Inteligentné siete a ich vplyv na obchodovanie s elektrickou energiou

Nie je žiadnym tajomstvom, že pomerne rýchle prírastky OZE spolu s dlhodobo rastúcim dopytom po elektrickej energii kladú čím ďalej tým väčšie nároky na prenosovú kapacitu sietí. Nejde len o to, že časová súvislosť diagramov výroby a spotreby sa výrazne odchýlila od pôvodného stavu, v ktorom sa budovali energetické sústavy prakticky vo všetkých rozvinutých štátoch sveta. Dochádza však tiež k výraznej diverzifikácii lokalizácie výroby a spotreby.

Vďaka závislosti neovládateľných OZE od konkrétnych klimatických javov dochádza k tomu, že porekadlo „vetru a dažďu nerozkážeš“ by sa dalo zmeniť na heslo „prispôsob sa vetru a dažďu“. Je celkom jasné, že takýto stav by bol absolútne neprijateľný ako pre priemyselnú sféru, tak pre domácnosti žijúce životným štandardom západnej spoločnosti.

Podľa prevládajúceho prúdu odbornej diskusie by riešenie mohli priniesť práve SG, teda inteligentné siete.

Popis inteligentnej siete (smart gridu)

Jednoducho povedané, smart grid je taká sieť, ktorá v každom okamihu reaguje na rozloženie výrobných a spotrebných kapacít, a to nielen lokálnych ale ja globálnych. Vzhľadom na  situáciu, v ktorej sa výroba v každom okamihu musí rovnať spotrebe, logicky dôjdeme k názoru, že výroba sa stáva nezávislou premennou spoločne s rastúcim podielom neovládateľných OZE zapojených do sústavy. Naopak spotreba sa bez väčšieho zastúpenia akumulácie stáva závislou premennou. Zároveň môže dochádzať k veľkej kumulácii výroby na konkrétnych miestach a napäťových úrovniach; avšak podľa počasia a nie podľa potrieb.

Ak by sme sa ďalej držali matematickej analógie, funkciou určujúcou spotrebu by bol v takej situácii okamžitý stav počasia pri okrajových podmienkach stálej výroby z klasických (ovládateľných) zdrojov. Obmedzujúcimi podmienkami by boli limitované transportné kapacity (lokálne i globálne) sietí.

V prípade predpokladaného nárastu podielu OZE budeme potrebovať rozvinúť postupy, ktoré nám umožnia flexibilné prispôsobovanie spotreby okamžitému stavu bilancie energie v sieťach. Práve toto inteligentné riadenie spotreby má byť jedným z hlavných atribútov SG. V prípade jeho úspešnej implementácie by sa navyše znížila potreba možného a až príliš extenzívneho rozvoja sietí, ktorý by bol inak potrebný pre odstránenie prekážok v transportoch rastúceho množstva časovo neovládateľných dodávok elektrickej energie.

Význam SG bude teda logicky vyšší tam, kde je elektrická sieť skôr poddimenzovaná a kde nevykazuje ani v súčasnosti veľkú rezervu transportných kapacít. Skutočná podstata celého konceptu sa teda skrýva v schopnosti presného popisu toku elektrickej energie vo všetkých miestach elektrizačnej sústavy.

Práve vyššie popísané dôkladné premeriavanie stavu siete v každom okamihu si vyžiada inštaláciu pokročilých systémov meraní, ktoré umožní tzv. Advanced Metering Management (AMM), čiže pokročilé meranie, ktoré bude navyše schopné neustále obojsmerne komunikovať. Inými slovami, pôjde o postupné nahrádzanie existujúcich elektromerov za nové, schopné komunikovať a koordinovane prispôsobovať spotrebu. Dôjde tak k realizácii uvedeného konceptu riadenia. Bližší popis tohto procesu je pre úspešnú a funkčnú implementáciu SG kľúčový, ale bohužiaľ už presahuje rámec tohto článku.

Už pri letmej úvahe je však jasné, že takýto koncept SG bude investične veľmi náročný. Odhliadnuc od možných spôsobov financovania, implementácie a rozvoja týchto sietí je jasné, že finálnym investorom bude spotrebiteľ elektrickej energie. Ten sa potom stáva aktívnym účastníkom procesu implementácie týchto inteligentných technológií a, ako by malo byť samozrejmosťou v trhovej spoločnosti, mal by byť pre takúto investíciu náležite motivovaný a nie iba pasívne prinútený legislatívnym prostredím.

V súčasnom liberalizovanom systéme je pritom najbližším obchodným partnerom pre spotrebiteľa obchodník. Preto sa už teraz javí ako nevyhnutné zahrnúť obchodníkov s elektrickou energiou do príprav zavádzania SG. Tento fakt však v mnohom mení dlhodobo zavedené postupy a pravidlá v súčasnom trhovom prostredí.

Dôsledky zavedenia

smart gridu

Skutočne reálne dôsledky vyššie popísanej implementácie SG na súčasnú energetiku sú veľké, ale dnes nanešťastie málo akcentované. V tomto článku si dovolíme vyzdvihnúť len tie najvýraznejšie.

Obchodovanie s elektrickou energiou

Súčasný obchodník, ktorý má vo svojom portfóliu odberateľov elektrickej energie, musí neustále pokrývať ich odberný diagram (ODD). V prípade rastúcich inštalácií OZE na strane odberateľa (tzv. „za elektromerom“) je tento diagram spolu s jeho obchodnými záväzky voči trhu zaťažený ďalšou neistotou. Vo väčšine prípadov sa elektrina na pokrytí ODD zaisťuje dlhodobými kontraktmi v rámci spravovaného portfólia tak, aby sa čo najviac eliminovalo trhové riziko otvorenej pozície a zároveň sa optimalizovalo aj z pohľadu objemového rizika. Premenlivá (tzv. „reziduálna“) časť diagramu vytvára pozíciu na organizovanom krátkodobom spotovom trhu. Tým sú však vyriešené obchodné záväzky v časovom rozpätí, ktoré predchádzajú okamih dodávky aj o viac ako 24 hod.

Vďaka spomínaným neistotám dochádza k zmene pokrytia ODD, ktoré na strane obchodníka vyústia do vzniku odchýlky, ktorá je v súčasnej dobe riešená centrálne aktiváciou regulačných služieb zo systému. Momentálny nedostatok prepravných kapacít a ďalšie obmedzujúce podmienky potom spôsobujú vysokú volatilitu cien pri vyrovnávaní odchýlok a v konečnom dôsledku môžu viesť k značnému trhovému riziku. Ak sa i naďalej budeme držať dôsledne existujúceho modelu, ktorý predpokladá riadenie a vyrovnanie odchýlky z jedného centrálneho miesta a rovnakú cenu pre všetky zúčastnené subjekty v danej elektrizačnej sústave, nebude možné využiť všetky synergie, ktoré nám ponúka koncept zahrňujúci tiež využitie SG.

AMM pritom ponúkne obchodníkovi informáciu o stave decentrálnych častí siete v reálnom čase, pričom obchodník naopak môže AMM poskytnúť informácie o okamžitej lokálnej cene elektrickej energie. Takáto cena – smart local price (SLP) potom dokáže byť regulačným kritériom pre riadenie spotreby konečných zákazníkov.

Pre stanovenie takej ceny však bude nutné vytvoriť lokálny vyrovnávací trh s prítomnosťou viacerých obchodníkov takým spôsobom, aby došlo k stanoveniu spomínanej „smart local price“ a aby navyše nedošlo k rozporu s všeobecne prijímanou a presadzovanou doktrínou liberalizácie a trhového riadenia na platforme Third Party Access (TPA). Ceny by sa totiž mali podľa spomínanej platformy vytvárať za prítomnosti viacerých obchodníkov. AMM by v takom prípade dokonca umožnilo nielen spínanie spotreby podľa potrieb siete, ale tiež možnosť prepínať medzi rôznymi obchodníkmi pôsobiacimi na danom trhu.

Práve cena elektriny, respektíve metodika jej určovania sa v súčasnosti javí ako osudová pre pokračovanie konceptu SG. Tá totiž bude určujúca pre budúcu ekonomickú efektívnosť celého konceptu z pohľadu koncových zákazníkov. Miera budúcich úspor zákazníkov by totiž mala prevýšiť súčasné výdavky za výskum, vývoj a inštaláciu – research, development & deployment (RD&D). V praxi bude fungovať jednoducho to, že na základe údajov o okamžitej výrobe elektriny z OZE, predikcie najbližšieho vývoja počasia, ceny elektriny z ovládateľných zdrojov a množstva spotrebičov zapnutých v danom okamihu, ale tiež za podmienok obmedzenia transportnej kapacity lokálnej siete dôjde k stanoveniu lokálnej ceny elektriny tak, aby adekvátne došlo buď k zvýšeniu alebo k zníženiu spotreby.

Pre posúdenie vplyvu skutočného vplyvu implementácie SG sa hodí prípadová štúdia hypotetickej oblasti, kde dôjde k implementácii uvedených „smart“ taríf.

Preferencie obchodného riadenia

Veľmi málo riešeným aspektom je skutočnosť, že riadenie AMM čisto na základe potrieb siete nemusí predstavovať optimálne riadenie z pohľadu minimalizácie ceny elektriny, resp. nákladov konečného spotrebiteľa, čo môže byť hlavným dôvodom pre ignoráciu praktickej realizovateľnosti implementácie SG. Potrebou prenosových aj distribučných sústav je rovnovážna bilancia elektrickej energie umožňujúca ich bezporuchovú ovládateľnosť. Táto potreba výslednej rovnováhy ale nemusí korešpondovať s potrebami obchodníkov ani spotrebiteľov. Aby nedochádzalo k predurčeniu riadenia SG, logickým východiskom je, aby technické potreby prenosových a distribučných sietí stanovili len fiktívne mantinely pre následné trhové riadenie a v rámci takto stanovených mantinelov už môže bez ohrozenia stability siete prebiehať klasická, hoci lokálna trhová optimalizácia. Snahou by však do budúcnosti malo byť splynutie záujmov obchodníkov a distribučných sústav tak, aby cena (či už lokálna alebo globálna) zodpovedala skutočnému stavu bilancie energie v sieťach. Toto by v budúcnosti mohla umožniť chrbticová akumulácia, ktorá by v prípade potreby sietí zabezpečila aspoň ich krátkodobé vyrovnávanie.

Lokálne ceny elektriny

Doteraz sa text zameriaval na lokálne siete a im zodpovedajúce lokálne ceny elektriny. Dôvodom rozpadu cien z globálnych (ktoré by platili v celej rozsiahlej oblasti, napríklad v celej Európe či v celej Českej republike) na lokálne budú práve okrajové podmienky obmedzenosti transportných kapacít sietí. Tie spôsobia, že sa ceny elektriny budú navzájom líšiť. Trhová časť ceny by bola určovaná na lokálnom vyrovnávacom trhu a okamžitou bilanciou výroby a spotreby v rámci lokálnej siete.

Dá sa predpokladať, že regulovaná časť ceny by aspoň spočiatku zostala rovnaká vplyvom zachovania rovnakého prístupu všetkých zákazníkov. Výroba zo susedných lokálnych sietí či chrbticovej siete by sa do oblasti dostala iba obmedzene. Podobné obmedzenia sa pritom už teraz prejavujú v globálnej miere aj v chrbticových sieťach, kde sa musia takéto situácie riešiť predovšetkým na hraničných profiloch pomocou rôznych systémov prideľovania kapacít.

Tieto aspekty musia byť preto implicitne obsiahnuté aj v konštrukcii budúcich smart taríf. Tie sa budú líšiť v jednotlivých lokálnych oblastiach predovšetkým okamžitou výškou ceny, pričom cenová mapa bude vždy zodpovedať okamžitému stavu siete. Úspešnosť predpokladania cien bude navyše do určitej miery daná úspešnosťou predpovede počasia v lokálnych oblastiach.

V prípade prebytku výroby z lokálnych neovládateľných zdrojov dôjde k poklesu lokálnej ceny elektriny. Takéto zníženie bude znamenať navýšenie lokálne ovládateľnej spotreby elektriny (zapojenie akumulačných zdrojov tepla i chladu, aktiváciu umývačiek riadu, práčok a nabíjanie elektromobilov, poprípade dobíjateľných hybridných vozidiel, ktoré môžu slúžiť zároveň ako decentrálna akumulácia). Zároveň môže dôjsť k transportu elektriny z lokálnej oblasti do ostatných oblastí prostredníctvom prietokov do chrbticovej siete.

Popísaná skutočnosť by umožnila vznik takzvanej nodality cien (ako bola popísaná v súvislosti s SLP) za predpokladu obmedzených prenosových kapacít. Ceny pre celé zákaznícke portfólio by sa teda veľmi silne líšili, a to nielen vplyvom výroby veľkých zdrojov, ale aj vplyvom odozvy lokálnej infraštruktúry zdrojov zapojených do jednotlivých lokálnych sietí. Tento dosah môže byť zmiernený predikciou výroby z decentrálnych zdrojov. Predikovatelnosť by sa dosiahla jednak vďaka presnému zmapovaniu portfólia spotrebiteľov a ďalej i presnou evidenciou všetkých decentrálnych zdrojov.

Lokálny charakter stanovovania cien elektriny zároveň spôsobí diverzifikáciu portfólia obchodníkov. Jednotlivé čiastkové portfólia budú potom riadené nezávisle od ostatných lokálnych portfólií. Ak v inej lokálnej oblasti napríklad vplyvom zvýšenej spotreby a nízkej výroby neovládateľných zdrojov dôjde k výraznému navýšeniu ceny, prebytočná oblasť s nízkou cenou nemusí byť schopná dodávať pod vplyvom obmedzenia do nedostatkovej oblasti elektrinu. Preto nedôjde k zjednoteniu cien a lokálne ceny sa zvýšia. Logicky potom dôjde k odpájaniu spotrebičov podľa nastavených cenových hladín spotrebiteľa.

Konkrétne inteligentné tarify a ich využitie v domácnostiach

Tarify spoločne so systémom AMM, ktorý bude schopný obojsmernej komunikácie s obchodným systémom a bude vedieť riadiť domáce spotrebiče, dokážu motivovať časové posúvanie spotreby niektorých spotrebičov podľa potrieb siete, respektíve obchodníkov. Takéto riadenie spotreby je možné pri tých spotrebičoch, ktorých užitočná prevádzka nezávisí od prítomnosti užívateľa. V drvivej väčšine môžeme tieto spotrebiče rozdeliť do dvoch skupín:

• A) Spotrebiče kumulujúce energiu s neskorším vyžitím. Ide o akumulačné vykurovanie, ohrievače vody, chladničky, mrazničky, klimatizácie, elektromobily, dobíjateľné hybridné vozidlá. Je pochopiteľné, že časová flexibilita činností týchto spotrebičov závisí od ich tepelnej nezávislosti okolia. Túto nezávislosť prehlbuje predovšetkým veľmi dokonalá tepelná izolácia.
• B) Spotrebiče, ktorých chod nie je závislý od prítomnosti užívateľov. Do tejto skupiny patria práčky, umývačky, sušičky. Pre chod týchto spotrebičov je potrebná istá minimálna dĺžka cyklu spotreby. Z toho dôvodu závisí i od obchodných predikcií lokálnej ceny elektriny.

Na tomto mieste je potrebné si uvedomiť, že práve úspora platieb za elektrinu predstavuje najvýraznejší prínos implementácie AMM pre koncového zákazníka. Preto by to malo predstavovať aj hlavnú motiváciu pre zavádzanie SG. Vzhľadom na to, že najväčší prínos pre zákazníka bude vychádzať z časového posunu spotreby v odbernom mieste, bude logicky platiť, že miera prínosov pre zákazníka bude tým vyššia, čím väčší bude potenciál úspory – teda časová volatilita cien elektriny pre portfólio konečných zákazníkov.

Ďalej bude tiež platiť, že odberateľ bude mať možnosť nastaviť ceny, za akých bude chcieť spustiť ten či onen odber. Odberateľ bude preto motivovaný nastaviť veľké odbery na nižšiu cenu. V tomto prípade však nemusí dôjsť k realizácii takejto požiadavky z dôvodu nesplnenia kritéria zadanej cenovej úrovne.

Pre obchodníka bude mať takáto situácia nasledujúce dôsledky. Obchodníci budú motivovaní pre zavedenie systému, ktorý by pracoval so značne flexibilnou cenou pre konečných odberateľov. Takýto systém bude musieť komunikovať s inteligentným meraním v mieste spotreby, ktoré zároveň poskytne obchodnému systému informáciu o pripojených spotrebičoch prepnutých do režimu čakania na nižšiu cenovú úroveň, prípadne získa spätnú väzbu o dôsledku vývoja ceny. Táto spätná väzba bude pre obchodníka kľúčovou predovšetkým z pohľadu pádu do odchýlky, pretože poskytne informáciu o odozve jeho portfólia odberateľov na pokles konečnej ceny. Zdá sa byť preto prínosom, aby obchodný systém daného obchodníka umožnil flexibilne predvídať odozvu jeho obchodného portfólia.

Témy na diskusiu

Ak vychádzame z predpokladu, že AMM bude umožňovať riadenie spotreby podľa potrieb stability siete, malo by dôjsť k splynutiu potrieb distribúcie i obchodu. Iba taká situácia totiž umožní efektívne riadenie sietí prostriedkami AMM. Najzásadnejšou konceptuálnou zmenou pritom je, že toto riadenie bude predstavovať faktické zatiahnutie spotrebiteľa do reálneho obchodu s elektrickou energiou na úrovni takmer spotového trhu. Na základe optimalizácie odberu jednotlivých spotrebiteľov potom bude dochádzať k zvyšovaniu spotreby za situácie prebytku v sieťach (nižšia cena) a naopak. Určujúcou pre tieto situácie potom bude ako dodávka z veľkých inštalácií OZE dodávajúcich do prenosových sietí, tak aj dodávka z malých decentrálnych zdrojov. Ich rastúci podiel potom môže viesť k rozpadu cenovej úrovne na jednotlivé lokálne oblasti líšiace sa cenou.

Takáto situácia je však úplne odlišná od súčasného modelu centrálne riadených sústav. Inými slovami, inteligentná sieť budúcnosti s veľkým množstvom rozptýlených OZE a so stále rastúcou miestnou spotrebou bez rozsiahlych investícií na rozšírenie sietí bude predstavovať neuralgickú sieť s mnohými inteligentnými jadrami menšieho významu, majúcimi odlišné bilancie, odlišnú cenovú úroveň i odlišné odozvy, či už na zmeny v energetickej sieti alebo zmeny počasia. Uvedená skutočnosť bude predstavovať najväčšiu strategickú zmenu v energetických sústavách za posledné desaťročie.

Spomínaná skutočnosť rozpadu cien si podľa autorov tohto článku vyžiada nutnosť zavedenia úplne nového konceptu Local Third Party Access (LTPA). Len nový koncept lokálneho pôsobenia väčšieho počtu obchodníkov totiž umožní zavedenie SG v súlade s prijímaným konceptom TPA.

Popísaný koncept SG nemožno ďalej chápať ako konečné štádium vývoja z pohľadu dodávok energie koncovým užívateľom, pretože neobsahuje konkurenciu medzi rôznymi médiami – nositeľmi energie. Implicitne však obsahuje možnosť jeho zavedenia. Je určite možné predstaviť si, že by sa k existujúcim spotrebičom a decentrálnym OZE mohli pridať malé kogeneračné jednotky využívajúce dodávky zemného plynu. Do popísaného konceptu LTPA by tieto vstúpili ako konečný zdroj elektrickej energie. Pri známej cene zemného plynu by totiž systémy AMM dokázali dopočítať náklady na výrobu elektriny v decentrálnej kogeneračnej jednotke, ktorá by navyše vyrábala aj teplo. V takom prípade by išlo už o Multi Smart Grid (MSG).

Uvedené výzvy predstavujú úlohy, ktoré sú veľmi nesprávne zanedbávané doteraz vedenou verejnou diskusiou i vedeckou prácou mnohých renomovaných západných univerzít. Ide preto o možné pole pôsobnosti drobných útvarov a tímov skúmajúcich predpokladané dôsledky moderných trendov energetiky, nazývaných tiež často ako čisté technológie.

Text vyšiel v českom jazyku v odbornom magazíne PRO-ENERGY. Publikujeme so súhlasom magazínu. Preklad: energia.sk

O AUTOROCH

Ing. MAREK ADAMEC pracuje ako špecialista nákupu pre projekty nových zdrojov v skupine ČEZ, zároveň absolvuje doktorandské štúdium na FEL, ČVUT.

Ing. PAVEL PAVLÁTKA je ekonóm spoločnosti Carbounion Bohemia, zároveň študent doktorandského štúdia na FEL, ČVUT. Spoločne s Marekom Adamcom sú spoluzakladateľmi EM Institute – inštitútu kladúceho si za cieľ transfer know-how medzi akademickou pôdou a súkromným sektorom.

Ing. KAREL VINKLER, M.B.A. pracoval až do roku 2011 na významných manažérskych pozíciách v ČEZ, teraz pôsobí ako nezávislý odborný konzultant. Je členom komisie WG Trading, Eurelectric.

K téme