Jak działa Wirtualna Elektrownia?

Jedna instalacja wytwarzająca energię odnawialną sama w sobie nie wywoła rewolucji energetycznej. Aby móc zaistnieć na rynku energii elektrycznej, musi działać w sposób skoordynowany z innymi odnawialnymi źródłami energii, co jest dosć oczywistą sprawą dla producentów energii elektrycznej z odnawialnych źródeł. W praktyce oznacza to, że rozproszone instalacje generujące energię odnawialną są łączone za pomocą specjalnego systemu informatycznego w większe jednostki i sterowane przez operatora jak jedna duża elektrownia. Zgodnie z tą koncepcją, w ramach ogólnej liberalizacji rynku energii elektrycznej pod koniec lat dziewięćdziesiątych opracowano pierwsze, w dużej mierze teoretyczne koncepcje Wirtualnych Elektrowni. Ówczesny rozwój technologii komputerowych i sieciowych oraz środowisko regulacyjne nie pozwalały jednakże w większej skali na ekonomicznie i systemicznie korzystną realizację tego rodzaju projektów.

W roku 2010 zbiegły się w końcu dwa wydarzenia, które znacznie sprzyjały rozwojowi Wirtualnych Elektrowni: z jednej strony dostępna była już znacznie skuteczniejsza technologia komputerowa, która umożliwiła stworzenie rozbudowanego, wysokowydajnego systemu sterowania, przekazującego dane w czasie rzeczywistym. Z drugiej strony niemiecki rząd federalny, poprzez rezygnację z energii jądrowej, wprowadził nową strukturę rynku energii elektrycznej oraz nowelizację ustawy dotyczącej odnawialnych źródeł energii (EEG). Tym sposobem został zapewniony prawny i rynkowy fundament dla rewolucji energetycznej - nadszedł czas na Elektrownie Wirtualne.

Elektrownie Wirtualne odgrywają podobną rolę na rynku jak elektrownie wielkoobszarowe i dzięki swojej zainstalowanej mocy potrafią osiągnąć wielkość jednej lub kilku elektrowni jądrowych. Ze względu na to, że składają się one głównie z połączonych elektrowni wytwarzających energię elektryczną z odnawialnych źródeł energii, moc wyjściowa podlega ciągłym zmianom. W przypadku gdy na przykład nie ma wystarczającej mocy promieniowania słonecznego lub gdy energia wiatrowa jest zbyt słaba, elektrownie wiatrowe i słoneczne dostarczają mniej energii do Wirtualnej Elektrowni. Oprócz teoretycznie nieograniczonej różnorodności wytworców energii elektrycznej, do systemu można zintegrować również odbiorniki energii, urządzenia magazynujące energię oraz rozwiązania Power-to-X, takie jak Power-to-Gas (P2G) lub Power-to-Heat (P2H).

Aby nie dopuścić do nierównowagi w bilansie energetycznym, w Wirtualnej Elektrowni szczególnie ważne są elektrownie z różnymi nośnikami energii, ponieważ ze względu na bardzo ograniczoną pojemność magazynową, z zachowaniem bardzo małych odchyleń do sieci może zostać wprowadzona tylko taka sama ilość energii elektrycznej, jaka zostaje jednocześnie pobrana. Poza zmiennymi źródłami energii, takimi jak wiatr i słońce, portfel Wirtualnej Elektrowni obejmuje również inne wartościowe źródła energii, które można regulować. Do tych zródeł należą na przykład biogaz i hydroenergia (elektrownie wodne przepływowe i szczytowo-pompowe), a także elastyczni odbiorcy energii elektrycznej, urządzenia do magazynowania energii elektrycznej oraz systemy typu Power-to-X. Wszystkie te jednostki są w stanie zrekompensować odchylenia w ilości dostarczanej energii spowodowane przez warunki bezwietrzne i zachmurzenie - zarówno w pozytywnym jak i negatywnym kierunku.

Szybka i wszechstronna zdolność kompensacyji, określana również mianem elastyczności, stanowi wyjątkową siłę Wirtualnych Elektrowni i jest najbardziej wyraźną cechą wyróżniającą je spośród tradycyjnych, wielkoskalowych elektrowni: Dzięki szybkiemu dostosowaniu do ilości energii elektrycznej dostępnej w sieci, ich zagregowana moc pozwala im na optymalne śledzenie ceny energii elektrycznej na giełdzie energii elektrycznej, a tym samym na zaoferowanie wytworzonej przez nich energii elektrycznej na rynku w szczególnie skuteczny sposób. Energia elektryczna nie zawsze jest warta tyle samo: dziewięćdziesiąt sześć razy dziennie cena energii elektrycznej zmienia się w transakcjach śróddziennych (Intraday) na giełdzie energii elektrycznej, a regułą są dwu-, lub trzycyfrowe różnice cenowe (marże) za megawatogodzinę.

Wielkoskalowe elektrownie o mocy kilkuset megawatowych agregatów prądotwórczych specjalnie zaprojektowanych do stałego zasilania, szybko osiągają tutaj swoje techniczne granice: Podobnie jak w przypadku dużych kontenerowców, elektrownia węglowa musi pokonać znaczną "drogę hamowania", zanim będzie mogła zareagować na przykład na zwiększony napływ wiatru przez front burzowy, dławiąc turbiny. Aby nie przeciążać sieci, należy odłączyć od niej neutralne dla klimatu elektrownie wiatrowe.

Wirtualna Elektrownia z kolei, w fazie nadmiaru wiatru, po prostu zmniejsza produkcję biogazu i elektrowni wodnych za pomocą polecenia sterującego skierowanego do podłączonych instalacji. Jeśli natomiast w sieci jest za mało energii elektrycznej, system sterowania zwiększa produkcję energii elektrycznej wytwarzanej przez biogazownie i elektrownie wodne. W ten sposób Wirtualna Elektrownia bezpośrednio i w czasie rzeczywistym kompensuje ewentualne wahania w produkcji energii elektrycznej; nie dochodzi do obciążenia publicznej sieci elektrycznej. Centralny system sterowania przekazuje polecenia zwiększające lub zmniejszające ilość podawanej energii poprzez interfejsy IT (API) lub za pomocą jednostek zdalnego sterowania zainstalowanych przy wytwórni.

Transmisja poleceń i danych w Wirtualnej Elektrowni odbywa się pomiędzy wysoko zabezpieczonym, redundantnie zaprojektowanym systemem sterowania a instalacjami poprzez specjalnie zabezpieczone, stunelowane łącza do przesyłania danych. Połączenia tunelowe wykorzystują publiczną infrastrukturę komunikacyjną, przy czym ich protokoły są odizolowane od pozostałego przepływu danych. W tym miejscu można by również wymienić takie hasła jak "Internet przedmiotów", "Przemysł 4.0" i "M2M" - w praktyce są to specjalnie zabezpieczone łącza do transmisji danych w sieciach komórkowych i stacjonarnych.

Dwukierunkowe łącza danych poszczególnych instalacji do Wirtualnej Elektrowni, umożliwiają nie tylko wymianę poleceń, ale również dostarczają w czasie rzeczywistym ważne dane na temat stanu obciążenia podłączonych do sieci instalacji, a tym samym także Wirtualnej Elektrowni. Za pomocą przekazanych danych dotyczących zdolności zasilania turbin wiatrowych lub instalacji solarnych, ale także danych związane z zużyciem i poziomem naładowania akumulatorów, można sporządzić prognozy odnośnie handlu energią elektryczną oraz dalszego planowania działalności regulowanych elektrowni. Ocena i przetwarzanie danych przebiega w dużej mierze niezależnie poprzez architekturę oprogramowania Elektrowni Wirtualnej, która wykonuje również istotne zadania w zakresie inicjowania i realizacji transakcji handlowych na giełdzie energii elektrycznej.

Warto tutaj zaznaczyć, że instalacje regulacyjne wytwarzające energię elektryczną z odnawialanych źródeł energii, takie jak biogazownie i elektrownie wodne, ale także elektrociepłownie blokowe oraz awaryjne agregaty prądotwórcze wykazują szczególną zdolność: Mogą one nie tylko zmniejszyć lub przerwać produkcję energii elektrycznej (ubytek) w przypadku nadpodaży energii elektrycznej, ale mogą również wprowadzać dodatkową energię elektryczną (nadwyżka) do sieci w przypadku niedoboru energii elektrycznej.

Aby móc zaoferować regulacyjne usługi systemowe, instalacja wytwarzająca energię elektryczną musi być w stanie wygenerować co najmniej jeden megawat (poprzednio pięć megawatów). Aby osiągnąć ten poziom, może ona połączyć się z innymi instalacjami w Wirtualnej Elektrowni: Kolektywna działalność wszystkich instalacji, służy również do uruchomienia regulacyjnych usług systemowych w większej liczbie przez operatorów sieci przesyłowych. Rozdzielane są przychody z marketingu regulacyjnych usług systemowych.

Ze względu na zbieżność przepływów danych w Wirtualnej Elektrowni, komercyjni i przemysłowi odbiorcy energii elektrycznej mogą również bezpośrednio korzystać z sygnałów cenowych na rynku energii elektrycznej. Oznacza to, że energia elektryczna może być zużywana dokładnie wówczas, gdy jest ona w dużej mierze tanio dostępna na giełdzie. Jeżeli instalacja produkcyjna zużyje najwięcej energii elektrycznej w tych cenowo korzystnych okresach, może zaoszczędzić nawet do jednej trzeciej swoich kosztów energii elektrycznej.

W razie potrzeby Wirtualna Elektrownia może przeprowadzić tę optymalizację w pełni automatycznie: System sterowania Wirtualnej Elektrowni wysyła impulsy do systemu sterowania maszyn w instalacji, przy czym oczywiście interweniuje w procesy zużycia energii tylko w takim zakresie, w jakim jest to możliwe i konieczne. W tym celu należy jednak zainstalować licznik do pomiaru energii elektrycznej z funkcją rejestracji mocy, który jest przewidywany tylko przy rocznym zużyciu od 100 000 kWh.

Ponieważ gospodarstwa domowe nie zbliżają się do takich poziomów zużycia energii, ich integracja z Wirtualnymi Elektrowniami może rozpocząć się dopiero wraz z powszechnym wprowadzaniem inteligentnych liczników (Smart Meter). Miejmy nadzieję, że wkrótce zastąpią one stare trójfazowe liczniki z lat dwudziestych XX wieku, które zostały wprowadzone około 100 lat temu. Poprzez optymalizację czasu pracy ogrzewania, gotowania, prania, zamrażania i przygotowania ciepłej wody w oparciu o tymczasową tendencję cen energii elektrycznej, można również zwiększyć ekonomiczność odbiorników energii elektrycznej w gospodarstwach domowych.

Cyfrowa przyszłość - gospodarka energetyczna także nie jest wyjątkiem. Podobnie jak we wszystkich innych dziedzinach życia społecznego, dostawy energii elektrycznej ulegają ogólnoświatowym zmianom strukturalnym: Staramy się odejść od dużych i kopalnych elektrowni na rzecz małych, zdecentralizowanych jednostek połączonych ze sobą za pomocą stale rosnących możliwości digitalizacji.

Podobnie jak platformy hotelowe, które nie posiadają już własnych hoteli, i platformy car-sharing, które nie mają już własnych flot samochodowych, Wirtualne Elektrownie są wyrazem demokratyzacji dostaw energii, która zwraca społeczeństwu odpowiedzialność za zaopatrywanie w energię: Ostatecznie operator Wirtualnej Elektrowni nie posiada już własnych elektrowni, a jedynie optymalizuje wykorzystanie małych, ze sobą połączonych elektrowni należących do osób trzecich. Już teraz największe Wirtualne Elektrownie pod względem zainstalowanej mocy pozostawiły daleko za sobą największe elektrownie jądrowe i produkują w kolektywnej infrastrukturze energetycznej neutralną dla klimatu energię elektryczną, nastawiając się tym samym na przyszłe wyzwania na rynku energii elektrycznej.

Zarówno elektryfikacja sektora transportu, jak i gwałtowny wzrost liczby węzłów sieciowych i centrów danych w ramach procesu cyfryzacji wymagają dużych ilości energii elektrycznej - a ochrona klimatu oznacza, że nie można jej wytwarzać konwencjonalnie i/lub z jednego nośnika energii. Wirtualne Elektrownie dzięki otwartemu, zdecentralizowanemu i hybrydowemu podejściu do technologii i źródeł energii posiadają zatem narzędzia dla przyszłości świata energetycznego.