a dieselových generátorov. Investícia RTC do tohto projektu predstavuje 1,5 milióna dolárov [5].
  • Moderný projekt skleníka v južnej Kalifornii s rozlohou 62 akrov (0,251 km2) bude zahŕňať mikrosieť s výkonom 13,2 MW, pričom okamžité pripojenie k sieti nie je plánované. Elektrickú energiu budú poskytovať štyri kogeneračné zariadenia na zemný plyn s výkonom 3,3 MW. Záložné zdroje v prípade zlyhania CHP budú zahŕňať dva dieselové generátory s výkonom 2 MW. Investícia do mikrosiete vo výške 30 miliónov dolárov pre 62-akrový high-tech skleník má za cieľ podporiť poľnohospodárstvo v južnej Kalifornii [6].
  • Projekt pre Technologický park v Colorade bude slúžiť aj ako testovacie miesto nových technológií a pilotných projektov pred ich implementáciou. Zásobovanie mikrosiete elektrickou energiou bude pozostávať z fotovoltického systému s výkonom 150 MW, palivových článkov s výkonom 415 MW, veternej farmy s výkonom 508 MW a geotermálnej elektrárne s výkonom 10 MW a biomasy [7].
  • Mikrosieť v meste Denham bude napájať fotovoltický systém s výkonom 700 kW, elektrolyzér s výkonom 350 kW a skladovanie vodíka spolu so 100 kW palivovým článkom. Elektrolyzér využívajúci fotovoltickú energiu bude produkovať vodu a vodík, ktoré môžu byť skladované a neskôr použité v palivovom článku na výrobu elektriny. Investícia vo výške 6,1 milióna dolárov zabezpečila výstavbu mikrosiete na polostrove [8].
  • Mikrosieť na ostrove Lord Howe v Novom Južnom Walese bude zahŕňať fotovoltický systém s výkonom 1,3 MW a systém na uskladnenie energie s kapacitou 1 MW/3,7 MWh. Investícia vo výške 4,5 milióna dolárov podporila výstavbu mikrosiete na napájanie ostrova [9].

Väčšina projektov kombinuje rôzne zdroje, čo umožňuje stabilnejšiu a spoľahlivejšiu dodávku energie. Napríklad projekty využívajúce kombináciu fotovoltiky, palivových článkov a batérií zabezpečujú flexibilitu a bezpečnosť napájania. Fotovoltika je hlavnou súčasťou takmer všetkých hodnotených projektov, čo zdôrazňuje trend prechodu na tento typ obnoviteľného zdroja energie. Na vytvorenie mikrosietí budú potrebné aj ďalšie technologické inovácie zahŕňajúce využívanie elektrolyzérov a palivových článkov, čo naznačuje zameranie na vývoj v tejto oblasti. Táto nová technológia by mohla zohrávať významnú úlohu v budúcnosti pri stabilizácii výroby elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov.

Záver

Mikrosiete predstavujú významný posun v oblasti energetiky, reagujúci na súčasné výzvy a potreby DZE a distribúcie elektrickej energie. Tieto systémy umožňujú nielen efektívnejšie využitie obnoviteľných zdrojov, ale aj zvyšujú energetickú nezávislosť a odolnosť voči výpadkom v centrálnej sieti. V ére rastúceho dopytu po elektrickej energii a narastajúcej záťaže na tradičné prenosové siete sa mikrosiete javia ako kľúčový prvok budúcnosti energetiky.

Technologický pokrok a dostupnosť DZE, ako sú fotovoltika, veterné elektrárne a batériové úložiská, umožňujú, aby mikrosiete poskytovali spoľahlivú a udržateľnú energiu priamo na mieste spotreby. Okrem toho ich schopnosť fungovať v režime ostrovnej prevádzky zvyšuje bezpečnosť dodávok v oblastiach náchylných na prírodné katastrofy alebo v odľahlých lokalitách.

Príklady z praxe, ako sú projekty v USA, Európe a Austrálii, ukazujú, že mikrosiete majú potenciál stať sa základným stavebným kameňom modernej energetickej infraštruktúry. Trend nasadenia mikrosietí v odľahlých komunitách nie je žiadnou novinkou, ostrovné systémy sú už v prevádzke na severe Austrálie, Novom Zélande, vo Vietname, v Indii, Afrike a ďalších štátoch, kde sa stávajú dôležitým nástrojom na zvyšovanie energetickej nezávislosti a riešenie problémov s prístupom k elektrickej energii a zabezpečujú nevyhnutné potreby.

Hoci je vývoj týchto systémov spojený s nemalými investíciami a technologickými výzvami, prínosy v podobe zlepšenej spoľahlivosti, zníženia závislosti od fosílnych palív a podpory obnoviteľných zdrojov sú nepopierateľné. Pre úspešné rozšírenie mikrosietí je nevyhnutná podpora nielen zo strany vlád, ale aj súkromného sektora. Nástup mikrosietí zaistí nielen zvýšenú spoľahlivosť dodávky elektrickej energie, tieto siete výrazne prispejú k zníženiu emisií skleníkových plynov tým, že umožňujú efektívnejšie využívanie obnoviteľných zdrojov energie a úplný ústup tradičných spaľovacích elektrární, predovšetkým na uhlie. Problémom ostáva, či sú aj samotní spotrebitelia na takúto zmenu pripravení, keďže táto zmena zásadne ovplyvní aj ich štandardné návyky, čo sa týka spotreby elektrickej energie. Z dlhodobého hľadiska sa predpokladajú mnohé ekonomické výhody v podobe nižších nákladov pre spotrebiteľov a aktívne podieľanie sa na správe systému a prevádzke a údržbe DZE.

Kľúčom k úspešnej implementácii mikrosietí je spolupráca medzi verejným a súkromným sektorom a zapojenie akademickej obce do výskumu a vývoja. Týmto spôsobom možno zabezpečiť, že technológie budú nielen spoľahlivé, ale aj ekonomicky a environmentálne udržateľné.

Aplikovateľnosť mikrosietí bude závislá aj od využívania umelej inteligencie na optimalizáciu a analýzu dát výroby a spotreby energie. Vzhľadom na potrebný zvýšený počet zdrojov v mikrosietach a ich aktuálny nedostatok je nevyhnutný vývoj nových zdrojov energie, ako sú napríklad malé reaktory alebo palivové články a výroba vodíka.

Budúcnosť energetiky bude preto do značnej miery závisieť od úspešnej integrácie mikrosietí a distribúcie energie z obnoviteľných zdrojov, pričom kľúčovou úlohou bude zabezpečiť efektívne riadenie týchto systémov. Ak sa podarí prekonať existujúce prekážky a využiť potenciál mikrosietí naplno, môžeme očakávať výrazný posun smerom k udržateľnejšej a odolnejšej energetickej budúcnosti.

Poďakovanie

Tento článok podporila vedecká grantová agentúra Ministerstva školstva, výskumu, vývoja a mládeže Slovenskej republiky a Slovenskej akadémie vied na základe zmluvy č. VEGA 1/0627/24 a grant TUKE Výskum systémov pre poloautonómne riadenie v závislosti od tranzientných javov v elektrizačnej sústave za využitia systémov WAMPAC (zodpovedný riešiteľ Ing. Marek Bobček, Fakulta elektrotechniky a informatiky TUKE) na základe zmluvy č. 08/TUKE/2024.

Literatúra

[1] Wood, E.: Google Spells Out What California Must do to Unlock the „Tremendous Potential“ of Microgrids. [online]. Microgrid Knowledge: 2020. Citované 19. 8. 2024. 

[2] Wood, E.: Concentric to Build 35-MW Microgrid in California with Innovative Wholesale Power Agreement. [online]. Microgrid Knowledge: 2020. Citované 19. 8. 2024. 

[3] Howland, E.: Maine Microgrid Project Lands USDA funding. [online]. Microgrid Knowledge: 2020. Citované 20. 8. 2024.

[4] Wood, E.: Ameresco and Duke to Build Unusual Floating Solar Microgrid at World’s Largest Military Base. [online]. Microgrid Knowledge: 2020. Citované 20. 8. 2024. 

[5] Hitchens, K.: Microgrid Successfully Demonstrated for Canadian Armed Forces Camps. [online]. Microgrid Knowledge: 2024. Citované 21. 8. 2024. 

[6] Howland, E.: Endurant Enters High-Tech AG Sector with $30 Million Microgrid. [online]. Microgrid Knowledge: 2021. Citované 21. 8. 2024.

[7] Howland, E.: Colorado Utility Plans Technology Campus with Microgrid. [online]. Microgrid Knowledge: 2020. Citované 22. 8. 2024.

[8] Howland, E.: Horizon Power Prepares to Build Australia’s First Renewable Hydrogen Microgrid. [online]. Microgrid Knowledge: 2020. Citované 22. 8. 2024. 

[9] Scully, J.: ARENA to support Australian microgrids with new funding. [online]. PV Tech: 2021. Citované 23. 8. 2024.

Ing. Róbert Štefko, PhD.
robert.stefko@tuke.sk

Ing. Marek Bobček
marek.bobcek@tuke.sk

doc. Ing. Zsolt Čonka, PhD.
zsolt.conka@tuke.sk

Technická univerzita Košice
Fakulta elektotechniky a informatiky
Katedra elektroenergetiky
Mäsiarska 74, 040 01Košice
https://kee.fei.tuke.sk/