Na pozadí zvyšování podílu obnovitelných zdrojů probíhá dnes v elektrické síti boj o chybějící setrvačnost. Právě setrvačnost přitom pomáhá udržovat elektřinu ve vedení tak „kvalitní“, jak jsme zvyklí.
Staré přísloví říká, že žádný dobrý skutek nezůstane nepotrestán – a to platí v případě pro zavádění „zelené energie“ do sítě, poznamenal nedávno časopis The Economist.
Nejde přitom o všeobecně známou nespolehlivost a nepředvídatelnost výroben solární a větrné energie v porovnání s energií z fosilních paliv. Všichni už vědí, že bez skladovacích zařízení, jako jsou velké akumulátory, které by situaci vyrovnaly, síť s vysokým podílem obnovitelných zdrojů jde provozovat těžko. Tento všeobecně známý problém britský časopis ovšem na mysli neměl: zelená energie s sebou totiž přináší i další, na pohled méně zjevný problém.
Setrvačnost výhodou
I když nepochybně budeme většinu čtenářů pouze zdržovat něčím, co dávno ví, musíme na začátek připomenout, že dnešní elektrické sítě využívají střídavý proud. V celé síti se tedy s především danou frekvencí „přepínají“ oba póly. Ke změně dochází 50krát za vteřinu, tedy s frekvencí 50 hertzů (Hz). Dnes je standardem frekvenci sítě udržovat velmi přesně a spolehlivě, aby se na ni uživatelé mohli spolehnout a používat bez problémů i zařízení, kterému by velké výkyvy frekvence mohly škodit.
Frekvence by totiž „sama od sebe“ nevydržela. Jakmile se změní spotřeba elektřiny (a tedy i její množství v síti), automaticky se začne měnit i frekvence. Pokud elektrárny vyrobí více energie, než kolik lidé v danou dobu odebírají, přebytečná energie se přemění na kinetickou energii. Jinak řečeno, generátory v síti se začnou točit rychleji – a z toho plyne, že frekvence v síti začne stoupat.
Pokud naopak spotřebitelé odeberou ze sítě více energie, než kolik elektrárny dodávají, přemění se část kinetické energie několikatunových generátorů na energii elektrickou. Otáčky pak začnou klesat – a zároveň s tím dochází nutně ke snižování frekvence.
Samozřejmě, s touhle situací lze něco dělat: výroby zvýšit nebo snížit. Hlídat frekvenci v síti je tedy nepřetržitá práce. Ovšem dispečerům a dalším v ní pomáhá tzv. rotační setrvačnost. Jde úplně jednoduše o důsledek skutečné fyzikální setrvačnosti turbín tepelných (tedy jak těch na fosilní paliva, tak jaderných) a vodních elektráren. Mají takovou setrvačnost, že malé výkyvy v síti dokážou účinně vyhladit. (U větrných elektráren to bohužel neplatí, protože bývají připojeny přes AC-DC-AC měniče, čímž dojde z velké části ke zrušení mechanické vazby mezi generátorem a sítí.)
Dejte tam kolo!
Setrvačnost rotujících zdrojů tedy pomáhá stabilizovat celou síť. Čím méně je turbín, tím menší je „setrvačnost sítě“. Pokud se objeví nějaký problém (výpadek zdroje nebo například rozvodny) v době, kdy je setrvačnosti nízká, může způsobit větší než obvyklou odchylku frekvence.
A v některých zemích s velmi vysokým podílem obnovitelných zdrojů začíná nedostatek rezervy rotační setrvačnosti v síti být již dnes pro jejich operátory problém, kterým stojí za to se zabývat.
Rekordně nízké hodnoty setrvačnosti zaznamenal vloni sever Evropy. Dalším místem, které se bojí nedostatku rotační setrvačnosti v síti, je Velká Británie. Ta vyrábí přibližně 30 % elektrické energie z větru a slunečního záření. Právě ve velké Británii také dochází v současnosti ke zkoušce řešení, které by mohlo pomoci klasické elektrické generátory nahradit.
Dne 17. března přestřihla společnost National Grid ESO – firma, která, jak napovídá její název, provozuje elektrickou síť v zemi – pásku při otevření elektrárny, kterou poblíž Keithu v severním Skotsku postavila norská společnost Statkraft (specialista na obnovitelné zdroje energie). Setrvačná energie je v této elektrárně uložena v páru ocelových setrvačníků. Každý z těchto setrvačníků váží 194 tun a otáčí se rychlostí až 500 otáček za minutu.
Druhý závod společnosti Statkraft by měl být otevřen na podzim poblíž Liverpoolu. Místo velkých hmot, které se otáčejí relativně pomalu, se bude spoléhat na menší, které se budou točit rychle (1 500 ot./min.).
Oba přístupy obsahují přibližně stejné množství setrvačnosti a v kombinaci bude tato dvojice ukládat přibližně 2 % rotační setrvačnosti, která je v současné době potřebná k podpoře britské rozvodné sítě. To odpovídá setrvačnému příspěvku konvenční uhelné elektrárny. Provozovatel britské sítě National Grid ESO navíc plánuje později v tomto roce přidat další dva systémy, které postavila společnost Siemens, a tím ještě zvýšit svůj potenciál pro ukládání rotační setrvačnosti.
Další možností je nestavět nové setrvačníky, ale využití starší rotační hmotu. Jinými slovy, změnit stávajících elektrárny tak, aby místo k výrobě elektřiny sloužily pouze k ukládání setrvačnosti. Britský provozovatel sítě ověřuje tento nápad v bývalé plynové stanici v severním Walesu, která od roku 2021 funguje k „akumulaci rotační setrvačnosti“, abychom tak řekli.
Vystřídané střídače
Stavba velkých setrvačníků ovšem není jedinou možností, jak si s problémem poradit. Jak jsme krátce zmínili (v jedné závorce), ke stabilizaci frekvence sítě se nedá používat řada větrných elektráren. Ale lze postavit i větrné elektrárny (DFIG nebo elektrárny se synchronním generátorem), u kterých je přidáním vhodného řízení možné emulovat chování konvenčního zdroje.
Další možností je postupně přenést regulaci sítě úplně na jiné prvky. Všechny větrné či solární parky (ale třeba i baterie) využívají pro připojení k síti střídače, tedy polovodičová zařízení, která mění stejnosměrný proud na střídavý.
Střídače se obvykle dnes nastaveny tak, aby „šly za sítí“ (anglicky se říká „grid following“), tedy přizpůsobují se frekvenci v síti bez ohledu na její hodnotu. Řízení sítě zůstávalo na konvenčních elektrárnách. Toto „parazitování“ je možné, když solární a větrná energie tvoří jen malou část celkového výkonu sítě. S tím, jak jejich podíl roste, je to čím dál větší problém.
Střídače však mohou být navrženy tak, aby místo toho byly „konstruktivní“ – pomáhaly s řízením sítě (anglicky se říká „grid forming“). Jinak řečeno, jsou naprogramovány tak, aby se chovaly podobně jako konvenční elektrárny. Nic se v nich samozřejmě netočí, ale reagují v krátkém čase na výkyvy v síti a poskytují okamžitou výkonovou rezervu. Použití takových střídačů by mělo umožnit snadnou integraci mnohem většího množství větrné a solární energie do sítě.
Na trhu byly ovšem dosud spíše vzácností. Ale například v Británii, která dále počítá s rychlým rozvojem obnovitelných zdrojů, v lednu však energetický regulátor Ofgem podepsal technickou normu popisující tato zařízení přijatelnou pro výrobce i poskytovatele síťových služeb. Očekává se, že díky tomu dojde k nasazení „grid forming“ střídačů ve velkém měřítku už během několika mála let.
Vzhledem ke své ostrovní poloze je pro takový experiment velmi vhodné místo; britská síť je totiž opravdu do značné míry „ostrovní“ (tj. oddělená od zbytku Evropy). Případný úspěch by určitě podnítil zájem dalších podobných elektrických soustav sítě. Ať už jsou fyzicky ostrovní (australská, irská), nebo pouze metaforicky (například texaská soustava má z našeho pohledu velmi překvapivě jen málo spojení se zbytkem Severní Ameriky). Větší sítě v Severní Americe a Evropě budou situaci zatím bedlivě sledovat, ovšem spíše zpovzdálí.
Setrvačníky baterie neporáží
Využití setrvačnosti je starý nápad, který se v posledních desetiletí podařilo významně vylepšit. Zdálo se dokonce možné, že by si mohly najít jako svébytný druh baterie i v energetice. To byla myšlenka za založením společnosti Beacon Power.
Beacon Power vznikla v roce 1997 jako dceřiná technologické společnosti SatCon. V roce 2000 vstoupila na burzu. Tehdy se ještě profilovala jako firma, která měla poskytovat energetickou zálohu pro různé podniky či provozy. Setrvačníků, které by sloužila k vyrovnání dodávek elektrického proudu například pro citlivá zařízení, jimž vadí krátkodobé výpadky či jen výkyvy frekvence.
Firma využívala možností, které skýtaly technologické pokroky posledních desetiletí 20. století. Jejím produktem jsou vakuové komory, ve kterých velmi rychle točí setrvačníky z uhlíkových vláken na speciálních ložiscích s velmi nízkým odporem. Setrvačníky se mohou točit frekvencí několika řádově desítek tisíc otáček za minutu.
Postupně ale změnila zaměření. Začala se zaměřovat na regulaci frekvence a další síťové služby. Nemohla sloužit jako dlouhodobá záloha, na to setrvačníky nemají dostatečnou kapacitu, ale zato mohou velmi rychle reagovat na výkyvy v síti, krátkodobě je pomoci regulovat, než naskočí (nebo se odstaví) výkonnější zdroje s delší reakční dobou.
Beacon Power nakonec mohla své vize realizovat díky pomoci americké vlády. Získala grant ze stejného programu jako výrobce solárních článku Solyndra, která pak velmi neslavně zkrachovala (a tím dosti pošramotila pověst programu, který ale ve skutečnosti jako celek nebyl vůbec neúspěšný).
Vzestup a pád
V roce 2009 společnost získala 43 milionů grantových dolarů a začala ve státě New York stavět velkou „farmu“ se setrvačníky o celkovém maximálním výkonu 20 MW. Stavba se zpožďovala, a když byla hotova, americký trh s elektřinou byl jiný. Krize výrazně snížila poptávku po elektřině, ceny šly dolů, klesla cena paliv (v USA hlavně zemního plynu).
Na trh také přišly nové plynové turbíny s kombinovaným cyklem, které byly schopny reagovat výrazně rychleji na požadavky po změně výkonu. Ceny regulace frekvence a dalších tzv. podpůrných služeb v USA prudce klesly. Když firma konečně provoz spustila, byla v podstatě na desetině toho, co firma předpokládala ve svém finančním plánu.
Beacon Power měla potíže s realizací svého provozu, který se proti plánu výrazně prodražil, pád cen za její produkty jí pak podrazil nohy úplně. Firma mezi lety 2004 a 2011 prodělal celkem 174 milionů dolarů a v říjnu 2011 vyhlásila bankrot. Zdálo se, že další Solyndra je na spadnutí. Beacon Power Půjčka byla sice podstatně menší než na panely (cca 43 milionů proti cca 540 milionům), ale také šlo o politicky stejně „výbušný“ případ.
Nakonec však nebylo – alespoň pro politiky – tak zle. Firmu za několik měsíců koupila soukromá investiční společnost Rockland Capital, která se zavázala splatit 70 % dlužné částky. Dokonce poskytla kapitál na stavbu další farmy o stejném výkonu v Pennsylvánii.
Ovšem setrvačníky jsou stále lepší na papíře než v praxi, jak zjistil i Rockland Capital. Ceny za regulace frekvence zůstaly tak nízko jako po krizi. V roce 2018 se i Rocklad setrvačníkových farem zbavil a prodal je společnosti Convergent Energy + Power, a pak po dalších akvizicích skončily v portfoliu fondu Energy Capital Partners.
V provozu jsou podle posledních informací stále obě farmy, každý o maximálním výkonu 20 MW (ten ovšem mohou poskytovat jen po dobu několika minut). O dalším rozvoji se nemluví, firma podle všeho v podstatě pokračuje v provozu v podstatě… inu, setrvačností.
