ENERGIJA

Pripremio: Jozef Baruhović

Prenos i distribucija električne energije

Pametne mreže

Izgradnja elektroenergetskih sistema (EES) - proizvodnja, prenos, distribucija i potrošnja - započela je pre skoro jednog veka. Danas je električna energija (EE) jedna od najprihvatljivijih i najrasprostranjenija energija. Druga strana medalje je da se oko 40% EE dobija sagorevanjem uglja u termoelektranama, što doprinosi proizvodnji CO2 i ubrzanom porastu efekta “staklene bašte”. Nisu utešne ni procene Internacionalne agenciju za energiju, koja predviđa da će potrebe za EE,u narednih 20 godina, rasti brzinom od 1GW nedeljno! To znači da će svake nedelje biti potrebno da se EES u svetu poveća za jednu elektranu snage nešto manje od HE Đerdap (1,2 GW).

Digitalizacija i uvođenje velikih računarskih sistema i osetljivost pojedinih potrošača na ispadanje napojne mreže postavljaju sve oštrije zahteve u pogledu pouzdanosti postojećih prenosnih i distributivnih sistema. Jedna nedavna studija u SAD pokazala je da ispadi u snabdevanju EE prouzrokuju troškove od oko 80 milijardi dolara godišnje! Da bi se ovo rešilo, potrebno je u celom proizvodnom lancu EE uneti niz novih rešenja. Novi pristup i nova rešenja svrstana su pod zajedničkim imenom “pametne mreze”(PM).

PM se realizuje uz primenu savremene tehnološke opreme i savremeniji koncept u upravljanju, proizvodnji i potrošnji EE. Sledi da se postojeći i novi EES sistemi moraju transformisati u PM da bi zadovoljili narasle potrebe i nove zahteve.

PM daju rešenja i ukazuju na mere koje treba preduzeti na budućim EES. Te mere počinju bukvalno od kućnog praga i kontrole rada bojlera i TA peći i idu do izgradnje energetskih postrojenja za skladištenje energije, novih dalekovoda i kablovskih mreža, novih kontrolno- dispečerskih centara, novih energetskih izvora.

Napajanje EE izvodi se iz velikih termo, hidro i nuklearnih elektrana i protok energije ide isključivo od elektrana do poslednjeg potrošača. Mreže imaju pretežno ”zrakastu konfiguraciju“ (kao stablo koje se grana i hrani poslednji list na drvetu).

Tri zahteva

Kod današnjih termo, hidro i nuklearnih elektrana proizvodnja EE može se unapred odrediti. Proizvodnja je predvidljiva a upravljanje prenosnim i distributivnim mrežama je relativno jednostavno. Prazan hod, ”topla rezerva” i puno opterećenje zavise od potreba potrošača koje se javljaju po unapred predvidljivom redu. Ali, uvođenjem novih izvora energije tj. obnovljivih izvora: sunca, vetra, manjih HE “potočara” i malih proizvođače energije na nivou domaćinstva koji su daleko brojniji i teže “predvidljivi“ - slika se menja. Javljaju se novi zahtevi u kontroli i upravljanju EES.

Solarne elektrane rade isključivo preko dana. Kapacitet elektrane je umanjen i za vreme jake oblačnosti. Proizvodnja električne energije na farmama vetro-generatora zavisi od brzine vetra i podložna je znatnim varijacijama. Brzina vetra je dosta nepredvidljiv parametar, a male HE imaju promenljiv protok vode i zavise od padavina. Zato buduće PM moraju biti opremljene savremenim komandno-dispečerskim centrima da bi brzo, pouzdano i ekonomicno prihvatale nove energetske izvore i efikasno odgovarale na potrebe potrošnje.

Da bi se ostvarili ovi zahtevi, budući EES treba da ispune tri glavna zahteva: povećati propusnu moć (protok EE) prenosne i distributivne mreže i povećati efikasnost i stepen korisnosti mreže, podići pouzdanost celog EES a posebno prenosne i distributivne mreže, povećati proizvodnju energije uvođenjem novih HE, elektrana na gas i mazut i nuklearnih elektrana i znatno povećati udeo obnovljivih izvora energije: sunca, vetra, geotermalne energije i biomase.

U lancu prenosa energije od proizvodnje do krajnjeg potrošača najosetljivije “karike” su prenosne i distributivne mreže (dalekovodi, trafo-stanice, kablovski razvodi). Mmreže su građene sredinom prošlog veka, u upotrebi su više decenija, rade u promenljivim klimatskim uslovima, delom se nalaze na nepristupačnim terenima gde je održavanje otežano.

Ključnih 15 minuta

Protok energije može se povećati izgradnjom novih prenosnih i distributivnih mreža. Ali, PM nude drugo rešenje, uz primenu nove tehnologije izrade električnih baterija… Kod projektovanja i izgradnje mreža, oprema se u najvećem broju slučajeva dimenzioniše da bi mogla da podnese “vršno opterećenje” (najveće dopušteno opterećenje u mreži). Nastanak “vršnog opterećenja” je relativno redak i traje 5-20% vremena rada mreže. Ostalo vreme mreža radi ispod nominalnog opterećenja. Takav režim rada može se izmeniti, tj. mreža se može na duže vreme opteretiti do nominalnog opterećenja a period preopterećenja može se premostiti ubacivanjem novog izvora EE, čime je povećana propusna moć mreže.

Jedan od izazova PM je sposobnost da se održi stabilnost EES. Preopterećenja, isprekidanost isporuke energije (svojstvena obnovljivim izvorima energije) rešava se tako što u sklop PM ulazi i oprema za skladištenje EE. Ta energija se skladišti u električnim baterijama i, u slučaju ispada ili povećane potrošnje, trenutno se ubacuje u mrežu.

Mogućnosti skladištenja EE zasad su ograničene. Savremena postrojenja imaju kapacitet od 26 MW u trajanju od 15 minuta. Koriste se Li-jonske baterije. Rad na razvoju baterija i povećanju njihovog kapaciteta ukazuju da će se kapacitet povećati na 50 MW (snaga jednog generatora u HE Đerdap iznosi 200 MW) i produžiti na 30 minuta. Period od 15 minuta je dovoljan da se održi stabilnost sistema, premoste kratka beznaponska stanja i izbegnu ispadi priključenjem novog izvora energije iz skladišta.

PM upravljaju potrošnjom u kući

Problem pojave vršnog opterećenja može se rešiti i priključenjem obnovljivih izvora energije, čime se izbegava ili umanjuje potreba držanja “tople rezerve“ u generatorima. Postoji jedan nepopularan način da PM pređu kućni prag i upravljaju krajnjim potrošačima u domaćinstvu. Postupak se sastoji u tome da se, u okviru jednog domaćinstva, izdvoje krupniji potrošači (TA peć, grejalice, mašina za veš, bojler…) i stave pod kontrolu elektro-distributivnog preduzeća. Pri pojavi preopterećenja u mreži, dispečer isključuje krupnije potrošače. Ovakav vid upravljanja vršnog opterećenja može se regulisati ugovorom sa vlasnikom stana a utrošena energija obračunavala bi se preko posebnog brojila u stanu. Isključenja bi trajala sat-dva. Na nivou domaćinstva a u sklopu PM predviđa se udeo obnovljivih izvora energije za zagrevanje vode preko vetro-generatora ili fotonaponskih ćelija.

Prvi korak u primeni PM je prikupljanje informacija o stanju opreme u mreži (prekidača, rastavljača, releja, mernih instrumenata…). Postiže se postavljanjem senzora na ključnim mestima u mreži. Senzori beleže i prenose podatke u kontrolno-dispečerski centar gde se te informacije obrađuju. Dispečerski centri treba da omoguće i daljinsko upravljanje na mrežama (dalekovodima, trafo-stanicama itd). Drugi korak podrazumeva da se, na bazi prikupljenih informacija, aktiviraju uređaji i otklone poremećaji na delu mreže. Odluke obuhvataju rekonfiguraciju opterećenja vodova u cilju nastavka snabdevanja potrošača. Dispečerski i upravljački centri i njihova oprema deo su mera koje ulaze u sklop PM.

20% iz obnovljivih izvora

Velika je verovatnoća da će energenti budućnosti biti: prirodni gas, bio-gas, nafta iz uljnih škriljaca. Tu su i obnovljivi izvori energije: vetar, sunce, morski talasi, geotermalni izvori… tj. energenti koji daleko manje ispuštaju ili ne ispuštaju CO2 pa su daleko povoljniji po očuvanje čovekove okoline. Prestoji postepeno gašenje elektrana na ugalj i uvođenje u mrežu elektrana sa novim energentima i onih sa obnovljivim vidovima energije. Što se tiče obnovljivih izvora energije, njihov udeo stalno raste. Evropska unija je postavila za cilj da, do 2020, njihov udeo bude 20% u EE sistemu EU. Najefikasnije farme vetro-generatora izgrađene su na moru zbog klimatskih uslova i više slobodnog prostora. Tu se postavlja problem dovođenja EE sa udaljenih morskih lokacija na obalu. Jedno od rešenje je prenos podmorskim kablovima sa jednosmernom strujom (JS).

Prenos visoko naponskim kablovima (VNK) - 600 do 800 kV jednosmerne struje - je nova tehnologija koja omogućava efikasan prenos energije visokog stepena korisnosti (93%) i kontrolu protoka EE. To je zasad pravi izbor za prenos velikih snaga sa udaljenih vetro-generatorskih farmi na moru. Druga strana medalje je da je potrebno naizmeničnu struju (NS) sa farmi pretvarati u jednosmernu struju (JS) a zatim, na mestu priključenja na mrežu, ponovo JS pretvarati u NS. Ovo dvostruko pretvaranje stvara dodatne gubitke i potrebu za izgradnjom postrojenja za pretvaranje struje. Ipak, velika rastojanja i potreba za prenosom velikih snaga opravdavaju troškove. Može se uzeti za primer jedno postrojenje u Kini gde se prenosi snaga od 6400 MW, napona 800 kV kablom JS na rastojanje od 2000 km. Preneta snaga odgovara snazi pet HE Đerdap.

Drugi primer je farma vetro-generatora snage 400 MW u Severnom moru, gde se električna energija prenosi podmorskim kablom (JS) napona 150 kV na rastojanje od 200 km do obale. Tako prenos električne energije JS, kao jednim od elemenata PM, ponovo dobija na značaju posle dugog perioda mirovanja - iz vremena Edisona, kada to bio jedini vid prenosa energije koji je napušten i zamenjen uvođenjem Teslinog sistema prenosa NS.

Jozef Baruhović

.

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja