Fotovoltaika – malé systémy a stabilita elektrizační soustavy

Z hlediska stability elektrizační soustavy je poměrně malý rozdíl mezi jednou velkou 30 MWp fotovoltaickou elektrárnou (FVE), nebo 10 000 malých 3 kWp fotovoltaických systémů na střechách. Stabilita elektrizační soustavy však v České republice v současnosti ohrožena není a při současné skladbě zdrojů a úrovni spotřeby nebude ani při instalovaném výkonu neregulujících OZE kolem 3000 MW.

Ztráty při přenosu

Velké fotovoltaické parky jsou připojeny do sítí vysokého napětí, v některých případech přímo do přenosové soustavy. Znamená to minimálně dvojí transformaci, Při každé transformaci přitom dochází ke ztrátě přibližně jednoho procenta přenášené energie. Další ztráty vznikají na vedení, zejména při přenosu na větší vzdálenosti.

Jiná situace je u malých systémů na budovách. Pokud aktuální výkon FVE v dané oblasti je nižší, než aktuální spotřeba, elektřina do nadřazené soustavy v podstatě "nepřeteče". Spotřebuje se v bezprostředním okolí místa výroby. Ztráty v přenosu na tak krátké vzdálenosti jsou zanedbatelné a k transformaci vůbec nedochází.

Pokud by byl aktuální výkon FVE vyšší, než spotřeba v dané oblasti, docházelo by k „přetoku“ energie do nadřazené soustavy. Podle tvrzení ČEPS nejsou některé transformátory připraveny pro přenos elektřiny opačným směrem.

Stabilita elektrizační soustavy

Stabilita elektrizační soustavy však s „přetoky“ energie do nadřazené soustavy souvisí pouze okrajově. Při vysokém instalovaném výkonu neregulujících zdrojů – kromě fotovoltaických i větrné elektrárny (VTE) – je stabilita elektrizační soustavy (ES) dána především množstvím dostupných podpůrných služeb, potřebných pro regulaci výkonu zejména v situacích, kdy je výroba z neregulujících zdrojů vysoká.

Krátkodobé fluktuace a čtvrthodinové změny celkového výkonu všech FVE připojených do elektrizační soustavy – v současnosti již kolem 1900 MWp – dosahují nejvýše 100 MW, lze je tedy pokrýt v rámci stávajícího rozsahu primární a sekundární regulace, případně postačí rozsah těchto služeb jen nepatrně zvýšit. Fotovoltaika proto zvyšuje především nároky na terciální regulaci (zápornou), tj. o kolik je možno snížit (relativně pomalu) výkon připojených regulujících elektráren, aby přitom byla zajištěna dostatečná rezerva pro případ výpadku největšího bloku v soustavě (1000 MW).

Maximální výkon fotovoltaických a větrných elektráren

Maximální přípustný výkon FVE + VTE je dán tím, kolik je momentálně do ES připojeno zdrojů poskytujících podpůrné služby, mění se tedy v čase. Obecně je nižší o víkendech. Naopak v době odstávek velkých zdrojů, které neposkytují podpůrné služby, nebo poskytují relativně malý podíl podpůrných služeb, se maximální přípustný výkon neregulujících zdrojů zvyšuje.

Maximální přípustný výkon FVE + VTE v jednotlivých dnech

Obrázek: Maximální přípustný výkon FVE + VTE v jednotlivých dnech [ČEPS] a pravděpodobný výkon v poledne v jednotlivých dnech [ČEPS a GeoModel]

Rozdíl mezi jedním velkým a mnoha malými zdroji je pouze v zatížení jednotlivých systémových prvků (transformátory, vedení). Jejich případné přetížení sice rovněž může vést k nestabilitě elektrizační soustavy, protože však všechny velké FVE musí mít vypracovánu studii připojitelnosti, je tento problém předem vyloučen. U malých systémů by k problému mohlo dojít při jejich vysoké kumulaci na malém území.

Dostupné podpůrné služby

Certifikaci, tj. kolik může konkrétní zdroj poskytovat PpS, provádí ČEPS, některé zdroje certifikaci nemají, přestože jsou schopny podpůrné služby poskytovat. Mnohé z necertifikovaných zdrojů dokonce před sjednocením regionálních distribučních společností do ČEZ Distribuce resp. E-ON Distribuce podpůrné služby v rámci regionálních distribučních soustav poskytovaly. Ve skutečnosti by bylo poměrně snadné zvýšit rozsah TR- o stovky MW a vhodným plánováním provozu elektrizační soustavy ještě více.

Nedostatek podpůrných služeb může vést až ke stavu nouze = hrozí rozpad sítě. Otázka je však složitější. Kromě podpůrných služeb dostupných v rámci přenosové soustavy je možno regulační energii nakoupit na vnitrodenním trhu nebo v zahraničí. Toho využívají například Německo a Dánsko.

Chytré sítě a řízení spotřeby

Stabilitu elektrizační soustavy při vyšším podílu neregulujících zdrojů by mohly zlepšit chytré sítě (Smart Grids). Jakýmsi předstupněm chytrých sítí je v České republice používaný systém hromadného dálkového ovládání (HDO), který však umí spínat jen velké skupiny spotřebičů. Chytré sítě budoucnosti by však měly být schopny v ideálním případě ovládat až jednotlivé spotřebiče.

V níže uvedeném hypotetickém příkladě by mohl být v poledních hodinách zvýšen odběr vybraných spotřebičů. V současnosti přichází v úvahu v podstatě jen ohřev teplé vody, protože se jedná o jediný typ spotřeby, která přichází v úvahu v době dostatku slunečního záření, kdy bude zřejmě potřeba vytápění minimální.

V budoucnu bude možno k regulaci spotřeby využít například odložený start automatické pračky nebo myčky na nádobí, případně akumulační schopnosti chladničky a mrazničky.

Hypotetický příklad

Elektrizační soustava může být nestabilní i v případě, že k „přetoku“ elektřiny do nadřazené soustavy nebude docházet.

Představme si hypotetickou jednoduchou elektrizační soustavu s jedinou uhelnou elektrárnou o výkonu 50 MW připojenou do přenosové soustavy, jejíž minimální výkon je například 20 MW (elektrárnu nelze bezpečně provozovat při nižším výkonu), přes transformátor je připojena distribuční soustava s odběrem 50 MW, v níž jsou připojeny FVE s celkovým jmenovitým instalovaným výkonem 50 MWp.

V poledne za ideálního počasí se bude celkový výkon FVE pohybovat kolem 40 MW, odběr v distribuční soustavě je tedy stále o 10 MW vyšší než výroba. Uhelnou elektrárnu nelze odpojit, protože by chybělo 10 MW. Pokud však je připojená, 10 MW naopak přebývá. Elektrizační soustava je ve stavu nouze, respektive ji nelze provozovat.

Reálná úroveň rizika

Realita v ČR se spíše blíží jiné hypotetické situaci, kdy elektrárna ve výše uvedeném příkladu je certifikována pro poskytování podpůrných služeb jen v rozsahu 10 MW. Stav nouze v takovém případě hrozí již při instalovaném výkonu FVE kolem 15 MWp, je však pouze virtuální, technicky jsou meze stále stejné. V daném hypotetickém příkladě je to 30 MWp fotovoltaických elektráren, s technologií chytrých sítí i více.

Určit přesněji technické meze stability elektrizační soustavy je samozřejmě komplikovanější. Z hlediska maximálního přípustného výkonu neregulujících zdrojů, je mimo jiné nutno vyhodnotit potenciál poskytování podpůrných služeb u všech zdrojů připojených do elektrizační soustavy. Tedy i u těch, které v současnosti pro poskytování podpůrných služeb nemají certifikaci.

Pokud ve velmi malém rozsahu (několik hodin v roce) připustíme i stavy, jejichž pravděpodobnost je velmi nízká, je mez stability při vhodném poměru instalovaných výkonů větrných a fotovoltaických elektráren vyšší. Pravděpodobnost, že zároveň bude na celém území České republiky o letním víkendu velmi nízká teplota vzduchu, zcela jasná obloha a větrno, je skutečně zanedbatelná.

Podle předběžných odhadů lze zajistit stabilitu elektrizační soustavy při současné úrovni spotřeby a exportu a při současné skladbě zdrojů i při instalovaném výkonu neregulujících zdrojů kolem 3000 MW. Při vhodnějším poměru instalovaného výkonu větrných a fotovoltaických elektráren může být celkový instalovaný výkon ještě vyšší.

Bronislav Bechník
Czech RE Agency, o. p. s. je nezisková organizace, která propaguje úspory, obnovitelné zdroje energie a trvalou udržitelnost.

Vydáno: 4. března 2011

vytisknout nahoru

České fotovoltaické průmyslové asociace

EUROPEAN PHOTOVOLTAIC INDUSTRY ASSOCIATION