Starego świata, opartego na stabilnych i sterowalnych jednostkach wytwórczych, już nie ma… Jest za to nowy świat, z nowymi wyzwaniami. Świat, w którym zmiany przepływów mocy następują w zawrotnym tempie. Czy smart grid pomoże Niemcom przetrwać zimę? – zastanawia się Piotr Grądzik, ekspert w zakresie bezpieczeństwa energetycznego, współpracownik BiznesAlert.pl.
Artykuły na temat inteligentnych sieci elektroenergetycznych często mają jeden wspólny mianownik: napisane są w czasie przyszłym. Ktoś „zamierza“ lub „planuje“ przetransformować własną sieć na smart grid. Wyróżnikiem niemieckich sieci przesyłowych w kontekście smart grid jest fakt, że można pisać o nich w czasie teraźniejszym.
Czym właściwie jest smart grid? Na przestrzeni lat zmieniało się rozumienie tego pojęcia. Kiedyś za smart grid uważano możliwość zdalnego odczytu liczników czy zdalne załączanie transformatorów i linii energetycznych. Dziś rolą smart grid jest przyjęcie do sieci jak największego wolumenu OZE, przy jednoczesnym zachowaniu stabilności systemu elektroenergetycznego.
Gniotsa nie łamiotsa
W epoce „przed OZE”, czyli zaledwie kilka, kilkanaście lat temu, operatorom sieci do planowania bezpiecznej pracy systemu wystarczał jeden scenariusz rozpływów mocy na zimę i jeden na lato.
System elektroenergetyczny zaprojektowano w taki sposób, aby był do bólu stabilny i …nudny. Osiągnięto to poprzez lokalizację elektrowni i odbiorców przemysłowych w miarę blisko siebie, dzięki czemu nie było potrzeby transferu dużych wolumenów energii na wielkie odległości. Co więcej, były to elektrownie konwencjonalne, a więc sterowalne. W razie potrzebny można było wydać polecenie elektrowniom i zmniejszyć lub zwiększyć moc generowaną w poszczególnych węzłach sieci. W tak dobrze przemyślanym systemie inżynierom dyspozycji mocy groziła śmierć z nudów.
„Good bye, Lenin!”
To tytuł filmu z 2003 roku w reżyserii Wolfganga Beckera. Akcja dzieje się w czasach upadku NRD. Bohaterka – działaczka komunistyczna – dostaje zawału, zapada w śpiączkę, a gdy się budzi, NRD już nie ma. Aby ochronić bohaterkę przed nadmiernym stresem, rodzina ukrywa przed nią prawdę, że za oknem jest już nowy świat.
A gdyby tak nakręcić film, w którym zamiast starszej pani, bohaterem byłby inżynier dyspozycji mocy sterujący systemem elektroenergetycznym? Zapadł w śpiączkę w 2011 i obudził się w 2022 roku. Co musielibyśmy przed nim ukryć, aby stan jego zdrowia nie pogorszył się drastycznie?
No cóż… Spośród siedemnastu reaktorów jądrowych zostały już tylko trzy, które także lada chwila bezpowrotnie znikną. Budowane wówczas nowoczesne bloki węglowe zostały przetopione na żyletki. Moc zainstalowana farm wiatrowych i fotowoltaiki, kiedyś traktowanych jak kwiatek do kożucha, dziś wynosi ponad 120 GW – to o wiele więcej niż maksymalne zapotrzebowanie Niemiec (ok. 80 GW). Starego świata, opartego na stabilnych i sterowalnych jednostkach wytwórczych, już nie ma…
Szklana kula – czyli smart grid w akcji
Jest za to nowy świat, z nowymi wyzwaniami. Świat, w którym zmiany przepływów mocy następują w zawrotnym tempie. Ogromny transfer mocy w kierunku północ-południe, a zaledwie po dwóch-trzech godzinach zmiana na kierunek wschód-zachód – to dzisiejsze realia, których nasz filmowy bohater nigdy nie widział. Jedynie czterogodzinny (np. od godz. 7 do 11) przyrost generacji fotowoltaiki w Niemczech (latem) pod względem potencjału pokryłby nawet z zapasem historyczne maksymalne zapotrzebowanie Polski. Ten potencjał w równie szybkim tempie znika w godzinach wieczornych. Wybudzony ze śpiączki inżynier na pewno zadałby pytanie: „skoro w systemie dominują niestabilne i niesterowalne OZE, to na pewno linie energetyczne są notorycznie przeciążone. Ile mieliście w związku z tym blackoutów w ostatnim czasie?”.
W odpowiedź, że jeszcze ani jednego, na pewno by nie uwierzył. Nie uwierzyłby, ponieważ spał przez 11 lat i przegapił rozwój smart grid.
Dziś, w systemie nasyconym OZE, także potrzebny jest jeden scenariusz rozpływów mocy, ale nie na lato i zimę, lecz na każdą godzinę doby! Po to, aby z wyprzedzeniem zidentyfikować nadchodzące przeciążenia w sieci i wdrożyć niezbędne środki zaradcze. Tylko skąd wziąć takie scenariusze?
Tu do akcji wkracza smart grid. W pierwszym kroku zbiera i przetwarza dane w sposób zautomatyzowany. Prognozy generacji OZE (dla każdego węzła sieci), grafiki pracy elektrowni konwencjonalnych, dane z giełdy energii, wymiana transgraniczna, dostępność infrastruktury przesyłowej – to tylko niektóre z niezbędnych danych.
Jednak surowe dane to jeszcze nie wiedza. To tylko bezużyteczne megabajty na serwerach. Potrzebne są programy i algorytmy zamieniające dane na konkretne modele sieci. Następnie na tych modelach dokonuje się obliczeń, aby niczym ze szklanej kuli odczytać, że np. za piętnaście godzin linie energetyczne A, B i C będą przeciążone odpowiednio o 30, 26 i 24 procent. Nazwy A, B i C zostały użyte oczywiście tylko na potrzeby niniejszego artykułu. Lista linii energetycznych, które rzeczywiście wymagały wdrożenia środków zaradczych, publikowana jest przez Bundesnetzagentur w corocznym raporcie. W 2021 roku lista zawierała aż 19 pozycji (Monitoringbericht 2022). Zaczerpnięte z raportu, zostały one przedstawione w formie graficznej poniżej.
Źródło: Monitoringbericht 2022, Bundesnetzagentur.
Dopiero te spodziewane/obliczone przeciążenia to wiedza. Wiemy co się stanie, gdy pozostawimy sytuację samą sobie i nie wdrożymy środków zaradczych. Aczkolwiek w tym miejscu nie kończy się zadanie smart grid. Wręcz przeciwnie, zaczyna się tu zadanie optymalizacyjne: obliczenie najbardziej efektywnych środków zaradczych, po których wdrożeniu żadna z linii przesyłowych nie będzie przeciążona w czasie rzeczywistym. Jednym z najważniejszych środków zaradczych jest tzw. redispatching, czyli zaniżenie generacji elektrowni w węzłach z nadwyżką mocy i jednoczesne zwiększenie generacji w regionie z jej deficytem. Drugim istotnym środkiem zaradczym jest redukcja generacji źródeł odnawialnych w węzłach z nadwyżką mocy. Koszt środków zaradczych jest niemały, bo według danych Bundesnetzagentur wyniósł prawie 2,3 mld euro w 2021 roku.
Sceptycy mogliby spytać: w czym więc tkwi siła smart grid skoro i tak trzeba ponosić tak wysokie koszty środków zaradczych? W tym, że inżynier ani nawet zespół inżynierów, bez wsparcia smart grid nie ma żadnych szans, aby sterować systemem z ponad 120 GW mocy OZE. To zbyt wiele danych do przetworzenia, zbyt wielka dynamika zmian. Dla człowieka oznacza to gwarantowane przeciążenie informacyjne już na starcie. Bez problemu natomiast radzą sobie z tym zadaniem odpowiednie algorytmy.
Wszystko w rękach… elementów wykonawczych
Smart grid pomaga operatorom sieci utrzymywać świadomość sytuacyjną. Dzięki nowoczesnym rozwiązaniom ruch sieciowy nie jest jazdą we mgle, a świadomą i zaplanowaną podróżą przez kolejne godziny doby oraz kolejne dni roku. Jest jednak pewna kluczowa kwestia, którą można przedstawić porównując działanie inteligentnego domu oraz inteligentnej sieci.
Przyjrzyjmy się scenariuszom: gdy na zewnątrz się ściemnia, smart home opuszcza rolety w oknach. Gdy samochód właściciela zbliża się do posesji, smart home otwiera bramę. Gdy przez pewien czas nikogo nie ma w pokoju, smart home gasi w nim światło. Powyższe scenariusze mają coś wspólnego: nie mogą być doprowadzone do skutku bez elementów wykonawczych. A więc na końcu łańcucha operacji na danych muszą znajdować się elementy wykonawcze: roleta, brama itd.
Nie inaczej jest w przypadku inteligentnych sieci energetycznych. Niezbędne są elementy wykonawcze, którym można przesyłać polecenia.
Najważniejszym elementem wykonawczym powinny być magazyny energii. W Niemczech jeszcze nie istnieją magazyny o mocy rzędu kilkudziesięciu lub chociaż kilkunastu gigawatów, przyłączone do sieci, którym smart grid może wydać dyspozycję ładowania/rozładowania. Trzymając kciuki za ich powstanie, przejdźmy czym prędzej do następnego akapitu.
Funkcję elementów wykonawczych pełnią dziś tradycyjne elektrownie, które potrafią zmniejszyć lub zwiększyć moc, gdy smart grid wyda takie polecenie. Problem w tym, że ciągle ich ubywa. Niewiele pomogą tu węglowe trupy z rezerwy, z których na zlecenie polityków pospiesznie zdjęto grubą warstwę kurzu i zsynchronizowano z siecią.
Źródła odnawialne także starają się być elementami wykonawczymi dla smart grid, ale są nimi tylko połowicznie. Redukcja generacji OZE na polecenie operatora sieci jest już chlebem powszednim. Ale nie da rady zwiększyć generowanej mocy farm wiatrowych, gdy nie ma wiatru. Podobnie jest z fotowoltaiką i słońcem.
Czy istnieją jeszcze jakieś elementy wykonawcze, za pomocą których smart grid może regulować przepływy mocy i bilans systemu? Tak. Odbiorcy energii.
W przyszłorocznym raporcie Bundesnetzagentur sprawdzimy, czy pojawiła się pozycja „zarządzanie popytem” i ile kosztowała.
Nie martwmy się zimą. Smart grid doskonale wie, co należy w danej sytuacji zrobić. Nie bez powodu jest smart.
