1. kép. Az E.ON soroksári tárolója

Új feladatok a villamos energetikában

Annak érdekében, hogy a fenti igényeket kielégítsük, és minél több megújulóenergia-termelőt integráljunk a villamos hálózatba, többféle feladatot kell megoldani, melyek a villamosenergia-rendszerek sajátosságaiból adód­nak. Ezek három csoportba sorolhatók.

1. A villamosenergia-hálózatok fejlődése. 

A hagyományos hálózat felépítésének jellemzője, hogy a termelés nagy, központi erőművekben történik. Ezek tipikusan 50 és 1000 MW közötti teljesítményűek (például az új paksi 5. és 6. blokk egyenként 1200 MW-os lesz). Az így megtermelt energiát a nagyfeszültségű (Magyarországon 220–400 kV) országos átviteli hálózaton (Mavir) keresztül szállítják az elosztókhoz. A Mavir-alállomásokon a fe­szültséget az elosztók (E.ON, MVM és OPUS) 132 kV-os fő­­elosztó hálózati feszültségszintjére transzformálják. Az elosztók a saját elosztói területükön ezen a hálózaton továbbít­­ják az energiát a nagyfeszültségű alállomásaik felé, ahol azt a középfeszültségű (KÖF) elosztóhálózati, 11 vagy 22 kV feszültségszintre transzformálják. Az elosztóhálózat transzformátorai a középfeszültséget a transzformátorállomások vagy oszloptranszformáto­rok segítségével átalakítják a kisfeszültségű (KIF) hálózat 0,4 kV-os szintjére. Ezen a 0,4 kV-os hálózaton látják el villamos energiával a lakossági fogyasztókat. Az ipari, mező­gazdasági és kommunális fogyasztókat – nagysá­guktól függően – mindhárom feszültségszintről ellátják. Erre a hagyományos struktúrára jellemzően az energiaáramlás iránya: termelő (erőművek) -> szállító (TSO; Transmission System Operator) -> elosztók (DSO; Distribution System Operators) -> fogyasztók.

A megújulótermelők az elosztói hálózatokra termelnek energiát annak minden lehetséges pontján.

A megújuló energiaforrásokat is tartalmazó modern hálózat jellemzője, hogy a megújulótermelők az elosztói hálózatokra termelnek energiát annak minden lehetséges pontján. Ezek jellemzően 5 kW és 50 MW közötti teljesít­ményűek. Az energia a villamos hálózaton bármilyen irányban áramolhat, ami teljesítménykapacitási, elszámolási, védelmi-irányítástechnikai és veszteségproblémákat okoz, mivel a meglévő hálózatot nem erre tervezték. Ahhoz, hogy az új struktúra igényeit a hálózat ki tudja elégí­teni, hálózati fejlesztéseket kell megvalósítani a TSO-nak és a DSO-knak. Tipikusan ilyen fejlesztések az új alállomások, transzformátorállomások, kábelek és vezetékek cseréje és létesítése, megváltozott energiaáramlások kezelése smart grid, vagyis okoshálózatokkal, hálózati terhelések csökkentése intelligens szabályozásokkal stb.

2. A villamos rendszer stabilitásának és ellátásbiztonságának biztosítása. 

Egy villamosenergetikai rendszer akkor stabil, ha a termelés és a fogyasztás egyensúlyban van. Az energiamérleg mutatója a hálózati frekvencia: egyensúlyi esetben a frekvencia 50 Hz, ha energiatöbblet van, akkor a frekvencia nagyobb 50 Hz-nél, ha energiahiány, akkor kisebb 50 Hz-nél. Bizonyos határokon túl a rendszer szétesik, és hálózati kimara­dás (black out) jelentkezik. A hagyományos hálózatokon az egyensúlyt előre meg lehetett tervezni, ezért a stabi­litást viszonylag egyszerű volt elérni. Az időjárásfüggő megújuló erőművek termelés-előrejelzése időjárás-előrejelzés alapon működik, aminek nagy a pontatlan­sága, ezért a tervezését is csak pontatlanul lehet elvégezni. Szükség van olyan szabályozásra, amely az aktuáli­san mért frekvencia alapján termelés/fogyasztás növeke­dést/csökkenést hajt végre.

Egy villamosenergetikai rendszer akkor stabil, ha a termelés és a fogyasztás egyensúlyban van.

3. A megújuló villamos energia rendszer szereplői számára a megújuló energiával kapcsolatos beruházások megtérülése. 

A termelők érdeke, hogy minél több bevételt realizáljanak, a fogyasztók érdeke pedig a villamosenergia-költségek csökkentése.

A villamos energia kereskedelme az energiatőzsdén (Magyarországon HUPX) zajlik, ahol az ár a kereslet-kínálat alapján óránként változik. Az 1. ábra egy tipikus nyári időszak villamosenergia-árait mutatja órás bontásban. Látszik, hogy nappal a naperőművek sokat termelnek, ezért többlet keletkezik, aminek következtében az ár csökken, akár negatív is lehet. Este, éjszaka és reggel a naperőművek nem termelnek, ezért megnő a kereslet, ami az árak növekedését okozza.

1. ábra. Villamosenergia-árak alakulása a HUPX tőzsdén

Természetesen ezeknek a feladatoknak a megoldásához jogi és piaci szabályozásokra is szükség van, de ebben az írásban csak a műszaki feladatokkal kapcsola­tos kérdéseket tárgyaljuk.

Saját energiaellátás smart grid vezérléssel

A fogyasztók energiaköltségeit saját célra termelő erő­művel (SCTE) lehet megoldani. Ahhoz, hogy az ilyen termelők optimálisan legyenek kihasználva, villamosenergia-tárolót célszerű létesíteni. A termelő-tároló-fogyasztó egységet ilyen módon mikrogridbe lehet szervezni, ahogy az a 2. ábrán látható. Ez a rendszer az elszámolási mérő után helyezkedik el, ezért a hálózatról vételezett energiát csökkenteni lehet a megtermelt energiával. Ezzel energia- és hálózathasználati költséget lehet meg­takarítani. A megtakarítást tároló beépítésével tovább lehet növelni. Például a megtermelt többletenergiát eltároljuk, és a tárolóból akkor adjuk vissza, amikor a fogyasztás nagyobb, mint a termelés (például éjszaka). Ha ilyen jellegű optimalizálást hajtunk végre, akkor okoshálózatról (smart grid) beszélünk, aminek a vezérlését smart grid energiamenedzsment-rendszerrel (Energy Management System; EMS) valósítjuk meg. A mai korszerű smart grid EMS-rendszerek már piacorientáltan szabályoznak mesterséges intelligenciát (MI) alkalmazva. Jellemzően egy tanulási folyamaton keresztül termelés, fogyasztás és piaci ár előrejelzése segítségével lehet a tárolót elő­készíteni, majd annak energiáját használva rövid időn belül (akár néhány perc múlva) vezérelni. Ennek eredményeként optimális megtakarítás érhető el. Ebben az esetben a megtakarításon van a hangsúly.

2. ábra. Egy tipikus mikrogrid/smart grid felépítése

Ilyen smart grid rendszert létesített az Infoware Zrt. Békéscsabán, ahol az üzemeltető a Városi Sportcsar­nok energiaellátását saját naperőművel és tárolóval biztosítja, a többletenergiát pedig értékesíti az energia­piacon. A létesítmény a 3. ábrán látható.

3. ábra. A Békéscsaba Smart Grid monitoringképe

Rendszerszintű szolgáltatások

A hálózati stabilitást a frekvencia megfelelő szabályozá­sával lehet elérni. A termelő és tároló üzemeltetők a frekvenciaszabályozási szolgáltatás nyújtásával szereznek bevételt. Ezt a szolgáltatást piaci alapon kell működ­tet­ni. A stabilitásért a TSO (Mavir) felel, ezért ő a szolgálta­tást megveszi, az erőmű és tároló (ritkábban fogyasztó) üze­meltetői pedig eladják. Három­féle (rendszerszintű) frekvenciaszolgáltatásnak van piaca. Mindegyik fajtának a központi szabályozója/vezérlője a TSO központjában van. Ezek a szolgáltatások:

• FCR (Frequency Containment Reserve): Jellegzetessége, hogy a frekvenciát az egység helyileg méri és helyileg végzi el a teljesítményszabályozást Fel/Le. Ez a leggyorsabb szabályozás, amit 1-2 másodpercen belül el kell végezni. A szabályozás aktiválását és a teljesítménykorlát-paramétereket a Mavir-központ adja ki az egységeknek.
• aFRR (automatic Frequency Restoration Reserve): Ebben az esetben a frekvencia mérését és az egyes egy­ségek felé a szabályozási parancsok kiadását a Mavir zárt hurkú szabályozási központja végzi el. Az aFRR-szabályozás sebessége 5–10 mp.
• mFRR (manual Frequency Restoration Reserve): Ennek során szintén a Mavir végzi el a frekvencia mérését, de a teljesítményparancsokat manuálisan adják ki a sza­bályozóközpontokon keresztül. Ennek sebessége néhány perc, ezért ez a leglassabb szabályozási módszer.

Annak érdekében, hogy a Mavir megfelelően nagy teljesítményeket tudjon szabályozni, a kisebb teljesítményű egységeket szabályozóközpontokba (aggregátorok) kell bekötni, amelyek egy nagyobb egységbe integrálják a kisebbeket. Ily módon a Mavir kevesebb, de nagyobb teljesítményű szabályozható egységet kezel.

A hálózati stabilitást a frekvencia megfelelő szabályozásával lehet elérni.

A rendszerszintű szolgáltatásokat a frekvenciaszabályozási piacon kell működtetni. Első lépésként a Mavir portfólióba egyesíti az aggregátorok teljesítményét. Az aggregátorok az egységek összevont teljesítményét a saját portfóliójukba integrálják. Amennyiben az agg­regátor portfóliójának teljesítménye egy új eszköz integrálásával növekszik, azt a Mavirnak jóvá kell hagynia. En­nek során a Mavir akkreditálja az aggregátor új teljesítményét. Ekkor a Mavir teljesítményparancsok kiadásával méri a végrehajtás pontosságát időben és értékben. Tehát a Mavir az aggregátort akkreditálja, de méréseket is végez az új eszközön. Második lépésként aukciót kell hirdetnie rendelkezésre állásra a különböző szabályo­zási stratégiákra külön-külön. Ilyenkor az aggregátor- és eszközüzemeltetők ajánlatot tesznek a szolgáltatásuk rendelkezésre állására. A Mavir kiválasztja a legkedve­­zőbb ajánlatokat, amíg a szabályozási igény kerete betelik. A nyerteseknek úgynevezett Rendelkezésre Állási Díjat (RÁD) fizet. A többiek nem vesznek részt a szabályozásban. Harmadik lépésként a nyertes ajánlattevők között auk­ciót hirdet az aktiválásra. Az aktiváláskor veszi igénybe ténylegesen szabályozásra az eszközöket az aggregátorokon keresztül, amiért szabályozásienergia-díjat fizet. Azokat az egységeket kezdi el elsősorban aktiválni, ame­lyek a legkedvezőbb aktiválási ajánlatot tették.

Az Infoware rendszerszintű szolgáltatás nyújtásá­hoz létesített több akkumulátoros tárolót, a többi között az Innovatív Green Technologies részére egy 5,8 MW / 14 MWh lítiumion-akkumulátoros rendszert Győrben, arról készült a 2. képen látható fotó.

2. kép. Az Innovativ Green Technologies győri tárolója

Arbitrázs naperőmű kollokációval

A naperőművek és a tárolók hálózatba integrálása költséges és időigényes hálózatfejlesztési beruházással jár, az energia- és a szabályozásikapacitás-szükséglet pedig korlátos. Ezért az új erőművek és tárolók létesítésének feltétele az adott csatlakozási ponton hálózati teljesítménykapacitás igénylése. Amennyiben ez a teljesítménykapacitás már betelt, akkor előnyös a meglévő termelők mellé, az elszámolási mérés után telepíteni a tárolókat. Ebben az esetben a hálózat felé kiadható teljesítmény nem növekszik, ám a vételezési teljesítmény korlátozot­tan ugyan, de nő. A DSO ilyenkor előírja, hogy a naperőmű és a tároló együttes teljesítményét úgy kell szabályozni, hogy az ne haladja meg az engedélyezett termelési és fogyasztási teljesítményeket. Ezeket az elrendezéseket nevezzük kollokációnak.

Az arbitrázs segítségével a naperőmű által termelt energiát abban az időszakban, amikor nagyon olcsó – például nyáron, napsütésben –, a kereskedelmi értékesítés helyett eltároljuk, és a tárolóból az energiát akkor értékesítjük, amikor az drága – például éjszaka. Manapság egyre több ilyen kollokációs tárolót létesítenek.

Ennek segítségével az üzemeltető választhat, hogy a rendszerével energiaértékesítést vagy rendszerszintű szolgáltatást nyújtson-e. Tipikus 6 MW / 6 MWh kollokációs akkumulátort létesített az Infoware a First Solar Kft.-nek, a 20 MW-os naperőműve mellé.

A naperőmű és a tároló együttes teljesítményét úgy kell szabályozni, hogy az ne haladja meg az engedélyezett termelési és fogyasztási teljesítményeket.

Soros multi használati esetek

Soros multi használatú akkumulátoros rendszereknél ugyanazt az eszközt többféle használati esetben lehet alkalmazni, de nem egy időben, hanem vagylagosan, egymás után.

Az Infoware például egy 2 MW / 2 MWh-s lítiumion-akkumulátoros tárolót létesített az E.ON-nak Aszófőn. Ennek fő feladata a nyári turistaidőszakban, nagyjából hat hétig az Észak-balatoni 22 kV-os vonalon további 2 MVA teljesítmény biztosítása az alállomási 25 MVA-en felül. Ezzel meg lehetett takarítani egy költséges transzformátorcserét az alállomásban.

Az idő nagy részében azonban erre a funkcióra nincs szükség, ezért rendszerszintű szolgáltatást lehet nyújtani, ami további bevételt generál. Az aszófői tároló FCR frekvenciaszabályozást végez az E.ON saját aggregátorán, a GÜR (Gázmotoros Üzemirányítási Rendszer) központon keresztül. Szintén a GÜR-központba bekötött 2,5 MW / 5 MWh tároló látható az 1. képen, amelyet az Infoware létesített az E.ON Soroksári alállomása mellett aFRR célra.

Egy fogyasztó nagyvállalat teljesítményigényét csökkenteni lehet azáltal, hogy a teljesítménycsúcsok idején a fogyasztási energiát részben az energiatárolóval egészítjük ki.

További multifunkciós alkalmazás az úgynevezett peak-shaving (csúcsterhelés-csökkentés), az aFRR funkcióval kombinálva. Abban az esetben, ha az üzemeltető nem nyert az aFRR-piacon, a tárolóját használhatja peak-shaving funkcióra. Ennek során egy fogyasztó nagy­vállalat teljesítményigényét csökkenteni lehet az­által, hogy a teljesítménycsúcsok idején a fogyasztási energiát részben az energiatárolóval egészítjük ki, így csökkent­ve a hálózati vételezési teljesítményt, illetve annak költségét. Ehhez a tároló feltöltését a teljesítményvölgyek­ben végezzük el. Amennyiben MI-optimalizáló-szabályozó is van a rendszerben, az eldöntheti, hogy melyik használati eset éri meg jobban az üzemeltetőnek.

VUPET: párhuzamos multi használati esetek

Az Infoware kidolgozott egy rendszert, mely az akkumulátor kihasználtságát növeli. Egy akkumulátoros energiatároló költségét alapvetően úgy 50-70 százalékban annak kapacitása határozza meg. Az eddig említett használati esetekben a tárolók kapacitása rögzített, az üzemeltetés során nincs mindig kihasználva. Az Infoware kidolgozott egy rendszert, amelynek segítségével az akkumulátor kapacitását jobban lehet hasznosítani, ezál­tal a befektetés gyorsabban térül meg. Ez a VUPET (Virtuá­lisan ÚjraParticionálható Energiatároló) rendszer, amely újfajta alkalmazási filozófiát valósít meg. Ennek lényege, hogy ugyanaz az akkumulátoros egység több csatlakozási pontot is kiszolgál különböző használati esetekkel. Az egyes párhuzamosan működő használati esetekhez virtuálisan felosztjuk az akkumulátor kapacitását, és az akkumulátorhoz egy-egy konverteregységet kapcsolunk csatlakozási pontonként. A konvertereket a DC (közvet­len egyenáram: Direct Current) oldalon párhuzamosan kötjük. Az erőátviteli rendszer vázlata a 4. ábrán látható.

4. ábra. A VUPET rendszer vázlata

A rendszer másik fő eleme a VUPET-vezérlő, mely szintén az Infoware fejlesztése. Ennek feladata a konverte­rek vezérlése a különböző használati eseteknek megfelelően, valamint kapcsolattartás a szabályozóközpon­tok­kal. A konverterekhez és az azok segítségével meg­­valósított használati esetekhez tartozó akkumulátor­kapacitást a fizikai akkumulátor virtuális kapacitása adja. A virtuális kapacitásra való felosztást és annak kezelé­sét szintén a VUPET-vezérlő végzi.

A harmadik fő elem az optimalizálószoftver, mely AI-alapon a tapasztalati és az interneten, valamint az áram­tőzsdén fellelhető információk alapján eldönti, hogy a csatlakozási pontokon milyen használati esetet, mek­kora kapacitással kell párhuzamosan megvalósítani. Az eredményt letölti a VUPET-vezérlőbe, ami az optimalizálás eredményét automatikusan végrehajtja. Így az akkumulátor kapacitását jobban ki lehet használni, a befektetés pedig gyorsabban térül meg.

Ez a megoldás jelenleg szabadalmaztatási eljárás alatt van, a VUPET márkanév levédését pedig az Info­ware elindította.•

Címlapkép: Info­ware