Energetické ostrovní systémy v ČR

O zabezpečeném napájení elektrickou energií toho bylo řečeno a napsáno poměrně hodně. Dnes neexistuje téměř žádný proces v průmyslu nebo jakákoli aplikace v soukromém životě, která nepoužívá elektrickou energii. Poptávka po elektrické energii roste rychleji než po jakékoli jiné formě energie ve všech částech světa – i v České republice.

Skutečnost, že stát je na jedné straně zodpovědný za bezpečnost obyvatel, a tedy i za spolehlivý provoz kritické infrastruktury ( závislé na dodávce el. energie), a na druhé straně jako majoritní akcionář firem, které jsou za dodávku el. energie zodpovědné ( ČEZ i ČEPS) má snahu o maximalizaci zisku, tvoří bezpečnostní mezeru. Zvětšení této mezery nad únosnou mez znamená porušení rovnováhy systému a snížení jeho provozní spolehlivosti. Navíc neustále rostoucí množství elektrické energie přenášené v elektrizační soustavě dosahuje k hranicím stability těchto již fungujících systémů. Výpadky v dodávce nebo dokonce menší poruchy jsou sice nepřijatelné, nicméně jsou stále pravděpodobnější. Dramatické události, jako jsou masivní výpadky proudu, které mohou odloučit celou zemi od dodávek elektrické energie, jsou jen vrcholem ledovce. Celým ledovcem je ve skutečnosti velký počet krátkých poruch, které přispívají k významným ekonomickým ztrátám. Nedávná studie provedená ve Spojených státech prokázala, že si nespolehlivé elektrizační soustavy vyžádají na nákladech 80 miliard dolarů ročně.

Graf MPO ukazuje predikci spotřeby elektrické energie v ČR ve třech variantách (referenční, nízká a vysoká)

Predikce budoucnosti spotřeby elektrické energie

Je třeba si nalít čistého vína: spotřeba elektrické energie už nikdy nebude klesat. Jde o to, aby pomocí úsporných opatření a energeticky nenáročných spotřebičů bylo zajištěno její optimální využití, a aby její spotřeba nerostla zbytečně prudce. Současně s rostoucí poptávkou rostou i nároky na spolehlivost elektrického napájení - i chvilková narušení způsobují obrovské ekonomické ztráty ( dokonce je statisticky prokázáno, že škody vlivem krátkodobých výpadků za určité časové období jsou celkově vyšší, než v případě ojedinělého blackoutu). Proto jsou vedeny diskuze, navrhována nová, moderní řešení a vytvářeny typové projekty - tzv. Inteligentní rozvodné sítě.

Elektrické energie nejenom pro světlo, ale i teplo

Ve stínu problematiky spolehlivé dodávky elektrické energie se poněkud vytratila skutečnost, že člověk ke svému plnohodnotnému životu potřebuje nejen světlo, komunikaci, dopravu ( tedy technologie, závislé na dodávce elektrické energie), ale nesmí mu být zima.

Zatímco rozvoji a spolehlivosti elektrorozvodné přenosové sítě je v České republice věnována velká pozornost a zatím jsme nezažili „opravdový blackout“, teplárenství jako obor bylo dlouhou dobu mimo jakoukoli koncepci a mnoho nechybělo, aby jednotlivé výrobní a přenosové technologie skončily roztříštěné v rukách zahraničních majitelů. „Tepelné blackouty“ nejsou sice časté, ale dochází k nim také ( například v říjnu 2009 v Jablonci nad Nisou).

Situace, kdy velkododavatelé tepla ( CZT) díky zastaralým technologiím a nízkým využitím paliva začali zvyšovat ceny nad mez respektovanou koncovým spotřebitelem, vedla k výstavbě lokálních výtopen, napájejících teplem menší celky (blok obytných budov, městská sídliště apod.). Tyto výtopny většinou spalují zemní plyn, v některých případech bioplyn. Paradoxně ke zvýšení ceny tepla z CZT přispěla i skutečnost, že díky masivnímu zateplování ( v současné době je v ČR zatepleno cca 50% stávajících obytných budov a nové objekty se staví téměř výhradně v nízkoenergetickém nebo pasivním standardu) musí teplárenské společnosti ředit fixní náklady do nižších nákladů variabilních, což opět zvyšuje cena za 1 MJ tepla.

I zásobování teplem v ČR směřuje k řešení, které je již několik let prezentováno v elektroenergetice jako tzv. Smart Grids. Jedná se o autonomní oblast, která, byť je napájena elektrickou energií z přenosové soustavy, je schopna i samostatného ostrovního provozu. Nejde jen o „odstřižení“ regionu od sítě ČEPS. Ostrovní síť totiž musí mít schopnost řídit vlastní zdroje energie a regulovat vlastní spotřebu. To vše vyžaduje rozsáhlou modernizaci v oblasti zdrojů energie, přenosu, měření spotřeby i u vlastních spotřebičů. Je třeba vyřešit problematiku „startu do tmy (black startu)“, v případě, že se systém nemůže při startu „opřít“ o přenosovou soustavu. Navíc se jedná i do značný zásah do soukromí spotřebitelů („o tom, kdy budu žehlit nebo prát, si rozhodnu sám!“). Proto je první praktická realizace celého projektu v ČR očekávána s nadějemi, ale i s obavami.

Energetické ostrovní systémy

Ostrovní systém není jednoznačným singulárním řešením pro budoucnost. Hlavním zdrojem elektrické energie v ČR bude vždy přenosová soustava ČEPS a systémové elektrárny, které jsou na ni připojeny. Soustava ČEPS je v současné době ( únor 2012) svými parametry plně dostačující ke kvalitnímu zásobování elektrickou energií. Rizika, které tuto stabilitu mohou v budoucnu ovlivnit, spočívají v narůstajícím podílu neregulovaných zdrojů v síti, a také v zapojení sítě ČEPS do evropského transferu elektrické energie. Zde se může projevit snad jediný „nedostatek“ sítě ČEPS, a sice skutečnost, že síť byla budována jako „československý ostrov“ pro tranzit ve směru západ-východ, zatímco v současné době začíná převládat mezistátní tranzit sever-jih. Významnou roli určitě sehraje vyšší transfer elektrické energie ze severovýchodních oblastí SRN do Bavorska. Tento handicap ČEPS rychle řeší stavbou tzv. příčných spojek.

Úskalí odběru elektrické energie z přenosové soustavy

Ekonomika odběru elektrické energie z přenosové soustavy má ale také svá úskalí. Zdravý selský rozum říká, že energie by se měla vyrábět tam, kde se i spotřebovává. Pohled na mapu sítě ČEPS, kdy většina systémových elektráren je na severovýchodě státu a jaderné zdroje na jihu, a naopak energeticky náročné regiony jsou na severovýchodě ukazuje, že náklady na přenos elektrické energie v ČR nebudou malé. K největším ztrátám dochází při odběru silové elektřiny ze sítě NN, tzn. v domácnostech a menších provozovnách, které nemají vlastní transformaci 22/0,4 kV.

Zjednodušeně lze říci, že z každé tuny uhlí, kterou nasypeme do kotle třeba v Tušimicích, jen 290 kg je zhodnoceno v elektřině u spotřebitele, ale 140 kg (polovina využitelného množství) se „ztratí“ během přepravy. A bezprecedentních je 540 kg uhlí, které ohřívají vzduch v chladicích věžích. Dá se vypočítat, že teplo ztracené v chladicích věžích elektráren by pokrylo potřebu tepla ve všech budovách ČR a ještě by zbylo. Proto většina budovaných nebo rekonstruovaných energetických zdrojů ( včetně dostavby JE Temelín a rekonstrukce JE Dukovany) počítá s využitím tepla pro velké městské aglomerace ( v uvedených případech České Budějovice a Brno, dále jsou v provozu přenosy tepla na trasách Temelín - Týn, Mělník - Praha, Sokolovská uhelná – Karlovy Vary a Nejdek, Poříčí - Úpice a Jánské Lázně, Opatovice – Pardubice, Lovochemie – Lovosice, Dětmarovice – Orlová a Bohumín a další.

Vyšší spolehlivost dodávky elektrické energie a tepla umožňuje nejen snížení vysokých nákladů a zlepšení kvality života, ale také má za následek pozitivní ovlivnění klimatu. Pokud elektrizační soustava může bezpečně předcházet a nebo stabilizovat poruchy v síti, pak tento systém bude vyžadovat méně fosilních elektráren k dispozici ve výkonové rezervě. To znamená nižší emise.

Generátory elektrické a tepelné energie BOOMEL® DUAL

Ostrovní generátory elektrické a tepelné energie (někdy je používán název Kogenerační jednotka) si našly své pevné místo v energetickém mixu ČR. A hledají se také cesty, jak pro výrobu elektrické a tepelné energie použít již stávající technologie, a nestavět za každou cenu kogenerační jednotky „na zelené louce“.

Mezi tyto technologie patří nouzové zdroje elektrické energie, vybavené dieselgenerátory. Tyto zdroje drtivou většinu svého života tráví „čekáním na blackout“ nebo krátkodobým testováním. Pokud elektrickou energii vyrábí, je teplo vznikající při spalování odvedeno ve spalinách nebo ve ventilačním vzduchu. V České republice a na Slovensku je instalováno několik tisíc záložních zdrojů, vybavených elektrocentrálami se vznětovým motorem.

Optimalizace nouzových zdrojů, která umožní jejich provoz v trvalém režimu při současné výrobě elektřiny a tepla, je předmětem Výzkumného projektu MPO v rámci programu „Trvalá prosperita“ od roku 2012. Výzkumné práce včetně ověření prototypů v praxi byly zahájeny již v roce 2011 na zařízení pod obchodním názvem BOOMEL®DUAL.

Základním principem generátoru elektrické a tepelné energie BOOMEL® DUAL je použití vznětového motoru jako pohonného agregátu, který mění energii v palivu na energii mechanickou při současném využití tepla ve spalinách a tepla vznikajícího při provozu motoru. Díky skutečnosti, že moderní vznětové motory ( ale platí to i pro některé modely z dřívější produkce ČKD) jsou schopny spalovat kromě standardní motorové nafty i alternativní kapalná paliva, včetně směsi s plynem, má generátor elektrické a tepelné energie BOOMEL® DUAL široké možnosti použití v energetice a teplárenství v komunální i průmyslové sféře.

Uvedených výhod bylo možné dosáhnout náhradou zážehového motoru, který se u kogeneračních jednotek obvykle používá, motorem vznětovým. Zážehový (plynový) motor má sice nižší provozní náklady ( zejména nižší cenu paliva, ale i delší servisní interval) ale je prakticky nepoužitelný jako operativní, regulovaný zdroj elektrické energie při proměnné zátěži.

Náhradou zážehového motoru vznětovým agregátem se otevírají zcela nové možnosti použití kombinované výroby elektrické a tepelné energie. Výroba elektrické a tepelné energie se totiž neomezuje jen na klasické výtopny, ale lze ji realizovat jako „vedlejší“ produkt při likvidaci odpadů. Příkladem může být residuum ( zbytkový kal) z čistíren odpadních vod, kdy i po prvotním vytěžení bioplynu zůstává v laguně velké množství energeticky využitelného materiálu v kapalné i plynné fázi.

Generátor elektrické a tepelné energie BOOMEL® DUAL se i významně podílí na zvyšování energetické bezpečnosti a nezávislosti objektů, obcí, měst a regionů. Současná situace v přenosové soustavě, kdy počet a výkon neregulovaných ( tzv. alternativních či obnovitelných) zdrojů je na hranici stability, vede provozovatele přenosové soustavy k instalaci nových regulovaných zdrojů. To jsou energetické zdroje, které lze podle okamžité potřeby nastartovat a připojit do rozvodné soustavy, to vše v čase několik sekund. A to umožní právě ( a pouze) generátory na bázi vznětových motorů. Příkladem může být instalace 3 nouzových generátorů o výkonu 32 MW

Další využití generátoru elektrické a tepelné energie BOOMEL® DUAL je při vykrývání energetických špiček. Uživateli stačí sjednat nižší odběrový limit a krátkodobé navýšení spotřeby ( v rozsahu několika hodin denně) zajistit vlastním zdrojem.

Právě proto je instalace energetického zdroje BOOMEL® DUAL zajímavá pro menší a střední obce, nemocnice, školy, bytové domy ( bytová družstva), firmy.

Použité prameny:

1. Beneš, Ivan : Tisková zpráva CityPlan 15.9.2011
2. Technický týdeník 25/2011 : Decentrální výroba elektřiny
3. Haluza.M., Macháček, J. : Inteligentní rozvodné sítě, VUT Brno, vč. diskuse na TZB-Info.
4. Hüner, T.: Možnosti podpory investic s ohledem na naplňování cílů české energetické politiky, konference E15 6.5.2011 Praha
5. Berst, J. : Why the smart grid industry can't talk the talk. Smart grid news. 2009, viz též pramen (3)
6. Firemní materiály Phoenix-Zeppelin, spol. s r.o.

Ing. Karel Kuchta, CSc.,