Byl pátek 8. ledna 2021, čas 14:04. V chorvatské rozvodně Ernestinovo rozpojila nadproudová ochrana dvě přípojnice. Za normálních okolností by to byla běžná energetická porucha, která by pronikla maximálně na zadní stranu záhřebského Jutarnjiho listu.
Kdyby ovšem nevedla k rozdělení celoevropské sítě na dva ostrovy a riziku blackoutu na celém kontinentu. Zatímco příčiny události zůstávají i po druhé zprávě ENTSO-E nejasné, o jejím řešení není sporu: Evropu zachránily před blackoutem klasické elektrárny na jádro, uhlí a plyn.
Je pikantní, že zatímco samotný Balkán, který kaskádové šíření problému odstartoval, měl následně poměrně snadnou úlohu, celý zbytek Evropy se musel vyrovnat s nejzávažnějším incidentem za posledních 14 let. Zatímco jihovýchodní Evropa čelila přebytku elektřiny a nárůstu frekvence, druhý, podstatně rozlehlejší z ostrovů nedostatku elektřiny a poklesu frekvence. Zatímco na Balkáně stačilo „ubrat páru“, ostatní evropské země musely naopak přidat, což je obecně vždy o dost složitější. Ostatně drtivá většina všech blackoutů za posledních 50 let byla způsobená nedostatkem, nikoliv přebytkem energie.
Provozovatelé soustav a elektráren se v minulých týdnech shodli na tom, že blackoutu se podařilo předejít díky tzv. „roztočeným“ elektrárenským strojům v klasických zdrojích. Jak to ale probíhalo v praxi? A co se dělo v prvních milisekundách, než stihla první elektrárna automaticky „přidat páru“ a první dispečer zmáčknout knoflík?
V prvních milisekundách a sekundách odvrátila blackout fyzika
„Velkou výhodou tradičních zdrojů jsou tzv. setrvačné hmoty, kterými disponují všechny uhelné a jaderné elektrárny a v omezené míře plynové. Díky nim dokážou velké roztočené stroje v případě potřeby skokově dodat mnohem více energie, než aktuálně produkují, a to s minimálními řídicími zásahy,“ Zdeněk Müller z katedry elektroenergetiky ČVUT a vysvětluje, odkud se tato energie bere:
„Když tyto velké turbíny najíždějí, musí se investovat velké množství energie na jejich roztočení. Čím jsou větší, tím více energie je potřeba. A tato energie je během chodu zachována – zůstává v těchto strojích uložena po celou dobu jejich otáčení.“
V pátek 8. ledna 2021 bezprostředně po poruše chorvatské rozvodny nastal v severozápadní části evropské soustavy přesně tento jev: Chybějící energii bleskově dodala do sítě setrvačnost. V prvních zlomcích vteřiny tedy pád frekvence nezachránili dispečeři, a dokonce ani automatické systémy primární regulace, ale prostá fyzika reprezentovaná stovkami velkých roztočených turbín po celé Evropě.
„Díky setrvačným hmotám soustava v kolapsovém stavu ustála první náraz a získala drahocenný čas na řešení problému. Je naprosto jednoznačné, že kdybychom tyto roztočené stroje neměli k dispozici, frekvence by padala mnohem strměji a k blackoutu by velmi pravděpodobně skutečně došlo,“ popisuje Zdeněk Müller a dodává:
„Z hlediska energetické bezpečnosti jsou tepelné elektrárny fyzikálně velmi dobře vymyšlené. Další ‚havarijní‘ energie je totiž uložená ve vodní páře, která je natlakovaná v systému od kotle až k turbíně a přirozeně se sama tlačí do turbíny hned v návaznosti na odebírání točivé hmoty. Toto se opět děje v řádu vteřin, aniž by se zvýšil výkon kotle.“
Jak moc důležitá byla druhý lednový pátek ona fyzikální „záchranná brzda“? Představme si, že by to nebyla skutečná událost, ale sci-fi, a že v Teplárně Kladno seděl u plynové turbíny dispečer s křišťálovou koulí. Pointa je v tom, že i kdyby skutečně tušil, co a kdy se stane, svým aktivním zásahem by soustavě nepomohl.
„Kladno má nejrychlejší turbínu v Česku, ani ona ovšem nereaguje v řádu vteřin, ale v řádu minut. V dynamickém stavu dokážou elektrárny obecně mnohem víc a právě díky fyzikálním zákonům umí chybějící energii dodat.“
Regulace, odhazování zátěže a pak už jen tma
Teprve poté, co jsme si po incidentu v Ernestinově „koupili“ čas fyzikou, nastupují automatické systémy na úrovni sítě i jednotlivých zdrojů. V návaznosti na pokles frekvence elektrárny automaticky aktivovaly primární regulaci a přepnuly se z výkonového režimu do režimu regulace otáček v autonomním řízení.
Každý točivý zdroj tedy v rámci svých technických možností začal automaticky přidávat výkon až do okamžiku, než dosáhl svého výkonového maxima nebo než se podařilo frekvenci vrátit zpět na 50 Hz. Dispečeři na úrovni provozovatelů soustav tento typ regulace nakupují jako podpůrnou službu.
„V kritickém období elektrárny laicky řečeno automaticky přidaly plyn, aby vyrovnaly frekvenci. V Elektrárně Chvaletice jsme například přidávali na všech výrobních blocích cca 10 MW. Podobně zareagovaly i výrobní bloky v Elektrárně Počerady,“ říká směnový inženýr Milan Prokop z Elektrárny Chvaletice.
V této souvislosti je třeba upozornit na tzv. princip solidarity, který se uplatňuje v rámci vzájemně propojené evropské soustavy. Platí pravidlo, že pokud má nějaký stát málo elektřiny, okolní země by mu měly pomoci, mají-li samozřejmě „z čeho“. V případě událostí 8. ledna 2021 se takto podílely na záchraně rakouské soustavy i české stabilní zdroje.
Vzhledem k závažnosti incidentu ovšem evropská soustava souběžně musela využít i další záchranné mechanismy než jen primární regulaci. Je třeba zdůraznit, že po odpojení Balkánu měl zbytek Evropy deficit ve výši 6,3 GW! To pro představu odpovídá více než polovině špičkového zatížení České republiky v aktuálním mrazivém období…
„Na úrovni distribučních soustav jsou naistalována tzv. frekvenční relé, která hlídají kritickou úroveň frekvence v síti. Distributor má povinnost při poklesu frekvence odpojit určité nasmlouvané zákazníky. Cílem je snížit zátěž, a ochránit tak přenosovou soustavu před dalším šířením problému. Ale je třeba zdůraznit, že toto řešení už je havarijní a může vést postupně k výpadkům v rozsáhlých regionech,“ říká Zdeněk Müller.
I tento scénář v některých částech Evropy nastal. Francie a Itálie musely odpojit některé velké zákazníky, kteří jsou k takovému kroku smluvně zavázáni v případě, že frekvence poklesne pod určitou hranici.
„V soustavě jsou vytipovány vývody, které má smysl vypnout a které zároveň nejsou součástí kritické infrastruktury. Nemá smysl vypnout ve všední den dopoledne prázdné sídliště a je zakázáno odpojovat nemocnice, hasiče či policii. O konkrétním postupu rozhoduje distributor dle přesně stanovených pravidel,“ prozrazuje Zdeněk Müller.
Pokud nepomůže ani odhození této menší zátěže, odhazuje se přirozeně čím dál větší zátěž, odpojují se celé oblasti, a pokud ani to nezabere, evropská soustava nevyhnutelně míří ke kompletnímu blackoutu. Což se naštěstí zatím nikdy nestalo. Ale z událostí 8. ledna 2021 bychom si právě proto měli vzít ponaučení.
„Soustava to ustála velmi dobře, ale je třeba se dívat po dalších preventivních opatřeních a hledat další stabilizující prvky. Přibývá obnovitelných zdrojů energie, které jsou obtížně řiditelné a obtížně predikovatelné a přispívají do soustavy příliš malým zkratovým výkonem, takže síť obecně destabilizují.
S každým nárůstem technologie s negativním vlivem na stabilitu systému proto musíme připojit novou technologii, která naopak bude síť stabilizovat. Možností je celá řada, ovšem ne všechny jsou ekonomicky efektivní. Jako síťař musím konstatovat, že z hlediska fyzikálních zákonů vycházejí stále nejlépe točivé stroje, které jsou připojené natvrdo do sítě. A ještě hodně dlouho tomu tak bude.“
Doc. Zdeněk Müller je vedoucím katedry elektroenergetiky na Fakultě elektrotechnické ČVUT v Praze. Specializuje se mimo jiné na energetickou bezpečnost a elektrická vedení.
Komentáře