Principy fungování virtuálních elektráren a jejich základní funkce

Co jsou to virtuální elektrárny (VPP)?

Virtuální elektrárny, neboli VPP, fungují jako decentralizované sítě, které spojují různé distribuované energetické zdroje, jako jsou solární panely na střechách, bateriové úložné jednotky a dokonce i elektrická vozidla, do jednoho velkého systému, který reaguje na potřeby sítě. Tradiční elektrárny se opravdu nedají srovnat, protože VPP spoléhají na sofistikovaný software a nástroje pro analýzu dat ke správě množství energie, která se generuje, ukládá a využívá v různých místech rozprostřených na velkých plochách. Vezměme si Německo, kde v roce 2023 fungovala virtuální elektrárna, která zajišťovala přibližně 650 megawattů z obnovitelných zdrojů energie. To ukazuje, jak škálovatelné tyto systémy mohou být, pokud jde o uspokojování kolísavé poptávky po elektřině v síti.

Jak VPP agregují distribuované energetické zdroje (DERs)

VPP koordinují DERs prostřednictvím výměny dat v reálném čase, čímž umožňují dynamickou reakci na stav sítě. Tato agregace zahrnuje:

Typ zdroje	Příspěvek k VPP
Solární/větrná energie	Výroba obnovitelné energie
Baterie	Uchovávejte přebytečnou energii pro špičkovou poptávku
EV nabíječky	Upravujte nabíjecí cykly během nedostatku energie

Zásobníkováním těchto zdrojů snižují VPP závislost na fosilních špičkových elektrárnách. Zpráva Národní laboratoře pro obnovitelnou energii z roku 2024 zjistila, že agregované distribuované energetické zdroje mohou kompenzovat až 60 % špičkové zátěže v sítích s vysokým podílem obnovitelných zdrojů.

Role pokročilých řídicích systémů ve VPP provozu

Dnešní virtuální elektrárny výrazně závisí na umělé inteligenci pro svůj provoz. Tyto chytré systémy předpovídají trendy využití energie, zajišťují přenos energie oběma směry přes sítě a dokonce se automaticky podílejí na nákupu a prodeji elektřiny. Denně zpracovávají obrovské množství informací, aby udržely elektrickou síť v rovnováze, což je obzvlášť důležité, když vítr a slunce pokrývají více než 40 % výroby energie v některých oblastech. Vezměme například jeden nedávný testovací projekt, kde speciální internetem propojené zařízení snížilo problémy s přetížením sítě přibližně o 22 %. Toto bylo dosaženo jednoduše tím, že systém předvídal náhlé špičky poptávky a předem se na ně připravil.

Integrace obnovitelných zdrojů energie a posilování stability sítě

Vyvažování přerušovaného výkonu solárních a větrných zdrojů pomocí agregace v reálném čase

Virtuální elektrárny pomáhají řídit kolísání výroby energie ze solárních a větrných zdrojů tím, že spojí všechny tyto rozptýlené zdroje energie do jediné fungující soustavy. Tyto systémy využívají sofistikované počítačové programy, které analyzují předpověď počasí a sledují, kolik elektřiny je aktuálně zapotřebí. Poté přesouvají energii dle potřeby, když mraky zastíní solární panely nebo když nefouká dostatečný vítr. Pokud dojde k poklesu napětí, inteligentní měniče mohou téměř okamžitě upravit výkon solárních panelů. A když výroba klesne, skupiny baterií dodají záložní energii, která vydrží mezi čtyřmi až šesti hodinami. Podle výzkumu z roku 2023 od Ponemon Institute umožňuje tento druh koordinace snížit ztráty z obnovitelných zdrojů o asi jednu pětinu a ušetřit energetickým společnostem zhruba sedm set čtyřicet tisíc dolarů ročně na nákladech spojených s vyrovnáváním sítě.

Zpevňování spolehlivosti sítě a zmírňování přetížení sítě

Když se distribuce energie decentralizuje prostřednictvím VPP, pomáhá to vyhnout se těm nepříjemným přetížením přenosové soustavy, která nastanou, když si všichni najednou zapnou své spotřebiče. Ukládací řešení rozmístěná na různých místech dokáží pohltit veškerou přebytečnou solární energii vyrobenou v průběhu slunných odpolední a následně ji vložit zpět do sítě, jakmile se večer zvýší poptávka. Tím se skutečně podstatně sníží přetížení sítě, a to zhruba o 31 procent podle nedávných studií. Novější adaptivní ochranné systémy jsou také docela působivé. Dokáží rozpoznat problémy v síti asi o 40 procent rychleji než starší systémy SCADA, což znamená, že výpadky elektrického proudu zůstanou omezené na konkrétní oblasti, místo aby se šířily všude. Pohled na německou zprávu o stabilitě sítě z roku 2024 nabízí zajímavý obraz. Regiony vybavené technologií VPP zaznamenaly pokles výpadků transformátorů téměř o 28 procent, a to i přes ustálený růst podílu obnovitelných zdrojů dosahující 19procentního růstu každý rok. To je docela pozoruhodné, když vezmeme v úvahu, jak velký tlak na tradiční infrastrukturu obnovitelné zdroje klade.

Studie případu: VPP podporující vysokou penetraci obnovitelných zdrojů v Německu

V roce 2023, když obnovitelné zdroje tvořily více než polovinu německého energetického mixu (52 %), sehrály virtuální elektrárny (VPP) klíčovou roli při hladkém fungování národní energetické sítě. Tyto inteligentní systémy koordinovaly přibližně 8 400 decentralizovaných zdrojů energie rozprostřených ve čtyřech různých spolkových zemích. Pamětníte si tu velkou zimní bouři loni? Během té doby se VPP podařilo přesunout zhruba 1,2 gigawatthodiny elektřiny z obrovských průmyslových záložních baterií dolů do čtvrtí, kde lidé elektřinu skutečně potřebovali, čímž bylo ušetřeno přibližně dvanáct milionů eur nákladů na možné výpadky podle zpráv. Podle studií provedených Fraunhofer IEE došlo od roku 2021 ke snížení nákladů na stabilizaci o zhruba 41 % díky lepší regulaci frekvence prostřednictvím těchto virtuálních sítí, zatímco dříve bylo těžce spoléháno na zastaralé plynové špičkové elektrárny. Virtuální elektrárny nyní pomáhají integrovat obnovitelné zdroje do německého energetického systému v průměru 42 %, což je zároveň nejlepší výkon v Evropě.

Ukládání energie a řízená odezva na poptávku ve virtuálních energetických sítích

Integrace bateriových systémů pro ukládání energie (BESS) pro podporu špičkového provozu

Bateriové systémy pro ukládání energie hrají klíčovou roli ve virtuálních energetických závodech, protože pomáhají řídit nepředvídatelnost obnovitelných zdrojů a zároveň zajišťují pokrytí náhlých nárůstů poptávky, které nastávají, když se lidé vrací z práce domů. Výzkum zveřejněný loni v časopise Energy Informatics zjistil, že integrace bateriového ukládání snižuje kolísání výroby z fotovoltaiky a větru o přibližně 26 % díky chytřejšímu plánování v různých časových obdobích. Tyto systémy v podstatě vstřebávají přebytečnou solární energii vyrobenou v poledne a následně ji v večerních hodinách vrací do sítě, když stoupne cena elektřiny. To nejen zvyšuje stabilitu sítě, ale také přináší úspory ve srovnání s provozem starších špičkových elektráren – reálné úspory se pohybují mezi 15 % až 30 % v závislosti na místních podmínkách a tržní situaci.

Optimalizace přesunu zátěže a baterií z elektromobilů v druhém životě ve virtuálních energetických závodech

Odpředníci VPP, kteří plánují dopředu, hledají způsoby, jak prodloužit životnost použitých baterií z elektromobilů pro přesun zatížení za nižší náklady. Většina těchto znovupoužitých systémů stále udržuje přibližně 60 až 70 procent své původní kapacity nabíjení, což znamená, že firmy mohou ušetřit zhruba 40 % ve srovnání s instalací zcela nových systémů s lithiovými bateriemi, jak uvádí loňská zpráva společnosti Energy Market Analytics. Pokud jsou tyto systémy kombinovány s inteligentními predikcemi umělé inteligence, virtuální elektrárny přesouvají spotřebu elektřiny mimo drahé špičkové hodiny na levnější noční tarify. Tento přístup nejenže zmenšuje zátěž na elektrickou síť, ale také pomáhá spotřebitelům ušetřit peníze, aniž by museli obětovat svůj obvyklý komfort doma.

Dynamická odezva na poptávku a strategie účasti spotřebitelů

Podle zprávy Grid Innovation Report z roku 2023 domácnosti zapojené do programů řízení poptávky s využitím IoT vykazují o 22 % vyšší zapojení do virtuálních elektráren ve srovnání s těmi, které využívají tradiční pevné cenové modely. Díky funkcím skutečného monitorování v reálném čase a inteligentním zařízením, která se automaticky přizpůsobují cenám, mohou rodiny snížit svou spotřebu elektřiny v době špiček o 18 % až 25 %. Systém ještě lépe funguje v dobách výrazného zatížení sítě. Existuje víceúrovňový systém odměn pro větší škrty ve spotřebě, což odpovídá zjištěním institutu Smart Grid Solutions Institute. Jejich analýza ukázala, že virtuální elektrárny s integrací IoT spouštějí opatření řízení poptávky asi o 31 % rychleji než tradiční systémy bez této technologie.

Virtuální elektrárny na energetických trzích a ekonomická optimalizace

Účast na trzích s elektřinou a tvorba příjmů

Virtuální elektrárny mění způsob fungování energetických trhů tím, že spojují decentralizované energetické zdroje do něčeho většího, co může skutečně konkurovat na velkoobchodních trzích a poskytovat dodatečné služby, které síť potřebuje. Tyto VPP využívají za scénou chytrých matematických metod, aby vyslaly skladovanou energii v době cenových špiček na trhu, často dosahují až 92 dolarů za megawatthodinu jen za to, že pomáhají udržovat stabilitu elektrické sítě, jak uvádí výzkum Energy Informatics z loňského roku. Způsob, jakým vydělávají peníze, vychází z několika různých kanálů. Existují předběžné transakce, kdy podávají nabídky na smlouvy ještě před začátkem dne, poté následuje skutečné podávání nabídek v reálném čase, které probíhá minutu po minutě po celý den. A nesmíme zapomenout ani na programy řízené odezvy na poptávku. Všechny tyto metody pomáhají provozovatelům VPP získávat hodnotu ze zařízení, která by lidé jinak nechávali nečinně stát, například domácí fotovoltaické panely spárované s bateriemi. Současně tato konfigurace zajišťuje, že bude dostatek energie k dispozici v době, kdy síť zažívá nedostatek dodávek.

Studie případu: VPP v australském Národním trhu s elektřinou (NEM)

Australský národní elektřinový trh opravdu zvyšuje své tempo jako průkopník integrace virtuálních elektráren. Vezměme si například Jižní Austrálii, kde už v roce 2023 se 45megawattové VPP seskupení podařilo skutečně uložit a dodat zhruba 245 megawatthodin solární energie v době, kdy byla síť vystavena zvýšenému zatížení. To pomohlo udržet frekvenci stabilní těsně pod 50 Hz (konkrétně 49,85) a zajistilo náhrady za nouzové zásahy ve výši přibližně 18 200 dolarů. Co je zajímavé, je, že tento úspěšný model byl napodoben v dvanácti různých pilotních projektech po celé oblasti. Tyto virtuální elektrárny dokazují, že dokážou spojit obnovitelné zdroje v rámci stávajících tržních struktur, aniž by bylo potřeba ty staromódní centrální fosilní elektrárny pro vyrovnání všeho. Do budoucna očekává Australský tržní operátor pro energii, že tyto VPP pokryjí zhruba 12 procent potřebného výkonu NEM na konci roku 2027, i když samozřejmě vždy existují proměnné, které mohou ovlivnit tento odhad.

Regulační bariéry a modely pobídek pro vstup na trh

Virtuální elektrárny mají skutečný potenciál, ale při regulaci narazí na překážky. Mnoho stávajících struktur cen energií stále klasifikuje agregované distribuované zdroje energie jako jednoduché spotřební zátěže, nikoli jako skutečné zdroje výroby. Americké ministerstvo energetiky nedávno tuto otázku zkoumalo a zjistilo, že přibližně dvě třetiny současných pravidel pro připojení k síti stále pokračují v těchto restriktivních praxích. V Kalifornii se situace však zlepšuje. Jejich systém CAISO zavedl něco, co se nazývá dynamické provozní obálky, které v podstatě nastavují inteligentní limity pro množství energie, která může proudit do sítě a ze sítě z těchto distribuovaných zdrojů. Samotná tato změna vedla k obrovskému nárůstu o 210 % v účasti virtuálních elektráren během loňských pilotních programů. Při pohledu na úspěšné modely v jiných zemích, Německo nabízí kapacitní platby ve výši přibližně 5,3 eura ročně na kilowatt. Mezitím se trhy rychleji otevírají pro firemní agregátory, kteří prokáží solidní opatření kybernetické bezpečnosti a konzistentní výkonnostní metriky.

Překonání technologických výzev a budoucí inovace

Kybernetická bezpečnost, interoperabilita a rizika správy dat

Virtuální elektrárny se v současnosti potýkají se závažnými problémy kybernetické bezpečnosti. Podle Ponemon Institute typicky energetické společnosti utrpí ztráty ve výši přibližně 4,7 milionu dolarů, když jsou zasaženy kybernetickými útoky. Vzhledem ke všem těmto decentralizovaným provozům existují skutečné mezery v komunikaci a řízení systémů distribuovaných energetických zdrojů (DER). Společnosti nyní potřebují lepší ochranná opatření – například zajistit bezpečné aktualizace firmware a mít kvalitní systémy pro detekci neobvyklé aktivity. Kromě toho existuje celá řada potíží s interoperabilitou. Většina provozovatelů VPP má potíže s propojením starších SCADA systémů s novějšími technologiemi DER. Přibližně 78 % uvádí závažné potíže při integraci těchto různorodých platforem podle norem IEEE 2030.5. Stává se stále zřejmějším, že problémy s kompatibilitou budou průmysl nadále obtěžovat, pokud nenajdeme lepší cesty vpřed.

Operační riziko	Nápravná opatření
Datové izoly	Jednotný systém označování metadat distribuovaných zdrojů (DER)
Zranitelnosti API	Kvantově odolné šifrovací řetězce
Různorodost zařízení	Brána kompatibilní s OpenFMB

Řízení na bázi umělé inteligence pro prediktivní provoz virtuálních elektráren (VPP) v širokém měřítku

Modely strojového učení nyní předpovídají výstup místních distribuovaných zdrojů s přesností 94 %, což umožňuje virtuálním elektrárnám vyrovnávat portfolia o výkonu 450 MW v intervalech kratších než 5 minut. Pilotský projekt v Kalifornii využívající učení s posilováním dosáhl v roce 2023 během veder zvýšení účinnosti o 12 % u řízení solárních a bateriových systémů. Nové technologie, jako je federované učení, zajišťují ochranu soukromí dat a zároveň optimalizují služby distribuční sítě v decentralizovaných sítích.

Mezi klíčové inovace patří:

• Dynamická rekonfigurace skupin distribuovaných zdrojů během poruch sítě
• Řídicí jednotky s umělou inteligencí odolné proti kybernetickým útokům využívající homomorfní šifrování
• Hybridní fyzikálně-ML modely předpovídající reakci flotily elektromobilů na cenové signály

Tato vylepšení jsou zásadní pro rozšiřování VPP v oblastech, které do roku 2030 míří na 50% průnik distribuovaných energetických zdrojů (DER).

Často kladené otázky o virtuálních elektrárnách

Co přesně je virtuální elektrárna (VPP)?

Virtuální elektrárna je decentralizovaná síť, která integruje různé distribuované energetické zdroje, jako jsou solární panely a bateriové úložné systémy, a umožňuje jim společně fungovat jako sjednocená výrobní jednotka reagující na potřeby energetické sítě.

Jak virtuální elektrárny zvyšují stabilitu sítě?

VPP vyrovnávají přerušovanost obnovitelných zdrojů energie tím, že agregují distribuovaná aktiva a využívají pokročilé řídicí systémy k udržení spolehlivosti sítě během kolísavých podmínek dodávky a poptávky.

Jakou roli hrají baterie v sítích VPP?

Baterie ukládají přebytečnou energii vyrobenou v období nízké poptávky a uvolňují ji v době špičkové poptávky, čímž podporují stabilitu sítě a snižují závislost na elektrárnách využívajících fosilní paliva.

Jsou virtuální elektrárny ziskové?

Ano, VPP vytvářejí příjmy prostřednictvím účasti na trzích s elektřinou, podáváním nabídek na velkoobchodní smlouvy a poskytováním služeb reakce na poptávku, a jsou tak životaschopnými ekonomickými modely.

Jaké jsou některé výzvy, před kterými stojí virtuální elektrárny?

VPP se potýkají s regulačními bariérami, riziky kybernetické bezpečnosti a problémy při integraci s tradičními technologiemi sítě.