Sieć XXI wieku

Zależymy od sieci. Kiedyś naszym życiem rządziło słońce, dziś zmrok zapada dopiero wtedy, gdy tego chcemy. W czasach Wielkiego Kryzysu, gdy zaczęła się elektryfikacja wiejskich obszarów Stanów Zjednoczonych, pewnej niedzieli jakiś farmer z Tennessee wstał w kościele i powiedział: „Najważniejsza rzecz na świecie to mieć w sercu miłość do Boga, ale druga najważniejsza rzecz to mieć elektryczność w domu”. A w tamtych czasach elektryczność to było parę żarówek, no, może jeszcze radio.
Sieć to coś cudownego. Ale jest przestarzała i coraz bardziej zawodna, zwłaszcza w epoce mnożących się elektronicznych urządzeń. Rozległe awarie i zakłócenia zasilania – zaniki, wahania i spadki napięcia – kosztują Amerykanów 80 mld dolarów rocznie. Poza tym sieć wymaga radykalnej przebudowy, by mogła sobie poradzić z nowymi – ekologicznymi – źródłami energii. Oznacza to m.in. konieczność budowy linii przesyłowych, które dostarczą do wielkich miast energię wytworzoną przez elektrownie wiatrowe i słoneczne położone w odległych rejonach.

Sieć musi stać się inteligentna. Chodzi o to, by była w większym stopniu zautomatyzowana i miała zdolności „samonaprawcze”. Musi sobie radzić z niewielkimi źródłami energii o zmiennej mocy, jak baterie słoneczne i turbiny wiatrowe. Wahania zapotrzebowania powinna kompensować za pomocą gromadzenia energii – w akumulatorach samochodów elektrycznych (to jedna z wizji przyszłości) lub np. w komorach wypełnionych sprężonym powietrzem.
Sieci elektroenergetyczne istnieją dziś na każdym z sześciu kontynentów. Być może któregoś dnia Europa sięgnie przez Morze Śródziemne do Afryki, żeby pobierać energię uzyskaną ze słońca na Saharze. W Kanadzie i Stanach Zjednoczonych sieć przesyła miliony megawatów dziesiątkami milionów kilometrów drutów. Mówi się o niej, że to największa maszyna na świecie. Narodowa Akademia Inżynierii nazywa ją największym osiągnięciem inżynierskim XX w.

Thomas Edison, wynalazca żarówki, zapoczątkował budowę sieci w 1881 r. Przekopywał południowy Manhattan, kładąc miedziane przewody w tunelach z cegły. Zbudował pierwszą elektrownię tuż koło Mostu Brooklińskiego. 4 września 1882 r. w gabinecie finansisty Johna P. Morgana Edison przekręcił włącznik. Setki żarówek rozświetliły biurowiec firmy Drexel, Morgan & Co. oraz inne pobliskie biura.
Edison postawił na prąd stały, który dobrze się spisywał w jego żarówkach. W tamtych czasach stosowano niskie napięcie. Prąd zmienny, jak się dosadnie Edison wyraził, nadaje się raczej do wykonywania wyroków śmierci na zbrodniarzach (żeby tego dowieść, dokonał egzekucji prądem cyrkowego słonia). Jego argumentacja była fałszywa: prąd zmienny (elektrony nie płyną w nim stale w jednym kierunku, lecz zmieniają go z określoną częstotliwością) nie jest bardziej niebezpieczny niż prąd stały – groźne jest wysokie napięcie. Prąd zmienny wygrał ze stałym głównie dlatego, że za pomocą transformatorów łatwo jest zwiększyć jego napięcie, przesłać, a potem zmniejszyć napięcie do bezpieczniejszego, stosowanego w gospodarstwach domowych. Już w latach 90. XIX w. linie przesyłowe prądu zmiennego biegły z nowej elektrowni przy wodospadzie Niagara do Buffalo, na odległość 32 km. Dziś do przesyłania na bardzo duże odległości używa się prądu stałego o wysokim napięciu. Trudniej go wytworzyć niż prąd zmienny, ale to dzięki wysokim wartościom napięcia straty podczas przesyłania są mniejsze.

Minęło kilkadziesiąt lat, nim elektryczność z fabryk i pałaców bankierów przeniosła się pod strzechy. W latach 20. XX w. zaspokajała mniej niż 10 proc. zapotrzebowania energetycznego w USA. Nieubłaganie jednak przenikała do codzienności. Skrzynki z lodem stopniowo zostały zastąpione przez chłodziarki, klimatyzatory coraz częściej chroniły przed upałami. Pojawienie się w 1956 r. elektrycznego otwieracza do puszek można uznać za symbol końca wieków ciemnych. Dziś elektryczność stanowi 40 proc. zużywanej przez Amerykanów energii.
Z początku wytwarzanie i przesyłanie energii elektrycznej odbywało się na skalę lokalną. Na terytorium Stanów Zjednoczonych powstawała mozaika minisieci. Z czasem zakłady energetyczne zorientowały się, że połączenie sieci przesyłowych zmniejszy koszty, a zwiększy niezawodność dostarczania energii. Po rozległej awarii zasilania (blackoucie) z 1965 r. na północnym wschodzie USA i w Kanadzie zarządzanie siecią przeszło na poziom operatorów regionalnych, obejmujących wiele stanów. Ale nawet i dzisiaj amerykańska sieć nie jest całkowicie zjednoczona. Zastosowane w niej rozwiązania techniczne są przestarzałe. Poznać to można nawet po tym, w jaki sposób zakład energetyczny mierzy zużycie prądu – przez inkasentów, którzy chodzą po domach i odczytują wskazania licznika. Skąd zakład energetyczny wie, że w domu nie masz światła? Z twojego telefonu. Zakłady energetyczne nie mają wystarczających i aktualnych informacji o tym, ile i jakiego prądu płynie ich liniami – one na ogół nie przesyłają żadnych danych. Kontrola przepływu jest nadmiernie uzależniona od ludzi i powolnych, mechanicznych przełączników.

– Sieć elektryczna opiera się dziś na rozwiązaniach technicznych pochodzących z lat 60. XX w. – mówi fizyk Philip F. Schewe, autor książki The Grid (Sieć). – Internet poszedł gdzieś obok. A licznik na ścianie mieszkania to urządzenie oparte na technice z lat 20.
Gdy Pstrykasz włącznikiem Światła, elektryczność, która napływa do żarówek, wytworzona została ułamek sekundy wcześniej w odległości wielu kilometrów. Nie wiesz gdzie, ponieważ setki elektrowni wlewają równocześnie wytworzoną energię do wspólnej sieci. Dzisiejsze rozwiązania techniczne nie umożliwiają magazynowania jej na dużą skalę, dlatego elektryczność trzeba wykorzystać natychmiast i nieustannie zachowywać precyzyjną równowagę między wytwarzaniem energii a jej poborem. W dyspozytorniach inżynierowie śledzą przepływ elektryczności, starając się utrzymać stabilne napięcie i częstotliwość, uniknąć wahań, które mogą uszkodzić urządzenia u odbiorców, ale także urządzenia samej sieci.

Gdy pstrykam włącznikiem w swoim domu w Waszyngtonie, podłączam się do ogromnej puli elektryczności zwanej PJM Interconnection. To jeden z kilku regionalnych operatorów systemu dystrybucyjnego tworzących razem sieć Eastern. Jeden z nowych ośrodków dyspozytorskich PJN mieści się na północ od Filadelfii. Zwiedzałem go w towarzystwie rzecznika prasowego firmy Raya E. Dottera.
W pomieszczeniu dyspozytorni uwagę przyciąga półokrągła ściana, na której miga 36 monitorów. Komputery śledzą temperaturę przewodów. Jeśli linią płynie zbyt dużo energii, druty grzeją się i wydłużają, co powoduje, że zwisają zbyt nisko, a to jest niebezpieczne. Nawet drobne zdarzenie pozostające poza kontrolą operatorów może szybko wykoleić cały system.
Tak jak to się stało 14 sierpnia 2003 r. Większa część sieci zarządzanej przez PJM uniknęła katastrofy, która rozpoczęła się w pobliżu Cleveland. To był upalny dzień. Klimatyzatory szumiały na pełnych obrotach. Tuż po godz. 13 dyspozytor regionalnego operatora dystrybucyjnego First Energy poprosił elektrownie o więcej prądu. O godz. 13.36 w elektrowni położonej na brzegu jeziora Erie, której dyspozytor obiecał, że „da na maksa”, wystąpiła awaria. Żeby wyrównać niedobór w północnym Ohio, ze wszystkich stron sieci gwałtownie popłynął prąd.

O godz. 15.05 na linii przesyłowej 345 kV w pobliżu Walton Hills doszło do zwarcia: wydłużone pod wpływem temperatury przewody dotknęły nieprzyciętych w porę gałęzi drzewa. Awaria spowodowała wzmożony przepływ innymi liniami, ich przeciążenie i przegrzanie. Rozciągnięte przewody kolejnych linii dotykały czubków drzew, co powodowało zwarcia.
Dyspozytorzy sieci nazywają takie zdarzenia awariami kaskadowymi. Pracownicy First Energy nie mieli jednak pojęcia, że zbliża się kaskada, bo popsuł się także system alarmowania. O godz. 16.06 nastąpiła awaria ostatniej linii, kaskada dotarła do Wschodniego Wybrzeża. Nie mając odbioru wytwarzanej energii, 265 elektrowni musiało się wyłączyć. 50 mln ludzi w ośmiu stanach USA i w Ontario w Kanadzie dotknął największy blackout w historii Ameryki Północnej.
Inżynierowie z dyspozytorni przedsiębiorstwa Consolidated Edison na południowym Manhattanie dobrze pamiętają tamto popołudnie. Zwykle zużycie energii zmniejsza się stopniowo, z minuty na minutę, w miarę jak pracownicy biur w centrum miasta wyłączają komputery i gaszą światła, kończąc pracę. Tymczasem o godz. 16.13 zgasły światła w samej dyspozytorni. Operatorzy pomyśleli, że to zamach, coś jak atak na World Trade Center. Potem zadzwonił telefon. – Co się stało? – pytał ktoś z giełdy nowojorskiej. Dyspozytorzy od razu zdali sobie sprawę, że awaria objęła całe miasto.

Stanęły giełda, banki, fabryki. Zamknięto restauracje. Przywrócenie zasilania zajęło półtorej doby, linia po linii, podstacja po podstacji. Awaria kosztowała 6 mld dolarów. Zaalarmowała także Pentagon i decydentów z Departamentu Bezpieczeństwa Krajowego USA. Zaczęto się obawiać, że jeśli sieć jest wrażliwa na nieprzycięte gałęzie drzew, to tym bardziej na terrorystów.
Ten blackout, a także globalne ocieplenie klimatu to bodźce wymuszające modernizację sieci. Rząd federalny przeznaczył na ten cel 4,5 mld dolarów, dorzucając 6 mld na budowę nowych linii przesyłowych. Niemal wszystkie główne przedsiębiorstwa energetyczne prowadzą własne prace na rzecz inteligentnej sieci.

– Przez ostatnie sto lat system elektroenergetyczny był projektowany i budowany mniej więcej tak samo, jak to wymyślili Edison i Westinghouse. Zajmowano się tylko podażą, a bardzo niewiele robiono, żeby kontrolować także zużycie – tłumaczy Steve Hauser z US Department of Energy’s National Renewable Energy Laboratory (NREL) w Boulder w stanie Colorado.
Rozwiązania techniczne sieci inteligentnej wprowadziła w Boulder we współpracy z NREL firma Xcel Energy. Pierwszy etap to instalacja inteligentnych liczników, które przekazują do elektrowni dane siecią światłowodów (mogą też bezprzewodowo). Liczniki pokazują też konsumentowi, ile w rzeczywistości kosztuje go energia o różnych porach doby.
Jeśli konsument widzi różnicę w cenie, może go to skłaniać do korzystania z energii w okresach, gdy jest ona tańsza. Zmywarkę do naczyń czy suszarkę do prania będzie uruchamiał w nocy. Następny krok to zapewnienie wyboru operatorom sieci. Zamiast tylko zwiększać dostawy energii, mogliby mieć wpływ na ich zmniejszenie. W upalny letni dzień inteligentna sieć mogłaby automatycznie regulować termostaty klimatyzatorów i lodówek, zezwalając na wzrost temperatury – oczywiście po uprzednim uzyskaniu zgody właściciela domu.

„Zarządzanie popytem” może oszczędzić energię, ale także pomaga sieci radzić sobie z energią elektryczną ze źródeł odnawialnych. Panele słoneczne czy turbiny wiatrowe nie działają stale. Nie da się ich uruchomić na zawołanie. Można sobie wyobrazić tak zaprogramowane inteligentne odbiorniki prądu, które działałyby tylko wtedy, gdy warunki sprzyjają wytwarzaniu elektryczności z wiatru lub słońca.
W niektórych krajach, na przykład we Włoszech i w Szwecji, wprowadzanie rozwiązań technicznych inteligentnej sieci jest znacznie bardziej zaawansowane niż w USA. W Boulder projekt sieci inteligentnej uruchomiono w bieżącym roku. Niestety, jak ocenia Hauser, zaledwie 10 proc. amerykańskich odbiorców jest wyposażonych w najprostsze choćby inteligentne liczniki.

– Zakłady są przyzwyczajone do starych, mechanicznych liczników z wirującą tarczą, które kosztują 40 dol. Licznik inteligentny, z układem scalonym, z bezprzewodową łącznością, jest pięć razy droższy. To dla zakładu energetycznego ogromny wydatek – wyjaśnia. Wprowadzenie projektu w Boulder kosztowało Xcel Energy trzykrotnie więcej, niż planowano.
Niska cena prądu pozostaje głównym celem branży. W USA połowa energii elektrycznej pochodzi ze spalania węgla. Jeśli nie liczyć hydroelektrowni, tylko 3 proc. energii elektrycznej w USA uzyskiwane jest ze źródeł odnawialnych. Elektryczność z węgla kosztuje parę centów za kilowatogodzinę, a z czystych źródeł dużo więcej. Mogą one być konkurencyjne tylko wtedy, gdy pomoże im rządowa polityka podatkowa albo przymus administracyjny. Szef elektrowni patrzy na wiatrak i myśli: a co jeśli nie będzie wiało? Patrzy na baterie słoneczne i myśli: a gdy będzie pochmurno? Sama inteligentna sieć nie rozwiąże problemu niestabilności wytwarzania energii. Trzeba znaleźć sposób jej magazynowania na pochmurne i bezwietrzne dni.

Obecnie Amerykanie mogą przechowywać około 2 proc. swojej letniej produkcji energii (w Europie więcej) w zbiornikach elektrowni szczytowo-pompowych. W nocy, gdy elektryczność jest tania, elektrownia wykorzystuje ją do pompowania wody do zbiornika położonego na górze, gromadząc energię na okres zwiększonego zapotrzebowania. W Alabamie jest też elektrownia, która pompuje nocą powietrze do podziemnych zbiorników, sprężając je pod ciśnieniem 70 kg/cm² . W ciągu dnia wypuszczane powietrze porusza turbinę. Z kolei instalacja w stanie Iowa do sprężania powietrza używa energii uzyskanej z turbin wiatrowych.
Prąd można też gromadzić w bateriach akumulatorów. Na razie jednak ma to sens tylko w sytuacjach ekstremalnych. Na przykład dalekie od wszelkich centrów miasto Fairbanks na Alasce dysponuje awaryjnym systemem zasilania opartym na akumulatorach niklowo-kadmowych. Mają wielkość boiska futbolowego.

Większe perspektywy mają akumulatory litowo-jonowe, zwłaszcza instalowane w samochodach elektrycznych lub hybrydowych. PJM już płaci 200 dol. miesięcznie naukowcom z Uniwersytetu Delaware za testowe gromadzenie energii w trzech elektrycznych toyotach. Auta pobierają energię z sieci do ładowania akumulatorów, ale gdy PJM potrzebuje elektryczności do ustabilizowania częstotliwości, oddają ją do sieci. Tysiące samochodów mogłyby w przyszłości pełnić funkcję zbiorowego akumulatora wyrównawczego dla całej sieci. Pobierałyby energię wtedy, gdy wytwarzają ją niestabilne źródła wiatrowe czy słoneczne, a oddawałyby jej część, gdy przestanie wiać albo słońce schowa się za chmurami.
Większe perspektywy mają akumulatory litowo-jonowe, zwłaszcza instalowane w samochodach elektrycznych lub hybrydowych. PJM już płaci 200 dol. miesięcznie naukowcom z Uniwersytetu Delaware za testowe gromadzenie energii w trzech elektrycznych toyotach. Auta pobierają energię z sieci do ładowania akumulatorów, ale gdy PJM potrzebuje elektryczności do ustabilizowania częstotliwości, oddają ją do sieci. Tysiące samochodów mogłyby w przyszłości pełnić funkcję zbiorowego akumulatora wyrównawczego dla całej sieci. Pobierałyby energię wtedy, gdy wytwarzają ją niestabilne źródła wiatrowe czy słoneczne, a oddawałyby jej część, gdy przestanie wiać albo słońce schowa się za chmurami.