Miért vált nélkülözhetetlenné az elektromos energia? Egyrészt könnyen elszállítható oda, ahol használni fogják, itt könnyen átalakítható a kívánt energiaformává, és végül tiszta energia, hiszen a felhasználás helyén nem szennyez. Ráadásul olcsó is: a villamos energia megfizethető.
Primer energiahordozóknak nevezzük a bolygónkon fellelhető olyan energiaforrásokat, mint a napsugárzás, a szélenergia, földünk hője, a felszíni vizek, a szén-, kőolaj- és földgázkészletek, az atomenergia, a biomassza. Ezek azonban többnyire nem használhatók eredeti formájukban, és általában nem is lelhetők fel a felhasználók közelében. Gondoljunk például a lakott területektől távoli hegyekben lévő vízenergiára vagy a föld mélyén található szén-, olaj-, illetve gázlelőhelyekre.
A primer energiahordozók váltakozó áramú villamos energiává átalakítva kényelmesen elszállíthatók a fogyasztókhoz, például az ipari, mezőgazdasági üzemekbe, a lakásokba. A felhasználás helyén a váltakozó áramú villamos energiát a fogyasztó igényének megfelelő formában átalakítva lehet használni. A primer energiát erőművekben alakítjuk át villamos energiává, és távvezetéki hálózatokon keresztül juttatjuk el a fogyasztóhoz.
De miért használunk váltakozó áramú villamos energiát? A váltakozó áramú rendszerekben a villamos energiát transzformátorok segítségével gyakorlatilag tetszőleges feszültségen lehet szállítani, s ez a tulajdonsága teszi lehetővé, hogy a szállítás során a veszteség minimális legyen. Minél nagyobb a feszültség, annál kisebb a veszteség. A váltakozó áramú rendszerek jellemzője a frekvencia. A frekvencia a villanyáramot termelő generátorok fordulatszámától függ, és szabványosított érték (Európában 50 Hz, de az Egyesült Államokban például 60 Hz).
Térbeli helyzetüket tekintve az erőművek lehetnek a primerenergia-forrás közelében vagy tőle távol. A primerenergia-lelőhely közelében épült erőművek által termelt nagy mennyiségű villamos energiát távvezeték-hálózatok segítségével juttatjuk el a fogyasztókhoz. Azonban a váltakozó áram szállítási távolsága – műszaki, környezetvédelmi és gazdasági okok miatt – általában 500 kilométernél kisebb. Ezért az a lehetőség is fennáll, hogy a primer energiahordozót szállítjuk az erőműhöz. A villamos energia ebben az esetben is távvezeték-hálózatok közbeiktatásával jut el a fogyasztóhoz.
Hogyan alakultak ki ezek a villamosenergia-rendszerek? A villamos energia hasznosítása már a XIX. század végén megkezdődött. Kezdetben a vízimalmoknál vagy bányák víztelenítésénél használtak erőműveket. Ezek egymástól elszigetelt, önálló villamos művekként működtek. Az erőművek által termelt villamos energia azonban esetenként a szükségesnél nagyobb volt, ami lehetővé tette, hogy a megtermelt többletet a környék lakossága, esetleg más üzemek is felhasználhassák.
A XX. század első felében ezeket az önálló villamos műveket – az erőműveket és a fogyasztókat – villamos távvezetékekkel összekapcsolták, így alakult ki az önálló villamosenergia-rendszer (VER). 1945 után Európában elkezdődött az egyes villamosenergia-rendszerek összekapcsolása, és kialakultak a nagy együttműködő, szinkronüzemben lévő egyesített villamosenergia-rendszerek (EVER). Magyarország 1995-ben csatlakozott a nyugat-európai egyesített villamosenergia-rendszerhez, az UCTE-hez (Union for the Coordination of Transmission of Electricity).
Ezekre az együttműködő villamosenergia-rendszerekre azért volt szükség, mert az összekapcsolással lehetővé vált a tartalék berendezések számának csökkentése, nőtt az ellátás biztonsága, és megteremtődtek az áram kereskedelmének feltételei. Például a múlt század harmincas éveiben épült, önálló rendszerben működő Kelenföldi Erőműnél az alapegység mellé tartalékként még két azonos gépcsoportot építettek arra az esetre, ha a háromból egy üzemzavaros, egy másik pedig karbantartás miatt nem vehető igénybe. A tartalék mértéke így 66 százalék volt. Az egyesített villamosenergia-rendszeren belül az egyes erőművek, de a szomszédos országok is kisegíthetik egymást. Az UCTE villamosenergia-rendszerben például a tartalék mindössze öt–tíz százalék.
Az egybekapcsolt rendszerek nagy előnye még, hogy a bárhol keletkező felesleges villamos energiát felhasználhatják a szomszédos villamosenergia-rendszerek az összekötött távvezetéki hálózatok segítségével. Ez a képesség teszi lehetővé a villamosenergia-ipar liberalizációját, vagyis a fogyasztó „szabad” választását az áramkereskedők között.
Csakhogy a változó áramú villamos energia nem tárolható: minden pillanatban annyi villamos energiát kell termelni, amennyit a fogyasztó igényel: a fogyasztásnak és a termelésnek minden pillanatban egyensúlyban kell lennie. A kényes egyensúlyt nehéz feladat megteremteni a nagyszámú fogyasztó és az erőművek között. Ez a feladat csak központi műszaki irányítással oldható meg. Az erőműveket informálni kell a fogyasztás megváltozásáról. Az információt a váltakozó áram frekvenciája hordozza: ha a villamos fogyasztás és a termelés egyensúlyban van, a frekvencia állandó.
Miért változik meg a villamos rendszer frekvenciája, ha felbomlik a fogyasztás és a termelés egyensúlya? Példaként tegyük fel, hogy a rendszerben nem változik az erőművi termelés. A rendszerben lévő fogyasztók csak az erőművek által megtermelt villamos energiát tudják elfogyasztani. Ha a rendszer fogyasztása egy kicsit nagyobb, mint az erőművek generátorainak termelése, akkor nagyon leegyszerűsítve azt mondhatjuk, hogy csökken az erőművek generátorainak fordulatszáma, ezzel arányosan a rendszer frekvenciája is. Váltakozó áramú rendszerekben a fogyasztó energiaigénye is függ a frekvenciától. Csökkenő frekvencia esetén a rendszerben lévő fogyasztók úgynevezett forgógépeinek is csökken a fordulatszámuk, ezért csökken a leadott mechanikai energiájuk, és ezáltal kevesebb lesz a villamosenergia-igényük is. Létrejön az egyensúly az erőművek és a fogyasztók között az eredeti állapotnál alacsonyabb frekvenciaértéknél.
Vizsgáljuk meg, hogyan használjuk fel a frekvencia változását az erőművek szabályozására az önállóan működő villamosenergia-rendszerek esetében! Láttuk, ha a fogyasztók igénye nagyobb, mint az erőművek termelése, csökken a fordulatszám és csökken a frekvencia. Ezt az erőművi primer szabályozók érzékelik, és növelik az erőművi termelést mindaddig, amíg a frekvencia állandósul, és helyreáll a rendszerben a termelés és fogyasztás egyensúlya.
A lecsökkent frekvencia visszaállítását a szekunder szabályozó végzi, amely egy folyamatirányító számítógép. Szekunder szabályozó a rendszerben csak egy van, egy központi helyen a rendszerirányítónál (hazánkban ez a Mavir). A primer és a szekunder szabályozás általában automatikusan működik.
A rendszerirányítás számára az előzőnél bonyolultabb a feladat az együttműködő villamosenergia-rendszerek (EVER) esetében. Ennek oka, hogy a villamos távvezetékekkel összekapcsolt rendszerek bármelyikében létrejövő üzemzavar kihat az együttműködésben részt vevő minden egyes villamosenergia-rendszer üzemére. Zavar számos módon létrejöhet, az előadásban az energialengésekkel és a túlterhelés hatásaival foglalkozunk részletesebben.
Elsőként nézzük meg, miért veszélyesek az energialengések, amelyek a frekvencia és az energia periodikus csökkenését és növekedését jelentik (ez a fogyasztás és a termelés egyensúlyának megbomlásakor jön létre). Energialengések esetén az erőművek és a fogyasztók között nagy energiaáramlások vannak. Előfordul, hogy az erőművekben a berendezések megsérülhetnek, és ezért tartós forráshiány keletkezhet a rendszerben.
Előfordulhat az is, hogy az együttműködő villamosenergia-rendszerben egy-két távvezeték kikapcsolódása miatt az üzemben maradó vezetékek túlterhelődnek és kikapcsolódnak, ami dominószerű kikapcsolódást okozhat a többi vezetéknél. Ez teljes rendszerösszeomlást, áramszünetet okozhat (2003-ban Olaszországban ez történt). Az ilyen események megelőzése érdekében szorosan együttműködnek az összekapcsolt rendszerek irányítói. Itt mindenki számára kötelező műszaki előírásokat kell betartani, és folyamatosan informálni kell egymást az üzem állapotáról. A mostani előadásban csak a szabályozás összehangolásával foglalkozunk.
Ha bármelyik villamosenergia-rendszerben megbomlik a termelés–fogyasztás egyensúlya, akkor a frekvenciacsökkenés hatására az együttműködésben részt vevő összes villamosenergia-rendszerben aktivizálódik a primer szabályozásba bevont tartalék, és kisegítik azt a villamosenergia-rendszert, amelyben a kiesés keletkezett.
Az azonos frekvencián üzemelő együttműködő energiarendszerben az irányítást meg kell szervezni, a rendszert ezért több szabályozási zónára bontják. Minden zónához rendelnek egy felelőst, amelynek két fő feladata a rendszerek közötti áramszállítások koordinálása és a szállításokhoz tartozó mérési adatok szolgáltatása. Minden más feladatot, például a tartalékolást, a szabályozást a rendszerben részt vevő rendszerirányítóknak kell megoldaniuk. A visegrádi országok villamosenergia-rendszerei az úgynevezett Centrel zónában vannak, amely az UCTE északi, Németországból irányított részéhez tartozik.
Az eddigiekből világosan látszik, a fogyasztónak attól lesz biztonságos egy villamosenergia-rendszer, hogy a fogyasztás–termelés mindig egyensúlyban van, egyszerűbben: ha mindig van villany. A teljes biztonságú áramellátás kiépítése rendkívül drága lenne, ezért a valóságban a tartalékok megválasztásánál egy ésszerű kockázattal számolnak, amely a költség szempontjából még elfogadható. Amennyiben ezt a kockázatot meghaladó zavar lép fel, az áramszolgáltatásban számítani lehet részleges vagy teljes kiesésekre.
Együttműködő villamosenergia-rendszerek esetén az erőművi tartalékok legkisebb értéke a csúcsfogyasztás öt–tíz százaléka (hazánkban ez 1260 MW). Éves szinten elvileg maximum három olyan nap lehet, amikor a fogyasztók csúcsfogyasztását nem tudjuk teljes egészében kielégíteni, és a fogyasztást esetleg korlátozni kell. A valóságban 12–15 évenként egyszer fordul elő hazánkban ilyen eset.
A hazai erőművek teljesítőképessége mindig nagyobb a várható legnagyobb fogyasztásnál, ami váratlan erőművi kieséskor vagy a fogyasztás nem várt növekedése esetén lehetőséget ad a rendszerirányítónak a fogyasztás és a termelés egyensúlyának helyreállítására.
Változást jelentett a villamosenergia-rendszerek működésében és irányításában a villamosenergia-kereskedelem liberalizációja, a szigorodó környezetvédelem és az e kettővel ösztönzött technikai fejlődés. Európában több mint tíz éve kezdődött meg a villamosenergia-ellátás „szabaddá” tétele. Ez azt jelenti, hogy a fogyasztó szabadon választhat, kitől vásárol villamos energiát, amely így „áru” lett. (Különleges áru, mert általában nem helyettesíthető és nem tárolható.) Megjelentek a kereskedők, akik versenyeznek a fogyasztóért. Nálunk 2003 januárjában nyílt meg a piac. 2005 szeptemberére a hazai villanynak közel 40 százalékát már a szabadpiacon értékesítették. A jövő év közepétől pedig ugyanazon a „konnektoron” át már a fogyasztó is a legkülönfélébb kereskedőktől vásárolhat.
Liberalizálása óta az áramellátás már nem szolgáltatás, hanem értékesítés. A kereskedőnek mindig annyit kell vennie, amennyit el tud adni. Tárolni ő sem tudja a villanyt. Időben pontosan egyeztetni kell az áramvételt és -eladást. Mint láttuk, ez nem könnyű dolog a villanynál. A kereskedő a fogyasztóit és a forrásait (erőmű, import) úgynevezett mérlegkörben fogja össze. Mindig van valami eltérés: többlet vagy hiány, amelyet a rendszerirányító egyenlít ki. A rendszerirányító most valóban nevének megfelelően irányít, nem osztja el a források között a terhet, mint korábban, hanem a kereskedők által adott menetrendet követi és az eltéréseket szabályozza. A hálózaton fizikai korlátok léphetnek fel az áramszállításkor, amelyeket a kereskedők nem vesznek figyelembe. Ez a rendszerirányítás újabb kihívása.
Szót kell még ejteni a szerencsére egyre jobban terjedő és egyre olcsóbb megújuló energiaforrásokról. Ezek környezetvédelmi és ellátásbiztonsági okokból is nagyon előnyösek, de például a szélenergia nagy negatívuma, hogy nem mindig akkor áll rendelkezésünkre, amikor szükség volna rá. A szél nem mindig akkor fúj, amikor a fogyasztónak szüksége van az áramra, így aztán nehéz lenne a fogyasztói terhelésekhez igazítani a szélerőművek teljesítményét. Viszont ha a szélerőműveket jobban szabályozható vízerőművekkel, esetleg szivattyús-tározós erőművekkel egészítik ki, működőképes rendszer jöhet létre.
Az előadás a villamosenergia-rendszereknek csak azt a részét érintette, ami az egész rendszerre, annak működésére és irányítására vonatkozott. Nem térhettem ki a különféle erőművek értékelésére, az iparágat érintő környezetvédelemre és természetesen az árakra sem. Remélem azonban, hogy hű képet tudtam adni az egyre keresettebb energiatermék vagy áru, a villamos energia egész rendszeréről.
A fenti szöveg a március 6-án elhangzott előadás rövidített változata. Megtekinthető 11-én (szombaton) 10.40-kor a Duna Televízió és 12-én (vasárnap) 10 órakor az MTV, valamint 0.55-kor az M 2 műsorán. A következő előadást 13-án 19.30-kor a Csodák Palotájában (Millenáris Park, D épület, Budapest II., Fény utca 20–22.) Szabó Gábor tartja fizikatanárok közreműködésével, Hogyan lehet egyszerre játékos és tudományos a fizika? címmel. A részvétel ingyenes, az előadások teljes szövegét a hozzászólásokkal és a vitával együtt a www.mindentudas.hu weblapon találják meg az érdeklődők.
origo.hu
Eltűnt pásztói nőt keres a rendőrség
