Kompenzace jalového výkonu na liberalizovaném trhu s elektřinou

Kompenzace jalového výkonu na liberalizovaném trhu s elektřinou

z německého originálu de, 15-17/2004, upravil Ing. Josef Košťál, redakce Elektro

S liberalizací trhu s elektrickou energií se mění také ceny i způsob účtování elektrické energie. Dříve se odůvodňovaly investice do zařízení na kompenzaci jalového výkonu především ekonomickým přínosem plynoucím z nižších nákladů na elektrickou energii. Existují však ještě další důvody, které hovoří pro kompenzaci – např. efektivnější vytížení energetického rozvodného zařízení.

Na naléhání EU byl v únoru 1997 schválen evropský zákon o liberalizaci vnitřního trhu s elektřinou. V dubnu následujícího roku vstoupil v platnost nový regulační zákon k právům v oblasti energetického hospodářství, zákon o prosazování evropské energetické směrnice a zrušení územních monopolů s možností volného výběru dodavatele pro odběratele elektřiny. Tím se elektrická energie proměnila v běžný obchodní artikl a musela se přizpůsobit obvyklým konkurenčním podmínkám. Po necelých deseti letech od zavedení těchto liberalizačních opatření začínají dodavatelé elektrické energie opět hovořit o zvyšování cen za elektřinu. Z tohoto důvodu se dostávají více než kdykoliv předtím do popředí otázky energetických úspor a snižování elektrických ztrát, které mimo jiné bezprostředně souvisejí s ochranou klimatu (produkce CO₂ při výrobě elektrické energie).

Princip kompenzace jalového výkonu

Mnoho elektrických spotřebičů odebírá ze sítě kromě užitečného (činného) výkonu také jalový výkon, který vzniká např. u elektromotorů a transformátorů v důsledku magnetizace a u proudových měničů v důsledku řízení a komutace. Přenos jalového výkonu je neekonomický a není ho možné přeměnit na jinou (užitečnou) formu energie (obr. 1 a obr. 2). Odběratel musí stejně jako dříve dbát na to, aby se v době vysokého tarifu nedostal s účiníkem cos j pod hodnotu 0,9. V opačném případě by mu dodavatel energie zaúčtoval jalovou práci. V době nízkého tarifu připouští dodavatelé na základě smluvního ujednání i cos j < 0,9 (např. 0,85). Zúčtovací cena za hodinu jalové práce (kvar·h) činila v Německu v roce 2004 průměrně 0,9 eurocentů.

Obr. 1. Princip kompenzace jalového výkonu nízkonapěťovými výkonovými kondenzátory
Obr. 2. Diagram výkonů pro nekompenzované (index 1) a kompenzované (index 2) zařízení;
P – činný výkon,
Q₁ – nekompenz. jalový výkon,
S₁ – zdánlivý výkon před komp.,
j – fázový úhel,
Q₂ – kompenzovaný jalový výkon,
S₂ – zdánlivý výkon po kompenzaci,
Q_c – výkon připojeného kompenzačního kondenzátoru
Obr. 3. Malý kompenzátor jalového výkonu Modl 50 kvar

Právě u malých a středních podniků se téma jalové energie často přehlíží nebo se mu nevěnuje dostatečná pozornost s odůvodněním jako: „Těch pár centů přece nehraje žádnou roli v celkovém objemu provozních nákladů.„ Ve skutečnosti se umoří investice vložená do kompenzace jalového výkonu již za poměrně krátkou dobu.

Početní příklad z německé praxe

Nechť ve výchozí situaci uvedeného příkladu činí instalovaný příkon u odběratele 155 kW a měřený cos j v tomto období 0,8 a měsíční náklady na jalovou práci při průměrné měsíční době provozu 170 hodin 64,03 eura. Pro úspory nákladů na jalovou práci se odběratel rozhodl kompenzovat jalové ztráty tak, že stanovil požadovanou hodnotu cos j na 0,92, čímž by měla být zajištěna jeho průměrná měsíční hodnota 0,9. Aby bylo možné dosáhnout požadovaných hodnot cos j, nechal si odběratel nainstalovat kompenzační zařízení jalového výkonu 4RY1950-3AF05 Modl, Pappenheim (obr. 3), jehož pořizovací hodnota byla 893,10 eura. U tohoto typu kompenzačního zařízení lze reálně stanovit životnost na patnáct let.

Ekonomické porovnání by mělo prokázat (nebo neprokázat) rentabilitu kapitálu vynaloženého na kompenzaci jalového výkonu. Na jedné misce vah je tedy výnos z kompenzace uvedeným kompenzačním zařízením (úspora nákladů na jalovou práci) v měsíční výši 64,03 eura, na druhé misce vah kapitálový výnos např. z bankovní úložky v podobě 4% ročního úroku z částky rovné pořizovací hodnotě kompenzačního zařízení po dobu odpovídající životnosti zařízení, tj. patnáct let, resp. 180 měsíců.

Zařízení se umoří za čtrnáct měsíců: 14 × 64,03 = 896,42 Eur

Po tomto období je možné náklady na jalovou energii počítat jako renditu (výnosovost) po zbývající dobu 166 měsíců: 166 × 64,03 = 10 628,98 Eur

Kapitálové zúročení z pořizovací hodnoty zařízení ve výši 893,10 eura na 4% úrok přinese za patnáct let: 893,10 × (1,04)¹⁵ = 1 608,42 Eur

Rozdíl rendit: 10 628,98 – 1 608,42 = 9 020,56 Eur

Tab. 1. Zmenšení možného vytížení transformátoru s klesajícím cos j

Tab. 2. Zvětšení potřebného průřezu kabelu s klesajícím cos j

Výhodnější investici s větší renditou 9 020,56 eura tedy v tomto příkladu představuje nákup zařízení na kompenzaci jalového výkonu.

Vedle ušetřených nákladů na jalovou práci však existují ještě další ekonomická hlediska, která hovoří pro variantu s kompenzací jalového výkonu (tab. 1).

Lepší vytížení převodních a distribučních transformátorů

Optimální vytížení transformátoru činným výkonem lze dosáhnout při cos j = 1. V tomto ideálním případě by byl zdánlivý výkon S roven činnému výkonu P a jalový výkon Q nule, což obecně vyplývá z pravoúhlého trojúhelníku výkonů (obr. 4), kde:

cos j = P/S

Pro cos j = 1 platí:

1 = P/S Ţ S = P

Obr. 4. Trojúhelník výkonů
Obr. 5. Rezonanční obvod s netlumenými kondenzátory (pro zamezení rezonancí je do série s kondenzátory zapojena odpovídající tlumicí cívka)

To znamená, že např. při cos j = 0,8 bude transformátor přenášet pouze 80 % činného výkonu (vztaženo na zdánlivý výkon – tab. 1).

Efektivnější vytížení vedení a spínacích prvků

Průřezy kabelů nebo vodičů je možné zvýšením cos j z 0,7 na 0,9 až dvojnásobně zmenšit, což v případě nových zařízení znamená další úsporu nákladů. U existujících zařízení lze zase kompenzací zvýšit elektrický výkon zařízení odběratele při využití původní elektrické instalace; to představuje výhodnou alternativu k nové instalaci (tab. 2).

Zlepšení kvality sítě

V sítích, ve kterých je zátěž vytvářející vyšší harmonické větší než 20 % vzhledem k celkové zátěži, by mělo být použito tlumicí zařízení. Tato zařízení mají tu výhodu, že zamezují rezonance a částečně – podle stupně tlumení – „odsávají“ z provozní sítě vyšší harmonické, čímž zabraňují vzniku poruch podmíněných vyššími harmonickými, a tím výpadkům ve výrobě (obr. 5).

Ekologické šetření energií

Přenos jalové energie od výrobce ke spotřebiteli způsobuje výkonové ztráty v přenosových prvcích, jako např. ve vedeních, kabelech, transformátorech nebo spínacích přístrojích. Z tohoto důvodu je optimální kompenzovat jalový výkon v místě odběru, tj. u elektrických spotřebičů, protože jinak musí elektrárny tyto jalové ztráty krýt ve formě disponibilní elektrické energie. To však odporuje stanoveným cílům snižování produkce CO₂ v rámci Kjótského protokolu a jeho úmluv.