Európsky systém napájania Herbert Saurugg - expert na prevenciu výpadkov energie
Pre mnohých ľudí elektrina pochádza prirodzene zo zásuvky. Základné vzťahy sú zriedka známe. Za našou veľmi vysokou bezpečnosťou dodávok nestojí iba národný, ale aj európsky sieťový systém, ktorý funguje iba bezpečne ako celok. Toto bolo vyrobené pre ľahko vypočítateľné a kontrolovateľné veľké elektrárne a doteraz bolo prevádzkované veľmi úspešne. Za posledné dve desaťročia sa však veľa rámcových podmienok výrazne zmenilo. Ako napríklad park elektrární. Iba v Nemecku sa za posledných 20 rokov zvýšil počet výrobných závodov z približne 1 000 na viac ako 1,7 milióna elektrární. To nezmení iba generačné charakteristiky, ale aj správanie systému. Pretože veľa nových systémov musí byť tiež prepojených a integrovaných, čo následne mení zložitosť celého systému.
Krehká rovnováha
Systém napájania založený na striedavom prúde funguje, iba ak je trvalá rovnováha medzi výrobou a spotrebou možno zabezpečiť. Inak sa systém zrúti. Ukazovateľom rovnováhy alebo stability systému je frekvencia, ktorá je v Európe 50 Hertzov. Ak sa spotrebuje menej elektriny, ako sa vyrobí, frekvencia sa zvýši. Ak sa naopak spotrebuje viac, ako sa vyrobí, klesá. Pre porovnanie: na rovnom povrchu môže cyklista ľahko udržiavať rýchlosť. Len čo však dôjde k náklonu, musí silnejšie šliapať do pedálov, aby zostal rovnako rýchly. Na druhej strane, ak to ide dole vodou, musí brzdiť, aby nebol stále rýchlejší. Ak frekvencia v sieti klesne alebo stúpa príliš rýchlo, môžu sa poškodiť dôležité generátory.
Krehká európska sieť
z Deň temného zatemnenia SRF 2017
Zvyšovanie úsilia o udržanie bezpečnosti systému
Rýchla expanzia decentralizovaných alebo prchavých elektrární sa dlho podceňovala, pretože sa dlho strácali v hluku rozsiahleho systému. Medzitým sa však dosiahla úroveň výkonu, ktorá je systémovo relevantná alebo môže byť tiež systémovo nebezpečná. V tejto súvislosti volatilné znamená, že výroba kolíše v dôsledku vetra alebo slnka, a že stabilita systému sa musí zabezpečiť prostredníctvom vhodných kompenzačných opatrení od iných elektrární. Kontrola siete je preto roky náročnejšia a nákladnejšia, pretože na stabilizáciu siete je potrebných čoraz viac opatrení (pozri hodnotenie redispečingu a vnútrodenných zastávok).
Čo je redispečing?
Video z TRANSNET BW veľmi dobre vysvetľuje, čo sa presne deje počas správy redispatch/bottleneck.
Vývoj nákladov na riadenie preťaženia (zdroj údajov: APG); 2019: iba 1. a 2. štvrťrok
Rýchlo sa meniace rámcové podmienky
Pôvodne rozumné regulačné opatrenia, ako napríklad uprednostňovaná dodávka energie z obnoviteľných zdrojov (RE), dnes čoraz viac vedú ku kritickým „stresovým situáciám“ v celom systéme. Okrem toho chýbajú alebo meškajú opatrenia na rozšírenie infraštruktúry (rozšírenie siete), aby bolo možné elektrickú energiu priviesť tam, kde je to potrebné. Pretože „decentralizovaná“ generácia často nie je taká decentralizovaná alebo lokálna, ako by si niekto myslel. Najmä veterné elektrárne sú veľmi koncentrované a najmä v Nemecku sú ďaleko od hlavných spotrebiteľských centier. Ďalšie regulačné opatrenie, a to, že FV systémy sa musia odpojiť od siete s frekvenciou viac ako 50,2 Hertzu, bolo opäť zrušené. Skutočnosť ukáže, či sú opatrenia skutočne dostatočné. Je to však veľmi pochybné, pretože nejde len o nemecký, ale o celoeurópsky problém. Pozri ďalej: Problém 50,2 Hertzov
Kritické prvky systému, odstredivé hmoty a ukladanie energie
Znižovanie okamžitej rezervy („hmotnosti zotrvačníka“) a nedostatok rozsiahlych opatrení na skladovanie energie, aby bolo možné adekvátne kompenzovať odstávku konvenčných elektrární, sa stáva čoraz väčším problémom.
Najmä odstredivé hmoty majú ústredný význam, aby bolo možné zo svojej podstaty zachovať stabilitu a bezpečnosť systému bez toho, aby ste museli zasahovať. V súčasnosti chýba náhradné riešenie alebo „tieto sa nevyplácajú“.
Dôležité prvky systému je možné zo systému odstrániť, iba ak je k dispozícii adekvátna náhrada. V tejto chvíli sa však prijíma druhý krok pred prvým, ktorý sa v predvídateľnom období nemôže vyvíjať dobre.
Okrem toho existuje dôležitý nález z výskumu zložitosti, ktorý sa v „inteligentných riešeniach“ ťažko zohľadňuje:
Palmer a jeho kolegovia z inštitútu v Santa Fe v Santa Fe v Novom Mexiku vyvinuli virtuálny akciový trh obývaný virtuálnymi agentmi. Každý z agentov mohol časom zmeniť svoje investičné pravidlá. Zistili, že keď agenti mohli aktualizovať svoje investičné pravidlá iba pomaly, potom sa trh priblížil k hypotéze racionálnych očakávaní, pretože zlé pravidlá boli časom odstránené. Ak však agenti dokázali rýchlo aktualizovať svoje investičné pravidlá, potom sa virtuálny akciový trh bubliny a krachy rovnako ako skutočný akciový trh, pretože zlé pravidlá sa navzájom mohli živiť.
Aj na bublinovom trhu môže byť všeobecne známa skutočnosť, že trh je na bubline. To však nespôsobuje okamžitý pád. Prečo? Časový rámec je dôležitý.
Po výpadku napájania („výpadok napájania“): obnovenie siete
Výpadok sa v technickom svete označuje ako veľká chyba alebo výpadok. Nielen vedenia, ale aj elektrárne sú bez elektriny. Tieto sa vypínajú od určitej frekvenčnej odchýlky, aby sa chránili pred zničením. Elektráreň s „čiernym štartom“, ktorá nie je špeciálne pripravená pre tento prípad, sa už nemôže sama spustiť, ale na opätovné spustenie vyžaduje z elektrickej siete frekvenciu 50 Hertzov. Takáto elektráreň musí byť tiež navrhnutá na ostrovnú prevádzku a musí byť schopná zvládnuť záťažové spojenia v dostatočne veľkých skokoch.
V Rakúsku sú oficiálne dve (1,5 GW), vo Švajčiarsku štyri a v Nemecku 120 (9,7 GW) elektrární s čiernym štartom. V Rakúsku však stále existuje niekoľko ďalších decentralizovaných, menších elektrární s čiernym štartom z minulosti, zvyčajne vodných alebo akumulačných. Najmä prečerpávacie elektrárne majú veľmi vysokú účinnosť, čo tiež vysvetľuje, prečo existujú iba 2 elektrárne v Rakúsku a 120 v Nemecku, zatiaľ čo vo výkone je iba 6,4-násobný rozdiel.
Čierny štart nie je čisto technickou výzvou. Pre úspech sú skôr rozhodujúce aj organizačné a personálne požiadavky. Preto je koordinovaný čierny štart so 120 elektrárňami oveľa zložitejší a náchylnejší na chyby ako napríklad u 2 elektrární. Chyby sa môžu vyskytnúť najmä pri prepájaní podsietí, čo môže viesť k obnovenému kolapsu oblasti siete, ktorá už funguje a je opäť pripojená. Pozri tiež kolaps napájania v extrémnej zime:
Kolaps moci v zime 1978/79
z www.mdr.de
Denná prevádzka elektrickej siete a čierny štart sa dá porovnať s lietaním. Denná prevádzka je ako let. Niekedy dôjde k turbulenciám, potom musí pilot zasiahnuť. Inak môže autopilot aj lietať. Vzlietnutie z lietadla si však vyžaduje osobitnú pozornosť a zručnosti. To je prípad aj čierneho štartu. Toto sa však dá trénovať iba na simulátore. Na druhej strane sú za volantom niekoľko minút nielen dvaja piloti, ale veľa a to počas mnohých hodín alebo dokonca dní. Nebude to teda prechádzka parkom, aj keď sa operátori siete na deň X starostlivo pripravia.
Energetická politika EÚ
Na úrovni EÚ sa veľmi rýchlo sleduje spoločný trh s elektrickou energiou, kde by všade mali panovať rovnaké trhové podmienky, ale to nemá veľa spoločného s požiadavkami na infraštruktúru, ktoré na to nikdy neboli určené. Preto je potrebné myslieť aj na trh s elektrinou a na elektrickú sieť („trh iba s energiou“). Fyzika však nemôže byť prelomená pravidlami trhu. Ale naopak.
Na druhej strane má každá krajina svoju vlastnú energetickú politiku a energetický prechod. V rôznych smeroch. Zatiaľ čo niektoré sa držia jadrovej alebo uhoľnej energetickej politiky, alebo ich dokonca chcú rozšíriť, iné chcú čo najskôr prejsť na obnoviteľné energie. Výsledkom je, že sa stretávajú myšlienkové svety, ale aj dogmaticky premenené prístupy. Od 1. októbra 2018 bude existovať aj európsky trh, ktorý používa zložité algoritmy.
Všeobecná mantra je, že trh to vyrieši. Iba voľný trh znamená, že účastníci musia byť schopní zlyhať, čo môže byť v systéme napájania nebezpečné. Infraštruktúrne projekty si často vyžadujú roky realizácie a sú navrhnuté tak, aby vydržali desaťročia. To je v rozpore s trhovo orientovaným hľadaním krátkodobého zisku. V súčasnosti sú všeobecne vítané úvahy o zatvorení uhoľných elektrární. Často prehliadajú skutočnosť, že poskytujú aj základné systémové služby vo forme okamžitých rezerv s rotujúcimi masami. Celkovo sa tu objavuje niekoľko tmavých oblakov.
Energetická sieť budúcnosti: systém energetických článkov
Aby prechod na úplnú dodávku obnoviteľnej energie mohol fungovať, potrebujeme tiež nový návrh systému: systém energetických článkov, teda decentralizované, autonómne funkčné jednotky. Momentálne sme od toho ešte ďaleko.
Video z nemeckého výskumného projektu „KombiKraftwerk2“ jasne popisuje súvislosti a výzvy. V projekte sa okrem iného uzatvára:
V nasledujúcich rokoch a desaťročiach bude treba vyvinúť určité politické, hospodárske a technické úsilie na dosiahnutie cieľa energetickej transformácie. Problémy s udržaním stability sústavy, ktoré predstavuje zmena dodávky energie, sa v obnoviteľných zdrojoch energie nenachádzajú tak skoro, pretože v zásade spĺňajú technické požiadavky na stabilizáciu sústavy. Nová štruktúra budúcej výroby a distribúcie energie si skôr vyžaduje prehodnotenie organizácie systému. Jedná sa o systémovú transformáciu, ktorá sa zameriava na kolísajúce napájacie veterné a FV systémy ako hlavný prvok napájania. Flexibilné systémy na biomasu (bioplyn a tuhá biomasa) a systémy na výrobu biometánu, ako aj skladovanie sú nevyhnutnou súčasťou energetického systému a prispievajú k zabezpečeniu výkonu. Bez zodpovedajúco prispôsobeného rozšírenia siete so všetkými jej komponentmi, prispôsobenia predpisov a trhov nebude zmena napájania úspešná. Odmenou za tieto snahy vám bude moderný, čistý a stabilný zdroj napájania.
Kritická a systémová úvaha
Pri pohľade na systém zo systémového hľadiska rýchlo vyjde najavo, že „energetický prechod“, ako sa v súčasnosti vykonáva, zjavne zanedbáva systémové aspekty. Pretože systém je viac ako súčet jeho jednotlivých prvkov. Rozhodujúce sú „neviditeľné vlákna“ medzi prvkami systému. Napríklad vedenia medzi výrobňami a užívateľmi energie („spotrebitelia“), skladovacími a vyrovnávacími systémami (skladovanie energie), aby bolo možné vyrovnať volatilitu výroby prchavých látok. Sieťové riadenie, ktoré musí v komplexnom decentralizovanom systéme vyzerať inak ako v predtým centralizovanom hierarchickom systéme. Okrem toho je potrebné brať do úvahy veľké časové horizonty, od milisekúnd (ochrana), po sekundy/minúty (riadenie siete alebo výmena rotujúcich hmôt), energetická bilancia (hodiny/dni/týždne) až po udržateľnosť (roky/desaťročia). To všetko sa pri súčasnom zameraní trhu a cien ťažko zohľadňuje. Vypočujte si úryvok z Témy zatemnenia SRF: 6. deň: Žiadna normálna situácia v nedohľadne - obchodník s elektrinou a prevádzkovateľ siete:
Kto za to môže?
z Deň temného zatemnenia SRF 2017
S rastúcim počtom systémových prvkov sa zvyšujú aj interakcie v tomto systéme. A exponenciálne. Vývoj, ktorý dokážeme, že nedokážeme dobre zvládnuť. Ovládateľnosť systému klesá. Mechanizmy, ktoré sme doteraz používali, fungujú čoraz horšie a zvyšuje sa riziko zrútenia systému. Tomu sa dá čeliť iba zodpovedajúcim životaschopným návrhom systému (systém energetických článkov), ktorý vo veľkej miere chýbal alebo sa iba začína diať.
Veľká nádej v súčasnosti spočíva v „inteligentných“ technológiách, aj keď predchádzajúce prístupy majú tendenciu viesť skôr k slepej uličke, ako prispievať k riešeniu (pozri napríklad: Inteligentná sieť vo veku kybernetickej vojny. Nereflektované sieťovanie v oblasti IT doteraz viedli k čoraz viac nevyriešeným a čoraz ťažšie kontrolovateľným problémom. Aj keď sa predchádzajúce problémy vyskytujú hlavne vo virtuálnom priestore, v skutočnom svete už existujú obrovské finančné následné škody. Nie je možné si predstaviť, čo by sa stalo, ak by tento vývoj preskočil na sektor infraštruktúry a zlyhal. v dostupnosti sieťových infraštruktúrnych systémov, ako na Ukrajine v roku 2015. Inteligentné technológie budú určite musieť prispieť k energetickému prechodu. Zo systémového hľadiska by sa však súčasné koncepcie mali spochybňovať kritickejšie, pretože vytváranie sietí zvyšuje zložitosť, ktorá vedie k zmeneným a zmeneným nie v našom predchádzajúcom n znamená kontrolovateľné správanie systému.
Základné informácie
V európskej sieti je elektrinou zásobovaných okolo 530 miliónov ľudí vo viac ako 30 krajinách. Kontinentálna európska sieť je „najväčším strojom“ v Európe, ak nie na svete.
Jalový výkon
Aby prenos energie v sieti fungoval, je potrebný jalový výkon na vytvorenie napätia. Jalový výkon by mal byť vždy v správnom pomere k skutočnému výkonu, ktorý sa skutočne dostane k spotrebiteľovi, aby nedošlo k narušeniu prepravy elektriny. To znamená, že elektrina sa nemôže prepravovať bez jalového výkonu, ale príliš veľa jalového výkonu v sieti znižuje činný výkon a môže mať zodpovedajúci negatívny vplyv na prenos elektriny. Všetko závisí od správneho množstva.
Zjednodušene povedané, jalový výkon je hlavou piva a samotné pivo je činným výkonom. Ak sa pivo naleje nesprávne, môže sa vytvoriť príliš veľa peny. Ak pivo stojí príliš dlho, pena sa stáva nestabilnou, klesá a kvalita piva tým trpí. Hlava peny by mala byť vždy v správnom pomere k pivu. V starom energetickom svete boli jadrové elektrárne a ďalší veľkí producenti, ktorí zostali v obraze, pivovary, ktoré zabezpečovali, aby hlavica peny, t. J. Jalový výkon, bola dodávaná v správnom pomere k zvyšnému pivu, t. J. Činný výkon. Pretože všetky jadrové elektrárne budú vyradené zo siete do roku 2022, prevádzkovatelia prenosových sústav (TSO) sa teraz stanú hlavnými pivovarmi na výrobu jalového výkonu, aby mohli aj v budúcnosti splniť svoj zákonný mandát na prevádzkovanie zabezpečenej siete nepretržite.
Aby bolo možné regulovať jalový výkon a sprístupniť ho v dostatočnom množstve pre celú sieť, spoločnosť TenneT už napríklad nainštalovala kompenzačné cievky a systémy MSCDN do mnohých zo svojich 129 rozvodní, ktoré prispievajú k statickému zabezpečeniu jalového výkonu. Rovnako sú nainštalované rotačné fázové posúvače. Tento systém prispieva k skratovému výkonu tohto sieťového uzla - čo bola úloha, ktorú predtým vykonával generátor napríklad v jadrovej elektrárni Grafenrheinfeld. Ďalej sa skúma, či napríklad veterná energia a fotovoltaické systémy môžu prispievať k bezpečnosti systému a dodávok poskytovaním jalového výkonu.