Az Ibériai-félszigeten április végén bekövetkezett kiterjedt áramkimaradás és más események felvetik a kérdést, hogy mennyire stabil az európai hálózat. Egyre több figyelmeztető hang hívja fel a figyelmet energiaellátásunk átalakításának kockázataira.
Az instabil európai áramhálózat. Mesterséges Intelligencia által generált illusztráció.
Maurice Foregeng írása, a forrást lásd cikkünk végén.
Áramkimaradások, frekvenciaingadozások és mosógépünk vezérlése a hálózati terhelés függvényében? Az áramellátás idén már sok izgalmas pillanatot szerzett a németeknek és más európaiaknak.
Általánosságban elmondható, hogy az európai összekapcsolt hálózat nagyrészt stabilnak tekinthető, és számos fennakadást képes kompenzálni. Az energetikai átállás azonban egyre nagyobb kihívások elé állítja, mivel a növekvő időjárásfüggő villamosenergia-betáplálás és a hagyományos erőművek leépülése veszélyezteti a frekvenciát és a hálózat stabilitását.
Valószínűleg a legjelentősebb esemény az Ibériai-félsziget egészét érintő áramkimaradás volt. Április végén Spanyolországban, Portugáliában és Franciaország egyes részein kialudtak a fények. Több órába telt, mire minden régióban újra volt áram. Legutóbb május 24-én és 25-én a Côte d’Azur-i energiainfrastruktúra ellen követtek el támadásokat. Több mint 200 000 háztartás maradt átmenetileg áram nélkül Cannes-ban és Nizzában.
Ebben az összefüggésben felmerül a kérdés: mennyire stabil az európai összekapcsolt hálózat?
Az európai összekapcsolt hálózat
Kezdjük ennek a létfontosságú infrastruktúrának a fejlesztésével. Portugáliától Törökországig, Olaszországtól Norvégiáig minden európai ország – beleértve Svájcot is – össze van kötve egymással az európai összekapcsolt hálózatban. Ez 30 országban több mint 530 millió fogyasztót lát el.
Ebben az összekapcsolt hálózatban a szokásos 230 volt körüli feszültség áll rendelkezésre minden egyszerű konnektorban, a hálózati frekvencia pedig 50 hertz. A villamosenergia-hálózat három fő komponensből áll:
- villamosenergia-termelés különböző erőművekben, többek között szén-, gáz-, nap-, szél-, víz- és atomerőművekben
- az átviteli és az elosztóhálózat
- a végfelhasználók, például a háztartások, a kereskedelem és az ipar.
Németországban a tényleges villamosenergia-hálózat négy szintre oszlik:
- A 220 vagy 380 kV (kilovolt) feszültségű extra-nagyfeszültségű hálózat
- 110 kV-os nagyfeszültségű hálózat
- Középfeszültségű hálózat 1-50 kV-os feszültséggel
- 400 V-os és 230 V-os kisfeszültségű hálózat.
A pillanatnyi tartalék biztosítja a villamosenergia-hálózat stabilitását
Ez az összekapcsolt hálózat állandó változásban van. A hálózatüzemeltetők egyik helyen bővítik a villamosenergia-hálózatot, máshol új fogyasztók jelennek meg, erőműveket helyeznek üzembe – vagy szüntetnek meg.
Az energiaszerkezet és az úgynevezett pillanatnyi tartalékkal rendelkező erőművi kapacitások aránya döntő fontosságú a hálózat stabilitása szempontjából. Minél nagyobb ez az arány a rendszerben, annál stabilabb az áramellátás. A pillanatnyi tartalékot a nagy turbinák több tonnás lendkerekei hozzák létre. Ezek a hálózati frekvenciával összhangban forognak.
Ha a hálózatban hirtelen zavar keletkezik, a pillanatnyi tartalék képes ezt ellensúlyozni, mivel egy nehéz, forgó tömeget nem olyan könnyű lelassítani vagy felgyorsítani.
Ilyen lendkerekes tömegek elsősorban szén-, gáz-, atom- és vízerőművekben találhatók. A szél- és naperőművekben viszont nincsenek ilyen forgó tömegek, ezért nincs pillanatnyi tartalék.
Átlagos tömegtehetetlenség erőműtípus szerint. A naperőművek és a szélturbinák nem rendelkeznek pillanatnyi tartalékkal. Sorrend: atom, földgáz, kőszén, barnaszén, hulladékégetés, szivattyús tározó, biomassza, vízerőmű, szél, nap. Fotó: mf | Epoch Times
Csökken a pillanatnyi tartalék
Az energetikai átállás részeként, amelyben a legtöbb európai ország részt vesz, fokozatosan átalakítják energiatermelésüket. A fosszilis tüzelésű erőműveket gyakran leállítják, hogy csökkentsék az ország CO₂-kibocsátását. Helyette számtalan szélerőművet és fotovoltaikus erőművet építenek.
Németország ráadásul teljesen atomenergiatermelési kapacitását felszámolta, és folyamatban van leszerelésük. Bár Németországban már nem keletkezik nukleáris hulladék, és csökkent a reaktorbalesetek kockázata, a német villamosenergia-hálózat sokat veszített pillanatnyi tartalékából.
A pillanatnyi tartalék mennyisége országonként – az egyes villamosenergia-összetételektől (árammix) függően – változik. A pillanatnyi tartalék a gigavoltamper-szekundumokban (GVA) kifejezett tömegtehetetlenség és a gigawattban (GW) mért összteljesítmény hányadosával fejezhető ki. Vagy egyszerűbben fogalmazva: mennyi lendkeréktömeg jut egy teljesítményegységre.
A pillanatnyi tartalékról bővebben a keretes részben.
|
Franz Hein: Pillanatnyi tartalék és a teljesítményváltozások beállítása Egy gyakran figyelmen kívül hagyott, de nagyon kritikus műszaki részlet a váltakozó áramú rendszerben a pillanatnyi tartalékra, azaz a hagyományos erőművek forgó tömegére vonatkozik. Az atom- és széntüzelésű erőművek leállításával ezek is nagymértékben lekerülnek a hálózatról. A szinkrongenerátorok lendkerekes tömegei azonban központi jelentőségűek a frekvencia előállítása és fenntartása szempontjából, mivel a mechanikai energiát folyamatosan elektromos energiává alakítják és fordítva, mindenféle vezérlési beavatkozás nélkül. Ez egy tisztán fizikai folyamat, amely minden időkésleltetés nélkül, azaz azonnal lezajlik. Úgy is felfogható, mint egy nagy lengéscsillapító a terhelés túlfeszültségek ellen, ami eddig biztosította az európai összekapcsolt rendszer stabil működését. Mi a pillanatnyi tartalék? A pillanatnyi tartalék az összekapcsolt hálózatban üzemeltetett összes szinkrongenerátor mozgási energiájának összege. A szinkrongenerátorok lendkerekes tömegek, amelyek az energia előállítása vagy fogyasztása érdekében forognak. Ez egy autó motorjához vagy egy gép villanymotorjához hasonlítható. Egy autóban a motor természetesen akkor is forog, amikor nem nyomjuk a gázpedált, és nincs sebességfokozat bekapcsolva. Így működik például a motorfék. Az elektromos hálózatban lévő lendkerekek pontosan ugyanígy működnek. A mozgási energiát a szinkrongenerátorok bizonyos sebességgel forgó rotorjai „tartalmazzák”. Ugyanez vonatkozik a szinkrongépekre is. Ezeket aztán szintén lehetne lendkerekes tömegtárolóként használni, amelyek nem hajtanak és nem is hajtanak meg semmit, hanem „csak” energiapufferként futnak a hálózatban. A pillanatnyi tartalék egy olyan eredendő energiatároló rendszer, amely a rövid távú energiaszükségletet időbeli késleltetés nélkül fedezi (azaz rövidzárlat vagy terheléses túlfeszültség esetén is). A többletenergiát szintén ideiglenesen tárolják. Mindkettő azonnal megváltoztatja a forgó tömegek fordulatszámát és ezáltal a generált váltakozó áram frekvenciáját. A váltakozó áramú hálózat bármely pontján mérhető frekvencia tehát mindig jelzi, hogy a teljes rendszerben energiahiány vagy energiatöbblet van-e. A frekvenciaméréssel tehát más berendezésektől függetlenül célzott vezérlési beavatkozások végezhetők. Szélsőséges frekvenciacsökkenés esetén hirtelen szükséges terheléscsökkentés, illetve szélsőséges frekvenciaemelkedés esetén a betáplálás kikapcsolása is frekvenciavezérelt módon lehetséges. A vezérlési beavatkozások és a frekvenciavezérelt lekapcsolások stabilan tarthatják a teljes rendszert, ha elég gyorsan és megfelelő teljesítménnyel hajtják végre őket. A teljes rendszer stabilitása szempontjából a frekvencia a legfontosabb paraméter. Fenntartása határozza meg a teljes rendszerben pufferként tartott energia mennyiségét. A pillanatnyi tartalékban lévő energia mennyisége automatikusan szétosztódik a hálózat összes forgó tömegére, és csak nagyon szűk határok között ingadozhat a hálózat stabilitásának és szállítási képességének fenntartása érdekében. A hálózatban jelenleg rendelkezésre álló pillanatnyi tartalék tehát meghatározza a hálózat leállása vagy egyéb zavarok esetén megengedett vagy szabályozható maximális energiaszállításokat is. Mivel a termelőegységek hirtelen és kiszámíthatatlanul kieshetnek, vagy a terhelések is hirtelen eltűnhetnek, a pillanatnyi tartalék nagysága meghatározza a maximálisan szabályozható teljesítményingadozást és így a hálózati hálózatban lévő egységek megengedett méretét is. Ez döntő fontosságú egy ilyen folyamat sikere szempontjából, különösen a hálózat rekonstrukciójának szakaszában. Ennek a pufferkapacitásnak a túlzott kihasználását mindenképpen el kell kerülni. Hogyan működik a pillanatnyi tartalék a villamosenergia-hálózatban? A pillanatnyi tartalék és a hálózatban rendelkezésre álló villamos energia együttesen alkotják a hálózat zárt rendszerében lévő összes energiát. Ebben a zárt rendszerben a teljes energia az energia megmaradásának törvénye szerint állandó marad. Ha a rendszerből elektromos energiát vesznek ki, ezt az energiát egyidejűleg (azonnal) „visszatárolják” a pillanatnyi tartalékból (fiktív), így az összes energia állandó marad. Ha például egy nagy erőmű meghibásodik, akkor általában nem következik be veszteség a hálózatban az ebből az erőműből származó megfelelő energiából. Ennek oka, hogy a forgó lendkeréktömegek a kiesés idején is ugyanolyan sebességgel forognak, mint korábban. Ezért valamivel gyorsabban forognak, mint az összes csatlakoztatott lendkeréktömeg átlaga, beleértve a meghibásodott erőművet is. Ezért ebben az első pillanatban elnyelik az energiaveszteséget. Ez „újratárolást” eredményez. A valóságban az „újratárolás” a forgó forgórészekből történő energiakivonást jelenti. Mivel azonban összességében kevesebb energiát szolgáltatnak, a lendkerekes tömegek egyre lassabban forognak – a sebesség csökken. A motorfékre átvitt értelemben az autónk lelassul, ha abbahagyjuk a gyorsítást, és csak bekapcsolva hagyjuk a motort. Megállna a jármű. Ezért aktiválódik a pozitív irányítási teljesítmény, ami irányítási energiát táplál. Két fő feladata van: A frekvenciakorlátozó tartalék, más néven elsődleges szabályozási teljesítmény, a leggyorsabban reagáló szabályozási teljesítménytípus. Feladata a leesések megállítása. Ha annyi többletenergiát táplálnak be, mint amennyit a rendszerből kivesznek, akkor a pillanatnyi tartalék energiatartalma már nem változik. Ekkor az összes csatlakoztatott generátor és szinkrongép pillanatnyi fordulatszáma állandó marad. Ezzel a szabályozási folyamatnak ez a része befejeződik. Az eredeti fordulatszám visszaállításához annyi további energiát kell betáplálni, amennyit korábban a pillanatnyi tartalékból „visszatápláltak”. Erre a célra aktiválódik az automatikus frekvencia-visszaállítási tartalék, a kézi frekvencia-visszaállítási tartalék és a pótlási tartalék, német nyelvterületen a másodlagos szabályozási tartalék és a percenkénti tartalék. A helyettesítő tartaléktermék (replacement reserve) önálló szabályozási teljesítménytermékként német nyelvterületen nem létezik. A szabályozási tartaléktermékeket jelenleg egységesítik Közép-Európa összes szabályozási területén. A fent leírt viselkedés az energia kivonásakor pontosan megfordul, amikor kívülről táplálnak energiát a rendszerbe. A mutató mindig a fordulatszám. A generátorok és a szinkrongépek fordulatszáma és így a fordulatszám határozza meg tehát a teljes rendszerben lévő energiát. A fordulatszámot frekvenciának is nevezik, azaz az időegységenkénti fordulatszámot. Az európai összekapcsolt hálózatban a célfrekvencia 50 Hz. Ez a csatlakoztatott szinkrongenerátorok vagy -gépek másodpercenkénti 50 fordulatának felel meg. Ez azt jelenti, hogy a generált váltakozó áram frekvenciája is egyértelműen jelzi a teljesítményegyenlőtlenséget, bárhogyan is keletkezett. Ezt a frekvenciát az elektromos energiával együtt szállítják az egyes hálózati csatlakozásokhoz, és az egész hálózaton mérhető, valamint szabályozási változóként is használható. A frekvenciaparaméter változásának mértéke a pillanatnyi tartalékban lévő energia mennyiségétől és a bekövetkezett teljesítményegyenlőtlenség nagyságától függ. Minél nagyobb a teljesítményegyenlőtlenség, annál nagyobb a változás mértéke, és minél nagyobb a pillanatnyi tartalékban lévő energiatartalék, annál kisebb a változás mértéke. Ha a rendszerben kevesebb tehetetlenségi tömeg van, az közvetlenül befolyásolja a változás sebességét. Különösen a megújuló energiák, például a fotovoltaikus rendszerek nem rendelkeznek lendkeréktömeggel. A szélturbináknak van lendkeréktömege. Ez azonban sokkal kisebb, legalábbis egyedileg. Ha a pillanatnyi tartalékot csökkentik, vagy ha például alacsony teljesítményigény esetén csak néhány szinkrongenerátor csatlakozik a hálózatra, a változás mértéke és így a frekvenciagörbe negatív meredeksége idővel megnő a teljesítménynövekedés során. Ennek megelőzése érdekében a hálózatban mindig elegendő pillanatnyi tartaléknak kell lennie a pufferhatás miatt. Ezenkívül a frekvenciaváltozást olyan gyorsan kell felismerni, hogy a vezérlőelemek még meg tudják állítani a frekvenciaváltozást, mielőtt a hálózat összeomlása bekövetkezne. Ez egyébként úgy az energiahiányos, mint az energiatöbbletes helyzetekre egyaránt vonatkozik. Ez utóbbi csak a betáplálás kikapcsolásával könnyebben szabályozható, mint energiahiányos helyzetben a fogyasztók kikapcsolásával. Az áramellátás stabilitásának első szintje A hálózatban elosztott egyes pillanatnyi tartalékok (amelyek mindegyike a lendkerekes tömegek forgási energiája miatt tisztán fizikai reakciójú energiaellátást jelent) többé-kevésbé rugalmasan kapcsolódnak egymáshoz elektromágneses „hullámok” révén az egész elektromos hálózatban. Ezek az „elosztott” energiaellátások tehát összességükben egy „raj”-ot alkotnak, amelyben a hálózat változásaiból eredő eltérések fénysebességgel „kommunikálnak” egymással (lásd a Maxwell-egyenleteket). Ez a kapcsolódás tisztán fizikai. Az áramellátás stabilitásának biztosításának második szintje A második szinten a szabályozott változó „frekvencia” változását kell felismerni és arra reagálni. Ennek felismeréséhez időre van szükség a (jelentős) változás méréséhez és felismeréséhez. Ez az idő véges, és ez idő alatt az első szinten bekövetkező változás változatlanul folytatódik. Csak ezen idő letelte után avatkozhat be egy szabályozórendszer. Ez az idő „holtidő”, amely alatt a teljes rendszer nem kerül külső befolyás alá. Az elsődleges vezérlés tehát mindig időbeli késleltetéssel működik. Az elsődleges vezérlés által „előállított” teljesítményütem határozza meg, hogy mennyi idő telik el, mielőtt a pillanatnyi tartalék hatását a vezérlés beavatkozása helyettesíti. Előzetesen megállapított teljesítményhiány esetén a frekvencia ekkor kerül a mélypontra. Ha viszont teljesítménytöbblet volt, akkor a frekvencia maximumot éri el. Az áramellátás stabilitásának biztosításának harmadik szintje A harmadik szinten az emberi beavatkozások viselkedésükkel okoznak teljesítményhiányt vagy teljesítménynövekedést. Ezt a viselkedést külső hatások is meghatározzák (pl. a környezeti hőmérséklet, de mindenekelőtt a helyi energiatárolás). Ehhez mindenekelőtt a jövőbeli energiaszükséglet jó előrejelzésére és több helyi tárolási lehetőség időben történő biztosítására van szükség. Ez csökkenti a szállítási igényt is, és így alacsonyabb, ad hoc, helyközi energiaáramlást biztosít. Miért ne lehetne az időjárás-előrejelzés mellé rendszeres energia-előrejelzést is beiktatni, hogy a lakosságban tudatosuljon az értékes energia felhasználása? Az áramellátás stabilitásának biztosításának negyedik szintje Az energiainfrastruktúra minden elemét meg kell tervezni, meg kell építeni, üzembe kell helyezni, ellenőrizni, karbantartani, szükség esetén javítani, és a megfelelő időben ki kell cserélni. Ez nem lehetséges beruházások nélkül. Az általános érdekű szolgáltatásoknak ez a szempontja kétségtelenül része a stabil villamosenergia-ellátás biztosításának. Ezért van szükség itt is állami beavatkozásra, hogy a közjó megfelelő módon és mindenekelőtt hosszú távon, demokratikusan szervezett folyamatok révén kerüljön figyelembe vételre. Forrás: Pillanatnyi tartalék és reagálás a teljesítményváltozásra |
A „Tech For Future” energetikai portál szerint 2024-ben Svájc rendelkezik a legmagasabb pillanatnyi tartalékkal az európai kontinensen, 5,72 GVA/GW-val. Németország csak az utolsó előtti helyen áll a 22 országot felsoroló listán 2,27 GVA/GW értékkel.
A spanyol blackout, azaz az április végi spanyolországi áramkimaradás idején az Ibériai-félszigeten 2,1 GVA/GW volt a hálózatban. Ez túl kevés volt az összeomlás elkerüléséhez. Maga Spanyolország tavaly 2,85 GVA/GW értékkel rendelkezett. Portugália 1,89 GVA/GW értékkel az összes ország közül a legutolsó helyen állt.
A gigavoltamperszekundumban (GVAs) mért tömegtehetetlenség és óránként mért és összegzett összteljesítmény (GW) aránya az európai országokban 2024-ben. Minél magasabb az érték, annál stabilabb a hálózat.
A folyamatban lévő, a szél- és naperőművekre nagy hangsúlyt fektető energetikai átállás miatt az értékek valószínűleg tovább csökkennek az országok többségében.
VDE: Nő a nyomás az elektromos hálózaton
A német elektromos és elektronikai gyártók szövetsége (VDE) nemrégiben figyelmeztetett az energiatermelés átalakulására. Május 21-én kelt sajtóközleményében kijelentette:
„Miközben a megújuló energiák aránya növekszik, az európai villamosenergia-rendszerre nehezedő nyomás egyre nagyobb”.
A szövetség szerint ennek az elektromos hálózatnak a megbízhatósága „kényes egyensúlyon alapul: a hálózatba betáplált elektromos teljesítménynek pontosan meg kell felelnie a hálózatból kivett teljesítménynek”. A probléma: „Minél több szél- és naperőmű szolgáltatja az áramot, és minél kevesebb hagyományos, forgó tömegű erőmű marad a hálózaton, annál sebezhetőbbé válik az egész struktúra”.
Ralf Petri, az Energietechnische Gesellschaft im VDE ügyvezető igazgatója így nyilatkozott: „Az energiarendszer átalakítása alapvető kihívások elé állítja a hálózat stabilitását.” A hálózat stabilitása szempontjából. A múltban a hagyományos erőművek tehetetlensége tompította a frekvenciaingadozásokat. Most azonban ezek közvetlenebb hatással lennének, és „egyre inkább veszélyeztetnék az összekapcsolt hálózat szinkronizálását”.
Spanyolország óvatosabb lett?
Néhány nappal az Ibériai-félszigeten bekövetkezett áramkimaradás előtt Spanyolország azzal büszkélkedett, hogy első alkalommal 100 százalékban „megújuló” energiával látta el magát.
Nem sokkal később a spanyol átviteli rendszerüzemeltető, a Red Eléctrica (REE) a „napenergiát” nevezte meg az áramkimaradás „nagyon valószínű” okaként. A villamosenergia-adatokból az is kiderül, hogy a napelemparkok napközben mindig többletáramot termeltek.
Ezt a többletet vagy eladták a szomszédos országoknak, vagy szivattyús tárolóművekben fogyasztották el. Ezek dél körül érték el a csúcspontjukat, mire az áramfogyasztásuk visszaesett, ami a felső tározó túlcsordulását okozta. Az áramot már nem lehetett exportálni, és a vezetékek túlterheltek. Az eredmény biztonsági leállás és áramszünet lett.
Nem sokkal a hálózat összeomlása előtt a hálózatba tápláló erőművek mindössze 24 százalékának volt még pillanatnyi tartaléka. Horst-Joachim Lüdecke fizikaprofesszor azonban elmagyarázza, hogy a stabil hálózathoz a villamos energia legalább 40 százalékának alapterhelésre képes erőművekből kell származnia.
Spanyolország villamosenergia-adatai azt mutatják, hogy a napsütötte ország valószínűleg óvatosabbá vált az eseményt követően. A 17. naptári hét, azaz az áramkimaradás előtti rövid idő, és a 22. naptári hét összehasonlítása azt mutatja, hogy az atom- és gázerőművek alapterhelése jelentősen megnőtt. A „megújuló” villamosenergia-források aránya is általában tíz százalékponttal alacsonyabb, mint korábban.
Ez a cikk először az EpochTimes.de oldalon jelent meg (paywall). Írásunkat az EIKE beszámolója alapján tesszük közzé.
2025. június
Közzéteszi:
Király József
okl. vegyészmérnök
| Tetszett a cikk? Amennyiben igen, fejezze ki tetszését a részünkre nyújtott támogatással 300 Ft értékben. Bankszámlaszámom: – Király József – 10205000-12199224-00000000 (K&H) A közleményben kérjük megadni: klímarealista. |
