Integrace rozptýlené výroby do sítí zkušenosti a nové výzvy

Transkript

1 Integrace rozptýlené výroby do sítí Přednáška XXVIII. Seminář energetiků Luhačovice, Ing. Milan Krátký, Ph.D. EGÚ Brno, a.s.

2 Úvod EGÚ Brno, a. s. Sekce Provoz a rozvoj elektrizační soustavy 2

3 Úvod Jak chápeme rozptýlenou (či decentrální) výrobu: Rozptýlená výroba není nový fenomén, stála již u zrodu elektroenergetiky. Díky postupnému vývoji bylo fungování decentrální energetiky z naprosté většiny hledisek synergické. Za rozptýlenou výrobu byly dříve považovány především vodní a konvenční zdroje vyvedené do distribučních sítí. Postupem času došlo v soustavě k celkové převaze centrálních zdrojů jak na úrovni instalovaného výkonu, tak z hlediska vyrobené energie. Až s větším nástupem nových typů obnovitelných zdrojů (po 2010) došlo k posunu chápání decentrální výroby a došlo také k problémům s jejich integrací do sítí. 3

4 Po dlouhou dobu byly instalace nových typů (např. FVE, VTE) obnovitelných decentrálních zdrojů spíše kuriozitou. K zásadní změně došlo v letech 2010, 2011, kdy kvůli nevhodně koncipovanému systému podporovaných výkupních cen došlo prakticky ke skokovému navýšení instalovaného výkonu fotovoltaických elektráren o 2000 MW. V současnosti mají FVE největší podíl ze všech obnovitelných decentrálních zdrojů, předpokládá se, že tomu tak bude i nadále. Vzhledem k současné úrovni podpory celkový instalovaný výkon FVE v ČR stagnuje, ale je jen otázkou času, kdy s poklesem cen technologií či nových pobídek bude dosažena rozumná míra přirozené návratnosti a dojde k přirozenému opětovnému dalšímu růstu instalací. Do sítí nízkého napětí byl instalována malá část výkonu FVE, naprostou většinu instalovaného výkonu v současnosti tvoří fotovoltaické farmy do hladiny vn. 4

5 2500 MW Pinst DECE dle typu a napěťové hladiny (2016) 2000 MW 1500 MW 1000 MW 500 MW 0 MW Biomasa Bioplyn a skládk.plyn BRKO FVE VTE MKG VE (bez PVE) Geotermální nn vn 110 kv 5

6 6

7 Technická omezení pro připojení DECE do distribučních sítí Konkrétní podmínky pro připojení decentrálních zdrojů jsou dány dokumentem Pravidla provozování distribučních soustav (PPDS), Příloha 4. V průběhu solárního boomu byly Pravidla precizována tak, aby zamezila instalaci zdrojů v měřítku, které by způsobovalo lokální technické problémy s dopadem na ostatní uživatele distribuční sítě. PPDS stanovují celou řadu kritérií, které je třeba před připojením DECE prověřit a splnit. Jako zásadní se ukázala problematika kolísání napětí a jeho absolutní hodnoty. Připojená výrobna DECE zvyšuje napětí v místě připojení. V mnoha případech byly a jsou tyto změny ve velikosti, která připojení do stávající distribuční sítě neumožňuje. Praktickým současným řešením těchto problémů na úrovni NN je zkracování vývodů spojené s rozšířením transformačních stanic VN/NN nebo přechod na větší průřezy rozvodů NN (kabelové). Vyvádění zdrojů větších počtů a výkonů do sítě nízkého napětí může být problematické i z hlediska stávající koncepce řízení napětí. 7

8 Technická omezení pro připojení DECE (2) Zdroje DECE vyváděné do VN byly obvykle instalovány na stávající vývody. V situacích, kdy by bylo připojení nevyhovující, docházelo k realizaci samostatných vývodových vedení VN až přímo do tvrdého bodu sítě (vazby na systém 110 kv). Odděleným vyvedením mimo distribuční síť 22 kv do napájecího bodu byla eliminována většina potencionálních nepříznivých vlivů. Místo s vazbou na systém 110 kv je totiž posledním místem sítě, které má přímou možnost operativního řízení napětí odbočkami transformátoru. Výhodou velkých parků (vyplývá z PPDS) je možnost řízení jalového výkonu a v mimořádných situacích i činného výkonu, ze strany dispečera distribuční soustavy. Toto umožňuje zapojit tyto zdroje bez nadměrných nákladů do řízení provozu sítě. Pozn. Kromě výše zmíněných opatřeních v DS pro připojování DECE se v budoucnu předpokládá využití i dalších opatření založených na nových technologiích (např. autonomní řízení DECE v DS). Tyto přístupy se v současnosti u PDS prověřují.. 8

9 Úbytky napětí v distribuční síti Zdroj: Ing. Martin Kašpírek, Ph.D., EON Distribuce 9

10 Výhled rozvoje DECE do budoucna EGÚ Brno, a. s. Sekce Provoz a rozvoj elektrizační soustavy 10

11 Výhled do budoucna Aktualizovaná Státní energetická koncepce (ASEK) (MPO 12/2014) uvažuje s výrazným nárůstem podílu decentrálních obnovitelných zdrojů. Naprostá většina růstu instalovaného výkonu je ve FVE (5 884 MW), ostatní zdroje mají zastoupení výrazně nižší. Naprostá většina nových FVE zdrojů má být instalována na budovách a střešních konstrukcích a má být připojena do sítí nízkého napětí. ASEK FVE VTE VE Bioplyn Biomasa 11

12 Vymezení z ASEK ohledně umístění fotovoltaických zdrojů: Ochrana zemědělské půdy z hlediska dlouhodobé udržitelnosti vylučuje systematické využívání zemědělské půdy pro fotovoltaické zdroje. Potenciál je tak dán očekávanými parametry účinnosti nových technologií, rozsahem ploch střech a brownfieldů v ČR, jednotkovými parametry využití střech (daných sklonem střech a efektivním umístěním panelů na plochých střechách) a penetrací vyplývající ze způsobu využívání energie (zejména u rekreačních objektů s velmi nízkým využitím bude rozsah penetrace menší než u trvale obývaných objektů) V souvislosti s tím se předpokládá využití výhradně na střechách a jiných pevných konstrukcích budov, a to v rozsahu, v jakém to nevylučují důvody ochrany památek a jiná technická omezení. Očekávaný výkon FVE znamená využití nadpoloviční většiny dostupné plochy střech na rodinných domcích (> 50%) i průmyslových objektech (> 70%). Nepočítá se s rozšířením využitím FVE na zemědělské půdě, ale naopak k navrácení zemědělských ploch v případech, kdy bylo vyjmutí ze zemědělského půdního fondu pouze dočasné. 12

13 Pinst [MW] Pinst zdrojů NAP SG dle typu zdroje Zdroj: dle MPO 6/2017 (celkem MW) 4 000, , , , , , ,0 500,0 0,0 Předpokládaný instalovaný výkon zdrojů v roce 2040 dle NAP SG Pinst [MW] 3 700,0 Pinst zdrojů NAP SG dle členění RfG 1383 (celkem MW) A1 A2 B1 B2 C D 0 13

14 Instalace FVE do DS na úrovni nízkého napětí (NN) Negativa Z více důvodů jsou investiční náklady v současnosti na realizaci vyšší dražší než velkoplošné instalace FVE připojené do VN a 110 kv. (záleží co vše se zahrnuje) V závislosti na nastavení tarifního mechanismu bude bezdotační časová návratnost investice patrně horší než u velkoplošných instalací. Stávající sítě NN koncepčně ve velké části případů projekčně odpovídají stavu s čistě odběrnými místy. Postupem času probíhají úpravy sítí (kabelizace s vysokými průřezy kabelů), které umožní výrazné omezení úzkých míst na úrovni NN a připravují sítě NN na větší zastoupení decentrálních zdrojů. Jedná se však o velmi časově a finančně náročný proces pro distributory (stovky mld. Kč) s cílovým horizontem po roce 2050). Za současné situace se budou lokálně objevovat místa v síti, kde technicky nebude možné provozovat malé výrobny, u kterých bude přetok výkonu do sítě. V těchto případech bude nutné provozovat systém s nákladnou akumulací u FVE. 14

15 Instalace FVE do DS na úrovni nízkého napětí Pozitiva Umožňují vyrábět elektřinu přímo v místě spotřeby, výroba energie během špičkového dne však i u modelového systému s 3 kwp výrazně překračuje denní spotřebu běžného odběrného místa a překračuje i možnosti ekonomicky únosné akumulace. Jsou využita i jinak nevyužitelná místa budov. 15

16 Velkoplošné instalace FVE (do vn, či 110 kv) Negativa Špatná společenská pověst (viz. i citace ASEK) vzhledem k poměrům během solárního boomu. První pohled zabírají zemědělskou půdu nebo prostor, který nemůže být využit jinak. Nejedná se o maximálně decentralizovanou výrobu, místo má minimální vlastní spotřebu. Téměř 100 % výkonu využívá k přenosu dále distribuční nebo přenosovou soustavou do místa spotřeby. I v těchto případech je patrně nutné pro období s omezeným (zimní období) či žádným (noc) slunečním svitem počítat se zálohou (další zdroje, či akumulace). 16

17 Velkoplošné instalace FVE (do vn, či do 110 kv) Pozitiva Výkon větších výroben je takový, že ekonomicky opodstatňuje separátní vyvedení do distribuční sítě (z technického hlediska je to nutnost). Do extrému minimalizovatelné investiční náklady. Parky v DE se dostávají již v současnosti na bezdotační cenu blížící se tržní ceně silové elektřiny. V ne úplně vzdálené době lze čekat solární boom II. i v ČR. Druhý pohled zabrané území je velmi malé vůči vyprodukované energií a výkonu Většina technických záležitosti k FVE se odehrává mimo stávající zástavbu (stavba, údržba, bezpečnost, likvidace dožitých zařízení). 17

18 Porovnání celkové plochy s FVE a plochy s pěstovanou řepkou (2017) Řepka FVE 2000 MW 18

19 Porovnání současné plochy s FVE v ČR a plochy severočeských hnědouhelných dolů lom Bílina Lom ČSA FVE 2000 MW lom Vršany Pozn. Lomy Bílina, ČSA, Vršany zásobují přibližně 6000 MW zdrojů uhelných elekgtráren 19

20 Na současné ploše velkých FVE instalací na polích lze již při současné úrovni technologií a při moderní koncepci parku dosáhnout až trojnásobek instalovaného výkonu na jednotku plochy (vůči současnému stavu). Na ploše stávajících FVE parků lze tedy v budoucnu umístit výkon FVE, který odpovídá cílům ASEK. Dožití stávajících parků lze očekávat na horizontu Cena solárních panelů vytrvale klesá, dle Swansonova zákona přibližně o 10 % ročně. Trojnásobné navýšení instalovaného výkonu si u mnoha parků vyžádá změnu připojení. Možné je napojení na vyšší napěťovou hladinu (400,110 kv) nebo vyvedení dílčích částí parků do různých rozvoden VN. 20

21 Velkoplošné instalace budoucnosti EGÚ Brno, a. s. Sekce Provoz a rozvoj elektrizační soustavy 21

22 Velkoplošné instalace budoucnosti FR CESTAS Příklad FVE elektrárny Cestas Francie 300 MW (zprovoznění 12/2015) Inženýrský přístup k celému řešení, nová řešení, optimalizace ve všech směrech. V době solárního boomu byly instalovány panely o výkonu 170 až 200 W, v současnosti jsou dostupné panely o výkonu kolem 300 W (použity na Cestas). S klesající cenou panelů přestává být klíčové optimální směrování panelů (35 ), vodorovně ložené panely mají jen asi o 10 % horší zisk energie. Alternativní sklony panelů snižují špičky a zrovnoměrňují výrobu, což je pro soustavu příznivé. V době solárního boomu, bylo vzhledem k nutnosti existence obslužného prostoru pro přístup k panelům, dosahováno nízké využití plochy s instalací FVE. Elektrárna CESTAS má maximalizované využití plochy díky minimalizaci prostoru pro obsluhu. Založení konstrukce pro panely je u CESTAS realizováno výhradně zemními vruty, v budoucnu je možná rychlá a snadná demontáž a uvedení prostoru do původního stavu. 22

23 CESTAS v číslech Napojení na přenosovou soustavu 2x 140 MVA, 225 kv/ 33 kv. Úroveň instalovaného výkonu je 120 MWp/km 2, u parků v ČR MW/km 2 Celý park je rozdělen na úrovni VN na jednotlivé sekce (cca 12 MWp jedna), které se pak sbíhají k transformaci na PS, která je v areálu. Na stavbě použito zemních vrutů a 1 mil. solárních panelů. Rychlost instalace panelů byla 4 MWp / den. Náklady celkem 360 mil.eur, Vyráběná elektřina cca 105 EUR/MWh Očekávaná životnosti 20 let. 23

24 Cestas 300 MW celkový pohled 24

25 Cestas 300 MW organizace panelů 25

26 Cestas 300 MW stroj na poloautomatickou instalaci zemních vrutů (DGPS navigace) 26

27 Cestas 300 MW nízká přepravní sestava pro průjezd pod řadami panelů 27

28 Orientace panelů FVE Brno Tuřany (CZ) a Cestas (FR) vs. poměry v den letního slunovratu. 28

29 Integrace rozptýlené výroby do sítí, Míra decentrálního zásobování v el. soustavě EGÚ Brno, a. s. Sekce Provoz a rozvoj elektrizační soustavy 29

30 Míra decentrálního zásobování v elektrizační soustavě V současné době je elektrizační soustava provozována s limitním objemem akumulace (prakticky jen PVE). V naší soustavě je větší části využíváno synergie špičky výroby FVE a špičky spotřeby. Při výrazně vyšších podílech obnovitelných zdrojů dochází k výraznému zásahu do provozu pásmových zdrojů se všemi negativními důsledky. K podobné situaci již dnes dochází v Německu a v budoucnu k ní bude pravděpodobně docházet i u nás. V Německu jsou tyto situace v současnosti řešitelné pouze za využití regulačního potenciálu sousedních zemí. 30

31 31

32 32

33 Bilance územního celku s podílem FVE U veřejnosti (někdy i odborné) se často objevují nereálné představy o možnosti využití FVE pro zásobování určité oblasti. Vzhledem k poměrně nízké době využití FVE a hlavně vzhledem ke kumulaci výroby do úzkého časového pásma jde o záležitost problematickou z pohledu celkového využití energie či její akumulace. Na úrovni menších zdrojů v domácnostech je v současnosti provozně reálná akumulace na úrovni jednoho dne. V mezních případech například s elektromobilitou je teoreticky možná akumulace na úrovni jednoho týdne. V současnosti není tržně (a technologicky) dostupná technologie, která by umožnila mezisezonní akumulaci v potřebném měřítku. 33

34 Modelový případ využití velké FVE elektrárny pro aglomeraci Brna Varianta 1 Modelově byla zpracována situace, kdy by aglomeraci Brno napájela FVE o výkonu 300 MW. Výkonové a územní parametry odpovídají největšímu parku v Evropě - Cetas, Francie 300 MW. Rozloha parku je přibližně dvojnásobkem rozlohy jezerní části Brněnské přehrady (2,5 km 2 ). Instalovaný výkon zdroje pak přibližně odpovídá odběrové špičce Brna v roce Není zde zatím uvažována jakákoliv forma akumulace vyrobené energie. 34

35 Plocha FVE elektrárny 300 MW pro aglomeraci Brna modelový případ FVE 300 MW B R N O 35

36 P (MW) Integrace rozptýlené výroby do sítí, 350 Průběh bilance Brna pro 2. dubnový týden (velká výroba FVE) Bilance výchozí Bilance s 300 MW FVE 36

37 P (MW) Integrace rozptýlené výroby do sítí, 350 Průběh bilance Brna pro 2. lednový týden (malá výroba FVE) Bilance výchozí Bilance s 300 MW FVE 37

38 P (MW) Integrace rozptýlené výroby do sítí, 400 Čára trvání bilance Brněnské aglomerace Výchozí stav Stav s 300 MW FVE 38

39 Napájení aglomerace Brna z FVE modelový případ Varianta 2 Uvažována akumulace a plocha FVE pro plnou soběstačnost města. Akumulace uvažována jako ideální bez ztrát. Brno by bylo soběstačné při instalaci FVE 1750 MWp. Systém akumulace by musel být schopen pojmout výkon více jak 1000 MW. Sezonní akumulace by musela být extrémní 400 GWh, toto při současné úrovni akumulace odpovídá systému o velikosti přibližně lodních kontejnerů. Realizace sezonní akumulace pro jeden byt, při současné úrovni technologií, se rozměrově blíží velikosti samotného bytu. 39

40 Plocha FVE elektrárny 1750 MW 40

41 P (MW) Integrace rozptýlené výroby do sítí, 600 Čára trvání bilance Brněnské aglomerace Výchozí stav Stav s 1750 MW FVE 41

42 Závěr Postupný nárůst decentrální výroby v distribučních sítích je očekávatelný a nevyhnutelný. Nezodpovězenou otázkou zůstává míra decentralizace související s velikostí jednotek. Stále je a pravděpodobně v budoucnu pořád bude značně rozdílná investiční náročnost mezi malými a velkými jednotkami. Plošné nasazení malých jednotek koncentrovaných v jedné lokalitě může být problematické a nákladné z hlediska stávající podoby sítí nízkého a vysokého napětí. Pozn. Proti předpokladům ASEK (a NAP SG) se dnešní rozvoj FVE o něco opožďuje. 42

43 Děkuji Vám za pozornost EGÚ Brno, a. s. Sekce Provoz a rozvoj elektrizační soustavy 43