Integrace větrných elektráren do elektrizačních soustav - Příležitost i výzva

Větrná energie má ohromný potenciál pro ochranu přírody, úspory primárních zdrojů energie, snižování závislosti na dovozu atd. Oproti jiným OZE se vyznačuje také relativně nižšími náklady na konstrukci a provoz. V ČR je „větrníků“ více než 100 a jejich instalovaný výkon v současné době dosahuje hodnoty pod hranicí 150 MW. Stavba větrných parků zažívá boom i v ostatních státech EU, především v Německu, Španělsku a Dánsku.
I v důsledku této euforie zůstávají často opomenuty technická omezení tohoto typu zdroje a to především dopady integrace větrných elektráren na elektrizační soustavy jednotlivých států EU. Objem výroby z VtE je totiž odvislý od lokalizace zdroje a jejich okamžitá výroba je závislá na povětrnostních podmínkách, které nelze lidským přičiněním kontrolovat a řídit. To navyšuje především nároky na provozovatele sítí, kteří jsou povinni tuto energii vykupovat (koncept v ČR), a případnou odchylku výroby kompenzovat. Tato kompenzace s sebou kromě nárůstu nákladů přináší také snižování bezpečnosti provozu sítí v jejich kompetenci. Průměrné využití instalované kapacity se pohybuje jen mezi 20 a 25 %. V České republice loni dosáhlo 21 % (nejlépe si vedly větrníky v Moravskoslezském kraji s 28,5 %, nejhůře naopak v Pardubickém kraji s 8 %).

Mapa VtE-květen-2008

Schéma zahraniční spolupráce dne 10. 11. 2008

Výroba elektrické energie z VtE je v důsledku silné závislosti na povětrnostních podmínkách na rozdíl od ostatních zdrojů (s výjimkou fotovoltaických), u nichž je možné s vysokou mírou pravděpodobnosti a v dostatečném předstihu odhadovat velikost jejich produkce, obtížně předvídatelná.
Přestože se kvalita predikčních modelů produkce VtE zlepšila, je jejich vypovídající hodnota dosud omezená. Integrace větrných elektráren do systému proto způsobuje neplánované odchylky v celkové bilanci elektrizační soustavy. Vliv integrace VtE na elektrizační soustavu Energetickou bilanci elektrizační soustavy je zapotřebí regulovat tak, aby byla v každém okamžiku zachována rovnováha mezi výrobou a spotřebou elektrické energie. Její udržování je povinností provozovatele přenosové soustavy, který nese zodpovědnost za bezpečnost a spolehlivost provozovaných sítí.
Situace, kdy se výroba nebo spotřeba odchýlí od plánovaných hodnot, řeší dispečeři společnosti ČEPS, provozovatele české přenosové soustavy, za pomoci tzv. podpůrných služeb (PpS). Jedná se o rezervaci výkonu na elektrárenských blocích na základě smluv s jednotlivými dodavateli nebo výrobci elektrické energie. Tento výkon musí ČEPS nakupovat, protože ze zákona nesmí vlastnit žádné zdroje elektrické energie. Využívány jsou především konvenční zdroje elektrické energie (uhelné a plynové elektrárny).
PpS tak přispívají k zajištění odpovídající kvality dodávek za (splnění parametrů frekvence a dalších parametrů) neboli systémových služeb (SyS). Obtížná predikovatelnost a volatilita výroby z větrné energie nároky na rezervaci regulačního výkonu pro PpS automaticky zvyšuje. Důsledkem toho je i nárůst cen tarifů a zdražování systémových služeb pro konečného zákazníka. Nárůst cen tarifů je úměrný velikosti instalovaného výkonu VtE (PiVtE) do elektrizační soustavy. Ze současných 150 MW by instalovaná výkon ve větrných elektrárnách v roce 2012 měla dosáhnout hodnoty cca 1 000 MW. Do roku 2050 by pak mohl být v ČR instalován výkon až 2500 MW ve větrné energii. Analýzy ČEPS nicméně ukazují, že již integrace VtE v objemu nad 300 MW PiVtE si vyžádá významné navýšení potřeb PpS, převážně v záporných regulacích. Jde o regulace sloužící pro snížení vyráběného elektrického výkonu v ES, který není možné v soustavě spotřebovat.
Velcí výrobci a spotřebitelé energie jsou finančně motivováni udržet závazné diagramy výroby a spotřeby prostřednictvím zúčtovacího systému. Pakliže se od nich odchýlí, jsou penalizováni za porušení tržních pravidel. Jako příklad lze uvést neplánovaný výpadek výroby z konvenčního zdroje. Jeho provozovateli je v takovém případě účtována cena za odchylku. To jej logicky motivuje predikovat, dodržovat svůj diagram výroby a spotřeby a případnou odchylku maximálně eliminovat prostřednictvím tzv. autoregulace (zvýšení výkonu na jiných blocích subjektu, zajištění elektrické energie na vnitrodenním trhu apod.).
Avšak výrobci větrné energie odpovědnost za odchylku, tj. rozdíl mezi predikcí a skutečnou produkcí elektrické energie, ze zákona definovanou nemají. Navíc jsou provozovatelé soustav, do kterých je jejich výkon vyveden – provozovatelé distribučních soustav a ČEPS jako provozovatel přenosové soustavy – legislativně povinni tento výkon vykoupit.
V případě jeho nevyužití však nemají právo s ním obchodovat, jelikož pro to nemají licenci. Pevná cena za výkup je stanovena a každoročně aktualizována Energetickým regulačním úřadem (ERÚ). Její výše garantuje návratnost investic do VtE do 15 let a činí je tak zcela bezrizikovými. Současný návrh novely energetického zákona již možnost odprodeje takto vykoupené elektřiny umožňuje.
Řešením by mohl být v ČR dosud nevyužívaný systém tzv. zelených bonusů, jenž by motivoval provozovatele VtE k prodeji vyrobené elektřiny jinému subjektu za tržní ceny. V současnosti je již zaveden v několika zemích EU a zkušenosti z těchto zemí dokládají, že kupujícími mohou být výrobci vlastnící velké portfolio elektráren, kterými mohou výrobu z VtE regulovat, nebo obchodníci s elektrickou energií. Cena takto vykoupené elektřiny je pak výrazně nižší, než cena za elektřinu z konvenčních zdrojů a rozdíl je provozovatelům VtE kompenzován právě prostřednictvím zelených bonusů.
ČEPS také po zkušenostech ostatních států se změnami v elektrizační soustavě, které přinesl právě rychlý nárůst výkonu z VtE, iniciovala založení Expertní skupiny k problematice větrné energie. Jejím cílem je analyzovat dopady větrné energie na českou elektrizační soustavu a navrhnout opatření usnadňující optimální integraci VtE na našem území.

Vítr z Německa
Minimálně v horizontu 3 let však bude pro ČEPS větším problémem než integrace VtE v ČR integrace VtE v severní části Německa, kde instalovaný výkon ve VtE v současné době dosahuje 23000 MW. Do roku 2020 však pláno-vané projekty větrných farem v moři, tzv. offshore parků, počítají s nárůstem o více než 30000 MW PiVtE.
ČR je totiž součástí synchronně propojeného bloku v rámci UCTE. Výhodou tohoto propojení jednotlivých přenosových soustav je vzájemná výpomoc provozovatelů v případě neočekávaného výkonového deficitu v jedné ze soustav prostřednictvím dodávky výkonu (funkce primární regulace frekvence). Nevýhodou je vzájemné ovlivňování provozu sítí kruhovými toky a přenosy výkonů – tranzity. Problémy s přetěžováním přeshraničních linek v důsledku přetoků elektrické energie z Německa již nastávají, jak jsme se měli možnost přesvědčit například v období 10. – 19. listopadu loňského roku. Tehdy větrné počasí
vedlo k velké výrobě v severoněmeckých větrných elektrárnách – kolísala v rozsahu 7 000 až 18 000 MW.
Zvýšená výroba způsobila velké rozdíly mezi sjednanými dodávkami a skutečnými fyzickými toky. 10. 11. 2008 k nám namísto sjednaného exportu ve výši 200 MW do Německa fyzicky přitékalo až 1 500 MW. Přenosové soustava ČR tedy odolávala neplánovanému náporu přibližně 1 700 MW, které musely protéci do zahraničí na jiných přeshraničních profilech. Tento jev, tzv. kruhový tok, způsobil extrémní zatěžování vnitřních vedení přenosové soustavy ČR. Opakovaně došlo k porušení kritéria N-1 hned na několika vnitrostátních linkách (vedeních 400 a 200 kV), jehož dodržování je důležitým parametrem bezpečného a spolehlivého provozu přenosové soustavy. Podle něj musí být i v případě selhání nejdůležitějšího prvku soustavy (elektrárny, vedení) zajištěn bezpečný provoz přenosové soustavy. Jeho neplnění mohlo zásadním způsobem ovlivnit kvalitu poskytovaných (systémových) služeb, případně vést k selhání části elektrizační soustavy ČR. Negativní zprávou je, že tyto situace budou nastávat čím dále tím častěji a to i s možností zásadnějšího dopadu na stabilitu přenosu a kvalitu služeb poskytovaných ČEPS. Z toho vyplývá zásadní prioritu pro ČEPS – okamžité zavedení systému aktualizace plánů rozvoje sítí. To se děje prostřednictvím implementace výstupů z projektů, které signalizují nejakutnější hrozby spojené se změnou potřeb po přenosu v Evropě.
V současnosti ČEPS používá jeden z omezených nástrojů pro řešení takovýchto situací (neplánované přetoky elektřiny z Německa způsobené neplánovanou výrobou z VtE) a tím je vnitrostátní redispatch. Jde o nástroj, který na základě snižování a navyšování výroby elektřiny ze smluvně zajištěných elektrárenských celků umožňuje částečnou změnu toků v soustavě. Při správném použití tohoto nástroje řízení soustavy je možné odlehčit určitou část soustavy (snížit zatížení jednotlivých elektrických vedení) a tím zajistit bezpečnější a spolehlivější podmínky pro provoz ES ČR.
Prognózy integrace větrné energetiky v offshore parcích v severní části Německa však na optimismu nepřidávají. Naopak dávají za pravdu scénářům, které počítají s rapidním zhoršováním podmínek dodržování bezpečného a spolehlivého provozu nejen soustavy české, ale i polské (PSE-Operator) a nizozemské (Tennet). V důsledku nestabilních dodávek také dochází ke snižování volné obchodovatelné přenosové kapacity na přeshraničních profilech a k omezování volného obchodu mezi státy i celými regiony.
Optimální centrální koordinace procesu integrace VtE tak, aby byl přínos VtE pro konečného zákazníka při současné eliminaci negativních faktorů integrace maximalizován, však neexistuje. Koncentrace v oblasti nedostatečné spotřeby navíc zvyšuje požadavky na přenesení výkonu z míst výroby do míst spotřeby. Ke zlepšení by měly přispět výsledky projektu EWIS (European Wind Integration Study) pod záštitou Evropské komise, sdružujícího 15 provozovatelů přenosových soustav včetně ČEPS. Jeho výstupy by měly vést k minimalizaci zmíněných rizik a snížení ekonomické zátěže pro konečného spotřebitele.
V současné době nicméně záleží na ČEPS (stejně jako dalších provozovatelích PS), jakým způsobem se situaci rozhodnou řešit. Jednou z možností, o které uvažuje např. polská strana je instalace phaseshifters, tj. transformátorů, kterými lze omezovat fyzikální toky elektřiny a tím zajistit hodnoty výměn elektrické energie, které více odpovídají obchodním tokům smluveným na přeshraničních profilech.
Jedná se o finančně i technicky nejschůdnější řešení problému přetěžování vedení. Na druhé straně tento koncept řešení nepřispívá k posilování tak deklarované ochoty EU vytvářet podmínky pro maximální mezinárodní spolupráci provozovatelů přenosových soustav. V situaci, kdy nejsou němečtí systémoví operátoři VE-T a E.ON schopni svůj problém v soustavě odpovědně řešit, se však stává stále reálnějším.
 

VtE jako příležitost i výzva
Větrná energetika přináší nové příležitosti pro celou Evropu. Na druhou stranu je však v důsledku nedostatečné koordinace naplňování cílů, jež si EU v energetice stanovila v oblasti ekologie, bezpečnosti dodávek a liberalizace trhu s elektřinou, v některých aspektech protichůdné. Limitům větrné energie je ovšem možné čelit přijetím vhodného souboru opatření, jejichž implementace umožní zajistit optimální integraci větrné energetiky nejen do energetického mixu ČR, ale i v rámci EU, tak aby byla v co největší možné míře minimalizována rizika pro bezpečnost přenosových soustav a přeshraniční obchod.
 

Wind power engineering provides for new opportunities for the whole Europe. On the other hand it is contradictory in some aspects due to insufficient coordination of accomplishing goals stated by the EU in power engineering in the area of ecology, electricity supply safety and market liberalisation. The limits of wind energy may be faced by adopting a proper set of measures and their implementation shall provide for optimal integration of wind energy not only into the Czech Republic energy mix, but also within the EU in order for the risk to be minimized in the maximum possible extent for the transmission system safety and trans-border trade. At present ČEPS utilizes one of the limited tools for solving such situations (unplanned electricity runoff from Germany caused by unplanned production from wind power plant) – it is the domestic re-dispatch. It is a tool which shall enable partial change of flow in the system based on decreasing and increasing electricity production from contracted power plant units. Under proper use of this tool, the system management may relieve a part of the system (decrease load of individual part of electric lines) and thereby ensure more safety reliable conditions for the electric system operation in the Czech Republic. The results of the EWIS project (European Wind Integration Study) should contribute to improvement, under the sponsorship of the European Committee associating 15 transmission system operators including ČEPS. Its outputs should lead to minimizing the above-mentioned risks and decrease in economic load for final consumer.

Ветряная энергетика приносит новые возможности для всей Европы. С другой стороны, однако, в результате недостаточной координации запланированные цели, которые ЕС в энергетике установила для области экологии, безопасности поставок и либерализации рынка с электричеством, в некоторых аспектах отличаются. Лимиты ветряной энергии можно рассмотреть, принимая соответствующий комплект мер, их применение позволит обеспечить оптимальную интеграцию ветряной энергетики не только в энергетический комплекс ЧР, но и в рамках ЕС так, чтобы как можно в большей степени были сведены до минимума факторы риска для безопасности систем переноса и торговли через границы. В настоящее время ЧЭПС применяет один из инструментов для решения таких ситуаций (незапланированные потоки электричества из Германии, вызванные незапланированным производством на VtE) и, тем самым, внутригосударственное перераспределение. Речь идет о мере, которая из-за снижения и увеличения производства электричества из договорных электростанций позволяет частично изменить поток в системе. При правильном применении этих мер по управлению системой можно облегчить определенную часть системы (снизить нагрузку отдельных электрических линий) и, тем самым, обеспечить безопасные и надежные условия для эксплуатации ЭС ЧР. К улучшению могли бы привести результаты проекта EWIS (European Wind Integration Study) под защитой Европейской комиссии, в которую входят 15 организаций, занимающихся системами переноса, включая ЧЭПС. Эти результаты должны были бы привести к минимизации указанных факторов риска и снижению экономической нагрузки для конечного потребителя.

Autor

• (red)