Stabilita a flexibilita v kontexte bezpečnosti elektrizačnej sústavy (3)

Zdroje flexibility

Odborná literatúra rozdeľuje flexibilitu na fyzickú a štrukturálnu. Fyzická flexibilita sa vzťahuje na fyzickú schopnosť systému reagovať na zmeny dopytu a výroby, čo je potrebné, ale nie postačujúce pre flexibilnú prevádzku systému. Štrukturálna flexibilita je schopnosť využívať fyzickú flexibilitu pomocou prevádzkových pokynov alebo trhových postupov. Dôležitosť štrukturálnej flexibility by nemala byť podceňovaná, pretože väčšinou umožňuje dosiahnuť správnu prevádzku systému. Tab. 2 identifikuje zdroje flexibility v energetickom systéme a ich vzťah k fyzickej alebo štrukturálnej flexibilite. Ak je dominantným zdrojom flexibility jeho vlastná fyzická charakteristika, je pod kategóriou „fyzický“, napr. flexibilné konvenčné výrobné jednotky. Štrukturálne možnosti, ako napr. zlepšenie dizajnu trhu, poskytujú flexibilitu hlavne prostredníctvom dizajnu trhu alebo operačných postupov, ktoré sú väčšinou nestranné voči použitiu rôznych technológií. Zdroje flexibility, ako napríklad využitie flexibility strany dopytu, vyžadujú fyzickú flexibilitu zo strany systémových komponentov spolu s vhodnými prevádzkovými a trhovými štruktúrami.

Tab. 2 Rozdelenie zdrojov flexibility v elektrizačnej sústave [24]

Flexibilné konvenčné výrobné jednotky

Fyzická flexibilita systému je podporovaná rýchlym spustením konvenčných jednotiek s vysokou schopnosťou zmeny výkonu, nízkym minimálnym výrobným obmedzením a krátkymi minimálnymi dobami zapnutia a vypnutia. Zvýšený cyklus prevádzky elektrární na fosílne palivá spôsobuje výrazný nárast počtu nútených výpadkov jednotiek, opráv a údržby a vysoké opotrebenie a únavu výrobných jednotiek. Na druhej strane, ekonomická efektívnosť konvenčných jednotiek je neistá, najmä pre uhoľné elektrárne. Okrem toho je potrebná významná investícia do výrobnej infraštruktúry elektrární, aby sa jednotky stali flexibilnými. Preto bude nevyhnutné vykonať analýzu nákladov a vyhodnotiť najekonomickejšiu voľbu na zlepšenie flexibility systému. Ďalšou možnosťou je využitie viacerých flexibilných jednotiek, ako sú jednotky so spaľovacím motorom alebo spaľovacou turbínou s nízkym minimálnym výrobným obmedzením a vysokou účinnosťou.

Využitie flexibility na strane dopytu

Ide o dôležitú možnosť, ako zvýšiť flexibilitu celého systému. Riadenie na strane dopytu by mohlo poskytovať rovnováhu v časovom intervale (od sekúnd po sezónu) prostredníctvom ponuky energetických, kapacitných a pomocných služieb, ako sú regulácia, nasledovanie záťaže, náhrada za núdzovú situáciu atď., ktoré by mohli byť využité na zvýšenie flexibility systému [24, 38]. Riadenie dopytu s ohľadom na podmienky systému, či už prostredníctvom programov založených na cene pre individuálnych spotrebiteľov, alebo agregovaním reaktívneho dopytu, by rovnako viedlo k zvýšeniu flexibility.

Prepojenie sústav a flexibilita na strane sústavy

Ak existuje dostatočná fyzická výbava a infraštruktúra, spojenie rovnovážnych oblastí by bolo kľúčom k rozvoju fyzickej a štrukturálnej flexibility. Siete, ktoré sú charakterizované fyzickými spojeniami medzi blízkymi regiónmi, poskytujú zvýšený prístup k rôznym typom dopytu a výroby energie. Okrem toho by geografické rozšírenie mohlo vyrovnávať celkovú výrobu z OZE a celkový dopyt po elektrickej energii. Zdroje flexibility zo strany siete sa delia na diskrétne a spojité [34]. Plánovanie rozšírenia prenosovej sústavy a zmena topológie sústavy pri prevádzke sú typické diskrétne zdroje. Spojité zdroje, ako sú prenosové sústavy (HVDC) a zariadenia pre flexibilné prenosové systémy (FACTS), by pomohli dispečerovi systému monitorovať a riadiť sústavu efektívnejšie zvýšením prenosovej kapacity vedení.

Zlepšenie dizajnu trhu

Štyri základné charakteristiky štandardného dizajnu trhu sú veľkosť, rýchlosť, neutrálne vzťahy k hráčom a poskytovanie prístupu založeného na funkciách hráčov. Prepojenie sústavy zvýši flexibility systému. Avšak využitie získanej flexibility závisí od vhodného dizajnu trhu. Preto je dôležité stanoviť správne a účinné štrukturálne konfigurácie na riadenie a prevádzku spojovacích vedení a trhov súčasne a koordinovane. Hlavnou vlastnosťou dizajnu trhu je existencia rýchleho a frekventovaného energetického trhu, často nazývaného trh v reálnom čase alebo vyvažovací trh, ktorý prináša systémovú flexibilitu vďaka takmer okamžitému vykonávaniu a presnejšiemu predpovedaniu výroby obnoviteľných zdrojov energie a lepšiemu prispôsobeniu reálnych podmienok systému.

Dlhé intervaly usporiadania nedávajú dostatočný podnet flexibilným zdrojom. Kratšie intervaly povedú k lepšej cenovej paradigme, ktorá vyhovuje aj flexibilným zdrojom. Byť neutrálnym k hráčom znamená, že všetky zdroje (bez ohľadu na typ ich technológie) sú spravodlivo konkurenčné a zodpovedajú za svoju spoluprácu pri poskytovaní požadovaných služieb [35]. V dizajne trhu sa definuje nová dodatočná služba bez ohľadu na typ technológie a odkazuje sa na požadovanú rýchlosť odpovede, úroveň odpovede alebo dĺžku výkonu. Okrem toho musia byť platby rozdelené podľa prevádzky zdrojov. Dvaja dodávatelia, ktorí predkladajú rozličné úrovne tej istej služby, by mali byť platení v súlade s ich úrovňou služby. Viac služieb znamená vyššie platby. Okrem toho dvaja rôzni dodávatelia, ktorí poskytujú rovnakú úroveň služby, by mali byť platení rovnako bez ohľadu na ich typ.

Väčšia kontrola nad OZE/DEZ

Neistota a variabilita silne penetrovaných OZE spôsobili nedostatok flexibility. Preto by kontrola nad výrobou z OZE mohla situáciu zmierniť. Napríklad keď je vyrobená energia vyššia ako požadovaný systémový dopyt, alebo systém zápasí s preťažením prenosového vedenia, flexibilita môže byť poskytnutá znížením výroby z OZE. Obmedzenie výroby z OZE je poslednou preferovanou voľbou vlastníkov, pretože by stratili časť príjmu a ich náklady by sa zvýšili. Obmedzenie výroby z OZE môže byť vykonané zásahom dispečera alebo automatizovanými postupmi na trhu. Nové vývojové trendy v oblasti OZE sa venujú možnostiam poskytovať rôzne dodatočné služby, ako je napríklad odpoveď na zmeny zotrvačnosti [35], [36].

Nové/ďalšie podporné služby

Regulačné, rotujúce a nerotujúce rezervné podporné služby pokrývajú väčšinu požiadaviek na vyváženie výroby a dopytu v normálnych podmienkach alebo v prípade krízy. Avšak ak bude rásť penetrácia OZE, tieto služby už nebudú postačovať na dosiahnutie potrebnej flexibility systému. V budúcich energetických systémoch budú hrať významnú rolu najmä (i) sledovanie zaťaženia, (ii) rezerva frekvenčnej reakcie a (iii) zotrvačná reakcia.

Systém skladovania energie

Zatiaľ čo výkon OZE je sprevádzaný variabilitou, energetické skladovanie môže pomôcť elektrickému systému absorbovať nadbytočnú výrobu z OZE v prípade nedostatku produkcie. Skladovanie môže byť realizované na troch úrovniach elektrického systému, ako je napríklad prečerpávacie skladovanie v primárnom zdroji na výrobu, veľké batériové skladovanie na úrovni prenosu a elektrické vozidlá na distribučnej úrovni. Hoci poskytovanie skladovania pre každú úroveň prináša nové prevádzkové náklady na systém, ich integrácia vysokým prienikom OZE môže odmeniť systém viacnásobnými službami, ktoré zlepšia flexibilitu systému.

Implementácia inteligentných sietí

Inteligentné siete sú systémy, v ktorých sú komponenty systému spojené prostredníctvom dvojsmernej komunikačnej štruktúry a považujú sa za najlepšiu infraštruktúru na integráciu mnohých DEZ v sústave. Koordinácia medzi prevádzkovateľmi prenosovej sústavy a distribučnými prevádzkovateľmi prostredníctvom inteligentných sietí poskytuje veľký potenciál pre oboje – fyzickú aj štrukturálnu flexibilitu systému. Pokrok v elektromobiloch, malých batériách, inteligentných meračoch, komunikačných linkách medzi distribuovanými zdrojmi energie a distribučnými prevádzkovateľmi, v riaditeľnom a prerušiteľnom zaťažení, riadení spotreby apod. poskytol nové možnosti flexibility pre systém. Ďalším príkladom iniciatívy inteligentných sietí je úloha distribučných prevádzkovateľov v Európe, ktorí integrujú reguláciu dopytu, skladovanie elektriny a obnoviteľné zdroje energie na úrovni distribúcie, koordinujú všetko so stranou prenosu a ponúkajú to ako zdroj flexibility.

Sektorová integrácia

Integrácia medzi rôznymi typmi energetických centier, ako sú plyn a elektrina, a ich energetickými nosičmi, je ďalším zdrojom flexibility, ktorý zvyšuje bezpečnosť dodávky energie. Táto možnosť umožňuje systému prevádzať rôzne typy energie medzi sebou pomocou skladovania, čo ďalej zvyšuje poskytovanú flexibilitu. Pre sektorovú integráciu je potrebné revidovať rámcové podmienky trhu, aby spotrebiteľ mohol optimalizovať a vybrať si ideálny typ energetického zdroja.

V rámci Slovenska je možné identifikovať niekoľko oblastí, ktoré si budú vyžadovať intenzívne úsilie, aby bolo možné pravidlá flexibility uplatniť. Nevyhnutnou podmienkou bolo zavedenie úlohy agregátora do legislatívy v celom rozsahu chápania tohto pojmu. Ďalej je to definícia metodiky rozúčtovania aktivít agregátora na dotknuté subjekty trhu s elektrinou, motivácia vzniku kombinovaných odberných miest s výrobou (nemáme skúsenosti s aplikáciou batérii v domácnostiach) a v neposlednom rade riadenie na strane odberu.

Aktuálne sa v sústave využíva blokovanie spotrebičov pomocou HDO (hromadné diaľkové ovládanie), ktorých podiel však v bilančných skupinách klesá, alebo inštitút IMS (inteligentných meracích systémov). Na druhej strane rastie výstavba s vykurovaním pomocou tepelných čerpadiel, elektrických kotlov alebo priamo podlahovým kúrením. V tejto oblasti bude teda predpokladom uplatnenia flexibility podpora inštalácie spotrebičov s možnosťou akumulácie alebo odloženia spotreby pri výstavbe nových aj rekonštrukcii starších objektov. Zároveň bude potrebné zaviesť novú kategóriu energetickej efektívnosti, ktorá bude odrážať mieru poskytovania spomínanej akumulácie alebo odloženej spotreby a takúto kategorizáciu použiť pri následnom posudzovaní zámerov s podporou alebo zapojením sa do služieb na princípe flexibility [37].
Prehľad možností, výziev, ale aj obmedzení vybraných vznikajúcich technológií uvádza tab. 3.

Tab. 3 Schopnosti, príležitosti, obmedzenia a výzvy nových technológií

Stabilita a flexibilita v kontexte bezpečnosti elektrizačnej sústavy

Komplexnosť celej problematiky vplyvu zavádzania nových technológií na stabilitu a flexibilitu elektrizačných sústav je prierezová a dotýka sa všetkých účastníkov trhu s elektrinou (obr. 9). Z uvedeného je zrejmé, že oba pojmy stabilita a flexibilita sú navzájom prepojené, pričom jeden aspekt posilňuje ten druhý. Ako stabilita, tak aj flexibilita opisujú želané aspekty a vlastnosti elektrizačných sústav a oba pojmy sa z veľkej časti prekrývajú v cieľoch a zdrojoch.

Stabilné systémy sú zvyčajne flexibilnejšie. Elektrizačná sústava s dobrou stabilitou je lepšie vybavená na zvládanie fluktuácií vo výrobe a v spotrebe. Stabilita zabezpečuje, že systém sa rýchlo zotaví z rušivých vplyvov, čo ho robí prispôsobivejším zmenám. Na druhej strane flexibilita zvyšuje stabilitu, nakoľko flexibilná elektrizačná sústava sa dokáže hladko prispôsobiť vo výrobe a spotrebe, čím sa znižuje pravdepodobnosť vzniku veľkých rušivých vplyvov, ktoré by mohli viesť k nestabilitám. Zachovanie rovnováhy medzi týmito dvoma aspektmi je nevyhnutné pre udržanie bezpečnej, spoľahlivej a odolnej elektrizačnej sústavy.

Na základe týchto skutočností možno stabilitu a flexibilitu považovať za rovnocenné pojmy a zaradiť ich medzi základné funkcie energetického systému spolu so spoľahlivosťou. Všetky tri základné funkcie majú svoje definície, zdroje a metriky, a preto patria plnohodnotne do rámca bezpečnosti moderného energetického systému (obr. 10). Aby sme získali komplexný pohľad na celú problematiku, je nevyhnutné skúmať vzťahy medzi jednotlivými funkciami a aspektmi bezpečnosti ako najvyšší cieľ prevádzkovania energetického systému. V ďalšom výskume v tejto oblasti bude potrebné zohľadniť aj pojmy ako odolnosť sústavy, nedostatok (rotačného) momentu zotrvačnosti a syntetická zotrvačnosť.

Literatúra

[24] Akrami, A. – Doostizahedeh, M. – Aminifar, F.: Power system flexibility: an overview of emergence to evolution. In: Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2019, vol. 7, pp. 987 – 1007. Dostupné na: https://doi.org/10.1007/s40565-019-0527-4. to isté čo 33?
[25] Lannoye, E. – Flynn, D. – O’Malley, M.: Evaluation of Power System Flexibility. In: Evaluation of Power System Flexibility, 2012, vol. 27, pp. 922 – 931.
[26] Harnessing, Ch. H.: Variable Renewables: A Guide to the Balancing Challenge. International Energy Agency, 2011.
[27] Bouffard, F. – Ortega-Vazquez, M.: The value of operational flexibility in power systems with significant wind power generation. In: Proceedings of the 2011 IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2011, pp. 1 – 5.
[28] Silva, V. – Belhomme, R. – Kirschen, D. S. – Ochoa, L. F.: Evaluating and Planning Flexibility in Sustainable Power Systems. In: IEEE Transactions of Sustainable Energy, 2013, vol. 4, pp. 200 – 209.
[29] Zheng, T. – Zhao, J. – Zhao, F. – Litvinov, E.: Operational flexibility and system dispatch. In: Proceedings of the 2012 IEEE Power and Energy Society General Meeting, 2012, pp. 1 – 3.
[30] Makarov, Y. V. – Loutan, C. – Ma, J. – de Mello, P.: Operational Impacts of Wind Generation on California Power Systems. In: IEEE Transactions on Power Systems, 2009, vol. 24, pp. 1039 – 1050.
[31] Denholm, P. – Hand, M.: Grid flexibility and storage required to achieve very high penetration of variable renewable electricity. In: Energy Policy 2011, vol. 39, pp. 1817 – 1830.
[32] IEA. Status of Power System Transformation: Advanced Power Plant Flexibility. IEA, 2019.
[33] Li, J. – Liu, F. – Li, Z.: Grid-side flexibility of power systems in integrating large-scale renewable generations: A critical review on concepts, formulations and solution approaches. In: Renewable Energy, Sustainability and the Environment, 2018, vol. 93, pp. 272 – 284.
[34] Ela, E. – Milligan, M. – Bloom, A. et al.: Wholesale electricity market design with increasing levels of renewable generation: Incentivizing flexibility in system operations. In: The Electricity Journal, 2016, vol. 29, no. 4, pp. 51 – 60.
[35] Ahmadyar, Sh. – Riaz, S. – Verbic, G. et al.: A framework for assessing renewable integration limits with respect to frequency performance. In: IEEE Transactions on Power Systems, 2017, vol. 33, no. 4, pp. 4444 – 4453.
[36] Muljadi, E. – Gevorgian, V. – Hoke, A.: Short-term forecasting of inertial response from a wind power plant. In: Proceedings of IEEE energy conversion congress and exposition, Milwaukee, USA, 18. – 22. september 2016, pp. 5.
[37] Gérer, A.: Agregovaná flexibilita – kde sme a kam kráčame. In: ATP Journal, 2021, roč. XXVIII, č. 6. ISSN 1335-2237.

Ing. Marián Mešter, PhD.
Technická univerzita Košice
Katedra elektroenergetiky
Mäsiarska 74
042 10 Košice
marian.mester@tuke.sk

Východoslovenská distribučná, a.s.
Mlynská 31
042 91 Košice
mester_marian@vsdas.sk