ENERGY NEST

Pro zvýšení energetické bezpečnosti

Autor: Ing. Ondřej Mamula, MBA, CIIRC ČVUT

Odstavení zdrojů elektrické energie spalujících fosilní paliva, tzv. dekarbonizace, a jejich náhrada zdroji šetrnějšími k životnímu prostředí, je jedním z racionálních kroků k omezení emisí skleníkových plynů, k  čemuž se průmyslové státy zavázaly na konferenci v Kjótu v roce 1997.

Podpůrné služby, které slouží k vyrovnávání přirozené fluktuace výkonu v elektrizační soustavě, jsou však dnes majoritně poskytovány právě odstavovanými fosilními elektrárnami. Obnovitelné zdroje jsou pro poskytování podpůrných služeb z technického pohledu nevhodné.

Cestou ze začarovaného kruhu může být oddělení dekarbonizace výroby elektřiny, kterou používáme ke svícení, vaření, průmyslové výrobě atd., od hledání náhrady za ztracené zdroje podpůrných služeb (PpS). Průkopníkem v oblasti nových zdrojů PpS je skupina DECCI a její projekt energetického hnízda Energy nest, na kterém se podílí i odborníci z CIIRC ČVUT. V katastru obce Vraňany nedaleko Mělníka od března probíhají stavební práce, na přelomu roku budou instalovány jednotlivé technologie a v polovině roku 2024 bude nový zdroj PpS certifikován a uveden do provozu.

Srdcem hybridního zdroje PpS Energy nest bude šest spalovacích turbín, každá schopná poskytovat elektrický výkon 5 MW. Turbíny označujeme jako aeroderivativní (AGT – aeroderivative gas turbine), protože mají kořeny v  leteckých motorech vyvinutých pro vojenské přepravní letadlo Lockheed C-130 Herkules. Turbíny nabízí velmi rychlý start a velkou dynamiku při regulaci výkonu. Palivem pro AGT je zemní plyn, jsou však připraveny na spalování vodíku.

Druhou klíčovou součástí budovaného zdroje bude bateriový systém akumulace elektrické energie (BSAE), který se v okamžiku uvedení do provozu stane s kapacitou 22 MWh a výkonem 20 MW největším bateriovým úložištěm v ČR. Rolí BSAE je překlenout prodlevu při startu AGT, tlumit krátkodobé fluktuace poskytovaného výkonu a poskytnout řídicím algoritmům čas pro rozhodování.

Třetí komponentou je odběrné energetické zařízení (OEZ), které umožňuje snížit úroveň nabití BSAE při dosažení limitních provozních parametrů. Kontejnerové provedení všech technologií snižuje nároky na terénní a stavební zásahy.

Provoz celého souboru výše popsaných samostatných energetických zařízení bude koordinovaně řízen pokročilými algoritmy na bázi strojového učení jako tzv. virtuální elektrárna. Na vývoji řídicích algoritmů spolupracují dvě skupiny z CIIRC ČVUT – Energetika (vedená autorem článku) a skupina Optimalizace (vedená Přemyslem Šůchou). Do vývoje se aktivně zapojili nejen kmenoví pracovníci, ale i studenti doktorského programu.

Vývojem digitálního dvojčete řízených technologií a mnoha experimenty s různými nastaveními řídicích algoritmů se nám podařilo ověřit základní principy řízení a následně optimalizovat dimenzi jednotlivých technologií. Díky našemu výzkumu skupina DECCI oproti prvotním očekáváním ušetřila zhruba 30 procent investičních výdajů.

Velkou výzvou při řízení v reálném čase je konflikt provozních a  ekonomických požadavků. Větší či menší nahodilost našeho odběrového chování, poruchy a výpadky výrobních zdrojů, závislost OZE na klimatických jevech (zejména větru a slunečním svitu), v budoucnu i rozvoj elektromobility, způsobují kolísavost zatížení energetické soustavy. Tyto fluktuace jsou obtížně predikovatelné, zároveň fyzikální principy výroby, přenosu, distribuce a spotřeby elektrické energie vyžadují, aby bilance v soustavě ČR byla v každém okamžiku vyrovnaná. Vyvíjené řídicí algoritmy proto musí garantovat kvalitu a dostupnost poskytovaných PpS i přesto, že je velmi obtížné požadovaný výkon, čas i délku jednotlivých aktivací PpS předvídat. Protichůdným požadavkem je minimální doba chodu AGT s cílem minimalizovat provozní náklady. Algoritmy při řízení v reálném čase zároveň zohledňují provozní stav BSAE a udržují optimální úroveň nabití.

Díky spolupráci se společností ČEPS jsme výsledky vývoje virtuální elektrárny mohli ověřit nad daty z reálného provozu energetické soustavy ČR a prokázat kvalitu a efektivitu našeho řešení. Nyní pracujeme na  převedení laboratorního prototypu řídicích algoritmů do podoby průmyslové aplikace, která bude v rámci ukázkové spolupráce průmyslu s akademickou sférou implementována do reálného provozu.

Řešení vyvíjené na  CIIRC ČVUT významnou měrou přispěje k dekarbonizaci české energetiky bez negativních dopadů na bezpečnost a spolehlivost.