Včeraj je Španijo in Portugalsko ter južni del Francije prizadel obsežen izpad električne energije, ki je bil posledica nenadnega padca frekvence v elektroenergetskem omrežju. Po podatkih španskega operaterja prenosnega sistema Red Eléctrica de España (REE) je ob 12:33 po lokalnem času prišlo do izgube 15 GW proizvodnje električne energije v petih sekundah, kar predstavlja približno 60 % nacionalnega povpraševanja. Ta nenadna izguba proizvodnje je povzročila padec frekvence pod standardnih 50 Hz, kar je sprožilo avtomatske zaščitne mehanizme in odklopilo Španijo od evropskega elektroenergetskega omrežja. Treba je vedeti, da je Ibersko elektroenergetsko omrežje včeraj padlo zaradi zmanjšanja frekvence sistema za zgolj 0.15 Herza (Vir).

V evropskem elektroenergetskem sistemu je standardna frekvenca 50 Hz in že majhne odstopanja od standardne frekvence lahko povzročijo velike motnje v delovanju omrežja. V preteklosti so odstopanja manjša od 0.1 Hz že povzročila težave v evropskem omrežju. 

Glede izpada električnega omrežja v Španiji in Portugalski velja omeniti, da do tega najbrž ne bi prišlo, če bi bil Iberski polotok bolj integriran v evropsko omrežje. Ibersko omrežje je zgolj delno (okrog 6 %) integrirano v evropsko omrežje (EU cilj je 15 %), zaradi česar ga imenujejo tudi “Iberski otok”. Ta otok je sicer lahko koristen v primeru večjih nihanj v sosednjih državah, hkrati pa problem v primeru velikih nihanj v lastnem omrežju, kot se je pokazalo včeraj.

Ob objavi, da lahko ponovna vzpostavitev omrežja traja do 10 ur, so se mnogi v Španiji spraševali, kako je možno, da to traja tako dolgo. No, dejansko je 10 ur dokaj kratko obdobje za ponovno vzpostavitev frekvence, sploh pa v primeru velikega deleža nestabilnih virov energije z nizko inercijo, kot so sončne in vetrne elektrarne. Kot nas na vsakem sestanku delovne skupine za energetiko vedno znova poduči nekdanji direktor Elesa dr. Vekoslav Korošec, je za stabilno delovanje elektroenergetskega sistema pomembna velikost rotirajoče mase, ki daje potrebno inercijo sistemu. Velikost rotirajoče mase v elektroenergetskem sistemu je ključna za njegovo stabilno delovanje, saj zagotavlja potrebno inercijo, ki deluje kot blažilec nenadnih sprememb v ravnovesju med proizvodnjo in porabo električne energije.

Inercija v elektroenergetskem sistemu se nanaša na energijo, shranjeno v rotirajočih masah sinhronskih generatorjev, kot so turbine v termoelektrarnah, hidroelektrarnah in jedrskih elektrarnah. Ti generatorji so neposredno povezani z omrežjem in se vrtijo pri nominalni frekvenci (v Evropi 50 Hz), s čimer prispevajo k stabilnosti frekvence omrežja.

Ko pride do nenadnih sprememb v proizvodnji ali porabi električne energije, rotirajoče mase zaradi svoje inercije upočasnijo hitrost spremembe frekvence, kar daje sistemu čas za odziv in preprečuje destabilizacijo. Ta lastnost je še posebej pomembna pri nenadnih izpadih proizvodnje ali velikih nihanjih v porabi.

Stabilna frekvenca je bistvena za pravilno delovanje električnih naprav in celotnega elektroenergetskega sistema. Če frekvenca pade ali naraste izven dovoljenih meja, lahko to povzroči poškodbe opreme, izpade električne energije ali celo zrušitve sistema.

Inercija deluje kot prva obrambna linija proti takim motnjam, saj:

• Zmanjšuje hitrost spremembe frekvence: Večja kot je inercija, počasneje se frekvenca spreminja ob nenadnih motnjah.
• Omogoča čas za odziv: Daje sistemu čas, da se aktivirajo druge zaščitne in regulacijske mehanizme, kot so primarni in sekundarni regulacijski sistemi.
• Povečuje robustnost sistema: Sistemi z višjo inercijo so bolj odporni na nenadne motnje in imajo manjšo verjetnost za zrušitve.

Z naraščajočo integracijo obnovljivih virov energije, kot so sončne in vetrne elektrarne, ki so pogosto povezane z omrežjem preko pretvornikov in nimajo neposredne rotirajoče mase, se skupna inercija sistema zmanjšuje. To pomeni, da so sistemi bolj občutljivi na motnje in potrebujejo dodatne ukrepe za ohranjanje stabilnosti.

Za nadomestitev pomanjkanja naravne inercije se razvijajo tehnologije, kot so sintetična inercija, ki jo zagotavljajo napredni pretvorniki in baterijski sistemi, ter sinhronski kondenzatorji, ki dodajajo rotirajočo maso brez proizvodnje električne energije.

Problemi z baterijskimi sistemi

Baterijski sistemi za shranjevanje energije (BESS) lahko sicer pomembno prispevajo k stabilnosti elektroenergetskega omrežja z zagotavljanjem t.i. sintetične inercije. Vendar pa obstajajo določene omejitve in izzivi pri njihovi uporabi za to funkcijo. Glavne omejitve baterijskih sistemov pri zagotavljanju inercije so predvsem:

• Pomanjkanje naravne (fizične) inercije

Tradicionalni sinhronski generatorji imajo veliko rotirajočo maso, ki nudi naravno inercijo, kar pomaga pri stabilizaciji frekvence omrežja ob nenadnih motnjah. Baterijski sistemi, povezani prek pretvornikov, nimajo te rotirajoče mase, zato ne morejo zagotoviti naravne inercije. Namesto tega uporabljajo sintetično inercijo, ki temelji na hitrem zaznavanju sprememb frekvence in ustreznem odzivu. Vendar pa ta pristop ne more popolnoma nadomestiti naravne inercije, saj je odvisen od programske opreme in ima lahko omejitve pri hitrosti in obsegu odziva.

• Omejena zmogljivost in trajanje odziva

Baterijski sistemi imajo omejeno energijsko kapaciteto, kar pomeni, da lahko zagotavljajo podporo omrežju le za omejen čas. Če pride do dolgotrajnejših motenj ali večjih izpadov proizvodnje, baterije morda ne bodo mogle zagotoviti zadostne podpore za ohranjanje stabilnosti frekvence.

• Zahteve po naprednih pretvornikih

Za učinkovito zagotavljanje sintetične inercije morajo biti baterijski sistemi opremljeni z naprednimi pretvorniki, ki lahko hitro zaznajo spremembe frekvence in se ustrezno odzovejo. Ti pretvorniki morajo biti sposobni delovati v načinu grid-forming, kar pomeni, da lahko določajo napetost in frekvenco omrežja. Vendar pa so takšni sistemi kompleksni in dragi, kar lahko predstavlja oviro za njihovo široko uporabo.

• Omejitve pri preobremenitvi

Baterijski sistemi imajo omejeno sposobnost preobremenitve, kar pomeni, da ne morejo zagotoviti dodatne moči nad svojo nazivno zmogljivostjo. To omejuje njihovo sposobnost hitrega odziva na nenadne spremembe v omrežju, zlasti v primerjavi s sinhronskimi generatorji, ki lahko kratkotrajno zagotovijo večjo moč od svoje nazivne zmogljivosti.

Za izboljšanje njihove učinkovitosti pri zagotavljanju inercije se razvijajo različne tehnologije, kot so virtualni sinhronski generatorji (synchronverters), ki poskušajo posnemati obnašanje sinhronskih generatorjev z uporabo naprednih algoritmov in nadzora.

Torej čeprav imajo baterijski sistemi lahko pomembno vlogo pri zagotavljanju stabilnosti elektroenergetskega omrežja, zlasti v kontekstu povečevanja deleža obnovljivih virov energije, pa je njihova sposobnost zagotavljanja inercije omejena zaradi tehničnih in operativnih dejavnikov. Za učinkovito vključitev baterijskih sistemov v omrežje bodo potrebne nadaljnje raziskave, razvoj naprednih pretvornikov in ustrezna regulacija, ki bo omogočila njihovo optimalno uporabo za zagotavljanje stabilnosti omrežja.

Zaenkrat in v doglednem času so in bodo najbolj stabilni sistemi tisti z velikim deležem velikih rotirajočih mas (termo, hidro in jedrske elektrarne) in z majhnim deležem nestabilnih virov brez inercije, kot so vetrne in sončne elektrarne. Z naraščanjem slednjih se povečuje pogostost in dolžina električnih mrkov v omrežju, kot nam prikazuje bogata zgodovina mrkov v sončnih Kaliforniji in Teksasu v zadnjem desetletju in pol.

Spodaj je dobra nit na temo, zakaj je vzpostavitev frekvence v španskem omrežju trajala več kot 10 ur in zakaj bi bil problem vzpostavitve frekvence lahko še bistveno večji, če bi mrk trajal daljši čas (kajti izpraznile bi se baterije, ki imajo omejene kapacitete). Zagotavljanje stabilnosti elektroenergetskega sistema je izjemno kompleksna zadeva in kar mora obvladovati stroka in ne politika, podvržena raznim ideologijam brez tehnološkega znanja. Iz tega vidika je treba razumeti energetske strokovnjake, da nikakor niso navdušeni nad vključevanjem večjega deleža nestanovitnih virov sonca in vetra v omrežje. Kajti s tem se kompleksnost in stroški (!) zagotavljanja stabilnosti elektroenergetskega sistema izjemno povečajo.

________________

‘How can it take 10 hours to restore power’?!

It may take longer, I don’t think a re-energisation of such a large grid with very high PV penetration has ever been done, all our plans are for black/brown start of grids via gas and coal.

Why does it take 10 hours? well:

1. The system is in a completely not-normal state. It will take a few hours to work out what is open, closed, on off etc.
2. Bits have to be energised in stages, which may need engineers on the ground to reset relays, close switches etc. This all has do be done slowly in stages to keep the frequency OK – too much too quick and it will collapse.
3. With such high penetration of PV, and not as many big spinning machines as we used to have, it will be difficult to plan out.
   But even worse,

As we get towards 10/11 hours, the batteries within the substations will start to fail. At this stage it’s a nightmare because they cannot be energised remotely, and even manually the batteries will need charged because modern systems need power for the electronics…

This will be a long, slow process which no one has ever really done before. If it goes beyond 12 hours, the trouble really starts to stack up. In the UK we had a programme to replace substation batteries for this reason a few years ago

Vir: Simon Gallagher