Větrné elektrárny jsou celosvětově velmi perspektivním zdrojem energie, ale v současnosti jsou v rozvoji částečně limitovány některými provozními problémy. Moderní větrné elektrárny však nabízejí nové technické možnosti, a to hlavně ve schopnosti efektivní integrace do elektrizační soustavy.

Ze vzorce pro výpočet výkonu větrné elektrárny (VtE) vyplývá závislost výroby činného výkonu na rychlosti (a případně také kvalitě) proudění vzduchu. Tedy na veličině značně v čase proměnné, kterou nelze nijak ovlivnit. To je z hlediska integrace větrných elektráren do přenosových a distribučních soustav největší problém, s nímž se musí provozovatelé těchto soustav vypořádat.

Hlavní provozní problémy

Mezi hlavní provozní problémy VtE patří proměnná výroba činného výkonu, proměnná výroba jalového výkonu a skoková změna výroby činného výkonu.

- Proměnná výroba činného výkonu

Na grafu 1 je denní průběh výroby činného výkonu většího větrného parku zapojeného do přenosové soustavy. Z obrázku lze vidět proměnnost výroby činného výkonu vlivem změn rychlosti proudění vzduchu. Tyto změny musí provozovatel přenosové soustavy vykrývat pomocí podpůrných služeb, které mu za úplatu poskytují provozovatelé vodních, fosilních nebo plynových elektráren.

- Proměnná denní výroba jalového výkonu

Výroba jalového výkonu u velkého větrného parku je značně proměnlivá, což má negativní dopad na napěťové poměry v soustavě. Mezi hlavní příčiny tohoto stavu patří:

·                  Závislost výroby jalového výkonu na proměnné výrobě činného výkonu, což se ještě zhoršuje v případě, že větrná elektrárna udržuje nastavenou cos fí.

·                  Změny rozložení jalového výkonu vlivem automatických změn odboček transformátorů větrných parků.

·                  Někdy se provádí také dosti problematické ruční řízení dodávky jalového výkonu větrného parku.

- Skoková změna výroby

Minimální a maximální rychlost větru, při které větrná elektrárna je schopna vyrábět elektřinu je v rozsahu 3–5 m/s, což prakticky znamená, že větrná elektrárna při vyšší rychlosti než 25 m/s přestává do soustavy skokově dodávat elektřinu, neboť je z důvodu vlastní bezpečnosti zastavena. Soustava tak rázem přichází o celý její plný výkon. V případě velkého větrného parku se může jednat o stovky megawatt výkonu.

Další problémy větrných elektráren

Kromě výše uvedených hlavních problémů mají větrné elektrárny ještě další. Mezi ty, jež obvykle uvádějí odpůrci VtE, patří zejména:

·                  Nízký koeficient ročního využití.

·                  VtE lze stavět pouze v místech, kde má větrné proudění potřebné parametry, což v převážné většině jsou místa hodně vzdálená od velké spotřeby elektřiny.

·                  VtE mají poměrně malý výkon (oproti jaderným, tepelným či vodním) a proto by jich bylo třeba postavit velký počet na velkém prostoru pro dosažení srovnatelného instalovaného výkonu.

·                  Měrné investiční náklady, vztažené na odvedenou práci, jsou pro větrné elektrárny zatím nepřiměřeně vysoké.

·                  Výstavba VtE vede ke zvýšení nákladů na přenos a distribuci elektrické energie a zálohování jejich výpadků.

·                  VtE narušují životní prostředí ve svém okolí.

·                  VtE jsou srovnatelně hlučné jako ostatní typy elektráren, ale při stejném instalovaném výkonu zabírají mnohonásobně větší plochu.

·                  VtE, posuzováno ze subjektivního úhlu pohledu, hyzdí krajinu.

·                  V procházejícím slunečním světle produkují otáčející se lopatky v krajině rušivé přebíhající stíny.

·                  Námraza odletující z větrných elektráren může ohrožovat život či majetek občanů.

·                  Při velkém větru může dojít k celkové destrukci rotoru a následně celé větrné elektrárny s riziky pro její okolí.

·                  Doba návratnosti investic doVtE v poslední době spíš stoupá, než aby podle dlouhodobých předpokladů klesala, podobně jako fotovoltaika.

·                  VtE s měničem nepřinášejí do soustavy zkratový výkon, což zvyšuje riziko systémových poruch (ochrany nejsou schopny rozeznat vznik poruchy a odepnout poškozenou část soustavy).

Některé z těchto problémů jsou objektivní a těžko je lze korektně odstranit, ale řadu dalších z nich je možné postupně eliminovat technickým rozvojem, což je i dlouhodobým cílem iniciativy European Wind initiative (EWI).

European Wind Initiative

Cílem EWI je zajistit technickoorganizační podmínky pro vysokou úroveň penetrace větrné energie v rámci propojené evropské soustavy ENTSO-E, která by měla dle plánu EWI dosáhnout 20 % v roce 2020, 33 % v roce 2030 a 50 % v roce 2050. Iniciativa je rozdělena do čtyř hlavních oblastí: Větrné elektrárny a jejich komponent, pobřežní větrné elektrárny, integrace větrných elektráren do přenosových a distribučních soustav a nástroje vyhodnocování provozu a územního plánování.

- Větrné elektrárny a jejich komponenty

Hlavní deklarované cíle v této oblasti jsou:

·                  Instalovat vysoce spolehlivé větrné elektrárny o jmenovitém výkonu 10 až 20 MW (otázkou je reálnost tohoto cíle).

·                  Zvýšit provozní spolehlivost velkých větrných elektráren a celých větrných parků.

·                  Optimálně nastavit a ověřit parametry větrných elektráren pro členitý terén a chladné podnebí.

·                  Definovat metody a normy pro testování komponent velkých větrných elektráren.

·                  Zvýšit velikost a schopnosti laboratorních testovacích zařízení pro 10–20 MW turbíny.

·                  Vytvořit technologické zázemí pro testování v terénu větrných elektráren 10–20 MW s cílem zvýšení jejich spolehlivosti.

·                  Podporovat masovou výrobu velkých větrných elektráren a rozvíjet nákladově efektivní metody pro přepravu a instalaci těchto zařízení.

- Pobřežní větrné elektrárny

Hlavní deklarované cíle v této oblasti jsou:

·                  Realizovat nové formy základových konstrukcí a minimalizovat tak hlavní náklady na výstavbu pobřežní větrné elektrárny.

·                  Navrhnout nové techniky počítačového modelování pobřežních větrných elektráren.

·                  Usnadnit masovou výrobu nosných konstrukcí pobřežních větrných elektráren a zlepšit jejich logistiku.

·                  Rozvíjet a prezentovat výstavbu větrných elektráren na plovoucích plošinách.

·                  Zlepšit zázemí, infrastrukturu a logistiku pro větrnou energii na moři.

·                  Snížení hluku a dalších negativních dopadů na životní prostředí.

·                  Zvýšení provozní spolehlivosti pobřežních větrných elektráren.

·                  Rozšířit životnost pobřežních větrných elektráren a sestavit plán jejich postupného vyřazování z provozu.

·                  Zlepšení modelů a postupů pro projektanty.

·                  Zlepšit technologii měření.

·                  Vytvořit a rozvíjet EU atlas pobřežních větrných elektráren.

- Integrace větrných elektráren do přenosových a distribučních soustav

Hlavní deklarované cíle v této oblasti jsou:

·                  Připojení větrných elektráren do multi-terminálních přenosových sítí na moři.

·                  Zlepšení technické úrovně HVDC (vysokonapěťové stejnosměrné vedení) připojených větrných elektráren.

·                  Zlepšení elektrického zapojení větrných elektráren a připojení k síti (AC nebo DC, na pevnině nebo na moři).

·                  Rozvoj programových prostředků modelování systémových studií.

·                  Poskytovat lepší služby podpory soustavy.

·                  Výstavba testovací větrné elektrárny.

·                  Analyzovat konkrétní vliv větrných elektráren na trhy s elektřinou.

·                  Zlepšit techniky prognózování výroby větrných elektráren.

- Nástroje vyhodnocování provozu a územního plánování

Hlavní deklarované cíle v této oblasti jsou:

·                  Analyzovat větrné a povětrnostní podmínky v EU.

·                  Studovat větrné zdroje a zátěže.

·                  Snížit emise hluku pobřežních větrných elektráren.

·                  Vytvořit scénáře ukončení provozu a recyklace pobřežních větrných elektráren.

·                  Analyzovat dopady větrné energie na životní prostředí a její konkrétní přínosy.

·                  Zlepšení plánovacích postupů výstavby pobřežních větrných elektráren.

·                  Analyzovat současné a budoucí náklady větrné energie.

Akumulace vyrobené elektřiny

Jednou z možnosti, jak eliminovat negativní dopady proměnné výroby elektřiny z větrných elektráren na soustavu, je její částečná akumulace a dodávka v době určené provozovatelem dané soustavy nebo podle předem určeného kritéria. Hlavní jsou zatím tři technologie: Integrovaná akumulace elektřiny, větrné elektrárny s vodním podtlakovým akumulátorem a ukládání elektřiny z OZE do plynu.

- Integrovaná akumulace elektřiny

Akumulační baterie je součástí samotné větrné elektrárny. Prakticky se akumulační baterie dodává ve formě dohodnutého počtu akumulačních modulů (modulární stavebnice).

- Větrné elektrárny s vodním podtlakovým akumulátorem

Vodní rezervoáry fungují na základě změn tlaku v kouli (podtlakovém akumulátoru). Při plném výkonu rotoru bude voda z koulí vyháněna, pumpována do moře a v koulích se tak vytvoří relativní podtlak, do velikosti až jedné dvacetiny normálního tlaku. Pokud vítr a tím i větrný výkon rotoru zeslábne, pumpování skončí. Do koule se pak vnějším přetlakem nahrne voda, která začne sama pohybovat turbínou a rotorem. Zdrojem energie se v tomto případě stane dočasně i samovolně proudící voda. Tento mechanismus je tedy přirozenou regulací či stabilizací výkonu větrné elektrárny. 

Závislost akumulační kapacity na hloubce a průměru koule podtlakového akumulátoru je uvedena v tabulce.

Závislosti hloubky, průměru a akumulační schopnosti podtlakového akumulátoru (Zdroj: Archiv autora)

- Ukládání elektřiny do plynu

Koncem dubna 2013 zahájila svoji činnost Evropská organizace North Sea PowertoGas Platform, tedy severomořská platforma pro ukládání elektřiny do plynu. Tato platforma vznikla z iniciativy nizozemské energetické zkušební, certifikační a poradenské společnosti DNV KEMA a dále sdružuje firmy a organizace Fluxys Belgium a Hydrogenics z Belgie, Energinet.dk a Maersk Oil z Dánska, Alliander, Gasunie a TenneT z Nizozemí, ITM Power a National Grid z Velké Británie a Open Grid Europe z Německa.

Koncept P2G (power to gas) umožňuje elektřinu vyrobenou z OZE ukládat do zásob plynu tak, že je použita k elektrolýze vody. Vzniklý vodík lze využít dvěma způsoby: buď použít přímo k výrobě elektřiny nebo ke kogeneraci v palivovém článku, nebo přeměnit na metan s využitím odpadních oxidů uhlíku z průmyslu a uložit do zásob zemního plynu, který se dále použije jako palivo pro výrobu tepla, pohon plynových vozidel nebo výrobu elektřiny v plynových elektrárnách.

Technická možnost akumulace elektřiny je věcí jednou a další využití této elektřiny potom věcí druhou. Obecně jsou k dispozici tyto možnosti:

·                  Legislativní příkaz – povinnost provozovatele větrného parku akumulovat část vyrobené elektřiny pro potřeby podpory provozu soustavy.

·                  Placená podpůrná služba pro provozovatele přenosové soustavy.

·                  Možnost omezování přenosu elektřiny z nižší napěťové soustavy do soustavy vyšší bez nutnosti omezení výroby větrných elektráren.

·                  Alternativa k vynucenému omezování výroby větrné elektrárny v době anomálního provozního stavu soustavy (na příkaz nadřazeného dispečinku). Místo omezení výroby by se elektřina ukládala.

·                  Obchodní nástroj – akumulace elektřiny v případě záporné (případně nevýhodné) ceny zeleného bonusu.

Systém Storm control

Systém Storm control slouží k částečné eliminaci skokové změny výroby činného výkonu VtE při dosažení mezní rychlosti větru. Hlavní přínosy systému Storm kontrol:

·                  Při dosažení mezní rychlosti větru (25 m/s) dochází k postupnému snižování výkonu větrné elektrárny a nikoliv k jejímu okamžitému zastavení. Dodávaný výkon do soustavy větrnou elektrárnou se tak omezuje postupně a nikoliv skokově a je proto pro soustavu příjemnějším zařízením.

·                  Snížené opotřebení technického zařízení větrných elektráren z důvodu snížení počtu zastávek.

·                  Zvýšení koeficientu ročního využití větrných elektráren.

Řízení jalového výkonu      

Technická možnost řídit dodávku jalového výkonu větrných elektráren do soustavy dává možnost stabilizovat napětí v této soustavě a řídit toky jalového výkonu. Moderní větrné elektrárny proto musí:

·                  Disponovat adekvátním provozním diagramem.

·                  Umět vyrábět řízený jalový výkon i při nulové výrobě jalového výkonu.

·                  Mít schopnost spolupracovat s nadřazeným regulačním systémem napětí a jalového výkonu.

- Změna provozního diagramu

Snahou konstruktérů větrných elektráren je přiblížit tvar jejich provozních diagramů obdélníku. Tak, aby již při minimální výrobě činného výkonu byl k dispozici celý regulační rozsah jalového výkonu.

Hlavní přínosy změny tvaru provozního diagramu jsou:

·                  Větší nezávislost dodávky jalového výkonu na aktuální výrobě činného výkonu větrné elektrárny.

·                  Zvětšení pásma pro řízení jalového výkonu větrné elektrárny (řízení ruční nebo v rámci nadřazeného systému).

- Systém WindFREE™ Reactive Power

I když větrná elektrárna GE vybavená systémem WindFREE™ Reactive Power aktuálně nevyrábí žádný činný výkon, může pomocí svého technického vybavení dodávat do soustavy jalový výkon nebo ho naopak odebírat podle požadavku provozovatele dané soustavy. To jí umožňují speciální obvody silové elektroniky, které dodávku (odběr) prakticky realizují. Možné způsoby praktického využití systému:

·                  Kompenzace jalového výkonu, který je generován, v případě stojícího větrného parku, jeho rozvodnou soustavou zapojenou naprázdno.

·                  V případě zapojení větrného parku do Automatické sekundární regulace napětí zůstává i stojící větrný park akčním členem s nezanedbatelným regulačním rozsahem jalového výkonu. Tím se stává unikátním akčním členem, neboť tuto provozní vlastnost stojící synchronní generátory klasických elektráren nemají. 

- Automatická sekundární regulace napětí

Automatická sekundární regulace napětí (ASRU) je regulační systém, který řízenou změnou dodávky jalového výkonu do regulované soustavy udržuje zadanou hodnotu napětí na regulované přípojnici rozvodny v zadaném regulovaném pásmu napětí. Jako akční členy může obecně využívat: synchronní generátory jaderných, fosilních, plynových a vodních elektráren, transformátory, kompenzátory, tlumivky a také parky větrných elektráren. Zařízení je dodávané ve formě rozváděčové skříně.

Deficit poznání a komunikace

Stále je určitý rozpor mezi tím, co nabízejí výrobci větrných elektráren a tím, co od investorů reálně požadují provozovatelé přenosových a distribučních soustav. Často totiž o nových možnostech moderních větrných elektráren ani nejsou podrobně informování. A naopak – větší tlak provozovatelů přenosových a distribučních soustav na vybavení větrných elektráren pro jejich efektivní zapojení do soustav by vyvolal další technický pokrok a také změny v legislativě. Tento deficit poznání a vzájemné komunikace je jednou z příčin negativního pohledu veřejnosti na větrnou energetiku.

Ing. Richard Habrych, Ph.D.

Celý článek je uveřejněn v časopise Energie 21 č. 5/13.