Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky (ÚEAE), ktorý je súčasťou Fakulty elektrotechniky a informatiky (FEI) Slovenskej technickej univerzity (STU) v Bratislave, okrem pedagogickej činnosti dlhodobo participuje na riešení rôznych vedeckovýskumných projektov, ako aj úloh vyplývajúcich z potrieb priemyselnej praxe. V tomto príspevku je priblížený zámer a doposiaľ dosiahnuté výsledky projektu Medzinárodné centrum excelentnosti pre výskum inteligentných a bezpečných informačno-komunikačných technológií a systémov – II. etapa (ďalej len CE2), ktorý je riešený v úzkej spolupráci s Ústavom materiálov a mechaniky strojov (ÚMMS) SAV Bratislava, Fakultou informatiky a informačných technológií STU v Bratislave  (FIIT) STU, so spoločnosťami sféra, a. s., a Atos IT Solutions and Services, s. r. o.

Projekt CE1 ako výsledok príkladnej spolupráce 

Projekt CE2 je pokračovaním projektu Medzinárodné centrum excelentnosti pre výskum inteligentných a bezpečných informačno-komunikačných technológií a systémov (CE1), ktorý sa riešil v rokoch 2014 – 2015. Efektívny manažment výskumných aktivít pracovníkov STU na jednej strane a priemyselných partnerov Atos IT Solutions and services, s. r. o., a sféra, a. s., na strane druhej vyústil do úspešnej realizácie projektu a naplnenia tzv. merateľných ukazovateľov. Výskumné aktivity sa v projekte CE1 sústredili na oblasť právnych a regulačných rámcov pre inteligentné siete, výskumu koncových zariadení, riadenia výroby/spotreby a problematiky kryptografie a veľkých dát. Výstupy projektu CE1 sa okrem rôznych štúdií, výskumných prác, databáz údajov, vedeckých publikácií pretavili aj do skvalitnenia pedagogického procesu na STU a takisto do organizovania rôznych popularizačných aktivít (semináre, konferencie, workshopy a pod.) [1].

Obr. 1 Ilustračný obrázok znázorňujúci jeden z mnohých možných variantov tzv. microgridu

O inteligentných sieťach

Postupný prechod od centralizovanej výroby elektrickej energie smerom k decentralizovanej výrobe založenej na obnoviteľných zdrojoch si vyžaduje dokonalé zvládnutie výziev s tým spojených. Ide tu najmä o dokonalé zvládnutie techník predikcie výroby elektrickej energie, inteligentnú akumuláciu energie, meranie a prenos veľkých objemov dát, monitoringu a automatizácie týchto procesov. Tieto aktivity sú v súlade so stratégiou Európskej únie na zlepšenie ekonomickej situácie v súlade so stratégiou Europe 2020: European strategy for smart, sustainable and inclusive growth, a to práve prostredníctvom inovácií, výskumu a vývoja. Riešenie projektu CE2 je priamo spojené s týmito technickými výzvami. V súvislosti s inteligentnými sieťami sa dostáva do popredia najmä tzv. microgrid. Mikrosieť (mikrogrid, microgrid) je decentralizovaná skupina zdrojov a záťaží elektrickej energie, ktorá normálne pracuje pripojená synchrónne k tradičnej sieti, ale je schopná sa odpojiť od vzájomne prepojenej siete a fungovať autonómne v „ostrovnom režime“, ak to vyžadujú technické alebo ekonomické podmienky [2].

Zámer projektu Medzinárodné centrum excelentnosti pre výskum inteligentných a bezpečných informačno-komunikačných technológií a systémov – II. etapa

Realizácii projektu predchádzal veľmi náročný administratívny proces prípravy a spracovania podkladov k žiadosti o poskytnutie nenávratného finančného príspevku na podporu centier excelentnosti nadnárodného významu. Tento proces bol zavŕšený v marci 2020 podpisom zmluvy medzi Výskumnou agentúrou a lídrom združenia – prijímateľom finančnej pomoci, spoločnosťou Atos IT Solutions and Services, s. r. o. Projekt sa realizuje od novembra 2019 s plánovaným ukončením v júni 2023. Do projektu je zapojených päť ústavov FEI STU, Fakulta informatiky a informačných technológií STU, Ústav materiálov a mechaniky strojov SAV a priemyselní partneri Atos IT Solutions and services, s. r. o. (ďalej len ATOS) a sféra, a. s. V rámci projektu sa bude realizovať nezávislý výskum a vývoj, priemyselný výskum a experimentálny vývoj nových inteligentných riešení reagujúcich na súčasné trendy o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov a potreby zaistenia dostupnej, bezporuchovej, kvalitnej a manažovateľnej energie.

Aké sú ciele projektu CE2?

Projekt CE2 má vlastnú vedeckú radu, ktorá sa stretáva na pravidelnej báze. V čase lockdownu a protipandemických opatrení sa tieto stretnutia presunuli do online priestoru. Okrem toho sa riešitelia projektu podľa potreby stretávajú na pracovných poradách priamo na jednotlivých pracoviskách. 

Obr. 2 Koordinačné stretnutie riešiteľov projektu a administratívnych pracovníkov (FEI STU 8. 7. 2020)

Z pracovných a koordinačných stretnutí vzišli aktivity projektu, t. j. samostatné výskumné úlohy, a ich pridelenie príslušnému riešiteľovi (pracovisku). Hlavný riešiteľ, spoločnosť ATOS, je zodpovedná za vyriešenie Ekonomického modelovania energetických sústav pre peer-to-peer (P2P) transakcie a Vývoj ekonomického modelu efektivity mikrosiete. STU má v kompetencii riešiť oblasť modelovania a simulácie lokálnych energetických sústav. Cieľom je zostaviť počítačový model inteligentnej siete (vrátane rôznych energetických zdrojov, vedení, záťaží, meracích a regulačných prvkov) s cieľom navrhnúť opatrenia pre predchádzanie nepriaznivým stavom v sieti aplikovaním vhodných inteligentných meracích a riadiacich systémov. ÚEAE FEI STU v Laboratóriách vysokého napätia (LVN) disponuje unikátnou vhodne prepojenou zostavou energetických zdrojov a komponentov (fotovoltika, tepelné čerpadlo, solárny koncentrátor, bioplynová stanica, kogeneračná jednotka, veterná turbína a akumulačné prvky s príslušným riadiacim systémom). 

a)

b) 

c) 

Obr. 3 Sústava unikátnych energetických zdrojov v LVN v Trnávke (Bratislava)

a) bioplynová stanica, b) solárny koncentrátor, c) fotovoltické panely a veterná turbína

Podobne aj ďalší partner projektu ÚMMS SAV disponuje unikátnou zostavou zdrojov OZE (fotovoltická – FV – elektráreň, geotermálny vrt) a zariadení na akumuláciu energie. V oboch prípadoch je úlohou v rámci projektu monitorovať efektivitu získavania a používania energie z OZE počas riešenia projektu v danej lokalite, poskytovať získané údaje pre tvorbu optimalizačných modelov, verifikovať vytvorené modely v reálnej experimentálnej prevádzke laboratória, prípadne v experimentálnej prevádzke simulovať niektoré extrémne stavy, ktoré by mohli v reálnej prevádzke nastať. Dôležitý prínos výskumu na ÚMMS SAV bude aj dlhodobé sledovanie energetického výťažku z dvoch odlišných FV technológií (Obr. 4).

Obr. 4 Fotovoltická elektráreň umiestnená v Ústave materiálov a mechaniky strojov, (polykryštalické – modré a CIS – tmavé FV panely)

Získané experimentálne dáta sú sprístupnené všetkým riešiteľom projektu na verifikáciu simulácií pre mikrosiete, tvorbu databáz, modelov a ďalšie projektové aktivity. Priemyselný partner, spoločnosť sféra, a. s., má za úlohu optimalizovať dátové štruktúry prvkov elektrizačnej sústavy na modelovanie a simuláciu inteligentných sietí/mikrosietí, ako aj vývoj nástrojov na modelovanie a simuláciu inteligentných sietí/mikrosietí.

Doposiaľ dosiahnuté výsledky

Riešenie projektu už prináša prvé výsledky. Úvodné etapy projektu na STU predstavovali systematickú rešerš z oblastí príslušnej energetickej legislatívy a modelovania energetických komponentov či komunikačných modelov. Výsledkom týchto prác sú rôzne pracovné dokumenty a databázy údajov. Súbežne s procesmi rešerše sa spustili veľmi dôležité verejné obstarávania, či už na činnosti súvisiace s modernizáciou a dovybavením OZE mikrosietí, špičkového energetického softvéru, alebo aj iného príslušenstva potrebného na plné sfunkčnenie mikrosietí (napr. obslužná technika potrebná pre prevádzku bioplynovej stanice).  Robili sa výskumné práce zamerané na modelovanie energetických zdrojov v dostupných simulačných energetických prostrediach. Boli navrhnuté kybernetické modely alternatívnych zdrojov s orientáciou na zdroje existujúcej mikrosiete STU v Trnávke v Bratislave. Meraním a vyhodnotením sa skúmala frekvenčná závislosť jednofázových záťaží a vplyv charakteru záťaže na vývoj a proces regulácie frekvencie v sústave. Pristúpilo sa aj k reálnemu modelovaniu mikrosiete. Zvolená bola sústava obnoviteľných zdrojov energie a akumulačných prvkov napájajúcich izolovanú chatovú osadu. Výstupom simulovania boli časové priebehy rôznych elektrických veličín (napätí, prúdov, výkonov), ktoré predstavujú komplexný opis správania takéhoto systému. Výsledky týchto aktivít boli diseminované formou publikácií v karentovaných [3, 4] a recenzovaných [5, 6] periodikách. Podobne aj ďalší partneri projektu plnili zadefinované úlohy a míľniky. Napríklad v ÚMMS SAV sa podarilo upraviť FV systém a jeho riadenie pre potreby riešenia projektu návrhom rozšírenia systému o batériové úložisko a určením spôsobu zberu nameraných experimentálnych údajov pre potreby partnerov projektu.

Záver

ÚEAE patrí na FEI STU medzi lídrov v počte riešených projektov, ktoré sú podporené zo štrukturálnych fondov EÚ. Doposiaľ získané výsledky projektu ukazujú, že podobne ako v prípade projektu CE1 budú stanovené úlohy naplnené a projekt úspešne ukončený.

Riešenie úloh projektu CE2 prináša viaceré celospoločenské benefity:

• zvýšenie kredibility STU (modernejšie laboratóriá, spolupráca s priemyslom),
• príprava slovenského energetického sektora na riešenie nových výziev vyplývajúcich zo súčasnej energetickej politiky EÚ (smernice),
• transfer získaných poznatkov smerom k odbornej verejnosti a zakomponovanie do pedagogického procesu na FEI a FIIT STU,
• vytvorenie modelov a softvérov užitočných pre prax (napr. vytvorenie jednoduchého simulačného nástroja, vhodného aj pre širokú verejnosť, ktorý bude schopný modelovať investície OZE v podobe mikrosiete). 

Literatúra

[1] PERNÝ, Milan – JANÍČEK, František – ŠÁLY, Vladimír. Špičkový výskum a popularizácia vedy ako dôsledok úspešnej realizácie projektu Národné centrum pre výskum a aplikácie obnoviteľných zdrojov energie. In Energetika, strojárstvo 2018. Bratislava : Infoma Business Trading, 2017, S. 47-48. ISBN 978-80-89087-74-7.

[2] Microgrid, Advanced Control Methods and Renewable Energy System Integration,  ISBN 978-0-08-101753-1.

[3] PERNÝ, Milan – ŠÁLY, Vladimír – ĎURMAN, Vladimír – PACKA, Juraj – KURCZ, János – MIKOLÁŠEK, Miroslav – HURAN, Jozef. Electrical response of silicon heterojunction solar cells with transparent conductive oxide antireflective coating. In Acta Physica Polonica A. Vol. 139, No. 1 (2021), s. 39 – 45.

[4] Sumega M., Bou Ezzeddine A., Grmanová G., Rozinajová V. (2020) Prediction of Photovoltaic Power Using Nature-Inspired Computing. In: Tan Y., Shi Y., Tuba M. (eds) Advances in Swarm Intelligence. ICSI 2020. Lecture Notes in Computer Science, vol 12145. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-53956-6_3.

[5] SLÁVIK, Jakub – HOLIŠ, Martin – PONIČAN, Ján – SADLOŇ, Matej. Tri piliere Smart grid. In ATP Journal. Roč. 27, č. 10 (2020), s. 18 – 21. ISSN 1335-2237.

[6] KOVÁČ, Zoltán – PERNÝ, Milan. Perspektíva multifunkčnej technológie budov MESLED. In Energetika, strojárstvo 2021. Bratislava : Infoma Business Trading, 2020, S. 51 – 53. ISBN 978-80-89087-87-7.                                                                                                                                                      

Poďakovanie

Táto publikácia vznikla vďaka podpore v rámci operačného programu Integrovaná infraštruktúra pre projekt: Medzinárodné centrum excelentnosti pre výskum inteligentných a bezpečných informačno-komunikačných technológií a systémov – II. etapa, Kód ITMS: 313021W404, spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Prof. Ing. František Janíček, PhD.,  Prof. Ing. Vladimír Šály, PhD., doc. Ing. Juraj Packa, PhD., 

Ing. Milan Perný, PhD., Ing. Zoltán Kováč, Mgr. Miriam Szabova

Ústav elektroenergetiky a aplikovanej elektrotechniky

Fakulta elektrotechniky a informatiky, Slovenská technická univerzita v Bratislave

http://www.ueae.fei.stuba.sk/  https://ice-rise.sk/