Aktuální číslo:

2017/12

Téma měsíce:

Kontakty

Smíme všichni naráz zhasnout světlo?

Vliv spotřebitele na elektrizační soustavu
 |  10. 4. 2008
 |  Vesmír 87, 250, 2008/4

Zvykli jsme si na elektřinu jako nedílnou součást života. Využíváme ji téměř při každé své činnosti, setkáváme se s ní na každém kroku. Elektrizační soustava propojená napříč Evropou nás spojuje s výrobcem elektřiny na severu Čech stejně jako s výrobcem v jižní Francii a se spotřebitelem v Itálii nebo na Balkáně. Každý z nás je tedy jedním z více než 300 milionů spotřebitelů v oblasti synchronně propojené soustavy UCTE, 1) kteří „visí“ na jednom laně. I definice elektrizační soustavy používané v různých zákonech a vyhláškách o ní hovoří jako o vzájemně propojené soustavě výrobních zařízení, zařízení na přenos i distribuci a spotřebičů, přičemž se všechny tyto prvky ovlivňují navzájem.

Co se děje v soustavě při změně spotřeby

Spojuje nás jedna významná vlastnost elektřiny, jíž je v synchronně pracujících soustavách vztah mezi okamžitou výrobou, spotřebou a frekvencí. Výrobní zařízení a spotřebiče, které dnes používáme, jsou většinou optimalizovány na frekvenci 50 Hz. Některé mohou bez poruchy pracovat jen v poměrně úzkém pásmu frekvence, a proto jsou chráněny automatikou, jež je při vybočení frekvence odpojí. Jiné sice mohou pracovat v širším pásmu frekvence, ale buď je omezena jejich funkčnost, nebo je snížena, popřípadě znehodnocena, jejich účinnost. 2) Frekvence 50 Hz znamená, že v daném okamžiku jsou všechny generátory vyrábějící elektřinu na otáčkách 3000 min–1. A zároveň, že vyráběný činný výkon (který je roven součtu všech činných výkonů vyrábějících generátorů v celé soustavě) se právě rovná odebíranému výkonu. 3) Jakékoliv narušení této rovnováhy znamená změnu frekvence. Pokud stoupne spotřeba, 4) okamžitě klesne frekvence. Chybějící dodávaný výkon je kompenzován snížením otáček – podobně jako když jedeme autem do kopce. Pro udržení otáček (frekvence) je nutné zvýšit vyráběný výkon (přidat plyn). V malé soustavě, tvořené pouze několika spotřebiči a jedním výrobním zařízením, jsou nároky na regulaci výkonu obrovské. Když kterýkoli spotřebič zapneme, frekvence se změní a zdroj musí rychle zvýšit výkon. Při výpadku zdroje pak zůstane celý systém bez napětí.

Propojování takových malých soustav do větších celků zvyšuje stabilitu dvěma způsoby: Zaprvé ve větším celku klesá vliv změny způsobené zapnutím jednoho spotřebiče. S počtem spotřebičů zapojených do soustavy klesá pravděpodobnost, že bude významná část vypnuta v jednom okamžiku. Zadruhé vzrůstá počet výrobních zařízení. Tím lze jednak optimalizovat jejich skladbu s ohledem na různé charakteristiky, jednak klesá velikost regulačního pásma, v němž musí být zdroje regulovány, aby byla zajištěna rovnováha a pokryty odchylky zatížení. Ve velkých soustavách je například ranní špička, nabíhající zhruba od šesté hodiny (tak jak lidé vstávají, vaří si kávu a odcházejí do práce), rozložena při vysokém počtu propojených spotřebitelů do období mezi 6. a 8. hodinou. Ve větších soustavách má na typické charakteristiky spotřeby vliv i časový posun v jednotlivých pásmech, místní zvyky a časový režim.

Mohutná soustava propojených oblastí je spolehlivější

S postupným vývojem se výroba koncentrovala do velkých elektráren, které většinou podléhají centrálnímu řízení. Dispečink provozovatele přenosové soustavy sleduje frekvenci a toky elektřiny do své soustavy i ven z ní a podle vývoje celkové spotřeby řídí výrobu velkých zdrojů tak, aby (s určitou tolerancí) v dané oblasti neustále udržoval rovnováhu výroby a spotřeby. Mohutnost celé soustavy propojující menší oblasti se pak projevuje v tom, že velká změna rovnováhy v jedné oblasti způsobí jen malou změnu frekvence celého systému (část chybějící elektřiny je automaticky „vypůjčena“ odjinud) a potřebná rychlost regulace i nároky na zdroje v důsledku toho klesají.

Celý tento systém, který se vyvíjel desítky let a v současné době funguje velmi efektivně, je založen na několika základních předpokladech. Jedním z nich je, že na straně spotřeby je obrovské množství spotřebičů, které mají své individuální vzorce chování – časové průběhy zátěže. I když tyto vzorce mohou být velmi podobné, nejsou absolutně synchronizovány v čase. Souběh velkých a skokových změn spotřeby je tak omezen a změny spotřeby jako celku mají pravděpodobností průběh, který může být simulován a předvídán. Charakteristiky vypínání naprosté většiny spotřebičů (skokové odepnutí zátěže) jsou totiž v protikladu s postupným nabíháním výroby (v řádu minut až desítek minut) a soudobost zátěže (jednak vzájemné vyrovnávání zapínaných a vypínaných spotřebičů, jednak rozložení náběhu v čase) je klíčová pro udržení rovnováhy a regulovatelnost frekvence v potřebném pásmu.

Na zhasínání při Svatopluku Kuřátkovi zapomeňme

To ale ve svém důsledku znamená, že provoz a řízení elektrizačních soustav nejsou slučitelné s žádným časově synchronizovaným chováním kritické masy spotřebitelů. Mnoho z nás vzpomíná na doby kuchaře Svatopluka Kuřátka, kdy televizní diváci vypínáním žárovek hlasovali pro pokračování seriálu. Z pohledu řízení soustavy to tehdy znamenalo ekvivalent výpadku jednoho velkého výrobního bloku v soustavě, a tedy záležitost nepříjemnou, leč zcela rutinní. Tento zábavný mechanizmus v tehdejší Československé televizi nebyl originální, byl již vyzkoušen v šedesátých letech v USA a později ve Francii.

Znovu jsme si to připomněli před několika měsíci, kdy se Evropou přes internet a mobilní síť šířila výzva k projevu občanské uvědomělosti. Občané byli vyzýváni, aby v tomtéž okamžiku vypnuli spotřebiče, a tím vyjádřili – ve jménu budoucnosti a záchrany planety – ekologické uvědomění a ochotu šetřit energií. Zmíněná výzva tentokrát vyvolala určité obavy provozovatelů soustav, neboť od hlasování z dob Svatopluka Kuřátka se situace v mnoha ohledech změnila. Elektrizace soustavy za těch třicet let zaznamenala obrovský vývoj zejména z hlediska množství spotřebičů vyžadujících přesnou frekvenci. Od té doby kvalita řízení frekvence v soustavě významně vzrostla a mnoho moderních spotřebičů s tím také počítá. Skokové změny frekvence tedy mohou mít dnes větší důsledky. Přitom soustava výrobních zdrojů je v zásadě stejná jako tenkrát (řídicí systémy jsou samozřejmě na mnohem vyšší úrovni). Nedávná situace byla odlišná i rozsahem. V době internetu lze šířit výzvu v krátkém období napříč celou Evropou a ovlivnit chování milionů či desítek milionů zákazníků. Pokud je akce navíc časově synchronizována, může vyvolat skokovou změnu spotřeby, která by byla obtížně zvladatelná.

Záleží na tom, co se vypne

Důležitý je též typ spotřebičů, které jsou vypínány. Pokud jde o symbolické vypnutí jedné 40W žárovky, nezpůsobí problémy ani akce dvaceti milionů zákazníků (= 800 MW). Pokud by ale každý vypnul lustr o příkonu pouhých 200 W (tj. 4000 MW skokové změny), jsme již na hranici, či spíše za hranicí toho, na co jsou rychlé (sekundové) rezervy v Evropě připraveny. 5) A pokud by polovina z těchto účastníků vypnula v tomtéž okamžiku velký spotřebič (v zimě topení, v létě klimatizaci), stoupla by frekvence na hodnoty neslučitelné s provozem mnoha výrobních zdrojů, které by byly samočinně odpojeny. Zdánlivě se tak přebytek výroby vyrovná, a tím se obnoví rovnováha. Působí zde však několik faktorů, které činí tento přechodový jev obtížně předvídatelným. V okamžiku, kdy jev probíhá, nastanou obrovské změny toků výkonu po síti. V důsledku toho mohou být některá přenosová vedení přetížena a odpojena, navíc to může způsobit výkyvy napětí, které rovněž zásadním způsobem ovlivňují spolehlivost a provozovatelnost soustavy. Napěťové automatiky začnou regulovat napětí, a pokud vybočí mimo pásmo tolerance, vypnou zařízení. Nakonec v tomto přechodovém ději rozhoduje, jak je v kontextu Evropy lokalizována odpojovaná spotřeba a jak jsou vůči tomu lokalizovány rezervní a regulační výkony. Pokud jsou rozděleny rovnoměrně, nemusí tato změna spotřeby vyvolaná „občanským uvědoměním“ způsobit kromě značného výkyvu frekvence další nezvladatelné poruchy. Kdyby ovšem lokalizace nebyla rovnoměrná, 6) dopad na provoz soustavy by se nedal spolehlivě předvídat a důsledkem by mohl být i kolaps evropské sítě jako celku, tedy blackout v deficitních částech a brownout nebo jen ostrovní provoz v jiných částech. 7)

Občan v politice a spotřebitel v elektrice

Lze říci, že podobně jako občan v politice nemá ani spotřebitel jako jedinec žádný měřitelný vliv na chování celého společenství, tedy v daném případě na chod elektrizační soustavy. Na druhé straně cílená akce masy občanů dokáže vyvolat revoluci a stejně tak cílená akce masy spotřebitelů dokáže rozvrátit energetický systém, na kterém jsme životně závislí. Na rozdíl od politiky, kde si to uvědomujeme, 8) jsou obdobné dopady v energetice méně známé nebo zcela neznámé. To je ale nečiní méně nebezpečnými. Protože lze očekávat, že podobných akcí bude spíše přibývat, neboť jsou mediálně zajímavé a s dodaným morálním nábojem („za dobrou věc“) dokážou zaujmout, je nezbytné zveřejnit a vysvětlit některé skutečnosti týkající se provozu energetického systému a vzájemnou závislost nás všech mezi sebou i závislost na dodávce elektřiny jako celku. A to dříve, než nějaká opravdu masová akce skutečně síť ohrozí.

Při poslední takové akci si nakonec sami organizátoři uvědomili rizika a podmínky akce trochu uzpůsobili. Takže nedošlo k dramatickým dopadům na soustavu a provozovatelé energetických soustav si oddechli. Přispělo to ale k tomu, že jsme si připomněli možné dopady na soustavu, které s sebou moderní společnost nese a na která musíme hledat adekvátní odpověď. Tou je kromě zvyšování technické úrovně a pružnosti řízení propojených soustav i fakt, že v tomto propojeném světě musíme alespoň základní znalost principů fungování soustav a odpovědnost spotřebitelů sdílet.

Poznámky

1) K UCTE (Union for the Coordination of Transmission of Electricity) patří kontinentální Evropa bez Skandinávie a s částí severní Afriky.
2) Například spotřebiče řízené frekvencí.
3) Ten představuje součet příkonů všech spotřebičů a ztrát v sítích.
4) Tj. zvýší se zatížení systému.
5) V současné době je k dispozici asi 3000 MW rychlých rezerv a řádově 15 až 20 tisíc MW minutových rezerv.
6) Například kdyby se k výzvě připojili spotřebitelé ve Francii a v Německu, ale nikoliv v Itálii.
7) Jako blackout je označován úplný a rozsáhlý výpadek elektřiny, vyplývající z kolapsu soustavy, brownout je částečný výpadek nebo rozsáhlé nucené přerušení či omezení dodávky elektřiny na větším území, ostrovní provoz je odpojení části sítě a její provoz jako samostatného systému – obvykle s výrazně horší kvalitou dodávky elektřiny.
8) Státy skutečně věnují obrovské prostředky na možnosti jak organizované masové projevy udržet pod kontrolou.

Ke stažení

OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Energetika

O autorovi

Pavel Šolc

Doporučujeme

Přemýšlej, než začneš kreslit

Přemýšlej, než začneš kreslit

Ondřej Vrtiška  |  4. 12. 2017
Nástup počítačů, geografických informačních systémů a velkých dat proměnil tvorbu map k nepoznání. Přesto stále platí, že bez znalosti základů...
Tajemná „Boží země“ Punt

Tajemná „Boží země“ Punt uzamčeno

Břetislav Vachala  |  4. 12. 2017
Mnoho vzácného zboží starověkého Egypta pocházelo z tajemného Puntu, kam Egypťané pořádali časté obchodní výpravy. Odkud jejich expedice...
Hmyz jako dokonalý létací stroj

Hmyz jako dokonalý létací stroj

Rudolf Dvořák  |  4. 12. 2017
Hmyz patří k nejdokonalejším a nejstarším letcům naší planety. Jeho letové schopnosti se vyvíjely přes 300 milionů let a předčí dovednosti všech...

Předplatným pomůžete zajistit budoucnost Vesmíru

Tištěná i elektronická
verze časopisu
Digitální archiv
od roku 1994
Speciální nabídka
pro školy a studenty

 

Objednat předplatné