Technické a fyzikální limity nových ambiciózních plánů progresivního rozvoje v energetice

Transkript

1 Technické a fyzikální limity nových ambiciózních plánů progresivního rozvoje v energetice doc. Ing. Karel Noháč, Ph.D. Katedra elektroenergetiky a ekologie Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni pro XXVIII. SEMINÁŘ ENERGETIKŮ hotel Harmonie Luhačovice, Luhačovice, 24. ledna 2018

2 Obsah příspěvku Představení některých potencionálních střetů nových technologií a jejich ambiciózního neuváženého prosazování s hranicemi technických fyzikálních možností. Technické problémy vznikající na základě těchto rozporů. Dopady na další rozvoj v energetice v kontextu proveditelnosti a ekonomiky. 2/23

3 Se zaváděním nových technologií: Obnovitelné zdroje elektrické energie (OZE) Distribuovaná výroba včetně virtuálních elektráren Smart technologie ve výrobě, přenosu, distribuci i spotřebě Se BĚŽNĚ spojují následující problémy: Nutnost sofistikovanějšího plánování výroby vzhledem k nestabilitě, nízké spolehlivosti a špatné předvídatelnosti dodávek obnovitelnými zdroji Potřeba zajistit nadstandardní operativní výkonovou zálohu tradičními zdroji netrpícími neduhy OZE Požadavek na vybudování nebo alespoň přizpůsobení konektivity ke zdrojům pro roztroušenou výrobu 3/23

4 Se zaváděním nových technologií Se MÉNĚ ČASTO spojují následující problémy: Mohutné i nadnárodní přetoky energie způsobující přetížení koncepčně nepřipravených linek a nové úkoly pro dispečery řízení. Přetoky jsou určené Kirchhoffovými zákony a změna jejich podmínek je možná pouze úpravou parametrů přenosových pojítek (zatím pouze PST). Zajistit při podmínkách dle konceptu distribuované výroby bezpečnost beznapěťovým stavem pro údržbu a revize silových zařízení. 4/23

5 Se zaváděním nových technologií Se OBVYKLE NESPOJUJÍ spojují následující problémy: Stabilita velikosti a parametrů dodávek elektřiny většiny obnovitelných zdrojů nemá žádnou samozřejmou principiální akumulaci pramenící z fyzikálního principu fungování a z ní vyplývající pozitivní setrvačnost a následnou stabilitu při malých rychlých výkyvech spotřeby a ostatních výrobních jednotek. 5/23

6 Stabilita v elektrizační soustavě Časový rozsah dílčích stabilit v elektrizační soustavě [Ing. Karel Máslo, CSc. a kol.: Řízení a stabilita elektrizační soustavy] 6/23

7 Stabilita v elektrizační soustavě Časový rozsah dílčích stabilit v elektrizační soustavě [Ing. Karel Máslo, CSc. a kol.: Řízení a stabilita elektrizační soustavy] 7/23

8 Stabilita v elektrizační soustavě Dlouhodobá koncepce za jištění energetických zdrojů Plán výroby na den, týden, Vyráběný činný výkon na úrovni propojených ES a dílčích ES Odhady globální spotřeby v širokém časovém horizontu Předpověď zatížení elektrizační soustavy Globální spotřeba EU a národní spotřeba. Okamžitá výroba Okamžitá spotřeba Pro Stabilitu soustavy, tedy rovnováhu vyráběné a spotřebovávané energie platí zákon zachování energie například v podobě prvního termodynamického zákona 8/23

9 Stabilita v elektrizační soustavě Dlouhodobá koncepce za jištění energetických zdrojů Plán výroby na den, týden, Vyráběný činný výkon na úrovni propojených ES a dílčích ES Odhady globální spotřeby v širokém časovém horizontu Předpověď zatížení elektrizační soustavy Globální spotřeba EU a národní spotřeba. Okamžitá výroba (činný elektrický výkon v MW) Hodiny - najíždění bloků Minuty - regulace kotlů Vteřiny - reg. turbín, generátorů Zlomky vteřin - samoregulace Okamžitá spotřeba (spotřebovávaný výkon v MW) Hodiny - diagram zatížení Minuty Vteřiny Zlomky vteřin - poruchy 9/23

10 Stabilita v elektrizační soustavě Dlouhodobá koncepce potravinového zajištění planety Plán výroby potravin na den, týden, Produkce potravin v EU a jednotlivých zemích Odhady globální spotřeby v širokém časovém horizontu Předpověď spotřeby potravin Globální spotřeba EU a národní spotřeba. Okamžitá výroba (činný elektrický výkon v MW) Hodiny - běžné potraviny a tuky Minuty - spotřeba cukrů Vteřiny - glukóza, kofein Zlomky vteřin - adrenalin Okamžitá konzumace (spotřebovávaný výkon v MW) Hodiny Minuty Vteřiny Zlomky vteřin - stres, šok 10/23

11 Se zaváděním nových technologií Se OBVYKLE NESPOJUJÍ spojují následující problémy: Stabilita velikosti a parametrů dodávek elektřiny většiny obnovitelných zdrojů nemá žádnou samozřejmou principiální akumulaci pramenící z fyzikálního principu fungování a z ní vyplývající pozitivní setrvačnost a následnou stabilitu při malých rychlých výkyvech spotřeby a ostatních výrobních jednotek. Kinetická energie alternátorů: W = 1 2 W = 1 2 m v2 J ω2 F = m dv dt M = J dω dt P = M ω Pro výkon platí zákony zachování energie a 2. Newtonův zákon. 11/23

12 Se zaváděním nových technologií Se OBVYKLE NESPOJUJÍ spojují následující problémy: Stabilita velikosti a parametrů dodávek elektřiny většiny obnovitelných zdrojů nemá žádnou samozřejmou principiální akumulaci. Řešením je pouze akumulace dodatečně podpořená spolehlivým, rychlým a sofistikovaným regulačním systémem. 12/23

13 Při současném působení negativních faktorů je systém: S proměnlivým, nepředvídatelným výkonem bez setrvačnosti a obvykle i bez možnosti účinné akumulace jeví JAKO: Dopravní provoz, v němž se vyskytují vozidla, která: Mají nezávisle na řidiči proměnlivý výkon motoru. Téměř nelze předvídat výpadky jejich motoru. Provedení je extrémně lehké, takže výkyvy pohonu mají přímý chaotický důsledek na pohyb vozidla. Řidič nemá nainstalovaný plynový pedál, popř. není legislativní nástroj donutit jej aktivně řídit. Taková vozidla jsou roztroušená v celé dopravní síti. Je nutné k nim dodatečně vlastnit, udržovat provozuschopné a v pohotovosti záložní vozidlo v blízkosti jejich výskytu. 13/23

14 Při současném působení negativních faktorů je systém: S proměnlivým, nepředvídatelným výkonem bez setrvačnosti a obvykle i bez možnosti účinné akumulace jeví JAKO: Řízení koňského spřežení, kde některé koně: Jsou čas od času, nebo stále splašené. Téměř nelze předvídat kdy ke splašení dojde. Povoz je extrémně lehký, takže výkyvy tahu spřežení mají přímý chaotický důsledek na pohyb vozu. Splašený kůň nemá pevné otěže, popř. není dovoleno uplatnit na něj prrrrrrr. Na každého takového koně je nutné dodatečně vlastnit, opečovávat a mít připravené na zapřáhnutí záložní koně. 14/23

15 Se zaváděním nových technologií Se OBVYKLE NESPOJUJÍ spojují následující problémy: Potřeba nadstandardně vybudovat silová zařízení a řídící systém pro udržování mezních napěťových poměrů na sběrnicích a na linkách tak, aby vše bylo připraveno pro obousměrné toky energie a jejich značně proměnnou velikost. Toto se týká toků jak činných, tak i často opomíjených toků jalových výkonů. P = U 1U 2 X Q = U 1U 2 sin α 12 [MW] X cos α 12 U 2 2 X [MVar] U ~ P, Q napětí ~ tok výkonu tlak ~ průtok Pro uvedené vztahy platí zobecněný zákon Ohmův. 15/23

16 Se zaváděním nových technologií Se OBVYKLE NESPOJUJÍ spojují následující problémy: Potřeba nadstandardně vybudovat silová zařízení a řídící systém pro udržování mezních napěťových poměrů na sběrnicích a na linkách tak, aby vše bylo připraveno pro obousměrné toky energie a jejich značně proměnnou velikost. Toto se týká toků jak činných, tak i často opomíjených toků jalových výkonů. Elektřina frekvence, fáze P = U 1U 2 X sin α napětí tok výkonů 12 [MW] napětí činný výkon U ~ P, Q Q = U 1U 2 X cos α 12 U 2 velikost 2 napětí jalový výkon X [MVar] Tekutiny tlak průtok Pro uvedené vztahy platí zobecněný zákon Ohmův. 16/23

17 Se zaváděním nových technologií Se OBVYKLE NESPOJUJÍ spojují následující problémy: Potřeba nadstandardně vybudovat silová zařízení a řídící systém pro udržování mezních napěťových poměrů aby vše bylo připraveno pro obousměrné toky energie. tlak ~ průtok 17/23

18 Se zaváděním nových technologií Se OBVYKLE NESPOJUJÍ spojují následující problémy: Potřeba nadstandardně vybudovat silová zařízení a řídící systém pro udržování mezních napěťových poměrů aby vše bylo připraveno pro obousměrné toky energie.?? tlak ~ průtok 18/23

19 Opět při současném působení negativních faktorů je systém: S proměnlivými, nepředvídatelnými toky výkonu JAKO: Organismus, v němž se: Proměnlivě podílejí na tlaku a směru toku různě velká roztroušená srdce měnící svoji sílu a polohu (v kontextu elektroenergetiky distribuované výrobny). Musí připravit celý systém pro mnohem vyšší hladiny průtoků činného (popř. i jalového) výkonu, než je odpovídající místní spotřeba nebo potřebný přenos (mnohem vyšší instalované výkony transformátorů a přenosových kapacit vedení). Přesto se dá předpokládat vznik míst s rozdílným tlakem a potencionálními kritickými stavy mdlob či infarktů (beznapěťové stavy a nebezpečná přepětí). 19/23

20 Důsledky a dopady aplikace nových typů technologií S přihlédnutím k těmto negativním předpokladům zvláště v jejich součinnosti bychom mohli bez dalších protiopatření OČEKÁVAT: Mnohonásobné časté rozpady soustavy na dílčí ostrovní teritoria s omezenými možnostmi zajištění spolehlivosti a kvality dodávek. Rozpady jak na úrovni Evropské UCTE, tak národní i regionální. Výkyvy parametrů kvality elektřiny, zejména velikosti napětí. 20/23

21 Závěry V případě pokračování nastartovaného rozvoje nových technologií a trendů v energetice je třeba počítat s následujícím: Bude nutné vyvinout, technologicky zvládnout a instalovat řídící a chránící systémy zcela nových kvalitativních rozměrů ve všech oblastech výroby, přenosu, distribuce i spotřeby elektrické energie. Vynucením enormního výkonového navýšení kapacit opět ve všech zmíněných oblastech ES při snaze dodržet obdobnou úroveň spolehlivosti jako v současnosti, zvláště pak s ohledem na požadované navyšování kvality. 21/23

22 Závěry V případě pokračování nastartovaného rozvoje nových technologií a trendů v energetice je třeba počítat s následujícím: Instalace silových vybavení nového typu (nestačí smart ) umožňující řešit nové podmínky (transformátory regulační, popř. typu phase-shift, akumulace energie, kompenzace jalového výkonu, ). Posílením odolnosti systému na negativní dopady (navýšení izolační úrovně, připravenost spotřebičů na výkyvy, ). V souvislosti s tím vším navýšení nákladů investičních i provozních. 22/23

23 Děkuji za pozornost Příspěvek konference vznikl za podpory projektu SGS /23