Odhad nákladov a výnosov Smart Grid v USA

Termín SmG, ako je použitý v tomto článku, sa vzťahuje k modernizácii elektroenergetickej sústavy, čím sa rozumie monitorovanie, ochrana a automatická optimalizácia prevádzky jej interných prepojovacích prvkov – od systémových a rozptýlených zdrojov cez prenosové siete a distribučné systémy k priemyselným veľkoodberateľom, automaticky riadeným odberom budov, zariadeniam na akumuláciu energie až ku konečným odberateľom a ich termostatom, elektromobilom, elektrickým prístrojom a zariadeniam v domácnosti.

1. Východiskový stav

Súčasná infraštruktúra dodávky elektriny nebola navrhnutá pre potreby zmien štruktúry trhu s elektrinou, rastúce požiadavky digitálnej spoločnosti alebo zvýšenej produkcie z OZE. Zložité podmienky, investovanie do rozvoja a údržby tejto infraštruktúry spôsobili v minulých dekádach zaostávanie voči bezpečnostným hrozbám.

Dôsledkom sú nevyhnutne potrebná modernizácia a zlepšenie elektroenergetickej sústavy. SmG poskytuje víziu zlepšenia a zaistenia vysokej úrovne ochrany, kvality, spoľahlivosti a dostupnosti (Security, Quality, Reliability and Availibility) elektrickej energie. To smeruje k zlepšeniu ekonomickej produktivity, kvality života a minimalizácii vplyvu na životné prostredie a súbežne maximalizuje bezpečnosť. Dosiahnutie tejto vízie bude vyžadovať dôkladnú formuláciu politiky, urýchlenie investícií do infraštruktúry a zhodu verejného i súkromného výskumu, vývoja a prezentácie pre prekonávaní prekážok slabých miest.

2. Zhrnutie výsledkov

Dodatočne k investíciám nevyhnutným na pokrytie rastúcej spotreby sú čisté investície potrebné na realizáciu zamýšľanej budúcej smart infraštruktúry medzi 338 až 476 mld. USD. Celková predpokladaná hodnota budúcich výnosov v rozmedzí od 1,294 do 2,028 mld. USD je pri uvažovanom pomere výnosov k nákladom v rozmedzí 2,8 až 6,0. Preto, na základe predchádzajúcich predpokladov, výnosy zamýšľanej budúcej smart infraštruktúry významne prevažujú náklady.

Tab. 1: Súhrn odhadnutých nákladov a výnosov SmG

Úroveň investícií sa predkladaná medzi 17 až 24 mld. USD ročne v priebehu budúcich 20 rokov. Uvedené investície pokrývajú široký rozsah zlepšenia vlastností elektroenergetickej infraštruktúry požadovanej pre úroveň SmG. Obsahuje náklady infraštruktúry na integráciu rozptýlených zdrojov a úplnú prepojiteľnosť zákazníkov, nezahŕňa však investície na zabezpečenie strojov, rozšírenie prenosovej sústavy vynútené rozptýlenými zdrojmi a nárastom zaťaženia a Ďalej kategóriu investícií konečným zákazníkom do aplikácií a zariadení využívajúcich vlastnosti SmG.

Tab. 2: Náklady, ktoré umožnia plnú funkčnosť SmG

Do odhadu investícií potrebných na Smart Grid sa musí musia zahrnúť aj výdavky spojené s nárastom zaťaženia a umožnia tak produkciu z OZE vo veľkom rozsahu. Súčasťou týchto výdavkov budú nevyhnutné položky na rozšírenie elektrizačnej sústavy porovnateľné so Smart Grid.

Obr. 1: Štruktúra investičných výdavkov

3. Výnosy zo Smart Grid

V nasledujúcej tabuľke sú znázornené rôzne druhy zlepšenia elektrizačnej sústavy, ktoré zodpovedajú rôznym typom vlastností použitých v základnej štúdii. Kľúčovým je všeobecne v procese odhadov výnosov zlepšenie parametrov elektrizačnej sústavy, rovnako tak zlepšenia, ktoré realizujú priamo zákazníci. Pri zákazníkoch ide o prínos pridanej hodnoty služieb.

Tab. 3

Parameter „cena elektriny“ predstavuje celkové náklady na dodávku elektriny zákazníkom, vrátane investícií, nákladov na prevádzku, údržbu, nákladov na straty. Preto veľkosť tejto ceny súvisí s akýmkoľvek zlepšením, ktoré znižuje priame náklady dodávky elektriny. „SQRA“ je sumou parametrov, ako je ochrana, kvalita, spoľahlivosť, keď prevádzkyschopnosť je súčasťou parametrov kvality elektriny a spoľahlivosti dodávky. Parameter „kvalita života“ sa týka prístupu k početným službám spojených s dodávkami elektriny, ako je internet, telefón, káblová služba, dodávka prírodného plynu. Súčasťou dodávky energie sú i siete (znalostné) ako jeden inteligentný elektroenergetický a telekomunikačný systém, ktorý pripravuje pôdu pre rastúce množstvo výrobkov a služieb spojených s dodávkou energie a komunikáciou informácií.

4. Technológie

Uvedené funkcie popísané vyššie vyžadujú množstvo nových technológií, ako v prenosovej sústave a transformačných staniciach, tak v distribúcii, vrátane konečných zákazníkov. Bližšie sú popísané v nasledujúcich riadkoch.

4.1. Prenosová sústava a transformačné stanice

Celkové náklady na zvýšenie schopnosti prenosových systémov a transformačných staníc na úroveň Smart Grid sa odhaduje na 56 až 64 mld. Náklady zahrňujú rôzne druhy technológií, ktoré svojimi funkcionalitami významne presahujú z prenosových sústav do transformačných staníc až po určité časti distribučného systému popisovaného v ďalšom, ako i funkcionality na úrovni riadenia a podpory v spoločnosti, ako je napríklad ochrana pred elektronickými útokmi.

4.2. Nákladové položky Smart Grid v prenosovej sústave a transformačných staniciach

Základné položky sú tieto:

• čidlá prenosových vedení umožňujúce dynamicky stanoviť termické prenosové možnosti vedenia
• akumulačné jednotky pre prenos pásmových dodávok
• zariadenie FACTS a rovnako smerné spojky
• obmedzovače skratového prúdu
• komunikačná infraštruktúra pre podporu prenosových vedení a staníc
• základná infraštruktúra staníc pre IT
• kybernetická ochrana
• inteligentné elektronické zariadenia
• technológia monitoringu ES pomocou merania fázorov
• podpora riadenia spoločnosti vrátane systému GIS, riadenie likvidácie porúch a distribúcie
• ďalšie zlepšenie možno dosiahnuť postupným prirodzeným vývojom v oblasti simulácií rýchlejších než reálny čas, zlepšenia metód modelovania zaťaženia a jeho prognózovania, pravdepodobnosti hodnotenia zraniteľnosti systému, zlepšenia vizualizačných techník
• modernizáciou v staniciach bude možné využiť nové funkcionality, okrem iného napr. zlepšenie funkcií záložných systémov, automatizácia fungovania staníc, systémy údržby zariadení založených na spoľahlivých a prognostických kritérií

4.2.1. Dynamické stanovenie termických prenosových možností

Dynamické stanovenie termických prenosových možností v reálnom čase sa stáva dôležitým nástrojom riadenia spoľahlivosti systému pri optimalizácii tokov elektriny po vedeniach. Systém riadenia tejto možnosti využíva najmä pre zvýšenie prenosovej schopnosti prenosových profilov pri minimálnych investičných nárokoch.

4.2.2. Čidlá

Smart Grid budú vyžadovať najrôznejšie snímače, ktorými bude možné sieť monitorovať v reálnom čase. V prenosových profiloch a v staniciach môžu plniť rôznu úlohu:

• bezpečnostná: použitie senzorov pre prenosové vedenia alebo v staniciach umožní monitoring a prenos informácií o stave zariadenia
• údržba: ak stav zariadenia vykazuje rizikové hodnoty, vykoná sa príslušná údržba a zamedzí tak výpadku zariadenia
• údržba založená na informácii o stave zariadenia: znalosť stavu opotrebenia komponentov prenosovej sústavy alebo stanice umožňuje zaviesť tento typ údržby namiesto údržby v pevných intervaloch
• správa majetku: dáta z čidiel spolu s údajmi z archívov, databáz poruchových udalostí a údajmi o prevádzke umožnia lepšiu alokáciu a využitie zdrojov
• zvýšené využívanie zariadenia: vyššie termické prenosové možnosti možno dosiahnuť presnejšou znalosťou stavu zariadenia v reálnom čase
• forenzné a diagnostické rozbory: po výskyte poruchy je pre určenie jej príčiny nevyhnutný určitý rozsah informácií – pre presnejšiu analýzu umožňujú senzory zachytiť závažné informácie v reálnom čase
• zhodnotenie pravdepodobnosti rizika: zvýšené využitie ES je možné vďaka trvalej kontingenčnej analýze s využitím pravdepodobnostných metód

Prenosová sústava budúcnosti bude využívať synergickú koncepciu vybavenia elektrických stožiarov technologickými snímačmi určenými k zvýšeniu využitia, spoľahlivosti, bezpečnosti a úrovne chránenia prenosovej sústavy. Návrh systému snímačov čerpá zo zoznamu potrieb, ako ich uvádza EPRI 1016921. Zoznam je určený pre prenosové vedenia nad 69 kV s oceľovými mrežovými stožiarmi. Sledovať má ohrozenia zo strany vegetácie či ľudskú činnosť v blízkosti vedení, poškodenie oceľovej konštrukcie, starnutie základov, pretrhnutie vodičov, úder blesku do uzemňovacieho lana, pád vodiča na zem, uviaznutie balónu vo vedení, hniezdiace vtáctvo, vandalizmus, teroristov, praskliny a znečistenie izolátorového reťazca, prerušenie vlákien zväzkového vodiča, koróziu vodičov.

4.2.3. Obmedzovače skratového prúdu

Obmedzovač skratového prúdu je technológia, ktorú môžu používať dodávatelia elektriny pre riešenie nárastu problémov spojených so skratovými prúdmi.

4.2.4. FACT (Flexible AC Transmission System)

Existuje množstvo flexibilných striedavých prenosových systémov, ktoré sú potrebné pre potreby smart grid. Obsahujú silové elektronické prvky schopné pracovať v prenosovej sústave. Riadi sa nimi prevádzka systému a použitie je možné aj pre transformátory.

4.2.5. Akumulácia energie

Akumulácia pásmové dodávky je jedným z hlavných limitov súčasnej elektrizačnej sústavy a jednou z veľkých príležitostí pre zariadenie Smart grid v budúcnosti.

4.2.6. Komunikácia a IT infraštruktúra prenosových vedení a staníc

Inteligentné stanice vyžadujú novú infraštruktúru schopnú podporovať vyššiu úroveň monitoringu, analýz a riadenia prevádzky Smart Grid a komunikačnú infraštruktúru pre úplnú integráciu prevádzkových pokynov v smere aj v protismere toku energie.

4.2.7. Inteligentné elektronické zariadenia

Inteligentné elektronické zariadenia zahŕňajú veľkú oblasť mikroprocesorových riadiacich systémov silových zariadení, ako sú vypínače, transformátory a kondenzátorové zostavy.

4.2.8. Technológie merania fázorov

Jednotky na meranie fázorov poskytujú informácie o dynamickom správaní ES. Špeciálne snímajú sínusoidu (napätia a prúdu) 30x za sekundu vo významných bodoch prenosového systému.

4.2.9. Kybernetická ochrana

Kybernetická ochrana je v energetických spoločnostiach používaná od r 2000. V posledných rokoch sa so zvyšujúcou sa popularitou SMG zvýšil aj záujem o kybernetickú bezpečnosť. Kybernetická ochrana je základným elementom Smart Grid. Zaisťuje ochranu informácií a ich integritu vzhľadom na ich digitálny presah v systéme Smart Grid.

4.2.10. Podpora riadenia spoločnosti

Všetky veľké spoločnosti už majú systémy podpory riadenia spoločnosti, ktoré obsahujú geografický informačný systém GIS, systém riadenia distribúcie, systém likvidácie porúch. Pre rozvoj ďalších funkcionalít v systéme Smart Grid bude potrebné pre účely fungovania ich analytických nástrojov priradiť archívne dáta k novozískaným dátam, porovnať ich a zvýrazniť rozdiely a anomálie.

4.2.11. Vplyv na prevádzkovateľa prenosových sústav

Nezávislí prevádzkovatelia prenosových sústav, prevádzkovatelia prenosových sústav a ďalšie nezávislí prevádzkovatelia vo veľkom investujú do komunikačnej infraštruktúry a zvyšujú úroveň analytických a prognostických systémov.

4.2.12. Silové elektronické zariadenia pre zmiernenie indukovaných prúdov

Geomagnetické indukované prúdy môžu zapríčiniť problémy pri vysokonapäťových zariadeniach a viesť k rozsiahlym poruchám typu black-out. Budúce využívanie silových elektronických zariadení v uzemnených uzloch staničných transformátorov môže prispieť k neutralizácii týchto prúdov.

5. Distribúcia

Investície do distribúcie sa za niekoľko posledných dekád ustálili na 12 až 14 mld.USD a smerovali najmä na zvýšenie zaťaženia, vyplývajúceho ako z nových prípojok, tak z posilňovania prípojok existujúcich zákazníkov. Distribučné spoločnosti v mestách majú cca 50 stôp distribučnej prípojky na zákazníka, zatiaľ čo na vidieku je to cca 300 stôp. Za predpokladu priemerných 100 stôp priemernej dĺžky distribučného vedenia na každého zo 165 mil. amerických zákazníkov majú USA približne 3 milióny míľ distribučných vedení. Transformácia distribúcie na úroveň vyžadovanú SmG predstavuje významnú investíciu.

6. Nákladové položky Smart Grid: distribúcia

Investícia do SMG v distribučných systémoch zahŕňa širokopásmovú komunikáciu do všetkých staníc, inteligentný elektronické zariadenia, ktoré poskytujú primeraný manažment a ochranu distribúcie, úplný monitoring distribučných systémov integrovaný s veľkými systémami správy majetku a plne integrované inteligentné systémy zlepšujúce kvalitu dodávky elektriny, zvyšujúce spoľahlivosť a výkonnosť distribučných systémov. Kľúčové položky Smart Grid v distribúcii sú:

• komunikácie pre potreby infraštruktúry zdokonaleného merania (AMI) až po prípojky zákazníkov a dodávaných smart zákazníckych obvodov a zariadení
• automatizácia distribúcie
• automatizácia distribučných prípojok – inteligentný sekčný spínač a relé v mieste odbočenia prípojok, silová elektronika vrátane distribučných obmedzovačov skratových prúdov, riadení U a Q na prípojkách
• inteligentné univerzálne transformátory
• zdokonalená meracia infraštruktúra
• lokálne riadenie v budovách, v mikrosieťach alebo distribučných systémoch lokálneho rozsahu

Prehľad kľúčových technológií je uvedený nižšie.

6.1. Komunikácia

Komunikácia tvorí dôležitú chrbticu, po ktorej prebieha integrácia zaťaženia zákazníka s prevádzkou spoločnosti. Podrobné informácie v reálnom čase sú kľúčom k efektívnemu riadeniu veľkého a dynamického systému ako je ES. Každý smart elektromer vo zdokonalenej meracej infraštruktúre musí byť schopný komunikovať s veľkou paletou užívateľských riadiacich systémov, vykazovať spoľahlivé a bezpečné fungovanie z hľadiska ochrany informácií, komunikovať dáta o prevádzke elektrizačnej sústavy, cenové signály a zákaznícke informácie do a z vnútra rozvetveného systému spoločnosti.

6.2. Automatizácia distribúcie

Automatizácia distribúcie zahŕňa integráciu systému SCADA so zdokonalenými distribučnými snímačmi, zdokonaleným elektronickým riadením a zdokonalenú obojsmernou komunikáciou optimalizujúcou vlastnosti systému.

6.3. Inteligentný univerzálny transformátory

Súčasné transformátory majú nízku efektívnosť v oblasti malého zaťaženia, používajú tekuté dielektrikum, ktoré, ak spôsobí znečistenie sa musí nákladne odstraňovať, a poskytujú len jednu funkciu – zmenu napätia. Tieto transformátory neumožňujú reguláciu napätia v reálnom čase, ani monitorovanie prenosovej schopnosti a ani neumožňujú zapojenie do komunikácie. Súčasne vyžadujú nákladné sklady náhradných dielov pre ich opakované využitie, neumožňujú dodávať 3-fázovú elektrinu z jednofázovej siete a nie sú čiastočne opraviteľné. Inteligentné univerzálne transformátory budúcnosti budú rozhraním pre rozptýlené zdroje, či akumulátory hybridných elektromobilov.

6.4. Zdokonalená meracie infraštruktúra

Zdokonalená meracia infraštruktúra zahŕňa obojsmernú komunikáciu so smart elektromermi, zákazníckymi a prevádzkovými databázami a rôznymi systémami riadenia záťaže. Zdokonalená meracie infraštruktúra podľa nových návrhov poskytne zákazníkom využiť elektrinu efektívnejším spôsobom, individuálne podľa ich potrieb. Energetickým spoločnostiam ponúkne možnosť prevádzkovať systémy s vyššou robustnosťou.

6.5. Riadiace systémy pre lokálne distribučné sústavy

Lokálne distribučné sústavy sú prostriedky, ktorými zákazníci môžu zmeniť použitie elektriny tým, že budú súčasťou systému riadenia chodu ES – ušetria tak čas aj s tým spojenú námahu. Pokiaľ môže byť použitie elektriny kategorizované na základe zberu informácií a ich spracovania, potom môžu zákazníci nakúpiť a prevádzkovať takýto systém, inštalovať a prevádzkovať domácu sieť, sieť elektronických informácií, prepojených so systémom riadenia záťaže, s regulátorom.

7. Zákazníci

V USA je viac ako 142 miliónov odberateľov elektriny, z nich je 13 % komerčných a priemyselných odberateľov. Počet zákazníkov podľa očakávaní porastie o 16% v priebehu 20 rokov, na viac ako 165 miliónov odberateľov. Podľa toho, ako bude väčšina zákazníkov schopná reagovať na riadenie zaťaženia, bude potom počet komunikačných uzlov zákazníkov viac ako dvojnásobný.

7.1 Nákladové položky Smart Grid: technológie zákazníkov

Kľúčové komponenty nákladov SMG u zákazníkov sú:

• integrovaný invertor FVE
• zákaznícky EMS portál a panel riadenia
• monitory v domácnostiach
• aplikácie a zariadenia využívajúce SmG
• dvojcestné (dodávka – odber) konvertory pre elektromobily
• zákaznícka akumulácia elektriny pre prípady núdzového napájania, príp. až dodávku elektriny zákazníka do verejnej siete
• automatizácia budov

7.1.1 Invertory FVE

Invertory FVE sú mikroprocesorové jednotky používané k premene jednosmerného prúdu na striedavý, ktoré umožňujú pripojiť FVE k verejnej sieti. Invertor je jedno z najdômyselnejších elektronických zariadení používaných vo fotovoltaických systémoch a po fotovoltaických moduloch je druhý najnákladnejší.

7.1.2 Zákaznícky systém riadenia spotreby (EMS)

Zákaznícky systém riadenia spotreby je systém určený (prinajmenšom z časti) k riadeniu systémov automatizácie budov či zariadení zákazníka.

7.1.3 Monitory v domácnostiach a prístup k informáciám o energii

Za predpokladu získania informácií o energetickej spotrebe v reálnom čase máme šancu znížiť spotrebu elektriny.

7.1.4 Aplikácie a zariadenia využívajúce SmG

Aplikácie využívajúce SmG nevyžadujú prestavovať vozík na nápoje na vozík s diaľkovou komunikáciou a riadením. Tieto zariadenia, často označované ako zariadenia, ktorých elektrickú záťaž je možné riadiť, sa označujú ako energeticky riaditeľné (Demand Response Ready) a vyrábajú sa s vstavanou schopnosťou riadenia elektrickej záťaže (Demand Response).

7.1.5 Infraštruktúra nabíjacích staníc pre elektromobily a SMG komunikačné jednotky v elektromobiloch

Elektromobily nabíjané z elektrickej zásuvky sú všeobecne definované ako hybridné vozidlá so schopnosťou nabiť batérie zo siete, pričom tieto batérie poháňajú automobil buď čiastočne, alebo samostatne. Takmer všetky najväčšie automobilky ohlásili v období 2010 až 2014 predvedenie alebo výrobu týchto plne alebo čiastočne elektrických automobilov v širokom rozsahu modifikácií.

7.1.6 Zlepšenie komunikácie pre automatizáciu v budovách

V súčasnosti viac ako tretina budov inštitúcií v USA má klimatizáciu a inštalovaný nejaký riadiaci systém i systém riadenia spotreby. Automatizované riadenie zaťaženia (Automated Demand Response) môže byť doplnené komunikáciou so systémom riadenia zaťaženia budov pomocou internetovej komunikácie alebo smerovým spojením.

7.1.7 Akumulácia elektrickej energie

Zdokonalené kyslé olovené batérie predstavujú prevládajúcu formu akumulácie elektriny pre domácnosti, podnikateľov a priemyselný veľkoodber, ktorý chce mať bezvýpadkový napájací systém (Uninterruptible Power Supply). Podnikatelia a priemyselný veľkoodber môžu byť napájania až 8 hodín so 75 % účinnosťou a zachovať si tak prevádzku počas viac ako 5.000 prípadov výpadku dodávky od distribútora. Domácnosti pracujú s akumuláciou umožňujúcou náhradnú dodávku po dobu 2 hodín, so 75 % účinnosťou a s možnosťou opätovného nabíjania v 5.000 cykloch.

8. Záver

Zavedení Smart Grid zaistí výrazné výnosy pre spoločnosť vrátane zlepšené spoľahlivosti, väčšieho komfortu a lepšieho riadenia a taktiež zvýši účinnosť a produktivitu spoločne so zlepšením ekologických ukazovateľov. Spomínané výnosy si budú vyžadovať spoločné úsilie všetkých akcionárov a politických stratégov v priemysle, ktorý umožní realizáciu a využití spomínaných technológií.

Upozornenie: Text vyšiel  v odbornom magazíne ENERGETIKA č. 3/2012. Publikujeme so súhlasom magazínu.

Zoznam použitých zdrojov nájdete na tejto linke (pdf).

K téme