50,2 Hertz probléma: avagy amiért nem igen haragszanak annyira az energiaszolgáltatók

Több ideje már, hogy az áramszolgáltatói körökben az ún. 50, 2 Hertz problémáról beszélgetnek, ami különösen a fotovoltaik rendszerek üzemeltet?ire vonatkozik, mert ezen a téren átalakításokat illetve b?vítéseket kell végrehajtaniuk a rendszer kivitelezésén.

Sokaknak azonban még mindig nem tiszta, miért szükségesek ezek a technikai módosítások. A következ?kben fel szeretném mutatni, tulajdonképpen miért is áll fenn ez a probléma és hogyan lehet ezt kezelni.

Ami miatt az 50,2 Hertz probléma fennáll, azt alapvet?en különböz? kiindulási problémákra és egy-két fizikai okokra lehet visszavezetni.

A fizikai okokhoz tartozik, hogy a tulajdonképpeni átviteli hálózatok, azaz vezetékek, nem tudják tárolni az elektromos teljesítményt. Ezért szükséges az, hogy mindig ugyanannyi teljesítményt kell termelni illetve készenlétbe helyezni, mint amennyit a fogyasztók igényelnek. Ezt teljes mértékben meg tudták tervezni a múltban az energiaszolgáltatók, mert tapasztalati adatok álltak rendelkezésre a fogyasztók viselkedésér?l.

A megújuló energiák kiépítésével – különösen a szél és a fotovoltaik – azonban ezek az adatok nagyon felhígultak, mivel olyan energiamennyiségek lettek a hálózatra táplálva, amelyeket már nehéz betervezni. Éppen az ilyen volatile energiamennyiségnél, ami természetszer?en nagyon függ az id?járástól, kell megfelel?en jó prognózisokat kidolgozni, hogy a termelés és a fogyasztás közötti egyensúlyt garantálni lehessen.

Erre a helyzetre mérvadó még a törvényileg el?írt (KÁT) helyzet is, ami szerint a különböz? megújuló energiatechnológiák által termelt villamosenergiát minden esetre köteles a hálózatszolgáltató átvenni. Ez egyszer ugyan jó, mert pl. a déli órákban extrém alacsony az áram ára, de ugyanakkor nagy kihívás elé állítja az energiaszolgáltatót, amit nem szívesen akar hallani egyik napelemes rendszer tulajdonosa sem.
Mert éppen az ingadozó (volatile) energiák azok, amik az egyik percr?l a másikra extrém termelési ingadozásokat okoznak, a fogyasztói oldalon azonban sokszor alig észlelhet? a változás, ha túlkínálat vagy hiány lép fel az elektromos teljesítményben, amit ki kell szabályozni.

Kiegyenlítés illetve kiszabályozás nélkül megsérülhetnek az elektromos készülékek és a berendezések – egészen a fogyasztókig – vagy felléphet a rettegett és nagy területre kiható villamosenergia kimaradása (Blackouts).

Az 50,2 Hertz problematika tehát a túlkínálat és a hiány közötti aránytalanság miatt lép fel, mert teljesítményhiány esetében lecsökken a frekvencia és túlkínálat esetében pedig megnövekszik az. Ezt igen nehéz elképzelni, ezért alább egy egyszer? példa.

A dinamó elv

Korábban majdnem az összes teljesítményt generátorokkal – a kerékpár dinamóhoz hasonlóan – termelték meg. Minél több fogyasztó csatlakozott a hálózatra, annál nagyobb er?re volt szükség az igényelt energia megtermeléséhez. A hirtelen fellép? terhelésrákapcsolás ezáltal mint egy fék jelentkezik és a rotációs sebesség lecsökken, ami aztán – a dinamó elvb?l kifolyólag – frekvenciacsökkenéshez vezet. Hasonló a viselkedés a hirtelen terhelésleválasztáskor is, amikor gyorsan megemelkedik a rotációs sebesség és vele együtt a frekvencia is megemelkedik.

Így tehát az európai hálózat minden villamosenergia termel?jének megfelel? határok között kell tartania a frekvenciát és s?t szinkronizálnia is kell; ezt már több évvel ezel?tt meghatározták. Amennyiben ez nem történne meg, úgy fatális következményei lehetnek, amik a privát háztartásig is eljuthatnak, mivel minden elektromos és elektronikus készülék erre az egységesített feszültségre (230 VAC) és frekvenciára (50 Hz) van értelmezve. Nagy teljesítmények szállításakor a frekvenciaeltérések nem kívánatos áramirány váltáshoz vezethetnek, amik igen nagy potenciális romboló er?vel bírnhatnak az infrastruktúrával szemben.

Például a villamosenergia rendszer legnagyobb érték? berendezési közé tartoznak az ún. nagy- és óriástranszformátorok (120/20 kV és az ett?l nagyobb feszültségszint?ek). Eezeknek a berendezéseknek a károsodása, a kár mértékét?l függ? javítási költsége, illetve a javítás idejére es? energiaszolgáltatási kiesés nagy anyagi veszteséget jelent. A transzformátor-differenciálvédelmének a feladata. Hogy a károsodást okozó energetikai és az ezekb?l kialakuló fizikai hatásoktól megvédjék ezeket a nagyérték? hálózati berendezéseket.
Megjegyzés: egy 5 kWp-es fotovoltaik rendszer elhanyagolható hatással van a villamosenergia rendszerre (VER).

Külföldön a megújuló energiák kiépítése nagyobb léptékben történik, ez Magyarországra még nem jellemz?, mint azt a hálózati szolgáltatók és az energiatermel?k gondolták volna, és ennek megfelel?en nagyobb kihívások elé is állították ?ket.
Az id?járási körülmények és a megújuló energiák által termelt teljesítmények átvételi kényszere miatt egyaránt kompenzálni kell az energiaellátóknak a túlkínálatot és a hiányt, azaz a fogyasztást (terhelést) és a termelést (teljesítményt). Ennek érdekében olyan megfelel? konceptekkel dolgoznak az energiaszolgáltatók (primer-, szekunder szabályozás, perces (tercier) szabályozás), amivel igen rövid id?n belül – a primer szabályozás esetében ez például max. 30 másodperc – nagy teljesítménykülönbségeket tudnak kiegyenlíteni. A jelenlegi európai infrastruktúra azonban csak bizonyos határokig képes ezeket az ingadozásokat kiegyenlíteni. Minden ország tart fenn pozitív- és negatív szabályzó teljesítményt. Így például Németországban 7.000 MW pozitív kiszabályozó teljesítmény (kiegészít? teljesítmény sz?kös kínálat esetében) és 5.000 MW negatív kiszabályozó teljesítmény (a termelés csökkentése ill. a fogyasztás megnövelése) áll tartalékban ennek érdekében.

A mai magyar villamosenergia-rendszerre „el?írt” primer szabályozási tartalék kereken ± 50 MW, amelyet az UCTE ír el? számunkra (a szinkronzónánk a nettó termelése alapján). Természetesen szinkronzónánkban (például az UCTE-ben) el?írnak bizonyos frekvencia-jellemz?ket, megengedhet? értékeket. Azt is jelzik, hogy az egyes részrendszer nagysága alapján milyen hálózati teljesítményszámmal (hálózati frekvencia-teljesítményjellemz?vel, ?) számolhatunk.

Az ajánlott szekunder szabályozási tartalék nagyságát a szinkronzónánkban (pl. UCTE) egy képlettel határozzák meg a csúcsterhelés függvényében. Ennek megfelel?en például nálunk kereken ± 150 MW szekunder szabályozásra van szükség.

A szekunder szabályozás feladata, hogy visszaszabályozza – a teljesítményegyensúly beállításával – a frekvenciát öt perc alatt az el?írt értékre. Itt is vannak átmeneti lengések, de gyors a csillapodás. Nem mindig pontosan 50,000 Hz a beállított érték, hiszen a korábbi eltérésekb?l ered? id?t is ki kell egyenlíteni.
Ez tehát a valódi fizikai szabályozás a villamosenergia-rendszer szinkronzónájában. Az f-P szabályozással (frekvencia- és teljesítmény-szabályozással) tartják automatikusan a terhelés és a teljesítmény (azaz a fogyasztás és a termelés) kívánt egyensúlyát az el?írt frekvencián.
Egy adott területen – például egy országban – egy vagy több (nálunk egy, Németországban négy, Ausztriában három) ún. szabályozási zóna (CA) van, tehát nem országhatár függ? a zóna. Ezekben a zónákban alapvet? cél a mérleg egyensúlyban tartása, tehát a területi szabályozási hiba minimálása. Ez összeadódhat a teljesítmény- és a frekvencia-szabályozási hibákból. A cél e hibák minimálása. A frekvenciatényez?k mindig kicsit nagyobbak, mint a hálózati teljesítményszámok (?); pl. az 1. UCTE-szinkronzónában a frekvenciatényez?, K=19 800 MW/Hz, míg ?=18 000 MW/Hz. Itt kell megjegyezni, hogy jelenleg az 1. UCTE szinkronzónában a primer tartalék ± 3000 MW, de ez nem volt elég pl. a tavalyi olasz kiesés hatásainak el?írások szerinti kiegyenlítéséhez.
Ki kell emelni, hogy a politikai vagy gazdasági csoportosulások egészen más alapszabályokat követhetnek, mint a szinkronzónák szerinti együttm?ködések. Svájc nem tagja az EU-nak, de az UCTE-nek igen, Lettország tagja az EU-nak, de az UCTE-nek nem. Ezért fontos elkülöníteni a politikai alapon kialakult jogi szabályozásokat a fizikai alapokat követ? együttm?ködési szabályoktól.

Mivel a napelemes rendszerek, mindenek el?tt összességében Németországban, lényeges nagyobb ingadozásokat tudnak okozni, ezért nemzetközileg szoros határokat állapítottak meg, amik között a hálózati frekvencia mozoghat. A fels? határérték az 50,2 Hertz. Ha ez elértnek számít, úgy le kell választani a napelemes rendszereket a hálózatról, hogy megakadályozzák a frekvencia további növekedését.

Ez azonban nem igen tud m?ködni Németországban, mert a fotovoltaik er?m?vek végs?sorban igen nagy teljesítményhez vezettek. Amennyiben minden pv-rendszert egyszerre levennék a hálózatról, miután az 50,2 Hz határérték el lett érve, úgy egyik másodpercr?l a másikra több gigawattnyi teljesítmény hiányozna a hálózatból. Így a probléma gyakorlatilag csak megfordul.
Hogy ezt a dinamikus kiegyenlítést a jöv?ben jobban uralni tudják, ezért a hálózati szolgáltatóknak tudni kell szabályozni a fotovoltaik er?m?veket és azt céltudatosan regionálisan is. Itt nem szabad a szolgáltató önkényeskedésére gondolni. Csak így lehetséges a fogyasztást (terhelést) és a termelést (teljesítményt) – a hálózati stabilitás veszélyeztetése nélkül – optimálisan egymáshoz rendelni.
Végs? soron nem igen akad valaki, aki télen mínusz 20 fokos hidegben beindítja az autóját és az els? másodperct?l fogva azonnal teljes gázt (padlógázt) ad neki.

Remélhet?en felkészülten várják a hazai energiaszolgáltatók és elosztók az egyszer mégis csak meginduló energiafordulatot. Idejük és lehet?ségük meg volt és van, hogy a fotovillamos- és a szélenergiák kiépítésében már el?ttünk járó országok ezen a téren megszerzett tapasztalatait átvehessük és azokat megfelel?en adaptálhassuk.