Dlaczego „puls” sieci wynosi 50 Hz

Pięćdziesiąt herców – w takim tempie działa sieć energetyczna w Szwajcarii i całej Europie. Zbyt duże odchylenia od tej wartości mogą doprowadzić do przerw w dostawie prądu, a nawet do awarii zasilania.

8 stycznia 2021 roku Europa była niebezpiecznie blisko przerwy w dostawie prądu na dużą skalę. W Chorwacji doszło wtedy do awarii rozdzielni, w wyniku czego częstotliwość sieci w północno-zachodniej Europie spadła poniżej 50 Hz i niewiele brakowało, a doszłoby do blackoutu. Aby ustabilizować sieć, należało w bardzo krótkim czasie wprowadzić do europejskiej sieci synchronicznej duże ilości energii elektrycznej.

Tego dnia sama firma Axpo – w zaledwie 11 sekund – dostarczyła około 300 megawatów pierwotnej energii bilansującej, czyli aż 7% mocy brakującej w północno-zachodniej Europie. Większość wkładu Axpo pochodziło z elektrowni szczytowo-pompowej Limmern.

50 razy na sekundę

Europejska sieć synchroniczna, w skład której wchodzi Szwajcaria, pracuje na prądzie przemiennym. Jedną z zalet takiego sposobu przesyłu energii jest to, że umożliwia on łatwe przekształcanie napięcia. „Częstotliwość” w tym przypadku oznacza liczbę zmian kierunku prądu w każdej sekundzie i mierzy się ją w hercach, jednostce nazwanej na cześć niemieckiego fizyka Heinricha Rudolfa Hertza. W 1886 roku opracował on i zweryfikował pierwsze eksperymenty z falami elektromagnetycznymi.

To, że sieć ma częstotliwość dokładnie 50 Hz (tzn. że prąd zmienia kierunek 50 razy na sekundę), wywodzi się bardziej z historii niż wymogów technicznych. Przykładowo – w USA sieci pracują z częstotliwością 60 Hz. Kiedy jednak częstotliwość zostanie już ustalona, każda elektrownia, linia przesyłowa, instalacje elektryczne i sprzęt muszą pracować w tym samym rytmie.

Elektrownie nadają rytm

U człowieka organem wyznaczającym szybkość pulsu jest serce. W przypadku sieci elektrycznej są to generatory w elektrowniach, a prędkość wirników w każdym generatorze w sieci jest ustawiona na dokładnie 50 Hz.

Aby utrzymać częstotliwość, a tym samym sieć, na stabilnym poziomie, w każdej chwili ilość wytwarzanej energii elektrycznej musi być równa ilości zużywanej, ponieważ nie jest (jeszcze) możliwe magazynowanie energii elektrycznej w wystarczającej ilości.

W praktyce częstotliwość sieci ulega pewnym wahaniom. Dopóki jednak odchylenia te nie są większe niż 0,2 Hz powyżej lub poniżej wartości ustalonej, nie ma powodu do niepokoju. Wahania większe niż 0,2 Hz mogą spowodować automatyczne wyłączenie instalacji z sieci (tzw. zabezpieczenie częstotliwościowe), aby uchronić je przed uszkodzeniem. Działa to na podobnej zasadzie jak bezpieczniki w przypadku przeciążenia instalacji domowej. Jeżeli w tym samym czasie od sieci zostanie odłączonych zbyt wiele instalacji lub kabli – czyli nagle do systemu nie będzie już dostarczana energia elektryczna – to szybko można doprowadzić do sytuacji, jaka miała miejsce 8 stycznia 2021 r., a nawet do awarii zasilania, jaka miała miejsce w 2006 r., kiedy to Europa Zachodnia stanęła w obliczu przerwy w dostawie energii elektrycznej na szeroką skalę.

W Szwajcarii to Swissgrid bierze sprawy w swoje ręce

Krajowa spółka elektroenergetyczna Swissgrid działająca w Szwajcarii monitoruje sieć i wyrównuje wahania, aby zapewnić jej stabilność. W zakładzie można określić, kiedy jest potrzeba interwencji, a także odczytać aktualną wartość częstotliwości. W Polsce takie działania leżą w gestii Polskich Sieci Elektroenergetycznych (PSE).

Wahania zapotrzebowania na energię elektryczną są do pewnego stopnia przewidywalne. Na przykład w mroźne zimowe dni potrzebujemy więcej energii elektrycznej niż w lecie. Jednocześnie zimą rzeki niosą mniej wody, więc elektrownie wodne produkują mniej energii elektrycznej, co dodatkowo pogłębia zimowe niedobory. Lokalne warunki pogodowe również mają duży wpływ np. na produkcję energii wiatrowej i słonecznej. Te i inne zmienne sprawiają, że dokładne prognozy pogody są niezbędne. Z drugiej strony, w ciągu każdej doby zużycie energii elektrycznej jest zwykle zgodne z typowym zużyciem, więc łatwo jest to uwzględnić w prognozowaniu. Wszystkie te wahania są brane pod uwagę w produkcji energii elektrycznej i w codziennym handlu na giełdach energii.

W przypadku drobnych nieprawidłowości, które zdarzają się od czasu do czasu, bezwładność części obrotowych w głównych elektrowniach od Portugalii po Grecję może pomóc w utrzymaniu stabilnych częstotliwości, przynajmniej w krótkim czasie – bez konieczności interwencji (tzw. rezerwy bieżące). Jeśli więc elektrownia przestanie działać, masa obracających się części utrzymuje je w ruchu, przynajmniej na początku. To tak jak z jazdą na rowerze: gdy raz rozkręci się koła, będą się one kręcić nawet wtedy, gdy na chwilę przestaniemy pedałować.

Nieprzewidziane wahania, które zmieniają częstotliwość sieci o więcej niż 0,2 Hz, wymagają tzw. energii bilansującej. W fazie początkowej turbiny w elektrowniach w całej Europie reagują lokalnie, zwiększając lub zmniejszając swoją moc w sposób niezależny (tzw. pierwotna energia bilansująca). Po kilku minutach ta pierwotna energia bilansująca jest zastępowana przez wtórną energię bilansującą. Wszystko to jest realizowane przez lokalne elektrownie, w tym elektrownie Axpo, które otrzymują automatyczny sygnał od operatora systemu przesyłowego (przyp. w Polsce – od PSE). Po kwadransie poszczególne elektrownie, zarówno krajowe, jak i międzynarodowe, otrzymują sygnał, aby dostarczyć do sieci więcej lub mniej energii. To właśnie trzeci krok – tzw. regulacja trójna.