Herbert Saurugg, az európai áramellátási rendszer - az áramkimaradás megelőzésének szakértője
Sok ember számára az áram természetesen a konnektorból származik. A mögöttes összefüggések ritkán ismertek. Nagyon magas ellátásbiztonságunk mögött nemcsak egy nemzeti, hanem egy európai hálózati rendszer áll, amely csak egészében működik biztonságosan. Ezt könnyen kiszámítható és ellenőrizhető nagy erőművek számára készítették, és eddig nagyon sikeresen üzemeltették. Az elmúlt két évtizedben azonban számos keretfeltétel jelentősen megváltozott. Ilyen például az erőműpark. Csak Németországban nőtt az erőművek száma az elmúlt 20 évben mintegy 1000-ről több mint 1,7 millióra. Ez nemcsak a generációs jellemzőket, hanem a rendszer viselkedését is megváltoztatja. Mivel a sok új rendszert hálózatba kell kötni és integrálni is, ami viszont megváltoztatja a teljes rendszer összetettségét.
Törékeny egyensúly
A váltakozó áramú tápellátó rendszer csak akkor működik, ha van ilyen állandó egyensúly a termelés és a fogyasztás között biztosítható. Ellenkező esetben a rendszer összeomlik. A mérleg vagy a rendszer stabilitásának mutatója a frekvencia, amely Európában 50 Hertz. Ha kevesebb áramot használnak, mint amennyit előállítanak, a frekvencia növekszik. Ha viszont többet fogyasztanak, mint amennyit előállítanak, akkor esik. Összehasonlításképpen: egyenletes úton a kerékpáros számára könnyű fenntartani a sebességet. De amint lejtés van, erősebben kell pedáloznia, hogy ugyanolyan gyors maradjon. Ha viszont lefelé mennek a dolgok, akkor fékeznie kell, hogy ne gyorsuljon egyre gyorsabban. Ha a hálózat frekvenciája túl gyorsan csökken vagy növekszik, akkor a fontos generátorok megsérülhetnek.
A törékeny európai hálózat
nak,-nek SRF Blackout Theme Day 2017
A rendszer biztonságának fenntartására irányuló erőfeszítések fokozása
A decentralizált vagy illékony generációs erőművek gyors terjeszkedését régóta alábecsülik, mivel ezek már régóta elvesznek a nagyszabású rendszer zajában. Időközben azonban elértek egy olyan szintű teljesítményt, amely rendszerszintűen releváns vagy rendszerileg veszélyes is lehet. Ebben az összefüggésben az illékony azt jelenti, hogy a termelés a szél vagy a nap jelenléte miatt ingadozik, és hogy a rendszer stabilitását más erőművek megfelelő kompenzációs intézkedésekkel kell biztosítani. A hálózati vezérlés ezért évek óta igényesebb és drágább, mivel egyre több intézkedésre van szükség a hálózat stabilizálására (lásd az újraküldés és a napközbeni megállások értékelését).
Mi az újraküldés?
A TRANSNET BW videó nagyon jól elmagyarázza, hogy mi történik pontosan az újraküldés/szűk keresztmetszet kezelése során.
A torlódáskezelési költségek alakulása (adatforrás: APG); 2019: csak az 1. és a 2. negyedév
Gyorsan változó keretfeltételek
Az eredetileg ésszerű szabályozási intézkedések, mint például a megújuló energiák (RE) előnyben részesített bevitele, mára egyre inkább kritikus „stresszhelyzetekhez” vezetnek az egész rendszerben. Ezen kívül hiányoznak vagy késnek az infrastruktúra-bővítési intézkedések (hálózat-bővítés) annak érdekében, hogy a villamos energiát oda lehessen juttatni, ahová szükség van. Mivel a „decentralizált” generáció gyakran nem annyira decentralizált vagy helyi, mint gondolnánk. Különösen a szélturbinák nagyon koncentráltak, és főleg Németországban, messze a főbb fogyasztói központoktól. Egy másik szabályozási intézkedést, nevezetesen azt, hogy a fotovillamos rendszereknek 50,2 Hertz feletti frekvencián kell lekapcsolódniuk a hálózatról, ismét hatályon kívül helyezték. A valóság megmutatja, hogy az intézkedések valóban elegendőek-e. Ez azonban nagyon kétséges, mivel ez nem csak német, hanem egy páneurópai probléma. Lásd tovább: Az 50,2 Hertz-probléma
A kritikus rendszerelemek centrifugális tömegek és energiatárolás
A pillanatnyi tartalék („lendkeréktömegek”) csökkentése és az átfogó energiatárolási intézkedések hiánya annak érdekében, hogy megfelelő kompenzálni lehessen a hagyományos erőművek leállását, egyre nagyobb problémát jelentenek.
Különösen a centrifugális tömegeknek van központi jelentősége annak érdekében, hogy beavatkozás nélkül fenn lehessen tartani a rendszer stabilitását és biztonságát. Jelenleg hiányoznak a helyettesítő megoldások, vagy "ezek nem térülnek meg".
A fontos rendszerelemeket csak akkor lehet eltávolítani a rendszerből, ha megfelelő csere rendelkezésre áll. Jelenleg azonban az első előtt megtesszük a második lépést, amely belátható időn belül nem fog jól menni.
Ezenkívül a bonyolultsági kutatásból származik egy fontos megállapítás, amelyet az "intelligens megoldások" alig vesznek figyelembe:
Palmer és munkatársai az új-mexikói Santa Fe-i Santa Fe Intézetben virtuális ügynökök által lakott virtuális tőzsdét fejlesztettek ki. Mindegyik ügynök idővel megváltoztathatta befektetési szabályait. Megállapították, hogy amikor az ügynökök csak lassan tudták frissíteni befektetési szabályaikat, akkor a piac konvergált a racionális elvárások hipotéziséhez, mert a rossz szabályokat idővel kiszűrték. Ha azonban az ügynökök gyorsan frissíteni tudták befektetési szabályaikat, akkor a virtuális tőzsde buborékok és összeomlások, csakúgy, mint a valódi tőzsde, mert a rossz szabályok táplálhatják egymást.
Még a buborékos piacon is széles körben felismerhető az a tény, hogy a piac buborékban van. Ez mégsem okoz azonnali összeomlást. Miért? Az időskála fontos.
Áramszünet ("blackfall") után: a hálózat helyreállítása
Az áramszünetet a műszaki világban súlyos hibának vagy áramszünetnek nevezik. Nemcsak a vezetékek, hanem az erőművek is áram nélkül vannak. Ezek kikapcsolnak egy bizonyos frekvenciaeltéréstől, hogy megvédjék magukat a pusztulástól. Egy „fekete indításra képes” erőmű, amely nincs külön erre az esetre felkészülve, már nem indulhat el önmagában, ehelyett 50 Hz-es frekvencia szükséges az elektromos hálózattól az újbóli elinduláshoz. Az ilyen erőművet elkülönített működésre is meg kell tervezni, és képesnek kell lennie a terhelés csatlakozásainak kezelésére kellően nagy ugrásokban.
Ausztriában hivatalosan két (1,5 GW), Svájcban négy, Németországban pedig 120 (9,7 GW) feketeindításra képes erőmű működik. Ausztriában azonban még mindig van néhány korábbi decentralizált, kisebb, fekete indításra képes erőmű, általában vízerőmű vagy tároló erőmű. Különösen a szivattyús tároló erőművek rendelkeznek nagyon magas hatásfokkal, ami azt is megmagyarázza, hogy miért csak Ausztriában 2 és Németországban 120 erőmű működik, míg a teljesítményben csak 6,4-szeres a különbség.
A fekete kezdés nem pusztán technikai kihívás. Inkább a szervezeti és személyi követelmények is meghatározóak a siker szempontjából. Ezért a koordinált fekete indítás 120 erőművel sokkal összetettebb és hibára hajlamosabb, mint például 2 erőműnél. Az alhálózatok összekapcsolásakor hibák fordulhatnak elő, ami a már működő és újra összekapcsolt hálózati terület újbóli összeomlásához vezethet. Lásd még az áram összeomlását extrém télen:
Az áram összeomlott 1978/79 telén
nak,-nek www.mdr.de
A napi hálózati hálózat működése és a fekete indítás összehasonlítható a repüléssel. A napi üzemeltetés olyan, mint egy repülés. Néha turbulencia van, akkor a pilótának kell közbelépnie. Ellenkező esetben az autopilóta is repülhet. A repülőgép felszállása azonban különös figyelmet és készségeket igényel. Ez a helyzet a fekete kezdéssel is. Ezt azonban csak a szimulátoron lehet oktatni. Másrészt nem csak két pilóta ül a kormánynál néhány percig, hanem sokan és sok órán át vagy akár napokig. Tehát nem lesz séta a parkban, még akkor sem, ha a hálózat üzemeltetői gondosan felkészülnek az X napra.
EU energiapolitikája
EU-szinten nagyon hevesen folytatják a közös villamosenergia-piacot, ahol mindenhol ugyanazoknak a piaci feltételeknek kell érvényesülniük, de ennek nincs sok köze az infrastrukturális követelményekhez, amelyeket soha nem terveztek rá. Ezért a gondolkodás során el kell különíteni a villamosenergia-piacot és a villamosenergia-hálózatot is („csak az energia piaca”). De a fizikát nem lehet tompítani a piaci szabályokkal. De éppen ellenkezőleg.
Másrészt minden országnak megvan a maga energiapolitikája és energetikai átmenete. Különböző irányokban. Míg egyesek ragaszkodnak a nukleáris vagy széntüzelésű villamosenergia-politikához, sőt kibővíteni akarják őket, mások a lehető leghamarabb át akarnak állni a megújuló energiákra. Ennek eredményeként a gondolatvilágok, de a dogmatikusan átalakított megközelítések is ütköznek. 2018. október 1-jétől lesz egy európai piac is, amely összetett algoritmusokat használ.
Az általános mantra az, hogy a piac rendezni fogja. Csak a szabad piac azt jelenti, hogy a résztvevőknek képesnek kell lenniük kudarcra, ami veszélyes lehet az áramellátási rendszerben. Az infrastrukturális projektek gyakran több éves átfutási időt igényelnek, és gyakran évtizedekig tartanak. Ez ellentmond a piacorientált rövid távú profitszerzésnek. A széntüzelésű erőművek bezárásának jelenlegi megfontolásai általában üdvözlendőek. Gyakran figyelmen kívül hagyják azt a tényt, hogy alapvető rendszer szolgáltatásokat is nyújtanak pillanatnyi tartalékok formájában a forgó tömegekkel. Itt összesen több sötét felhő jelenik meg.
A jövő áramhálózata: energiacellás rendszer
Ahhoz, hogy a megújuló energiák teljes ellátására való átállás működhessen, új rendszertervre is szükségünk van: egy energiacellás rendszerre, azaz decentralizált, autonóm funkcionális egységekre. Ettől még nagyon messze vagyunk.
A "KombiKraftwerk2" német kutatási projekt videója nagyon világosan leírja az összefüggéseket és a kihívásokat. A projekt többek között a következőket zárja le:
Az energetikai átmenet érdekében néhány politikai, gazdasági és technikai erőfeszítést kell tenni a következő néhány évben és évtizedben. Az energiaellátás változása által a hálózati stabilitás fenntartásának kihívásai kevésbé rejlenek a megújuló energiákban, mivel ezek alapvetően megfelelnek a hálózat stabilizálásának műszaki követelményeinek. Ehelyett a jövőbeli áramtermelés és -elosztás új struktúrája megköveteli a rendszer szervezetének újragondolását. Ez magában foglalja a rendszer átalakítását, amelynek középpontjában a hullámzó betápláló szél- és PV rendszerek állnak, mint az áramellátás fő támasza. A rugalmas biomassza üzemek (biogáz és szilárd biomassza) és a biometán üzemek, valamint a tárolás az energiarendszer elengedhetetlen részét képezik, és hozzájárulnak a biztonságos teljesítményhez. A hálózat ennek minden elemével történő megfelelő adaptált bővítése, a szabályozások és a piacok adaptációja nélkül az áramellátás változása nem fog sikerülni. Ezeknek az erőfeszítéseknek a jutalma egy modern, tiszta és stabil áramellátás.
Kritikus és szisztémás szempont
Ha a rendszert rendszerszempontból nézzük, gyorsan nyilvánvalóvá válik, hogy a jelenleg zajló „energiaátmenet” egyértelműen elhanyagolja a rendszerszempontokat. Mivel a rendszer több, mint az egyes elemeinek összege. A rendszerelemek közötti „láthatatlan szálak” meghatározóak. Például az erőművek és az energiafelhasználók ("fogyasztók"), a tároló és a puffer rendszerek (energiatároló) közötti vonalak annak érdekében, hogy kompenzálni lehessen az illékony termelés volatilitását. A hálózati vezérlés, amelynek egy komplex, decentralizált rendszerben másként kell kinéznie, mint a korábban központosított hierarchikus rendszerben. Ezenkívül figyelembe kell venni a nagy időhorizontokat, ezredmásodpercektől (védelem), másodpercekig/percekig (rácsszabályozás vagy a forgó tömegek pótlása), az energiamérlegtől (órák/napok/hetek) a fenntarthatóságig (évek/évtizedek). Mindezt alig veszik figyelembe a jelenlegi piaci és árfókuszban. Hallgasson egy részletet az SRF áramkimaradás témájának napjáról: 6. nap: Nincs normális helyzet - villamosenergia-kereskedő és hálózatüzemeltető:
Ki a hibás?
nak,-nek SRF Blackout Theme Day 2017
A rendszerelemek számának növekedésével az interakciók ebben a rendszerben is növekednek. És hatványozottan. Fejlesztések, amelyekkel be tudjuk bizonyítani, hogy nem tudjuk jól kezelni. A rendszer irányíthatósága csökken. Az eddig alkalmazott mechanizmusok egyre gyengébben működnek, és nő a rendszer összeomlásának kockázata. Ezt csak ellensúlyozni lehet egy megfelelő életképes rendszertervezéssel (energiacellás rendszer), amely nagyrészt hiányzott vagy csak most kezdődik.
A nagy remény jelenleg az „intelligens” technológiákban rejlik, bár a korábbi megközelítések inkább zsákutcába vezetnek, mintsem hozzájárulnának a megoldáshoz (lásd például: Az intelligens hálózat a kiberháború korában. Az informatikai terület reflektálatlan hálózata eddig egyre több megoldatlan és egyre nehezebben kontrollálható problémához vezetett. Még ha a korábbi problémák főleg a virtuális térben jelentkeznek is, a valóságban máris hatalmas pénzügyi következményekkel járó károk vannak. Elképzelni sem lehet, mi történne, ha ezek a fejlemények átkerülnének az infrastruktúra szektorába és kudarcokhoz vezetnének A hálózatba kapcsolt infrastruktúra-rendszerek rendelkezésre állása ugyanúgy jön, mint 2015-ben Ukrajnában. Az intelligens technológiáknak minden bizonnyal hozzá kell járulniuk az energiaátmenethez. Szisztémás szempontból azonban a jelenlegi koncepciókat kritikusabban kell megkérdőjelezni. az előzőnkben nem n a kontrollálható rendszer viselkedését jelenti.
Háttér-információ
Az európai hálózatban több mint 30 országban mintegy 530 millió ember látja el az áramot. A kontinentális európai hálózat a „legnagyobb gép” Európában, ha nem a világon.
Reaktív teljesítmény
Ahhoz, hogy a hálózatban az energiaátvitel működjön, a feszültség felépítéséhez reaktív teljesítményre van szükség. A meddő teljesítménynek mindig a fogyasztóhoz ténylegesen eljutó valós teljesítmény arányában kell lennie, hogy a villamos energia szállítása ne sérüljön. Ez azt jelenti, hogy a villamos energia nem szállítható reaktív teljesítmény nélkül, de a hálózatban lévő túl sok reaktív teljesítmény csökkenti az aktív teljesítményt, és ennek megfelelően negatív hatással lehet a villamos energia továbbítására. Minden a megfelelő mennyiségtől függ.
Leegyszerűsítve: a reaktív erő a sör feje, és maga a sör az aktív erő. Ha egy sört helytelenül öntenek, túl sok hab képződhet. Ha a sör túl sokáig áll, a hab instabillá válik, csökken és csökken a sör minősége. A habfejnek mindig megfelelő arányban kell lennie a sörrel. A régi energiavilágban az atomerőművek és más nagy termelők képben maradtak azok a sörfőzdék, amelyek gondoskodtak arról, hogy a hab fejét, vagyis a reaktív energiát a maradék sör, vagyis az aktív teljesítmény megfelelő arányában szállítsák. Mivel 2022-ig minden atomerőművet levesznek a hálózatról, az átvitelirendszer-üzemeltetők (TSO-k) most a reaktív energia főfőzői lesznek annak érdekében, hogy a jövőben éjjel-nappal biztonságos hálózat működtetésére vonatkozó törvényes megbízásukat teljesíteni tudják.
Annak érdekében, hogy szabályozni lehessen a meddő teljesítményt és elegendő mennyiségben elérhetővé tegye az egész hálózatot, a TenneT 129 alállomásába számos kompenzációs tekercset és MSCDN rendszert telepített, amelyek hozzájárulnak a meddő teljesítmény statikus biztosításához. Forgó fázisváltók is vannak felszerelve. Ez a rendszer hozzájárul a hálózati csomópont rövidzárlati energiájához - ezt a feladatot korábban például a Grafenrheinfeld atomerőmű generátora hajtotta végre. Ezenkívül azt vizsgálják, hogy például a szélenergia és a fotovoltaikus rendszerek reaktív energia biztosításával hozzájárulhatnak-e a rendszer- és ellátásbiztonsághoz.