Nový unikátní hybridní zdroj pro zajištění výkonové rovnováhy

 Imperativ doby, kterým prochází současná evropská energetika, vysílá jasné a nepřehlédnutelné signály, směřující k postupnému odstavení uhelných elektráren a masivnímu nárůstu instalovaného výkonu (ale samozřejmě také ke stále se zvyšující výrobě) výroben elektřiny, založených na obnovitelných zdrojích (OZE). V ČR z OZE převažují fotovoltaické elektrárny, jejichž výroba je citelně závislá na povětrnostních podmínkách (zejména osvitu) a délce dne. Také jejich schopnost garantovat dodávku domluveného výrobního diagramu je složitá až nemožná bez akumulace elektrické energie a možnosti tuto energii vracet do elektrizační soustavy. Odstavení uhelných elektráren, které dnes zajišťují významnou část regulačních služeb pro provozovatele přenosové soustavy (dále označované jako služby výkonové rovnováhy, SVR), bude znamenat citelný pokles výkonu a dostupnosti těchto služeb. Některé evropské země si s Evropskou komisí vyjednaly tzv. kapacitní mechanismy, které umožňují placení provozovatelům uhelných elektráren za pohotovost najetí elektrárny. Udržování uhelných elektráren v tomto „pohotovostním“ režimu je však ekonomicky velmi náročné a najíždění těchto zdrojů je i zdlouhavé. Tato rezerva navíc nemusí být využitá. Česká republika takovou výjimku vyjednanou nemá, a je dále otázkou, zda by bylo vůbec vhodné podporovat tyto zastaralé technologie.

První vlaštovka

Takovými flexibilními zdroji, využitelnými pro služby výkonové rovnováhy, jsou zejména rychle startující plynové zdroje, technologie, které umožnují akumulaci elektrické energie, včetně přečerpávacích vodních elektráren, a v neposlední řadě i „virtuální bloky“ seskládané z menších zdrojů či spotřeb, sdružených v rámci agregačních bloků. Nové vodní přečerpávací elektrárny se budou v tuzemsku stavět jen komplikovaně, o agregačních blocích/agregátorech toho bylo již napsáno hodně.

Akumulace energie do vodíku má sice před sebou velkou budoucnost, nicméně z pohledu rychlosti výstavby a investičních nároků je v současné době žádána technologie bateriových uložišť. Je tedy nasnadě věnovat se novým technologiím zahrnujícím plynové zdroje a bateriová uložiště. Těch (s výjimkou zdrojů v rámci průmyslových areálů) máme v ČR málo, větší význam mají jen některé stávající a některé zvažované/budované paroplynové cykly, jejichž provoz je ale podmíněn odběrem tepla, jinak to nedává ekonomicky moc smysl. Proto se pro služby výkonové rovnováhy využívají relativně málo.

Plynové turbíny v kombinaci s bateriemi 

Prvotní myšlenka postavit „na zelené louce“ plynovou turbínu spolu s bateriovým úložištěm se zrodila v hlavách zástupců firem Decci před více než sedmi lety (primárně jako zdroj pro podporu sítě), nicméně vlastní realizace započala před cca čtyřmi lety a samotná výstavba trvala přibližně rok. V těsném sousedství rozvodny 110/22 kV, vlastněné společností ČEZ Distribuce, tak vznikl na domácí poměry ojedinělý zdroj, který nese označení Energy nest. „Koncepce Energy nest je založena na principu oddělení výroby elektrické energie a poskytování služeb výkonové rovnováhy. Energy nest lze rychle uvést do provozu ve chvíli, kdy je to potřeba, a jeho provoz je tak efektivní, ekonomický a udržitelný,“ popisuje výhody řešení József Maschek, ředitel Siemens Smart Infrastructure. „Význam hybridních zdrojů, jako je Energy nest, se stále zvyšuje s nárůstem podílu obnovitelných zdrojů na celkové výrobě energií. Do budoucna bude nezbytné dekarbonizovat jak výrobu energie, tak i zdroje poskytující služby výkonové rovnováhy. Díky skvělé spolupráci se skupinou Decci jsme měli možnost dokázat, že to jde,“ dodal.

Inovativnost řešení spočívá v kombinaci technologií, konkrétně šesti spalovacích turbín s celkovým výkonem 32,4 MW technicky odvozených od leteckých motorů a bateriového úložiště, které je s výkonem 20 MW největší v České republice. Tzv. hybridní zdroj je v současnosti schopen poskytnout jakoukoliv kombinaci služeb výkonové rovnováhy, jmenovitě zálohy pro automatickou regulaci frekvence (FCR), zálohy pro regulaci výkonové rovnováhy s automatickou aktivací (aFRR+) nebo zálohy pro regulaci výkonové rovnováhy s manuální aktivací (mFRR+) až do celkového výkonu 30 MW. V budoucnu se plánuje rozšíření služeb výkonové rovnováhy až na 52,4 MW, a to za využití stávajících technologií. „Zdroj Energy nest byl navržen tak, aby bylo možné v případě potřeby navýšit jeho kapacitu či ho jednoduše rozšířit o další komponenty, ať již jde o baterie, turbíny, či elektrolyzér na vodík. Jedná se o modulární a škálovatelné řešení, které v kontejnerovém provedení zabírá plochu pouhých 350 m2 z celkové rozlohy pozemku 1 ha. Energy nest vykazuje špičkové parametry dostupnosti a spolehlivosti a v budoucnosti se počítá i s možností výroby zeleného vodíku,“ vysvětluje Darina Merdassi, ředitelka skupiny Decci, a. s., a členka představenstva E.nest Energy, a. s., výhody Energy nest.

Siemens jako generální dodavatel

Veškeré práce v areálu celkově zabraly extrémně krátkou dobu 14 měsíců, společnost Siemens zde působila v roli generálního dodavatele. Odpovědností pracovníků Siemens tak byla celková koordinace jak projekčních, tak i realizačních prací, navržení a sledování harmonogramu všech činností a pochopitelně i úpravy těchto plánů vzhledem k odchylkám některých dodávek při výstavbě. Vzhledem k omezené ploše areálu musel být navržen i poměrně podrobný plán organizace výstavby. Dále se Siemens na dodávce podílel i několika klíčovými dodávkami – viz infobox. Kompletní technologii plynových turbín dodala společnost Centrax, samotné turbíny jsou od výrobce Siemens Energy. Baterie a výkonovou elektroniku dodala společnost SMA Altenso GmbH. Požadované parametry plynu (tlak, teplota) zajištuje technologie dodaná společností HUTIRA (je již připravena i pro vodíkové hospodářství) a nezbytné úpravy pro vyvedení výkonu v rozvodně 110 kV byly realizovány společností EQUANS.

Sofistikovaná koncepce celého hybridního zdroje zaručuje, že při výpadku jakékoli části technologie dojde pouze k omezení rozsahu služeb výkonové rovnováhy a nedochází k výpadku celého systému. Takto je i koncipován řídicí systém z dílny Siemens SICAM A8000, jehož široké komunikační možnosti umožňují zpracovávat více než 10 000 datových bodů z celého areálu různými komunikačními protokoly, a zajišťuje přenos informací na nadřazené systémy přenosu a distribuce energie ČEPS, ČEZ Distribuce a NET4GAS. Robustnost řídicího systému je zajištěna redundantním uspořádáním klíčových jednotek, které zaručuje vysokou míru spolehlivosti. V řídicím systému jsou integrovány algoritmy pro automatické řízení všech technologií jako jednoho celku tak, aby celkový výkon Energy nest splňoval podmínky pro připojení do distribuční soustavy a kvalitativní kritéria pro poskytování služeb výkonové rovnováhy. Řízení všech komponent je koncipováno tak, aby bylo autonomní a bezobslužné a je optimalizováno pro minimalizaci provozních nákladů a zároveň tak, aby veškeré technologie byly využívány rovnoměrně s ohledem na jejich výkonové zatěžování a opotřebení.

Na adaptaci řídicího systému pro domácí tržní prostředí se podílel i tým odborníků z Českého ústavu informatiky, robotiky a kybernetiky na Českém vysokém učení technickém v Praze pod vedením Ondřeje Mamuly. Ten k projektu uvedl: „Vývoj byl kompletně realizován na míru podle potřeb zadavatele. Vývoj základních principů řízení byl podpořen Technologickou agenturou ČR a spolupracovali na něm dva týmy. Pro ověření algoritmu jsme vyvinuli digitální dvojče, čímž jsme investorovi uspořili nemalé prostředky za testy, přičemž některé testy by v reálu ani nebyly proveditelné.“

ENERGY NEST

Hybridní zdroj Energy nest je sestaven ze šesti plynových aeroderivativních (na bázi leteckých motorů) turbín o výkonu 5,4 MW, které mohou spalovat až 30 % vodíku ve směsi se zemním plynem. Celkový instalovaný výkon zdroje činí 32,4 MW. Každá jednotlivá turbína, ale i všechny najednou jsou schopné najet ze studeného stavu do plného výkonu do cca 2 minut. Velkou výhodou tohoto řešení, kromě uvedené rychlosti najetí, je to, že na rozdíl od uhelných elektráren má tento zdroj v pohotovostním režimu (studený stav) vlastní spotřebu pouze v desítkách kW.

Druhou významnou součástí hybridního zdroje je bateriové úložiště o celkovém výkonu 20 MW a kapacitě 22 MWh, které se skládá ze sedmi samostatných bateriových jednotek, kdy střídače jsou společně s transformátorem a řídicí jednotkou umístěny na samostatném rámu (provedení „SKID“). Baterie jsou schopné reagovat do 2 sekund, a úložiště tak umožňuje poskytovat službu FCR (primární regulace frekvence). Baterie dále umožňují minimalizovat starty plynových motorů a snižují spotřebu plynu (nyní zemního plynu, v budoucnu i vodíku). Baterie je schopná se nabíjet a vybíjet výkonem 1C (výkon 1C znamená, že baterie o výkonu 1 MW a kapacitě 1 MWh se ze stavu úplného vybití do maxima nabije za 1 hodinu).

Jedna vlaštovka sice jaro nedělá, ale...

První středně velký plynový zdroj, doplněný největším bateriovým úložištěm v České republice s výkonem 20 MW je na světě, ale s ohledem na situaci na trhu bude zapotřebí podobných zdrojů postavit desítky, tak, aby se nám i do budoucna zachovala možnost mít stále v zásuvkách frekvenci 50 Hz při napětí 230 V. Dnes je sice trh se službami výkonové rovnováhy jednotný v rámci celé evropské synchronně propojené soustavy ENTSO-E, ale určitě je žádoucí, abychom si uměli problémy v naší domácí soustavě vyřešit domácími zdroji. To může být důležité i třeba v případech, že jiné soustavy budou v tu samou dobu řešit obdobné problémy a nebudou schopné přenést potřebný výkon k nám. Kdo také dokáže předpovědět, jaké nové výzvy nás v oblasti moderní energetiky čekají? V každém případě budoucnost je ve zmiňované flexibilitě, kterou nám pomáhají zajistit nové technologie a nová IT řešení. Proto se tu otevírá významná tržní příležitost pro výstavbu obdobných typů zařízení, jako je Energy nest, které jim prošlapalo trnitou cestu.