Jak rozvést elektřinu konečně pořádně

JAN HORČÍK  |  Věda
Jak rozvést elektřinu konečně pořádně

Od dětství jsme si zvykli, že elektřina k nám prostě skrze dráty teče, ale odkud, proč, jakým způsobem a za jakou cenu, to jako by posledních pár desítek let prakticky nikoho nezajímalo. Hlavně že se svítí, počítač počítá, mixér mixuje a není to zas tak moc drahé. Jenže ceny elektřiny, stejně jako všech dalších energií, stoupají…

Boom obnovitelných zdrojů energie a aktuální (nejen) energetická krize poukázaly na jedno z dědictví staleté minulosti, jež bude třeba pro další rozvoj člověčenstva na naší modré planetě zmodernizovat. A tentokrát nemyslíme automobily a spalovací motory, i když s touto problematikou také souvisejí a dojde na ně řeč. Jsou jím rozvodné elektrické sítě, jejichž projektování začalo na konci 19. století díky Nikolovi Teslovi a které jsou dodnes postaveny na technologiích a poznatcích starých 120 let.

Elektrická civilizace

Známý český spisovatel Ondřej Neff se svého času v románu Tma zamýšlel nad tím, co by se stalo, kdyby elektřina ze světa úplně zmizela. Vize to nebyly nijak zvlášť optimistické a dobře ukázaly, jak křehká ta naše takzvaně průmyslová civilizace vlastně je.

Vezměte jí elektřinu a vrátí se o mnoho staletí nazpět, doslova do temného středověku. Elektrické přenosové a distribuční sítě jsou vedle samotných elektráren klíčovou součástí energetiky každého státu, protože elektrárny jsou z mnoha, především bezpečnostních, ekologických a logistických důvodů budovány v odlehlých oblastech daleko od měst. Tam se však elektřiny spotřebuje nejvíce, a tudíž je třeba ji tam nějak dostat. Způsob, jakým distribuční sítě po dlouhá desetiletí fungují, byl postaven pro „analogovou ekonomiku“. Dnes, v době téměř striktně digitální ekonomiky, se začínají ukazovat všechny jejich neduhy, resp. četné možnosti vylepšení.

Vlastní elektrárna

Především jde o to zvýšit spolehlivost, efektivitu a bezpečnost rozvodných sítí tak, aby se zabránilo výpadkům, snížily se přenosové ztráty, a tím i emise oxidu uhličitého a ve výsledku cena elektřiny. Dalším krokem je usnadnit decentralizovanou produkci energie.

V současné době je nesmírně obtížné připojovat do sítě nové, malé zdroje energie o výkonu od 1 kW do řekněme 150 MW. Přitom většina obnovitelných zdrojů energie se hravě vejde právě do tohoto rozmezí. Kdo někdy zkoušel napojit malou domácí větrnou nebo solární elektrárnu, dobře zná ono úřednicko-technické martyrium, kterým při tom musí projít. A ani potom ještě nemá jistotu, že jeho nový zdroj energie bude skutečně možné zapojit – třeba skončí jako nevyhovující. Soubor všech těchto vylepšení a opatření, přidání možnosti obousměrné komunikace a volby dodavatelů energie, právě to je dnes označováno jako chytrá rozvodná síť neboli také SmartGrid, FutureGrid či IntelliGrid.

Digitální elektřina

Jedním ze symbolů současných rozvodných sítí by mohl být klasický elektromechanický indukční elektroměr, který sestrojil už v roce 1888 jistý Elihu Th omson. Pracuje na principu počítání otáček hliníkové destičky, která se točí v závislosti na protékající elektřině. Určitě jste si už všimli, že když vám doma jede pračka, myčka, televize a další spotřebiče, kolečko se točí ostošest. Technologie je to vpravdě archaická a prakticky nebere v potaz posledních 100 let vývoje v oblasti elektroniky a elektrotechniky. Jedním z prvních kroků směrem k chytrým rozvodným sítím je proto výměna stařičkých elektroměrů za nové, digitální „chytré“ elektroměry. Ty dokážou v reálném čase sledovat a upravovat spotřebu protékající energie, hlídat její kvalitu a především obousměrně komunikovat s rozvodnou sítí. Hlavní otázka ale zní: Na co všechno může být takovýhle chytrý elektroměr dobrý?

V čem spočívá jeho praktické využití?

Zásadním problémem současných rozvodných sítí jsou výkyvy ve spotřebě. Nejvíce energie se spotřebuje v určitých, předem odhadnutelných denních časech – když se lidé probouzejí, přijíždějí z práce, jdou spát. Miliony domácností si zhruba ve stejný čas pouštějí televizi, vaří jídlo nebo třeba svítí. V tisících firem se v určitý čas spouštějí počítače, světla, připravuje ranní káva. V takových okamžicích je zátěž rozvodné sítě enormní stejně jako nároky na spotřebu, což někdy může zapříčinit přetížení či výpadek. Chytrý elektroměr dokáže tuto situaci díky propojení s centrálním serverem, a tedy se všemi dalšími elektroměry skrze síť ne nepodobnou internetu (nebo přímo přes internet), předpovědět, přizpůsobit se jí, a ochránit tak samotnou síť i domácnost a její spotřebiče. Můžeme ale přemýšlet ještě dál – v budoucnu by mohlo v jedné rozvodné síti fungovat více poskytovatelů energie s různou cenovou politikou, jinými slovy tržní prostředí. Elektroměr pak dokáže sám automaticky nakupovat elektřinu od toho prodejce, který v danou dobu nabízí nejvýhodnější podmínky. Ale mohl by fungovat také obráceně, například prodávat elektřinu z vaší domácí solární elektrárny do sítě tomu, kdo právě nabídne nejvíc.

Inteligentní dům

Elektroměr, vzhledem k tomu, že by šlo o digitální zařízení, by mohl vlastně skoro cokoli. V nejextrémnější situaci váš dům třeba i „odstřihnout“ od sítě, řekněme v zájmu národní bezpečnosti (přesměrování energie do potřebných zařízení v případě výjimečné situace). Anebo digitálně komunikovat s podobně chytře vybavenými spotřebiči, měřit jejich jednotlivou spotřebu a přizpůsobovat se jejich požadavkům. Vize inteligentního domu se tak pomalu stává skutečností – jen v trochu jiných souvislostech, než jsme si ještě v 90. letech, éře levných energií, představovali. Spotřebiče dnes obecně představují pro rozvodnou síť jeden z nejnáročnějších prvků. Když jsou zapnuté, ale i když se nacházejí pouze ve stavu stand- by. Podle zprávy Energy [R]evolution Report, kterou společně vypracovala organizace Greenpeace a Evropský výbor pro obnovitelné energie (EREC), dnes stand- by spotřebiče v průměrné domácnosti „žerou“ 20–90 W tedy 4–10 % celkové spotřeby, přičemž toto číslo se od roku 1995 neustále globálně zvyšuje s tím, jak jsou domácnosti po celém světě vybaveny větším a větším počtem elektronických zařízení. Budoucnost patří inteligentním spotřebičům, které dokážou spotřebovávat minimum energie jak ve stavu stand-by, tak i při běhu, případně se ve spolupráci s chytrým elektroměrem přizpůsobovat celkové zátěži, právě dostupné energii v síti, jejím cenám, a podle toho dynamicky upravovat svůj chod.

Dobijte si svého miláčka

Ještě zajímavějších rozměrů nabývají chytré rozvodné sítě ve spojení s novými technologiemi v oblasti dopravy, plug- in hybridy a elektromobily. Právě ty by mohly pro současnou podobu rozvodných sítí představovat jisté „nebezpečí“, zejména pokud se masově rozšíří (některé odhady hovoří o jednom milionu plug-in hybridů v USA do roku 2015). Chytré rozvodné sítě by si pak s plug-iny snadno poradily – do jejich baterií by směřovaly například pouze energii z obnovitelných zdrojů.

Právě technologie plug-in hybridů a chytrých rozvodných sítí se mimo jiné stala jedním z témat předvolební kampaně amerického demokratického kandidáta na prezidenta Baracka Obamy. Provozovatelé chytrých rozvodných sítí musí mít – díky množství různých senzorů – možnost monitorovat, co právě síť dělá, a to od zdroje energie až po spotřebič.

A zároveň musí být jednotlivé chytré rozvodné sítě každého provozovatele schopné komunikovat jak mezi sebou, tak mezi různými spotřebiči, aby se vám náhodou nestalo, že u známých v jiném městě zapojíte do zásuvky svůj elektromobil, a ten nebude moct využít tamní elektřinu prostě proto, že není vybaven kompatibilním přenosovým protokolem/ zásuvkou/ softwarem. Obousměrná standardizovaná komunikace v rámci chytrých rozvodných sítí je základem jakéhokoli budoucího rozvoje.

Slunce do vaší televize

Už dnes chytré rozvodné sítě v omezené míře fungují. Například italská rozvodná společnost Enel S.p. A. dokončila v roce 2005 modernizaci své původní distribuční soustavy zahrnující 27,2 milionu zákazníků. Investice se pohybovala v řádu 2,1 mld. eur, nicméně Enelu zároveň od té doby každoročně ušetří 0,5 mld. eur. Společnost dokáže vzdáleně detekovat nelegální odběry elektřiny, upravovat maximální přítok energie do domácnosti, měnit tarify – například přepínat mezi předplaceným a kreditovým, případně plošným, a provádět řadu dříve nevídaných operací. Podobným směrem se logicky vydalo i mnoho dalších provozovatelů, například v Kanadě, ekologicky velmi uvědomělé Kalifornii, Turecku, Austrálii a dalších oblastech. V USA se již rozběhl rozsáhlý pilotní projekt ve městě Boulder, a to díky společnosti Xcel Energy. Skandinávie je v této oblasti také velmi progresivní stejně jako země Beneluxu. Nizozemská vláda například už v roce 2007 schválila plán na výměnu elektroměrů ve všech sedmi milionech domácností do roku 2013 v rámci národního plánu na snížení spotřeby energií.

Ten byl ale v srpnu roku 2008 odsunut z několika důvodů. Podobný plán má nyní Irsko. Evropská unie by rozvodné sítě svých členských států vzhledem k současné geopolitické situaci ráda modernizovala, a to co nejrychleji. Prozatím je ale převážně ve fázi plánování. Podle Joseho Antonia Vanderhorst-Silveria, předního odborníka na elektrické sítě, čeká tento průmysl v následujících desetiletích velice výrazná proměna. „Implementace SmartGrid si vyžádá zcela novou koncepci obchodního modelu a obchodních procesů,“ řekl mimo jiné na odborné konferenci zaměřené právě na chytré rozvodné sítě. Chytřejší elektrická síť dokáže v budoucnosti dynamicky rozkládat své zatížení a vyrovnávat se s výpadky nebo naopak nečekanou zátěží. Zároveň poslouží lépe v oblasti národní bezpečnosti, které je energetika a přenosová soustava důležitou součástí.

Google v zásuvce

O problematiku chytrých rozvodných sítí však nemají zájem jen vlády států a přenosové společnosti. Původně „pouze“ internetový vyhledávač Google začíná v poslední době fušovat do lecčeho a energetika není výjimkou. Firma, která po celém světě provozuje obrovská datová centra spotřebovávající nezanedbatelné množství energie (proto je také obvykle staví poblíž elektráren), masivně investuje do obnovitelných zdrojů – sluneční, větrné i solární energie. Kromě toho se ale zajímá také o chytré rozvodné sítě. Na konferenci Zeitgeist, která se konala v sídle Google v Mountain View v Kalifornii, se v říjnu loňského roku sešel Eric E. Schmidt, ředitel Google, s Jeff reym R. Immeltem, výkonným ředitelem společnosti General Electric, třetí největší firmy na světě založené Thomasem Edisonem.

Diskutovali spolu mimo jiné o vývoji chytrých rozvodných sítí, které by dále podnítily rozvoj obnovitelných zdrojů energie. „Všechny diskuse o obnovitelných zdrojích jsou k ničemu, pokud nevybudujeme dostatečnou přenosovou kapacitu,“ řekl Reicher. Bez ní nebude možné přenášet energii z obnovitelných zdrojů napříč Spojenými státy. „Dokážu si představit chytrou garáž, ve které zaparkuji auto, připojím ho k síti a počítač si dál se vším poradí. Mohl by dokonce šetřit peníze přenášením nákladů,“ dodal Schmidt, a narážel tak na možnost, jež byla nedávno odborníky prezentována v technologickém podcastu společnosti IBM, která se v této oblasti také profiluje. V chytrých rozvodných sítích by mohlo existovat konkurenční prostředí podobně jako v oblasti mobilních telefonů a sítí. Jednotlivé energetické společnosti by nabízely různé cenové tarify a chytrý elektroměr nebo dokonce samotné spotřebiče by si dokázaly vždy pro daný čas a potřebu najít ten nejvýhodnější. Google samozřejmě vidí v této oblasti obrovskou příležitost, protože chytré rozvodné sítě nejsou nic jiného než „internet pro spotřebiče“. A Google a internet jsou dnes prakticky synonyma. „Je to ta největší příležitost, jakou si dokážu představit,“ řekl Schmidt. „Řeší otázku energetické bezpečnosti, cen energií a tvorby pracovních míst… a mimochodem, i klimatické změny,“ dodal.

Boulder – americké „SmartGridCity“

Americká společnost Xcel Energy se v rámci konsorcia SmartGrid spojila s několika dalšími firmami, aby společnými silami přeměnily malé americké městečko Boulder ve státě Colorado ve výspu chytrých rozvodných sítí. Ve dvou fázích má být do konce roku 2009 instalováno 15 000 chytrých elektroměrů. V první fázi budou elektroměry nainstalovány do domácností, firem i lehkých průmyslových podniků. Zákazníci pak získají přístup k webovému portálu, kde budou moci sledovat své energetické propozice, a ty využít k tomu, aby například snížili svou spotřebu. Pokud k tomu svolíte, postará se o to dokonce samotná společnost. Ve druhé fázi bude nainstalováno dalších 35 000 chytrých elektroměrů, rozšíří se možnosti automatizace šetření v domácnostech a začne se pracovat na hromadné integraci plug-in hybridů a menších ko generačních zdrojů. Rozvodné elektrické sítě začaly vznikat na konci 19. století díky Nikolovi Teslovi a jsou dodnes postaveny na technologiích a poznatcích starých 120 let.

Jak rozvést elektřinu konečně pořádně

PLUG-IN HYBRID DO VAŠÍ GARÁŽE

Jakkoli mohou být elektromobily lákavým zbožím pro některé nadšence, mnohem pravděpodobnější alternativou v oblasti osobní dopravy pro příští desetiletí jsou tzv. „plug- in hybridy.“ Takový automobil je vybaven jak benzinovým či dieselovým motorem, tak i elektromotorem a baterií. Při dlouhých cestách, případně vysokých rychlostech na dálnicích, zapojuje spalovací motor, kterému elektromotor pomáhá při rozjíždění či zrychlování (tehdy má spalovací motor nejvyšší spotřebu), případně si bere energii pomocí rekuperace při brzdění. Čistě na elektromotor a baterie může plug-in hybrid fungovat například při pomalejším popojíždění ve městě. Odhady prezentované na konferenci AltCar Expo, která proběhla ve dnech 17. a 18. října v americkém Austinu, říkají, že současná americká rozvodná síť by dokázala utáhnout maximálně 158 milionů plug-in hybridů. Přitom v USA dnes jezdí přes 250 milionů aut. Nové plug-in hybridy chystají pro nadcházející léta prakticky všechny velké automobilky.

OBNOVITELNÉ ZDROJE

Sluneční a zejména větrné elektrárny jsou dnes kvůli svým nestálým výkonům obtížně připojitelné do zastaralých rozvodných sítí. Chytré distribuční sítě je dokážou využít lépe, zabrání také případným přetížením třeba v případě příliš silného větru.

KONVENČNÍ ZDROJE

Nedělejme si iluze, uhelné elektrárny ještě dlouho nezmizí a jaderné elektrárny jsou skutečně jedním z nejekologičtějších zdrojů energie. V budoucnu budou zajišťovat stále podstatnou část přísunu elektřiny do chytrých rozvodných sítí. Provozovatelé chytrých rozvodných sítí musejí mít -díky množství různých senzorů – možnost monitorovat, co právě síť dělá, a to od zdroje energie až po spotřebič.

DOMÁCNOSTI

Domácnosti budoucnosti, vybavené šetrnými a chytrými spotřebiči, pokročilou izolací a svými vlastními zdroji energie, mohou využívat chytrých rozvodných sítí k výběru nejlevnějšího distributora elektřiny. Některé spotřebiče bude možné ovládat na dálku, jiné automaticky upraví svůj chod tak, aby měly co nejnižší spotřebu.

FIRMY Soukromé společnosti generující si část vlastní energie, případně ji prodávající do sítě se ziskem. Díky chytrým rozvodným sítím si navíc budou moct, stejně jako domácnosti, vybrat mezi různými nabídkami distribučních společností. Elektromobily a plug-in hybridy zaparkované na firemním parkovišti mohou být dobíjeny z obnovitelných zdrojů generovaných přímo ve firmě.

Nejčtenější