Datum zveřejnění: 
10. 10. 2024
V polovině července byl ve Vraňanech na Mělnicku uveden do provozu hybridní zdroj energie Energy nest a zahájil rutinní poskytování podpůrných služeb pro stabilizaci elektrizační soustavy. Je koncipován jako agregační blok, který kombinuje největší bateriové úložiště v ČR s malými točivými generátory. Inovativním prvkem je použití plynových spalovacích turbín na bázi leteckých motorů pro pohon generátorů. Unikátní řídicí systém je výsledkem společného projektu výzkumu a vývoje Českého institutu informatiky, robotiky a kybernetiky (CII CR) Českého vysokého učení technického společně se skupinou Decci jako investorem a společností Siemens jako dodavatelem řešení na klíč.

Bateriové úložiště ve Vraňanech má nabíjecí a vybíjecí výkon 20 MW a kapacitu 22 MWh a je aktuálně největším bateriovým úložištěm v České republice. Základem plynových spalovacích turbín je letecký motor, který nabízí téměř nulovou spotřebu v pohotovostním stavu, ultra rychlý start (plný výkon dosáhne do 2 minut od startu) a který je odolný vůči častým startům a krátké době aktivace. Plynová spalovací turbína se značnou rezervou splňuje přísné emisní limity (30 mg CO2) bez nutnosti dalšího technického vybavení (např. řízeného katalyzátoru). Dalším inovativním prvkem je unikátní řídicí systém, který zajišťuje provoz celého komplexu a při poskytování služeb koordinuje chod jednotlivých energetických zařízení (EZ), jež jsou součástí agregačního bloku (AB). Klíčovým prvkem tohoto řídicího systému jsou optimalizační algoritmy, které zajišťují poskytování služeb v souladu s přísnými požadavky provozovatele přenosové soustavy a zároveň s minimálními provozními náklady. Algoritmy na bázi umělé inteligence a matematické optimalizace vyvinul ČVUT CIIRC. Energy nest je moderním energetickým zdrojem, který dokáže flexibilně reagovat na deficit výkonu v elektrizační soustavě a je schopen poskytovat jakoukoliv službu dle Kodexu až do výkonu 35 MW.  

Koncept řešení

Investoři již v době, kdy uváděli do provozu nedalekou fotovoltaickou elektrárnu Vepřek - Nová Ves, plánovali v sousedství rozvodny 110 kV Spomyšl vybudovat zařízení, které by přispělo ke stabilizaci elektrizační soustavy. Když se Kodex ČEPS pootevřel poskytování služeb výkonové rovnováhy (SVR) formou agregace a když začalo být zřejmé, že dekarbonizace energetiky bude mít na dostupné výkony SVR negativní vliv, odhodlání investorů začalo sílit. Na základě studie připojitelnosti, kterou zpracovalo EGC České Budějovice, byla podána žádost o vyvedení výkonu 30 MW. První vizí bylo poskytování mFRR kombinací plynové spalovací turbíny Siemens SGT750 o jmenovitém výkonu 32 MWe a bateriového systému akumulace energie (BSAE) v několika variantách výkonů a kapacit. Tato turbína by byla schopna dosáhnout plného výkonu do cca 15 min ze studeného stavu, případně do cca 10 min za předpokladu předehřevu mazacího oleje a temperování kontejneru se strojem. Technologie se zdála být vhodná pro poskytování služby terciární zálohy s časem aktivace 15 minut (dnes by byla nazývána mFRR15), v kombinaci s BSAE pro poskytování FCR do 10 MW a MZ5 (mFRR5) o výkonu 30 MW. Vývoj cen SVR a harmonizace služeb napříč členskými státy ENTSO-E, zejména zkracování časů pro dosažení plného výkonu (FAT = full activation time) jednotlivých služeb (u mFRR z 15 na 12,5 minut, u aFRR z 10 na 7,5 a následně na 5 minut), si vynutily zásadní přehodnocení prvotního konceptu. Analyzovány postupně byly kombinace plynových motorů o výkonu 10 MW, následně 5 MW, technické řešení se následně ustálilo na kombinaci plynových spalovacích turbín o výkonu 5 MW a bateriového úložiště. Každopádně v roce 2019 již bylo zřejmé, že záměrem je vybudovat zdroj, který bude poskytovat pouze SVR a který bude koncipován jako fiktivní výrobní blok – dnes nazýván agregační blok (AB). V okamžicích, kdy není poptávka po SVR, budou všechna energetická zařízení v AB udržována ve stavu pohotovosti s minimální až nulovou vlastní spotřebou (tedy i minimální emisní stopou), avšak připravena ke startu v případě potřeby.  

Vývoj řešení

V roce 2020 se poradenský tým, který investorům pomáhal se základním návrhem elektrárny, rozrostl o ČVUT CIIRC a Nano energies. K ekonomickému modelu tak přibyly podrobné predikce vývoje trhů a technický model agregačního bloku. Byly vytvořeny první simulační modely s cílem identifikovat kritické vlastnosti a parametry, jež jsou nezbytné pro splnění přísných požadavků ČEPS na kvalitu poskytovaných služeb. Zadání investora už tou dobou nabralo zřetelnější obrysy. V oblasti služeb se hledalo řešení schopné poskytovat FCR do výkonu 10 MW, aFRR do výkonu +30 MW, mFRR do výkonu +30 MW a jakoukoliv kombinaci těchto služeb do maximálního celkového výkonu 30 MW. Z pohledu technologií se hledalo řešení s maximální agilitou točivých strojů, ale s minimální investicí do BSAE, které však bude vždy garantovat plnění kvalitativních parametrů a dokáže vytěžit technické maximum z nasazených technologií. Brzy se ukázalo, že právě agilita točivých strojů je klíčovým omezujícím faktorem při návrhu celého řešení. Po dobu, než točivý stroj z pohotovostního stavu dosáhne stavu, kdy je schopen poskytovat výkon, musí při poskytování SVR zaskočit baterie. Některé typy strojů nedovolují startovací sekvenci přerušit, jiné typy ano, ale následný start pak trvá delší dobu. Vypínací sekvence je ještě mnohem složitější, neboť je třeba stroj před vypnutím dochladit a zároveň respektovat setrvačnosti při jeho dotáčení. Nejistota v požadavcích ČEPS na dodávanou službu (dopředu není znám ani žádaný výkon, ani okamžik aktivace) spolu s rizikem, které plyne z nenastartování stroje ve správný okamžik, resp. odstavením stroje v nesprávný okamžik, postupně dávaly obrysy matematickému zadání optimalizační úlohy. Brzy bylo jasné, že bez robustního simulačního prostředí se další práce neobejdou. S podporou TAČR byl realizován výzkumný projekt, v rámci kterého bylo mj. vyvinuto digitální dvojče, které věrně simulovalo stavové chování nasazených EZ. Jeho vývoj trval zhruba rok, náročná byla zejména interakce s dodavatelem točivých strojů. Týmu výzkumníků z CIIRC se podařilo nejen realisticky modelovat chování strojů, ale přesvědčit dodavatele k úpravě chování stroje tak, aby se zkrátila doba startu a zároveň byla minimalizována doba potřebná k restartu. Díky vstřícnosti a profesionálnímu přístupu dodavatele generátorových sad (GenSet), britské společnosti Centrax, se podařilo dosáhnout stavu, kdy točivé stroje jsou schopny z pohotovosti najet na plný výkon do dvou minut od vydání povelu ke startu, a to jakéhokoliv provozního stavu. Tyto úpravy umožnily razantně snížit požadavky na podporu startu strojů baterií. Vědcům z CIIRC se tak podařilo investorovi ušetřit cca 200 mil. Kč investice do BSAE. 

Vývoj algoritmů pro řízení

Největší výzvou bylo vlastní řízení všech jednotlivých zařízení v agregačním bloku tak, aby s minimálními provozními náklady byla vždy splněna kvalitativní kritéria, která ČEPS klade na poskytované služby. A to vše v prostředí se značnou mírou nejistoty. Budoucí požadavky ČEPS na služby totiž nejsou známy a je velmi obtížné až nemožné je predikovat. Taktéž nejsou známy budoucí ceny, kterými bude kompenzována poskytnutá regulační energie v případě aktivace. Rešerše navíc nikde ve světě nenašly obdobné řešení, bylo tedy jasné, že se před námi rýsuje unikát. První rok projektu byl zasvěcen detailním analýzám služeb výkonové rovnováhy. Ukázalo se, že optimální průběh služby není definován, jsou pouze definována nesymetrická toleranční pásma, která se dynamicky mění v závislosti na požadavcích ČEPS v předchozích minutách. Kvalitativním kritériem je realizace výkonu uvnitř tolerančního pásma. Na základě těchto analýz byla navržena první komponenta řídicího systému, která interpretuje požadavky ČEPS do podoby vteřinových časových řad žádaných výkonů jednotlivých služeb. První rok projektu také probíhaly analýzy jednotlivých EZ, tvorba stavových modelů a byly prováděny první experimenty a simulace pro definici mezních scénářů, které lze při řízení očekávat. Byla formulována účelová funkce, výsledky analýz SVR a stavové modely byly převedeny do podoby okrajových podmínek. Byl sestaven první optimalizační model na bázi celočíselného lineárního programování (anglicky Mixed Integer Linear Programming, zkráceně MILP) a nad vzorky historických dat, které výzkumnému projektu poskytl ČEPS, byly spuštěny první komplexní simulace. Ačkoliv bylo od počátku zřejmé, že robustní MILP optimalizace sice vždy najde optimální řešení, ale není vhodná pro řízení v reálném čase, výsledky simulací byly zásadním přínosem pro návrh vlastního algoritmu. Klíčovou vlastností algoritmu je garance plnění kvalitativních parametrů poskytované SVR, a to jak pro aktuálně interpretovaný požadavek ČEPS, tak i pro interpretaci jakéhokoliv jiného hypotetického požadavku, který může ČEPS vydat v následujících pěti minutách. Je tak identifikován nejhorší možný scénář, který může při řízení nastat, tzv. worst case. Algoritmus pracuje v posouvajícím se časovém okně (rolling time horizon), pro které jsou scénáře hodnoceny. Každou vteřinu jsou vypočítávány řídicí povely a předávány jednotlivým technologiím. Při nasazování točivých strojů je zohledňována jak jejich technická schopnost dosáhnout stavu požadovaného pro plnění služby, tak i náklady spojené s přechody mezi stavy. Algoritmus nepoužívá zpětnovazební řízení, ale dopřednou korekci odchylky. Na základě interpretace povelů ČEPS jsou určeny časové řady žádaných výkonů jednotlivých poskytovaných služeb, resp. časová řada celkového žádaného výkonu agregačního bloku. Vzhledem k precizní odezvě generátorů na povely lze poměrně přesně estimovat výkon, jaký budou v sumě poskytovat v příští vteřině. Rozdíl mezi těmito hodnotami je pak v reálném čase korigován bateriovým úložištěm, čímž je minimalizována odchylka, tj. chyba řízení. 

Testování algoritmu, industrializace a certifikace

Chování vyvinutého prototypu algoritmu bylo testováno ve virtuálním prostředí s využitím digitálního dvojčete. Nad historickými daty z reálného provozu bylo ověřeno chování algoritmu za různých okrajových podmínek. Pro ověření chování algoritmu v mezních situacích byla generována umělá data, která statistickými charakteristikami odpovídala reálnému provozu. Před nasazením algoritmu do provozu bylo provedeno řádově několik stovek simulací. Zásadní výhodou simulací byla možnost ověřit široké spektrum provozních režimů, což by v praxi bylo velmi nákladné. Mnohé testy by v reálném provozu ani nebylo možno provádět. Digitální dvojče také poskytlo komfort svým vysokým výkonem, simulace týdne provozu (zhruba 600 tis. vteřinových časových řezů) nezabrala více než 20 minut strojového času na jednom jádře běžného procesoru (i7-1185G@3GHz, 16 GB RAM), obvykle se paralelně počítalo šest scénářů, které odpovídaly šesti pozicím v cenovém žebříčku (common merit order list, CMOL). Během hodiny tak bylo možno připravit sadu scénářů, odsimulovat je a provést jejich vyhodnocení. Podle pravidel definovaných Kodexem byly vytvořeny také testovací scénáře pro certifikaci. Ačkoliv virtuální certifikace nebyla umožněna, díky simulacím bylo možno jak certifikační autoritě, tak i ČEPS prezentovat očekávané chování agregačního bloku a v nastavení řízení reflektovat jejich požadavky. Díky tomu investor ušetřil nemalé náklady spojené s certifikací, resp. případným opakováním certifikačního měření. Po ukončení projektu výzkumu a vývoje s podporou TAČR bylo investorovi umožněno využití výsledků výzkumu na komerční bázi. ČVUT CIIRC následně prototyp algoritmu industrializoval do podoby průmyslové aplikace, která byla nasazena do ostrého provozu. Tím ovšem úspěšná a ukázková spolupráce průmyslových partnerů s akademickou sférou zdaleka nekončí. Před námi je zdokonalování řízení dle reálných zkušeností, možná replikace vyvinutého řešení či jeho uplatnění v jiných aplikacích, např. řízení podnikových energetik. Zahájení komerčního provozu Ve středu 10. července byla elektrárna formálně uvedena do provozu a zahájila poskytování SVR formou denních kontraktů. Od začátku srpna poskytuje SVR na bázi vysoutěžených dlouhodobých kontraktů. Aktuálně je elektrárna provozována pod společným dohledem investora a dodavatelů klíčových dílčích technologií, postupně se ladí drobné nedostatky, které provází spuštění každého komplexního zařízení. Elektrárna již v průběhu srpna dosáhla plného nominálního výkonu a nyní probíhá optimalizace rutinního provozu. Zároveň se připravuje zprovoznění dalších funkcí, které dále zvýší efektivitu provozu a flexibilitu služeb poskytovaných nejen ČEPS, ale případně i obchodníkům. Oddělením poskytování SVR od výroby elektrické energie lze při dekarbonizaci energetiky odděleně řešit dva samostatné směry: - náhradu zdrojů EE, jejíž způsob a cílovou konfiguraci paliv/technologií by měl určit stát prostřednictvím Státní energetické koncepce, - zajištění dostupnosti SVR, které lze řešit odděleně od přerodu zdrojové základny. Technické řešení může tak být přizpůsobeno konkrétním potřebám a parametrům služeb, což by mělo vést k nižší investiční náročnosti. S poskytováním SVR souvisí i nižší četnost aktivací, tedy výrazně nižší zátěž životního prostředí. Trh by měl motivovat obchodníky vyhnout se postihům za obchodní odchylky, tedy ve větší míře vytěžovat obchodní flexibilitu, čímž by se vlastní nasazení SVR uplatňovalo spíše pro řešení výkonové nerovnováhy ES způsobené technickými vlivy uvnitř obchodního intervalu. Alternativní AB s maximalistickou BSAE Obdobných výsledků při poskytování služeb by bylo možno dosáhnout kombinací BSAE s velkým výkonem, který odpovídá výkonu služby, a točivých strojů s nižší agilitou. Řízení by mohlo být jednodušší, protože by se omezilo na udržování úrovně nabití. Točivé stroje by mohly být levnější, protože by nemusely být tak agilní. Myšlenka zdánlivě slibná, ale algoritmy by i tak musely predikovat možné vývoje požadavků na služby a chod strojů plánovat tak, aby nebyly narušeny kritické spolehlivostní parametry řízení. U tohoto konceptu je také třeba akceptovat, že drtivá většina energie, kterou generátory vyrobí, projde skrz baterii, což o cca 20 % sníží celkovou efektivitu využití energie v palivu.  

 

Zdroj: 
Energetika