Úvod
O blackoute v Španielsku z apríla tohto roka sú už k dispozícii odborné analýzy. Príčina výpadku elektrickej energie bola komplexná a zahŕňa viacero faktorov – od slabého prepojenia s európskou sústavou, cez chyby v nastaveniach regulácií až po nadmerné zastúpenie obnoviteľných zdrojov (OZE) so zlou regulovateľnosťou. Zástancovia OZE budú hľadať vinu v nepripravenosti regulátora, odporcovia naopak v samotných obnoviteľných zdrojoch. Pravda bude najskôr niekde uprostred.
Nechcem sa však venovať detailnému popisu samotného blackoutu – ten je na internete ľahko dohľadateľný. Namiesto toho sa zameriam na jednu z ciest, ako podobným situáciám predchádzať – a pritom zachovať podiel OZE, ktoré majú nepochybne veľký potenciál.
Stabilita prenosovej elektrizačnej sústavy (ES) je zložitý problém, o ktorom vznikajú mnohostranové publikácie a dizertačné práce. Dopredu sa teda ospravedlňujem za nevyhnutné zjednodušenia. Mojím cieľom je, aby mal tento príspevok dosah aj medzi laikmi. Zameriam sa preto len na jednoduchý popis zdrojov, ktoré sa v elektrizačnej sústave bežne používajú, keďže ich technické parametre priamo ovplyvňujú stabilitu siete.
Alternátory – základ klasickej ES
Generátory striedavého napätia – alternátory – sú základným prvkom elektrizačných sústav od ich počiatkov. Alternátor je rotujúci stroj, ktorý premieňa kinetickú energiu na elektrickú. Delíme ich na turboalternátory a hydroalternátory. Hoci sú konštrukčne rozdielne, z pohľadu elektrických parametrov sú porovnateľné a umožňujú bezproblémovú paralelnú (synchronnú) prevádzku. Ako vyplýva z názvu, hydroalternátory sa používajú vo vodných elektrárňach, zatiaľ čo turboalternátory sú pripojené na turbíny poháňané parou, pričom zdrojom tepla môže byť spaľovanie paliva alebo jadrová reakcia.
Meniče a OZE – nové výzvy
Čo je menič v kontexte OZE? Je to zariadenie, ktoré premieňa elektrickú energiu s jednými parametrami na energiu s inými – prispôsobenými pre sieť. Napríklad fotovoltická elektráreň produkuje jednosmerné napätie a prúd, ktoré kolíšu v závislosti od osvetlenia. Úlohou meniča je premeniť túto energiu na formu vhodnú pre distribúciu – teda striedavé napätie a prúd s frekvenciou 50 Hz. Meniče sa ale používajú aj vo veterných turbínach, nie len vo fotovoltických elektrárňach.
Stabilita siete – čo to vlastne znamená
Stabilita siete je (veľmi zjednodušene) schopnosť sústavy zachovať rovnováhu po poruche alebo odchýlke. Sledujú sa frekvencia, napätia v uzloch, prúdy v prepojeniach, činné a jalové výkony zdrojov i spotrebičov. V každom okamihu musí výroba presne zodpovedať spotrebe – to zabezpečujú jednak fyzikálne vlastnosti zariadení, jednak riadené regulácie.
Fyzikálne vlastnosti sú dané typom zdroja – najmä tým, či ide o rotačný stroj (alternátor) alebo menič. Ich vplyv je zásadný a ďalej sa sústredím práve na tieto fyzikálne vlastnosti.
Regulácie sú potom riadené zásahy: delia sa podľa reakčného času na primárnu, sekundárnu a terciárnu (týkajú sa frekvencie), ďalej existujú napäťové regulácie a regulácie tokov medzi oblasťami.
Frekvencia ako hlavný ukazovateľ ES
Frekvencia klesá alebo stúpa v dôsledku veľmi krátkodobých (okamžitých) nerovnováh medzi výrobou a spotrebou – hoci v každom okamihu sa systém fyzikálne snaží tieto veličiny dorovnať. Regulácie sa snažia udržať hodnotu čo najbližšiu 50 Hz – a to zmenou buď výkonu generátorov (napr. zmenou pary do turbíny), alebo v niektorých prípadoch aj úpravou na strane spotreby.
Inerciálna odozva a rozdiel medzi alternátorom a meničom
Zameriam sa teraz na fyzikálne správanie systému – konkrétne inerciu, teda zotrvačnosť rotujúceho stroja, a na to, ako sa správa menič, ktorý ju nemá.
Alternátor Predstavme si situáciu, keď sa náhle zvýši odoberaný výkon – napríklad sa zapne veľký spotrebič. Skôr než zareaguje primárna regulácia, rotor alternátora automaticky dodá časť svojej kinetickej energie do siete (E = ½Jω²). Táto energia krátkodobo vykryje špičku a „podrží“ sústavu. Reakcia je okamžitá – nie preto, že by to niekto naprogramoval, ale preto, že to vyplýva z fyziky rotujúceho stroja. Samozrejme, energia je obmedzená a rotor sa začne spomaľovať – čo sa prejaví poklesom frekvencie. Tu nastupuje primárna regulácia, ktorá zvyšuje výkon.
GFL – bežné meniče OZE Bežné meniče, tzv. Grid-Following Inverter – GFL fungujú úplne inak. Ide o prúdové zdroje, ktoré sledujú sieť a dodávajú prúd, ale samy nič neurčujú. Nemajú vnútornú fyzikálnu zotrvačnosť – ak dôjde k zmene zaťaženia, nemajú z čoho „potiahnuť“ a ak prekročí odber ich možnosti, jednoducho sa odpoja. Nedokážu ovplyvniť ani frekvenciu, ani napätie, a nemajú schopnosť ostrovnej prevádzky či tzv. black-startu. Ich výhodou je nízka cena – a preto ich je dnes tak veľa. V súčasnosti je v podstate väčšina OZE vybavená týmto typom.
GFM – meniče novej generácie Existujú však aj meniče novej generácie – tzv. Grid-Forming Inverter (GFM). Tie dokážu tvoriť napätie, udržať frekvenciu a stabilizovať sústavu. Vedia simulovať zotrvačnosť rotora – pomocou algoritmov (napr. VSM – Virtual Synchronous Machine). Samozrejme, ak majú „potiahnuť“ výkon, musia mať pripojenú batériu alebo superkondenzátor ako zásobník energie. Navyše potrebujú výkonnejšie IGBT komponenty, čo zvyšuje cenu. Reakčný čas ale nie je nulový ako pri alternátoroch, je daný oneskorením riadiaceho algoritmu. Ale z pohľadu stability sú tieto meniče neporovnateľne lepšie ako GFL. Ich nasadenie je ale zatial minimálne - sú skór vo vývoji a v testovacích prevádzkach.
Záver
Zavádzanie OZE prináša výzvy pre stabilitu elektrizačnej sústavy. Väčšinu z nich však možno zvládnuť vhodnými technickými opatreniami. Áno, sezónne výkyvy alebo výpadky slnečného žiarenia tým neodstránime – no krátkodobú stabilitu systému vieme výrazne posilniť pomocou akumulácie a inteligentných meničov.
Pripájať do siete ďalšie lacné GFL meniče bez akejkoľvek regulačnej schopnosti je dnes hazard. To však neznamená, že obnoviteľné zdroje sú problém – naopak, spoločne s jadrovou energetikou ako základom sú vhodným doplnkom k energetike budúcnosti. Len potrebujú iný prístup, lepšiu technológiu a dôsledné pochopenie fyzikálnych princípov, na ktorých sústava stojí. No a hlavne, potrebujú od ideologizovať.
Podmienky na pripájanie nových OZE budú musieť byť prehodnotené – obzvlášť so zvyšujúcim sa podielom týchto zdrojov v celkovom energetickom mixe. Našťastie, riešenia existujú.
Zavádzanie modernejších systémov síce znamená vyššie investície na strane prevádzkovateľa, no s poklesom cien batérií aj výkonových polovodičov by sa meniče novej generácie – vybavené akumuláciou a regulačnými schopnosťami – mali čoskoro stať štandardom.
