Energii regenerabileEnergia regenerabilă (eoliană, solară, biogaz), va deveni din ce în ce mai importantă în producerea electricităţii. Dacă mai multe sisteme de turbine eoliene şi panouri fotovoltaice alimentează cu energie reţeaua, aceasta devine mai densă şi mai distribuită.

 

 

 

Prin urmare, în locul unui mic număr de centrale electrice de mari dimensiuni, reţeaua este compusă dintr-un număr mai mare de centrale electrice mai mici, descentralizate, care vor fi legate cu maşinile de spălat, computerele şi echipamentele industriale ale consumatorilor. O astfel de reţea electrică densă nu ar mai fi, pe de altă parte, atât de vulnerabilă la pene de curent cum se tem unii experţi. S-ar putea presupune că este mult mai dificilă sincronizarea mai multor generatoare cu maşinile consumatorilor, adică alinierea lor într-o singură frecvenţă împreună cu reţeaua, la fel cum un dirijor ghidează muzicienii unei orchestre într-o armonie ritmică.

Numai că oamenii de ştiinţă de la Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization din Göttingen au descoperit, folosind simulări computerizate, cum consumatorii şi generatoarele descentralizate ar putea totuşi să se autosincronizeze destul de uşor. Aceste rezultate mai indică faptul că o avarie a unei linii individuale de furnizare în reţeaua descentralizată are mai puţin probabil ca rezultat o pană de curent în întreaga reţea, iar acest lucru trebuie avut în vedere în momentul adăugării de noi legături: în mod paradoxal, conexiunile adiţionale pot reduce capacitatea de transmisie a reţelei în ansamblu.


Energia solara si eoliana

Problema transformării energiei ce alimentează reţelele de curent electric: În prezent, centralele electrice de mare capacitate alimentează în principiu împrejurimile imediate. În viitor, generatoare eoliene şi solare mai mici şi mai răspândite vor prelua o mai mare parte a reţelei de furnizare. Acest lucru va conduce la o nouă arhitectură a reţelei, care ar putea fi mai puţin vulnerabilă la pene de curent decât reţelele de astăzi, în pofida temerilor unora. Credit: designergold, based on outlines provided by the MPI for Dynamics and Self-Organization.


Sincronizarea, dinamica coordonată a mai multor unităţi în acelaşi ritm, se întâlneşte peste tot în natură. Neuronii din creier se activează adeseori simultan, licuricii îşi sincronizează luminile sclipitoare, iar greierii emit sunete la unison. O formă similară de armonie este, de asemenea, necesară în reţelele de electricitate în care toate generatoarele şi toate maşinile care consumă electricitate trebuiesc sincronizate la frecvenţa reţelei de 50 de hertzi. Generatoarele marilor centrale sunt controlate astfel încât rămân în acelaşi ritm cu reţeaua de curent. Reţeaua, în schimb, impune frecvenţa maşinilor de spălat, aspiratoarelor şi frigiderelor de la celălalt capăt astfel încât toate elementele rămân în sincronism, evitându-se astfel scurtcircuitele şi opririle de urgenţă.

Pe parcursul unor reamplasări ale surselor de energie, structura reţelei de curent se va schimba. Centralele electrice de dimensiuni mari de astăzi, care furnizează energie zonelor înconjurătoare, vor fi în mare parte înlocuite de panouri fotovoltaice multiple de pe acoperişuri, sisteme cu biogaz de pe teren şi turbine eoliene pe dealuri şi pe ţărmuri. Liniile de înaltă tensiune nu vor mai forma reţele în formă de stea ce doar transmit energia dinspre centralele electrice către consumatorii din împrejurime, ci vor arăta mai mult ca nişte plase de pescuit dense care vor conecta multe generatoare de consumatori. Experţii cred că va fi foarte dificil să creeze armonie între această multitudine de generatoare mici. Comparativ, ar fi ca şi cum am dirija o orchestră uriaşă, cu mii de muzicieni, în locul unei orchestre de cameră. Totuşi, potrivit descoperirilor făcute în cadrul Network Dinamic Group condus de Marc Timme de la Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation din Göttingen, sincronizarea într-o reţea de curent descentralizată ar putea fi de fapt mai uşoară decât s-a crezut anterior, deoarece o reţea cu multe generatoare îşi găseşte propriul ritm comun de curent alternativ.





Într-o reţea descentralizată, centralele electrice şi consumatorii se autosincronizează

Oamenii de ştiinţă din Göttingen au simulat o reţea densă de mici generatoare şi consumatori. Modelul lor computerizat calculează reţeaua pentru o întreagă ţară (din motive practice ei au ales Marea Britanie) şi ţine cont de oscilaţiile tuturor generatoarelor şi motoarelor electrice care sunt conectate la reţea. Combinarea unui asemenea nivel de detalii cu mărimea reţelei este un nou punct de plecare. Anterior, dinamica curenţilor oscilanţi alternativi la 50 de hertzi era în principiu simulată doar în cazul unor reţele mici. Simulatoare pentru reţele mai mari mai există, dar ele sunt folosite în general doar pentru a face predicţii în privinţa proprietăţilor statice ale reţelei, cum ar fi cât curent se va transmite din punctul A în punctul B. Au fost ignorate complet oscilaţiile generatoarelor şi motoarelor electrice. „Modelul nostru este suficient de complex şi extins pentru a simula efectele colective în reţele complexe şi, la fel de important, este suficient de simplu pentru a ne oferi înţelegere asupra acestor efecte”, spune Dirk Witthaut, conducător de proiect în cadrul grupului de cercetare.

Oamenii de ştiinţă au simulat un număr foarte mare de reţele, fiecare cu o structură diferită. Reţelele erau alcătuite din diferite configuraţii de generatoare mari şi mici, cu linii de capacitate variată, asemănătoare cu nişte drumuri de ţară şi autostrăzi pentru curent electric. Acest lucru a permis identificarea diferenţelor dintre reţelele de curent centralizate şi descentralizate.



Energie eoliana si solara

Cât de robustă este o reţea electrică? Folosind reţeaua din Marea Britanie drept exemplu, oamenii de ştiinţă din Göttingen au aflat din calcule ce se petrece când linii separate sunt întrerupte. Dacă una din liniile albastre este tăiată, o pană de curent în toată reţeaua este puţin probabilă. În cazul liniilor vişinii, totuşi, probabilitatea unei pene generale creşte la aproape 50 de procente. Credit: Dirk Witthaut and Marc Timme/MPI for Dynamics and Self-Organisation.


O reţea densă poate compensa mai uşor în cazul unei avarii de linie

Oamenii de ştiinţă din Göttingen au analizat aspecte suplimentare care intră în discuţie când vine vorba de tranziţia de la o reţea centralizată la una descentralizată. Ce se petrece, spre exemplu, dacă o singură linie de transmisie este avariată sau nu funcţionează corect? În reţelele existente aceasta poate avea un efect de domino, precum cel văzut în 2006 în pana de curent din întreaga Europă, cauzată de închiderea unei singure linii din nordul Germaniei. Simulările efectuate de echipa din Göttingen indică faptul că reţelele descentralizate sunt mult mai robuste atunci când linii individuale sunt întrerupte. Aceasta se întâmplă pentru că o reţea densă are aproape întotdeauna linii învecinate care pot prelua sarcina unei linii închise. Spre deosebire de reţelele cu o structură formată din ramuri mari, acestea au puţine legături principale indispensabile, cu potenţialul de a îngenunchea întreaga reţea.



Energie solara si eoliana

O linie în locul nepotrivit: Dacă operatorii britanici ar pune o nouă linie de curent de-a lungul liniei întrerupte (săgeţii), ei ar închide, aparent, un gol în reţea. Pe baza paradoxului lui Braess, totuşi, această linie ar întrerupe transmisia curentului prin toată reţeaua. Credit: Dirk Witthaut and Marc Timme/MPI for Dynamics and Self-Organisation.

Cu toate acestea, expansiunea energiilor regenerabile prezintă provocări pentru stabilitatea reţelei de alimentare. O altă simulare a arătat cercetătorilor că o reţea puternic descentralizată este mai vulnerabilă la fluctuaţii puternice de consum, după cum se întâmplă spre exemplu atunci când milioane de oameni îşi pornesc maşinile de spălat în acelaşi timp. Centralele mari pot amortiza aceste fluctuaţii de cerere mai uşor decât cele mici, deoarece generatoarele lor aflate în rotaţie înmagazinează mai multă energie cinetică. Reţeaua poate accesa aceste rezerve de rotaţie în scurt timp pentru a acoperi golurile de alimentare - o alternativă care nu este disponibilă în cazul panourilor solare.


Adăugarea de noi linii poate împiedica transmisia puterii


Într-un al doilea studiu, folosind acelaşi model matematic, Marc Timme şi Dirk Witthaut au descoperit un alt efect care este cunoscut din traficul rutier şi este contraintuitiv. Construind un nou drum şi, prin urmare, crescând capacitatea reţelei nu se îmbunătăţeşte neapărat fluxul traficului, ba dimpotrivă, o congestie mai pronunţată poate apărea la acelaşi volum de trafic. Asta se întâmplă atunci când noua porţiune de drum oferă o scurtătură pentru mulţi şoferi, dar a fost neinspirat aleasă în sensul că uneşte zone de blocaj care erau înainte evitate de majoritatea şoferilor.

Witthaut şi Timme au arătat că această situaţie, cunoscută drept Paradoxul lui Braess, poate fi observată şi în reţelele de electricitate, mai specific în reţelele descentralizate. Dacă o reţea atât de densă se autosincronizează, s-ar putea presupune că acea sincronizare va deveni mai uşoară cu fiecare legătură nouă; totuşi, nu este cazul întotdeauna: adăugarea unei noi linii ar putea întrerupe autosincronizarea.

Pentru a înţelege acest paradox, este util să ne gândim la două maşini într-o reţea densă. Maşinile în plus sunt localizate de-a lungul liniei care le uneşte. Cele două maşini sunt în sincronism atât timp cât fazele oscilaţiilor lor – unde faza descrie starea osculaţiei la un moment de timp şi într-un anumit loc – rămân într-o relaţie matematic definită, fixă una faţă de cealaltă. Aceasta nu înseamnă că cele două pendule se leagănă exact paralel unul faţă de celălalt, adică au acelaşi unghi de înclinare; de fapt, ele pot ajunge în defazaj. Totuşi, distanţa dintre pendulele oscilante este fixă pentru fiecare moment din timp şi punctele în care ele au acelaşi unghi de oscilaţie urmează la intervale regulate.


Cum reacţionează reţeaua la fluctuaţiile sursei

Dacă două maşini dintr-o reţea de curent trebuiesc sincronizate, adică dacă trebuie îndeplinită relaţia de fază fixă dintre ele, acestea trebuie să atingă întotdeauna voltajul minim sau maxim în acelaşi timp. Asta înseamnă că ele nu trebuie să se afle în defazaj, sau să fie defazate cu o lungime de undă întreagă. Fiecare linie din reţea se află acum într-o relaţie fixă de fază, fie direct, fie indirect. Dacă o nouă linie este construită pentru a conecta cele două maşini direct, oscilaţiile lor trebuie să îndeplinească o nouă relaţie de fază; totuşi, noua relaţie ar putea fi incompatibilă cu vechea linie, există un conflict între scurtătură şi vechea linie, care are potenţialul de a desincroniza întreaga reţea.

„Prin urmare, trebuie avut grijă la adăugarea liniilor într-o reţea descentralizată”, avertizează Witthaut. Atenţie sporită trebuie acordată nodurilor care pot fi conectate fără riscuri. Totuşi, Withaut consideră că rezultatele simulărilor sunt încurajatoare în vederea construirii de reţele descentralizate. „Până acum, grijile se concentrau asupra impactului colectiv pe care un număr mare de generatoare l-ar putea avea într-o reţea densă”, spune fizicianul. Frica se referă la cazurile unor pene de curent mai frecvente. „Dar munca noastră arată că de fapt se întâmplă invers şi că efectele colective pot fi foarte folositoare.”

Grupul Network Dynamics din Göttingen începe în prezent colaborarea cu ingineri şi operatori de reţele pentru a se asigura că descoperirile lor pot fi puse în practică. Primele discuţii au avut deja loc şi, între timp, oamenii de ştiinţă încearcă să îmbunătăţească modelul. Punctul lor de interes îl reprezintă acum integrarea în simulări a fluctuaţiilor legate de vreme din sursele de energie regenerabile.


 

Traducere realizată de Răzvan Gavrilă după Solar and wind energy may stabilise the power grid, cu acordul Phys.org.

Write comments...
symbols left.
You are a guest ( Sign Up ? )
or post as a guest
Loading comment... The comment will be refreshed after 00:00.

Be the first to comment.