Master's Thesis

Alternative Energy Sources and Their Integration into the Concept of Smart Grids

Final Thesis 2.33 MB Appendix 670.04 kB

Author of thesis: Ing. Marek Kopička, Ph.D.

Acad. year: 2011/2012

Supervisor: doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jiří Procházka

Abstract:

This work deals mainly with electrical energy. In the first part is focused on alternative energy sources, and describes structure of consumption and production of electricity over the past few years, during which is focuses on renewable energy sources. In this context, assesses the conditions for alternative energy sources in the Czech Republic from the perspective of the legislative, as well as current status and potential of alternative energy sources and tries to predict the development of these issues.
The next section describes the Smart Grids as a means to achieve these goals. There are presented the basic features of this system, its goals and challenges, a description of the integration of Smart Grids with other sources of electricity and the benefits of using Smart Grids both from the perspective of user and from the perspective of system.
Other parts are focused on distributed control systems in the energy sector, its development and principle. The last part is devoted to consideration of the role of alternative energy sources and distributed generation in Smart Grids.

Keywords:

Alternative Energy Sources; Smart Grids; Renewable Energy Sources; electricity market; issues of intermittent resources; annual Utilization Factor; Smart Metering; electromobility; Smart Region Vrchlabí; Distributed Control Systems in the energy sector.

Date of defence

05.06.2012

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student prezentoval svou diplomovou práci na téma Alternativní zdroje energie a jejich integrace do konceptu Smart Grids. Oponent práce, Ing. Procházka práci hodnotil kladně z hlediska rozsahu i struktury, měl připomínky ohledně nevyváženosti jednotlivých částí. Vedoucí práce doc. Baxant práci hodnotil také kladně, zadání práce bylo splněno. Doplňující dotazy měl oponent práce na vývoj Smart Grids. Student projevil vlastní názor na tuto problematiku s tím, že vývoj bude pravděpodobně postupný. Na další dotaz ohledně odhadu náročnosti datových přenosů student odpověděl příkladem s možným datovým zatížením. V následující rozpravě měl dotaz Dr. Skala na stav problematiky inteligentního měření v elektrických sítích v ČR. Na tuto otázku student odpověděl. Doc. Toman měl dotaz na definici pojmu Smart Grids. Tuto student nijak nekonkretizoval.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Electrical, Electronic, Communication and Control Technology (EEKR-M)

Field of study

Power Electrical Engineering (M-EEN)

Composition of Committee

prof. Ing. Petr Toman, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. František Janíček, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Antonín Matoušek, CSc. (člen)
doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Vladimír Blažek, CSc. (člen)
Ing. Jan Macháček, Ph.D. (člen)
Ing. Petr Skala, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D.

Student Marek Kopička zpracovával téma, které je v dnešní době hodně diskutované, ale zatím prakticky velmi málo řešené. Z toho také vyplývá stav řešení diplomové práce. Z velké části se jedná o monitorování stavu současné technologie Smart Grid a souvisejících technologií. Student prošel značně obsáhlý soubor referenčních materiálů a konzultoval dané téma s odborníky z praxe. Navštívil veletrhy a výstavy, kde byla šance zachytit konkrétní technická řešení a snažil se prakticky průběžně po dobu celého studia téma doplňovat novými poznatky a vlastními přínosy.

Téma samo o sobě nedává příliš prostoru pro tvůřčí aktivitu a mohu tedy jako vedoucí pouze konstatovat, že hlavní tvůrčí činnost vidím právě v syntéze dílčích informací a jejich obsáhlý přehled s důrazem na aplikaci u alternativních zdrojů energie. Neočekával jsem konkrétnější výsledky a považuji práci studenta za naplnění zadání diplomové práce a splnění obecných požadavků na tento typ práce.

Práci doporučuji k obhajobě. Points proposed by supervisor: 90
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jiří Procházka

1. Odpovídá diplomová práce uvedenému zadání v plném rozsahu?
Předložená diplomová práce se zabývá tzv. alternativními zdroji energie a jejich integrací do konceptu Smart Grids. Obě zmíněná témata jsou vysoce aktuální, byť se zejména v oblasti Smart Grids zatím jedná o pojem ne zcela ohraničený a tím i o problematiku ne jednoznačně uchopitelnou. Z tohoto hlediska je i obtížnější provést technicky jednoznačné hodnocení.
Autor v práci prokázal schopnost shromáždění a uceleného zpracování velkého množství informací potřebných ke zpracování témat, ať už přímo s popisovanými tématy souvisejících, nebo související pouze okrajově. V tomto smyslu předložená diplomová práce odpovídá uvedenému zadání v plném rozsahu.
V kapitole 2 se autor věnuje alternativním zdrojům energie, vymezuje obsahově tento pojem v kontextu podmínek trhu v ČR, uvádí jejich aktuální stav, predikci a potenciál využití v ČR. Dotýká se také akumulačních technologií a jejich využití v souvislosti s vyrovnáváním zdrojů s proměnlivou dodávkou (FVE a VTE).
Kapitola 3 popisuje vlastní koncept Smart Grids. Kromě základního vymezení pojmu se věnuje jednotlivým součástem Smartg grids: Smart meteringu (systému inteligentního měření, řízení a komunikace), komunikačním technologiím, integrací s různými zdroji a systémy. Poukazuje na výhody využití SG a zabývá se využitím konceptu v ČR (elektromobilismus, smart region Vrchlabí) i ve světě.
Kapitola 4 je věnována distribuovaným řídicím systémům v energetice (DŘS). Obsahuje popis prvků DŘS, jací jsou na trhu dodavatelé těchto technologií, možnosti využití v energetice i mimo ni.
V kapitole 5 se stručně popisuje role alternativních zdrojů a distribuované výroby ve Smart grids.

2. Jak hodnotíte předloženou diplomovou práci z hlediska struktury a návaznosti jednotlivých částí práce, případně jejich úplnosti?
Kapitola 2 a 3, která se nejvíc dotýká vlastního zadání, je napsána v logické struktuře, jednotlivé kapitoly na sebe dobře navazují. V kapitole 4, věnované řídicím systémům v energetice, není zcela jasné, jaký vztah má celá tato kapitola k práci a k jejímu zadání. Kromě samotného výčtů DŘT, co umí a kdo je dodává, by mělo být alespoň stručně okomentováno, že SG jako systém zřejmě bude vznikat postupnou integrací těchto systémů již existujících a nově vznikajících. Kapitola 5, věnovaná roli alternativních zdrojů a distribuované výroby ve Smart grids působí v kontextu s kapitolami 2 (AZE) a 3 (SG) obsahově poněkud nevyváženě (rozsah 1 strana).

3. Jiné poznatky, kritické připomínky.
Zde je uvedeno několik připomínek, či podnětů, postupně dle odkazů na jednotlivé kapitoly:
2.2.2.4 Denní diagram zatížení
Citace: „Relativní riziko velké nadvýroby je v letních dnech však uregulovatelné.“. Toto tvrzení je bez konkrétních vstupů (množství neřiditelných OZE a DDZ) a výpočetního prověření poněkud optimistické. Je pravdou, že jediným prověřením v reálném provozu zatím byl loňský rok, ve kterém se podařilo vše odregulovat, nicméně to nemůže zakládat na absenci obezřetnosti a potřeby dalšího detailního prověřování.
2.3.3 Predikce ceny
Citace: „Dále i samotné zavádění systému SG si vyžádá nemalé investice a to nejen ze strany státu a provozovatelů ES, ale i ze strany konečného spotřebitele energie.“. Veškeré náklady se nakonec stejně promítnou na konečného spotřebitele, ať už v podobě daní, nebo ceny dané komodity.
Citace následující věty: „Na druhou stranu právě SG mohou uživatelům ušetřit roční náklady za energie, díky jejich lepší kontrole a možnosti regulace, kterou by měl systém SG podporovat.“. Tato věta je větou této doby, která ji chce takto slyšet (hrubě řečeno současný politicko-energetický populismus). Pokud bychom chtěli být přesní v kontextu předchozí věty, pak bychom to museli psát asi takto: Na druhou stranu právě SG mohou uživatelům kontrolovat roční náklady za energie, aby jejich rostoucí výše měla na zákazníka co nejmenší dopad. To by mělo být umožněno zejména díky lepší kontrole a možnosti regulace, kterou by měl systém SG podporovat.
3.2 Metering
V druhém odstavci se hovoří o „univerzálním smart metru“. Zde je vhodné zmínit, že pokud se jedná o vlastní měřící část, bude pro každou komoditu zvláštní měřidlo, které však může v komunikační oblasti kooperovat s jedním vybraným měřidlem (např. s nejčastěji uváděným chytrým elektroměrem)
3.2.1.3 AMI (Advanced Metering Infrastructure)
AMI je často zmiňováno v severoamerickém regionu, svým popisem však odpovídá konceptu AMM, tedy jde o totéž, ne o rozšíření, jak se uvádí v kapitole.
3.2.1.4 Smart Metering (SM)
Pojmy AMM, AMI a Smart Metering nestojí v nějaké technologické posloupnosti, jak to naznačují tyto tato a předchozí dvě kapitoly práce, jsou to téměř synonyma. Smart Metering je v tomto smyslu obecnějším pojmem.
3.2.1.5 HDO (Hromadné dálkové ovládání)
Citace z konce kap.: „Přes všechny komplikace se systémem HDO spojenými by tento systém mohl fungovat v koexistenci se systémem SG. Myslím si, že by se měly dále zkoumat možnosti uplatnění tohoto zaběhlého systému řízení spotřeby a jeho možné role v budoucím „chytrém“ systému řízení sítě a to nejen z důvodu především ekonomického, ale i technického.“. Zde je nutné alespoň zmínit potřebu rozboru nákladovosti takové koexistence, neboť samotný provoz HDO s sebou nese také významné náklady, a pokud by koncept SM, popř. SG funkcionality HDO nahradil, bylo by nesmyslné držet tyto dva systémy paralelně.
3.5.2 Uživatelské služby
Možnost řízení vlastní spotřeby bude většina domácností vnímat jako novinku v možnostech udělat něco pro čistější ovzduší a „zdravější“ planetu, ale i zejména jako možnost udělat něco pro vlastní peněženku.
V celé této kapitole se poukazuje na důležitý moment, a to je finanční motivace pro zákazníka. Je nutné také doplnit jeho vnímání celé situace, zvlášť v situaci, kdy implementace SG ponese zvýšené náklady na výslednou cenu elektřiny. Podstatným vlivem zde také je reálný prostor pro nabízení úspor proti reálnému potenciálu, který může zákazník k nějakému řízení/odložení/omezení nabídnout.
5 Role alternativních zdrojů a distribuované výroby ve Smart grids
V 3. odstavci se mluví o roli PS, dle seznamu zkratek se jedná o přenosovou soustavu. Skutečně je tady míněna přenosová soustava? Mělo by to být obecně o síti, konkrétně v ČR a v kontextu OZE (AZE) není přenosová soustava hlavním problémem.

4. Zda, a v kterých částech přináší diplomová práce nové poznatky? + 7. Jaký je způsob využití práce (publikace, praktické využití)?
Práce poměrně uceleně podává základní informace o alternativních zdrojích energie, o konceptu Smart Grids, v tomto smyslu může být používána. Na druhou stranu je to velmi obecná tématika (hlavně co se týká SG), o které se zatím více píše, než skutečně realizuje, množství informačních dokumentů je v tomto smyslu velké.

5. Jaká je charakteristika výběru a využití studijních pramenů?
Autor použil rozsáhlou množinu pramenů, celkem 52, často se jedná o odkazy na webové portály zabývající se problematikou AZE a SG a také odkazy na portály zabývající se politikou státních zásahů.

6. Hodnocení formální stránky (jazyková stránka, formální zpracování).
Práce je po formální i obsahové stránce (až na několik drobných překlepů) v pořádku. Určitým překvapením bylo neskloňování odkazů v textu na tabulky a obrázky, které bylo dáno použitím křížových odkazů v MS Word.

7. Jaký je způsob využití práce (publikace, praktické využití)?
viz. bod. 4.

8. Doporučujete práci k obhajobě či nikoliv?
Diplomovou práci hodnotím kladně, přináší základní shrnující informace o zadaném tématu, v tomto smyslu splnila zadání. Přes výše zmíněné drobné výhrady doporučuji práci k obhajobě. Topics for thesis defence:
  1. 1. Předpokládá autor vznik Smart Grids naráz nějakým přijatým programem, nebo půjde o postupný vývoj dle konkrétních zadání?
  2. 2. Co bude hlavním driverem pro zavádění SG? Jaké jsou drivery a které budou těmi hlavními? (Alespoň rozbor, pokus o seznam témat, konkrétních problémů, jejichž konkrétní řešení si vynutí postupné zavádění určitého konceptu SG).
  3. 3. Není jedním z driverů např. uplatnění konceptu virtuálních elektráren popisovaných v kap. 3.4.1.?
  4. 4. V kap. 3.3.2 (Problémy spojené se sběrem dat) jsou odhady náročnosti datových přenosů pro „lehčí“ variantu SG – odeslání informace o spotřebě jednou měsíčně. Jaký by byl odhad pro variantu s přenosem většího množství informací (např. přenos denně a 24, resp. 96 hodnot o spotřebě – denní diagram po hodinách resp. po čtvrthodinách)?
Points proposed by reviewer: 85
Display more

Grade proposed by reviewer: B