přeskočit na hlavní obsah

Problematika řízení a využití větrných elektráren

/up/images/featured/images/problematika_rizeni_VE_0.png

Hlavním problémem větrné energie je to, co zároveň oceňujeme. Tedy, že je přírodní zdroj. Ta pak dělá čest svému jménu a nenechá se lidmi řídit. Prakticky si dělá co chce. A tak i elektřina jí generovaná se vyznačuje značnou proměnlivostí. To je prostě fakt a s ohledem na časté extrémní výkyvy počasí v posledním desetiletí nelze počítat s tím, že to bude lepší. I když dnešní moderní rychloběžné větrníky se synchronními nebo asynchronními generátory s měniči frekvence, proměnnými převodovkami a plně automatickou regulací částečně umožňují změny větru vyrovnat a minimalizovat tak jeho vliv na elektrickou síť, velmi proměnná generovaná energie stále dělá vrásky provozovatelům distribučních sítí. Jejich cílem je totiž zajistit maximální stabilitu napětí i množství činného a jalového výkonu.

Navíc v cestě k účinnějšímu využití větru nám stojí sama fyzika. Ta říká, že jím generovaná energie je úměrná 3. mocnině rychlosti. Tedy při malých rychlostech okolo 5 m/s, které jsou například v naší české kotlině obvyklé, je generovaný výkon i výtěžnost dost malá. Při vyšších rychlostech se to sice rychle zlepšuje, ale taková místa se v ČR moc nevyskytují a když ano, je tento vítr již dosti nestabilní a jím generovaný výkon také dost proměnný. Nejlepší využitelnost VE je při rychlosti vzduchu cca 7 až 12 m/s. V tomto směru mají jasnou výhodu země s přímořskými oblastmi jako Dánsko, Norsko, Polsko, Benelux, Anglie, Řecko a země s horami nebo rovnými planinami (Francie, Německo, Rakousko). Při hodně vysokých rychlostech větru nad 20 m/s (typu bouřka) již nelze větrník využívat s ohledem na jeho možné poškození a musí se odstavit a zabrzdit.

Již současné technologie umožňují na základě mnoha snímačů a výkonného řídicího počítače každého větrníku plně automatickou regulaci natáčení lopatek, celé gondoly nebo řízení převodu proměnné převodovky. Řídicí systém tvořený výkonným průmyslovým počítačem (IPC) a speciálními programovatelnými automaty (PLC) s napojenými snímači mnohokrát za sekundu vyhodnocuje výstupní výkon generátoru i parametry větru a pokud hodnoty začínají překračovat limitní stavy, okamžitě zasáhne. Tím umožňuje vyrovnávat a stabilizovat výkon přenášený na hřídel generátoru při malých výkyvech. Při poklesu poryvů větru opět regulátor nastaví parametry zpět. Neustále tak udržuje optimální geometrii lopatky v průběhu jedné otáčky, tedy maximální dosažitelný výkon elektrárny pro různé rychlosti proudění větru v odlišných nadzemních výškách nezávisle na teplotě a hustotě vzduchu. Toto je dosud nejpokrokovější způsob regulace výkonu, která však vyžaduje progresivní řídicí techniku a dynamické regulační pohony (tj. pohony lopatek, natáčení gondoly, brždění hřídele vrtule apod.). Například lze zmínit systémem OptiSpeed označovaný také jako VCS (Vestas Converter System), který zajišťuje stabilní výrobu elektrické energie větrné elektrárny na základě schopnosti rotoru pracovat s variabilním počtem otáček (8,2 - 14,9). V každém okamžiku provádí nastavení listů tak, aby byly vždy optimálně přizpůsobeny příslušným větrným podmínkám. Tento systém například využívá větrný park elektráren VESTAS V90 - 2,0 MW u obce Slavkov.

Z pohledu samotných regulačních pohonů se jeví jako ideální hydraulické systémy, pro které proti elektrickým verzím hovoří snadná rozpojitelnost řídicích prvků v případě nouzového vypnutí zařízení a také vysoká rychlost restartu systému již za několik sekund po odstranění poruchy či mezní situace. Navíc dovolují lépe vhodnou změnou otáček vrtule eliminovat vlivy nárazového větru či v zimě vznikající námrazy, které se projevují jako zvýšení zatížení či vibrace listů snímané čidly.

Nad automatikou VE pak dohlíží obsluha z dispečinku, která funkci monitoruje a je připravena zasáhnout v extrémních případech, se kterou si automatické systémy již sami neporadí. Provozní data se přenáší z řídicích počítačů větrníků prostřednictvím ethernetové LAN komunikace nebo bezdrátového přenosu prostřednictvím technologie WiFi nebo GSM/GPRS. Vzdáleně tak lze nejen generátor větrníku připojit či odpojit prostřednictvím elektronicky řízených tyristorových spouštěčů (softstartéry), ale i upravovat funkci, či záměrně plynule zvyšovat či snižovat jeho výkon frekvenčními měniči. Toho se například využívá v nočních hodinách, kdy záměrným omezením výkonu správným natočením listů vrtule lze snížit hlučnost VE pod zákonem požadovanou hranici 40 dB, aniž by bylo nutné elektrárnu odstavit. Stále je lepší vyrábět menší výkon, než žádný.

Problematika přebytku a nedostatku VE

Klíčovým problémem elektrické energie z VE je její akumulace, když je jí nadbytek a naopak její poskytování v době bezvětří. V případě malých mikrovětrníků, které poskytují pouze několik desítek či stovek wattů, lze přebytek elektřiny snadno jímat do akumulátorů (baterií). V případě megawattových elektráren to již samozřejmě není možné.

Ale kam potom s přebytečnou elektřinou? Bohužel na tuto otázku zatím lidstvo nemá zcela univerzálně vhodné řešení. Celá doposud vystavěná struktura elektrifikace a distribučních sítí je optimalizována na stejnoměrnou a trvalou dodávku elektřiny z uhelných či atomových elektráren, kterým tento režim provozu také vyhovuje. Např. současná regulace v ČR probíhá tak, že na každou hodinu je nasmlouvána přibližná spotřeba a produkce a podle toho se řídí funkce současných fosilních (plynových, uhelných) a atomových elektráren. Odchylky od ideálního stavu jsou regulovány vyčleněnými regulačními zdroji a větší neočekávané odchylky nebo výpadky jsou pak na základě požadavku dispečinku zajištěny tzv. terciální regulací vodními a záložními fosilními elektrárnami. Bohužel u OZE je jen velmi obtížné předem nasmlouvat výkony vzhledem k proměnlivosti zdrojů (větru či slunce), které zatím často nejsme schopni přesně předpovědět ani několik hodin dopředu. Musí se tedy vždy nepřetržitě regulovat celá dodávka, nikoliv jen odchylka od definovaných hodnot. Tím dochází k nadměrnému zatěžování přenosových sítí, zálohovacích i záložních zdrojů, snižování kvality sítě i neočekávaným výkyvům ceny elektřiny na trzích.

Jediným v současné době masivně využívaným systémem jímání velké nadbytečné elektřiny jsou přečerpávací vodní elektrárny. Tohoto tzv. hydroenergetického potenciálu využívá hlavně Norsko, Švédsko a Rakousko a k nim blízké země, které tyto prostředky nemají. Markantní je to například v případě Dánska, které má masivní zastoupení VE, ale prakticky žádnou vlastní regulaci. Využívá tak přečerpávacích elektráren Norska. V našem případě máme na našem území jen tři k tomuto účelu vhodné hydroelektrárny, což pro nějaké masivnější jímání energie nestačí a s ohledem na devastaci přírody spojenou s jejich výstavbou nelze vznik dalších již očekávat.

Proto ostatní země, například v rámci EU, využívají k regulaci spalování pevných nebo plynných paliv, jako jsou zemní plyn (např. Nizozemí a Belgie) nebo uhlí a biomasa (např. Polsko, Česká republika). Tyto zdroje totiž umožňují spojitou regulaci a relativně rychlé omezení výkonu či spuštění záložních zdrojů pro rychlé pokrytí výpadků (do 30 minut). Energetičtí giganti v podobě Německa a Francie pak využívají kombinace více zdrojů. Zatímco Francie reguluje pomocí atomových elektráren a hydroelektráren v poměru cca 1:3, Německo se mimo plynu a uhlí spoléhá i na pomoc celoevropské sítě a hydroelektráren v Rakousku. Atomové elektrárny jsou sice určeny pro ustálenou dodávku, ale v určitém rozsahu mají možnost regulace. To v případě jejich velkého počtu, jako je tomu právě ve Francii, poskytuje v tomto směru značné možnosti. I např. náš Temelín má certifikaci na tzv. primární a sekundární regulaci, ale zatím nebyla využita s ohledem na přítomnost snadněji řiditelných uhelných elektráren. Toho se může začít využívat v budoucnu, protože v rámci našeho území patrně nastane problém s řízením již při souhrnném instalovaném výkonu větrných elektráren nad 1200 MW.

Dalším možným řešením problému přebytku nejen větrné energie, byť silně omezeným, je dálkové nebo automatické lokální omezení vlivu větru na větrník prostřednictvím natáčení listů, celé gondoly či změny převodu převodovky. Tímto způsobem lze však vyrovnávat jen drobné kolísání rychlosti. V případě extrémních výkyvů pak lze z dispečinku jen provést rychlé odpojení větrníků od sítě nebo jejich případné úplné zastavení vestavěnou brzdou. Tím však drahocennou energii „vyhazujeme z okna" a hlavně každé připojování a odpojování elektrárny od ' sítě může vytvářet nežádoucí rušení. Snižuje se tak kvalita dodávané elektřiny, což vadí provozovatelům distribuční soustavy i nám odběratelům. Proto je každé připojení nebo odpojení VE náročná záležitost, i když nám dnes pomáhá elektronika (softstartéry, frekvenční měniče). Ta vhodnou změnou aktuálně generovaného výkonu, frekvence a fáze střídavého generovaného napětí umožňuje stále snadnější připojování do vysokonapěťové distribuční sítě. Z pohledu konstrukce větrníků se také začíná přecházet z doposud hojně využívaných asynchronních generátorů na rychloběžné synchronní typy, které jsou v tomto směru méně problémové.

Problematika jímání větrné energie

Odsuzuje tedy proměnný výkon VE pouze do role doplňkových zdrojů? Ne, pokud se tomu přizpůsobíme. Chce to však změnu myšlení a případně i další počáteční investice. Zaprvé asi není vhodné v masivním měřítku stavět VE podobně jako doposud elektrárny na fosilní paliva. Tedy velký výrobní výkon v řádu stovek MW na jednom místě. Zde je spíše vhodné větrné parky stavět na různých místech rozlehlého území a tak jejich výkon vzájemně kompenzovat vhodným řízením z centrálního dispečinku. To například dobře geograficky splňuje Česká republika, kde pro výrobu výhodná místa jsou skoro rovnoměrně rozložena po celém území a různé postupující fronty počasí by měnily výkon různých míst postupně. Navíc také většina vygenerované elektřiny může být spotřebována lokálně, městy a průmyslem v okolí příslušného zdroje. Nechme zde mimo fakt, že u nás nelze větrem vyrábět více jak cca 15 % současné spotřeby právě z důvodu slabého a nepravidelného proudění vzduchu vnitrozemského klima. Většinu energie tak musíme čerpat z jiných zdrojů. Také je pravděpodobné, že by se mohla úspěšně doplňovat energie z větrných a solárních elektráren.

Zajímavé jsou pak i doposud téměř nevyužívané nápady, jak nadměrnou větrnou energii uchovávat. Asi nejznámější je systém CAES (Compressed Air Energy Storage) nebo systémy z něho vycházející, které již v několika exemplářích pracují. Konkrétně 290 MW jednotka v Hundorfu v Německu a 110 MW jednotka v McIntoshi v USA ve státě Alabama. Již delší dobu se pak plánuje výstavba 2700 MW CAES v Ohiu, USA. Bohužel CAES patří k dosti složitým systémům a navíc není soběstačný a potřebuje k provozu ještě spotřebovávat jiné palivo, například zemní plyn či bioplyn. Uvedené realizace jsou prakticky špičkové plynové turbínové elektrárny, které využívají vzduch stlačený z přebytečné energie až na desítky MPa a uchovávaný v podzemí ve velké dutině. To poskytuje úsporu zemního (bio)plynu až cca 40 % proti klasickým plynovým elektrárnám, kde se plyn podílí i na zmíněné kompresi. Účinnost tohoto systému je však jen cca 55 %. Větší výtěžnosti pak brání nezužitkované teplo vzniklé při kompresi a na pohonu generátoru se tak podílí pouze studený stlačený vzduch.
Tento nedostatek by mohla odstranit technologie AACEAS (Advanced Adiabatic Compressed Air Energy Storage), u které se na pohonu generátoru nepodílí plyn, ale místo něho je využíváno adiabatické teplo, které vzniklo při stlačení vzduchu. Tento systém tak může dosáhnout účinnosti až 70 %. Dosud však tento systém nebyl realizován.

Pomohou občané se skladováním energie?

Mimo všechny složité systémy se v budoucnu rýsuje i pomoc samotných spotřebitelů. S tím koketují některé země (např. Dánsko). V případě masivního využívaní elektromobilů, které by jistě byly hlavní složkou elektrické spotřeby, by mohli být lidé lákáni změnami cen elektřiny pro nabíjení akumulátorů automobilů. V případě přebytku elektřiny a tím okamžité nízké ceny, by si mnoho lidí začalo nabíjet svá vozidla a tím snížili výkonovou špičku. Naopak při nedostatku elektřiny by mohli energii ze svých aut odprodávat zpět za vyšší cenu. Podobně by mohla pracovat i některá inteligentní průmyslová zařízení i spotřebiče v domácnostech, které by prioritně pracovaly v době s přebytkem energie. To je ale zatím hudba vzdálené budoucnosti, protože to znamená změnu přístupu celé společnosti a změnu způsobu placení elektřiny.

Závěr

Jisté je, že budoucnost patří masivnímu využití obnovitelné energie. Proto je nevyhnutelné adaptovat doposud aplikované postupy výroby a distribuce elektrické energie ze systému pevně předem naplánované výroby na systém automatického pružného kombinování více energetických zdrojů vyrovnávající aktuální „nabídku a poptávku". V tomto směru se zajímavý projekt snaží uskutečnit Dánsko. Měl by dokázat, že lze vyrábět energii pouze s využitím alternativních zdrojů. Tvůrci projektu počítají s tím, že ostrov Samsó bude kompletně převeden na samozásobování obnovitelnými zdroji, přesněji, že veškerá elektřina
bude pocházet z větrných mlýnů a teplo ze spalování slámy a dřeva. Jimi získaný poznatek bude asi klíčový pro rozhodování i dalších zemí i mimo EU.

Ing. Antonín Vojáček

foto: Obr. 1 • Blokové schéma větrné elektrárny s plynulým řízením
výkonu natáčením listů i regulací generátoru frekvenčním měničem

Obr. 2 • Technologie CAES umožňuje zálohovat přímo větrnou nebo
nadbytečnou elektrickou energii v podobě stlačeného vzduchu

zdroj: Alternativní energie

Líbil se vám článek?

ano: 246     ne: 188

Doporuč


 

Poslat známému


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všechna práva vyhrazena. Ochrana údajů –  Podmínky při poskytování služeb