Srbija već može da balansira pet puta više vetroelektrana od postojećih

Autor: Nenad Jovanović, doktor elektrotehničkih nauka

Studija slučaja elektroenergetskog sistema Srbije pokazala je da postoji dovoljno tehničke fleksibilnosti postojećih generatora u elektroenergetskom sistemu Srbije (EES) za bilansiranje i balansiranje značajne količine intermitentnih obnovljivih izvora energije (OIE)  u iznosu od 1.865 MW, što je pet puta više od trenutno priključenog kapaciteta od 373 MW. To znači da se ovaj povećani instalisani kapacitet vetroelektrana može prihvatiti i bez najavljene gradnje reverzibilne hidroelektrane (RHE) Bistrica.

Rad elektroenergetskog sistema sa visokim udelom OIE

Da bi se obezbedilo sigurno snabdevanje električnom energijom potrebno je planirati optimalan rad elektroenergetskog sistema (EES) i upravljati velikim brojem aktivnosti u realnom vremenu. Od celog skupa aktivnosti u javnosti se najviše govori o balansiranju i tome da li sistem Srbije može da se izbori sa dodatnim intermitentnim kapacitetima OIE poput proizvodnje iz vetroelektrana.

S tim u vezi, početkom 2021. godine sam napisao rad Angažovanje generatora i potrebe balansnih rezervi u prisustvu intermitentnih OIE: Studija slučaja elektroenergetskog sistema Srbije, koji ima za cilj da pojasni kako radi EES Srbije i koje elektrane bi obezbedile balansiranje 1.865 MW kapaciteta vetroelektrana u odnosu na sadašnjih 373 MW koliko je priključno na prenosni sistem. Rad je predstavljen juna 2022. godine na 37. Međunarodnom savetovanju „Energetika 2022“ i 15. decembra ove godine je zvanično objavljen u časopisu „Energija, ekonomija, ekologija“.

Pre nego što pređemo na metodologiju i rezultate rada, treba razjasniti šta predstavlja bilansiranje a šta balansiranje.

Pretpostavimo da je ceo EES Srbije jedan rezervoar vode u koji stalno ima priliva i odliva, pri čemu nivo vode mora uvek ostati isti. Očigledno je da će nivo vode u rezervoaru rasti u slučaju da neplanirano poraste priliv vode uz nepromenjen odliv. Kako bi rezervoar uvek ostao na istom nivou, potrebne su dodatne pomoćne aktivnosti.

Ovaj primer se preslikava na elektroenergetiku tako što priliv i odliv treba zameniti proizvodnjom i potrošnjom električne energije (bilansiranje), a nivo rezervoara frekvencijom od 50 Hz pri kome elektroenergetski sistem radi stabilno (balansiranje).

Bilans i balans su dve neodvojive i različite aktivnosti

Bilansiranje se vezuje za podmirivanje potrebe za električnom energijom. U svakom trenutku treba angažovati dovoljan skup generatora kako bi se proizvodnja izjednačila sa potrošnom. Ove dve veličine ne mogu da budu u potpunosti izjednačene jer su promenljive u vremenu, pa će proizvodnja nekada biti veća i sistem će raditi sa frekvencijom većom od 50 Hz, i obrnuto. Iz tog razloga sistemu su potrebne pomoćne aktivnosti koje se tiču regulacije učestanosti ili dobro poznato balansiranje.

Balansiranje se vezuje za obezbeđivanje dovoljne rezerve snage i električne energije kako bi se izjednačio nivo proizvodnje i potrošnje. Uzroci zbog kojih može doći do neujednačenog nivoa ove dve veličine, ili debalansa, su vezani za faktore poput: promene u radu angažovanih generatora,  prognozu potrošnje, proizvodnju vetroelektrana, i ostalo.

Balansnu rezervu čine elektrane koje su van pogona ili u pogonu i koje imaju mogućnost da promene svoju proizvodnju u zavisnosti od potrebe. Prema vremenu aktivacije i količine snage, balansna rezerva se može podeliti na primarnu koja se najbrže aktivira, sekundarnu koja ima vreme aktivacije do 15 minuta i tercijarnu koja zamenjuje sekundarnu nakon 30 minuta od nastanka debalansa u sistemu. U nastavku se fokusiramo na sekundarnu i tercijarnu rezervu.

Kratak opis modela studije slučaja EES Srbije

U radu je razvijen matematički model koji vrši optimizaciju rada 62 generatora iz 21 elektrane koje su u vlasništvu Elektroprivrede Srbije (EPS) u periodu od 24 sata. Za razliku od komercijalnih modela koji se uglavnom koriste u svrhe planiranja od strane operatera prenosnih sistema, razvijen model koristi profil proizvodnje vetroelektrana i potrošnje kao ulazni podatak, a proizvodnja hidroelektrana (HE) je rezultat optimizacije.

Modeliranje rada HE je od ključnog značaja za EES Srbije jer se ti kapaciteti zbog svoje fleksibilnosti i brzine promene proizvodnje najviše koriste pri balansiranju.

Kao referentan primer obrađen je dan 29. januar 2022. godine kada su vetroelektrane proizvodile svoj maksimum tokom jutarnjih sati sve dok nisu na trenutak stale tokom popodneva. U slučaju da prognoza proizvodnje vetroelektrana dosta odstupa od stvarne realizacije, sistem se može dovesti u nestabilan rad. Pored ove karakteristike, primer je dodatno interesantan za proveru rada sistema jer se radi o suboti kada je potrošnja manja i manje fleksibilne termoelektrane (TE) tokom zime moraju konstantno da rade zbog snabdevanja topotom daljinskog grejanja stanovništva.

Slučaj postaje kompleksniji sa pet puta većom penetracijom vetroelektrana. Radi verodostojnosti modela, dobijen profil proizvodnje svih HE (grafik sive boje) je upoređen sa realnom proizvodnjom koja je preuzeta sa sajta Energy Flux 29. januara 2022. godine (grafik plave boje).

Koje elektrane bi balansirale sistem sa visokim udelom OIE

Trenutna balansna rezerva, koja uključuje sekundarnu i tercijarnu rezervu, je u okviru kontrolnog bloka Srbije, Crne Gore i Makedonije dimenzionirana na 380 MW za EES Srbije. Za primer odrađene studije sa visokim udelom OIE, uzeta je vrednost od maksimalnih 631 MW koja mora biti na raspolaganju.

U sekundarnoj rezervi mogu raditi isključivo sledeće elektrane: HE Đerdap 1, HE Bistrica, HE Bajina Bašta, RHE Bajina Bašta i četiri bloka TE Nikola Tesla A3-A6. Potrebe tercijarne rezerve mogu da pruže sve elektrane u sistemu bilo da su u režimu rada ili ne. Rad prenosne mreže je pretpostavljen kao optimalan, što znači da će Elektromreža Srbije (EMS) izvršiti sve potrebne intervencije na mreži kako bi se dodatne vetroelektrane nesmetano priključile.

Vetroparkovi bi imali znatan uticaj na rad generatora u jutarnjim satima

Profil proizvodnje vetroelektrana kapaciteta 1.865 MW imao bi znatan uticaj na rad tradicionalnih generatora u jutarnjim satima kada opada potrošnja. Tada većina generatora HE ne proizvode ili znatno smanjuju svoju proizvodnju, a TE rade blizu tehničkog minimumima.

Sledeći grafik prikazuje rezultat bilansiranja sistema tokom 24 sata pri potencijalnom visokom udelu OIE koji je baziran na primeru potrošnje električne energije u Srbiji 29. januara 2022. godine. Na grafiku je rad svih angažovanih termo generatora označen spektrom sivih boja, hidroelektrana plavom bojom i vetroelektrana zelenom bojom.

Pored neophodnog bilansiranja, još jedan od rezultata modela je i preporuka generatora koji mogu da zadovolje predložene količine balansne rezerve. Potrebne sekundarne balansne rezerve podmiruju HE Đerdap 1 i HE Bajina Bašta, za smer naviše i naniže. Takođe, tercijarne rezerve naviše su podmirene hidroelektranama.

Međutim, za potrebe tercijarne rezerve naniže u jutarnjim satima, HE ne mogu samostalno da pokriju smer nadole jer je njihova proizvodnja dodatno potisnuta na minimalan rad. U prvih par sati rezervisana je dodatna raspoloživa snaga generatora TE Nikola Tesla B2, TE Kostolac A1-A2 i B1-B2. Ostala 4 generatora TE su radili blizu tehničkog minimuma u jutarnjom satima i ne mogu da pruže uslugu balansiranja sistema nadole dodatnim smanjenjem proizvodnje električne energije.

Zanimljivo je istaći da je u ovom primeru sistem balansiran bez postojeće reverzibilne HE Bajina Bašta koja može da odigra veliku ulogu u očuvanju stabilnosti sistema. Takođe, u trećem satu (na grafiku vreme p3), udeo vetroelektrana dostigao je čak 38,54% od ukupne proizvodnje električne energije.