Что должно защитить от большого отключения электроэнергии
Январский инцидент показал, насколько чувствительна сеть, снабжающая Европу электричеством. Как можно предотвратить подобные катастрофы в будущем?
Полдень, ровно в 14:04:25, 9 утра по центральноевропейскому времени, начинается роковая цепная реакция. На подстанции Эрнестиново в Хорватии муфта между двумя сборными шинами размыкается автоматически. Прерваны две 400-киловольтные линии, которые доставляют электроэнергию с Балкан в Центральную Европу. Течение ищет новые маршруты, нагружает другие линии, перегружает их. Автоматические выключатели реагируют и отключают дальнейшие подключения в Сербии, Румынии, Хорватии. Не прошло и минуты, как ровно в 14:05:08, 6 утра по центральноевропейскому времени, огромная сеть европейских передающих сетей разорвалась на две части.
В части на северо-западе внезапно не хватает мощности примерно семи крупных электростанций, частота сети падает. На юго-востоке производители энергии впихивают в линии гораздо больше, чем нужно, частота увеличивается, всего на несколько десятых долей герца. Электростанции там быстро отключаются от сети. В северной же части сетевые операторы пытаются взять ситуацию под контроль, отключая электричество для крупных потребителей. Кто именно, неизвестно, предположительно это промышленные заказчики во Франции и Италии, которые дали согласие на такие случаи - и за это платят. Наконец, можно успокоить две подсети. Через час они снова синхронизируются и воссоединятся.
Нарушение, подобное тому, которое произошло 8 января 2021 года, показывает, что энергосистема чрезвычайно чувствительна. Небольшие отклонения или ошибки, такие как раскрытие сцепления в Эрнестиново, которое еще не выяснено, могут продолжаться и усиливаться. В худшем случае рушатся сети и отключается электричество. Это больше не означает, что свет выключен или чайник остается холодным. Электричество - топливо 21 века. Большинство систем отопления также нуждаются в этом для работы, как и телефония и подключение к Интернету, как и электронные автомобили. И это только очевидные применения в частных хозяйствах. Не нужно большого воображения, чтобы представить последствия отключения электроэнергии для общественной жизни, экономики и транспорта.
Когда энергосистема становится нестабильной? Важным показателем этого является частота сети 50 Гц. Спрос и предложение уравновешивают друг друга. Если «потребляется» больше электроэнергии из-за того, что внезапно десятки тысяч подключают свои электромобили к зарядной станции, частота падает. Как велосипедист, поднимающийся в гору с равнины, из-за чего ее частота вращения педалей снижается. Она пытается крутить педали сильнее, но если гора слишком крутая, даже этого недостаточно. Чтобы по-прежнему крутить педали равномерно, ей приходится переключаться на более низкую передачу и ехать медленнее. Или она расстроится.
Крупное отключение электроэнергии может длиться несколько дней
В электросети аналогично. На больших электростанциях турбины и генераторы вращаются с определенной скоростью, так что вырабатывается переменный ток частотой 50 Гц. Если частота в сети падает, пишет: "Держи крепче!" В турбину подается больше пара, чтобы противодействовать отходам. Если этого недостаточно, в течение полминуты включаются резервные силовые установки. Если и это не помогает, применяется стратегия «облегчи себе задачу, понизь скорость»: электричество отключается для отдельных крупных потребителей, с которыми существуют соответствующие договоры. С технической точки зрения это даже звучит немного забавно, но «сброс нагрузки по договору» - нет. Поскольку сеть нестабильна и, возможно, ее придется спасать на следующем шаге, «автоматическом сбросе нагрузки». Как и в случае с велосипедом, региональные подсети теперь полностью отключены, чтобы разгрузить и поддерживать сеть более высокого уровня.
«В любом случае вы хотите предотвратить серьезное отключение электроэнергии», - говорит Альберт Мозер из Института электрических систем и сетей, оцифровки и управления энергопотреблением в Ахенском университете RWTH. В дополнение к социальным последствиям, которые можно увидеть в различных триллерах, отключение электричества также влечет за собой проблему необходимости восстановления сети. «Многим электростанциям и самой сети для работы требуется электричество». Для нового старта нужны так называемые черные пускоспособные системы, такие как гидроэлектростанции. «Проще говоря, все, что вам нужно сделать, это открыть кран, чтобы запустить турбину», - говорит Мозер. Затем отдельные сетевые узлы и электростанции постепенно включаются снова. «Может пройти несколько дней, прежде чем все снова получат власть». Крайне важно избегать этого сценария и вмешиваться как можно раньше, если происходят сбои.
Это по-прежнему относительно легко с обычной энергетической системой, объясняет исследователь. «Несколько крупных электростанций легче контролировать, чем множество мелких производителей», поскольку они подключены к сети, в первую очередь в результате расширения использования возобновляемых источников энергии. Кроме того, их массивные турбины и генераторы представляют собой большие вращающиеся массы, вяло реагирующие на изменения. «В результате они автоматически компенсируют колебания частоты в течение нескольких секунд».
Энергетический переход создает дополнительную нагрузку на сетку
Это меняется с энергетическим переходом. Атомные и угольные электростанции закрываются, вместо этого вводятся многие ветряные и фотоэлектрические системы - иногда больше, иногда меньше, в зависимости от того, как дует ветер и солнце. сияет. Кроме того, электроэнергия иногда транспортируется на очень большие расстояния, например, чтобы покрыть потребность в мегаполисах на юге Германии за счет энергии ветра с севера. Сетевым операторам приходится все чаще и чаще вмешиваться и включать или выключать электростанции, чтобы поддерживать стабильность сети с помощью так называемой балансирующей мощности.
«Чем меньше крупных электростанций способствуют стабилизации энергосистемы, тем более необходимы альтернативы», - говорит Мозер. Основными вариантами являются аккумуляторные батареи и газовые электростанции, которые в будущем будут работать не на ископаемом, а на «зеленом» газе. Имеется в виду, например, водород, полученный из воды с использованием экологически чистого электричества, или биометан.
Технологически, по мнению ученого, все это осуществимо. «Я скорее вижу опасность в том, что политики не создадут необходимых стимулов». Потому что даже операторам такой газовой электростанции, которая задумана как временная, платят только за электроэнергию, подаваемую в сеть, поэтому новостройка вряд ли стоит того. "Лучше, чтобы такие системы были надежно профинансированы, потому что они нам срочно понадобятся."
Маркус Фюрст, отвечающий за системное управление в операторе системы передачи TransnetBW, описывает, насколько сложно организовать поток электроэнергии. Если раньше на десятках подстанций работал персонал, которому по телефону давали указание переключить ту или иную линию, то сегодня управление осуществляется централизованно из центра управления TransnetBW в Вендлинген-на-Неккаре. Эксперты стараются максимально точно подстроиться под то, что будет происходить в Интернете в ближайшие часы и дни. Используя данные от торговцев электроэнергией, метеорологических служб и операторов соседних сетей, Фюрст и его коллеги заранее рассчитывают, сколько их линий будет использоваться, в какое время и где необходимо заранее заказать или ограничить дополнительные мощности электростанций, известные в кругах специалистов как повторно отправить. Неожиданное поведение потребителей также приводит к отклонениям, которые необходимо компенсировать.
Новые маршруты для новой сети
«В обычные рабочие дни продавцы энергоносителей довольно надежно прогнозируют спрос, но иногда в праздничные дни ситуация становится немного более требовательной», - говорит Фюрст. Если погода по-прежнему нестабильна, прогнозы для фотоэлектрической и ветровой энергетики должны постоянно обновляться и корректироваться в сети с балансировкой мощности. Кроме того, эксперты должны учитывать работы по расширению и техническому обслуживанию сети, в связи с которыми запланировано отключение частей сети, а также непредвиденные сбои. «Во всем мы работаем по критерию (n-1)», - говорит Фюрст. Это означает: сеть из n компонентов не должна выходить из строя, даже если она работает только с одним компонентом меньше, например, из-за внезапного выхода из строя важного элемента, такого как линия.
Но одного умелого управления, резервов силовой установки и аккумуляторов недостаточно. Сами сети также должны быть значительно расширены, чтобы иметь возможность не отставать от растущего числа фидеров и потребителей, говорит Ютта Хансон из Департамента электроснабжения с использованием возобновляемых источников энергии в Техническом университете Дармштадта. «Проще говоря: бесполезно иметь солнечную систему на крыше, но батарея у соседа, потому что тогда мне все равно придется нагружать сеть.«Каждый кабель может транспортировать только определенное количество энергии, поэтому его необходимо расширять - на всех уровнях, от высоковольтной сети до региональных распределительных сетей.
Хэнсон сравнивает это с трафиком. Чтобы доставить много энергии ветра с севера на юг, в настоящее время строятся новые линии, «электрические магистрали». Однако большой объем трафика также необходимо распределять по стране, по проселочным дорогам. И их должно хватить на случай, если электрическая магистраль выйдет из строя и ее придется «закрыть».
Четыре немецких оператора системы передачи, перечисленные в плане развития сети, где расширение является наиболее неотложным, первый проект которого был опубликован в конце января. Он не описывает никаких конкретных маршрутов, но перечисляет требования к передаче между узлами сети. Это означает, что определяются только начальная и конечная точки будущих соединений линий.
Куда именно поедет строительная техника, пока не уточняется. Ютта Хансон призывает население к более активному участию и содействию принятию. «Многим нужна защита от климата, а не 380-киловольтная воздушная линия за их садом».
Обязательные перерывы для покупателей и производителей?
Есть еще один способ, которым граждане могут столкнуться с безопасностью энергосистемы. В начале 2021 года циркулировал законопроект, который предусматривал, что новые подключения, такие как станции зарядки электромобилей, тепловые насосы и хранилища электроэнергии, могут быть временно сокращены в потреблении или даже могут быть прекращены поставки. Таким образом, следует избегать пиковых нагрузок. Хотя предусматривалась финансовая компенсация, было много критики, и федеральный министр экономики Питер Альтмайер в конце концов отозвал проект. Пока.
Многие эксперты рекомендуют использовать возможности "умной сети" и поощрять потребителей - с помощью денег - делать перерывы, которые они могут себе позволить. Так же, как кормушки, которым также приходится время от времени делать паузы, чтобы не допустить перегрузки. Что касается возобновляемых источников энергии, из-за этого так называемого сокращения в настоящее время в сеть подается примерно на три процента меньше энергии, чем могут подавать генераторы. Благодаря оцифровке этот показатель должен поддерживаться стабильно низким, даже несмотря на то, что система электроснабжения становится все более сложной. «Распределительные сети, в частности, должны быть в большей степени автоматизированы, чтобы эффективно интегрировать растущее количество переменной генерации из систем возобновляемой энергии», - говорится в заявлении «Устойчивость цифровых энергетических систем». Он был опубликован сегодня академическим проектом ESYS (Энергетические системы будущего).
Цифровые сети создают новые уязвимости
Авторы также предупреждают о новой уязвимости сети «из-за брешей в кибербезопасности, неисправного программного обеспечения или его неправильного использования». Хакерская атака, вызвавшая отключение электроэнергии в Украине в декабре 2015 года, показала, какие опасности таятся в тех случаях, когда сети в основном контролируются компьютерами. Крайне важно, чтобы эти новые угрозы были учтены и подготовлены соответствующим образом.
Конечно, известные опасности все еще существуют. Они варьируются от стихийных бедствий до террористических актов и пандемий, которые могут привести к нехватке персонала и солнечным бурям. Солнце выбрасывает на Землю массу заряженных частиц. Если они поразят электрическую инфраструктуру на земле, они могут индуцировать в ней токи, которые, в свою очередь, могут вывести из строя трансформаторы в электрических сетях.
Самая сильная солнечная буря обрушилась на Землю в 1859 году. В то время северное сияние освещало ночь так же ярко, как днем, и телеграфия была серьезно нарушена. В современных сетях электроснабжения и связи последствия будут гораздо более драматичными.
Сетевые операторы принимают меры предосторожности против широкого спектра таких угроз.«Однако полная защита от всех опасностей иллюзорна», - говорит Альберт Мозер, сравнивая процедуру со строительством дамбы. Вы строите его достаточно высоко, чтобы выдержать большинство наводнений. «Если происходит чрезвычайно редкое событие, такое как наводнение века, дамбы уже недостаточно. Вам придется с этим жить».
Операторы, с другой стороны, похоже, справляются с обычными нагрузками. Каждый потребитель остается без электричества в среднем от 10 до 15 минут в год. Это значение остается неизменным уже добрых десять лет.