Inginerii ABB readuc în actualitate o tehnologie veche de peste 100 ani pentru a stabiliza reţele electrice ale insulelor care trec la energie regenerabilă

Energia regenerabilă e într-o dezvoltare galopantă aproape peste tot în lume, cu noi şi noi parcuri eoliene şi fotovoltaice anunţate la scară tot mai mare, iar uneori şi noi hidrocentrale construite. Atunci când vorbim de electricitatea produsă eolian sau fotovoltaic, însă, ea vine inevitabil cu intermitenţe în felul în care e produsă. O reţea electrică mare echilibrează o parte din aceste intermitenţe prin însăşi scara sa mare şi variaţiile de solicitări în reţea, dar până şi reţelele mari au nevoie de soluţii adiţionale dacă vor să includă o cotă tot mai mare de surse regenerabile în ele. Iar atunci când vorbim de reţele electrice mai mici şi mai izolate, precum cele ale unor insule, situaţia devine de-a dreptul complicată, motiv din care multe insule, chiar şi în ţări care au adoptat pe larg energia regenerabilă, mai folosesc şi azi generatoare diesel mari pentru a-şi produce electricitatea. Paradoxal, dar una din cele mai viabile şi ieftine soluţii la o problemă relativ nouă, e o tehnologie veche de peste 100 de ani, pe care inginerii suedezi şi elveţieni de la ABB o readuc tot mai mult în actualitate.

Foto: Insulele Faroe

Problema energiei produsă eolian şi solar nu e doar în ciclurile previzibile şi lungi de intermitenţă, precum ziua şi noaptea, spre exemplu, ci în salturile scurte şi foarte mari de producţie. O turbină eoliană de 16 MW, spre exemplu, poate să se învârtă relativ moderat, producând 7 MW în timp real, după care o serie scurtă de rafale de vânt să o propulseze la viteză maximă şi ea să-şi ridice producţia pe termen scurt la 15-16 MW, făcând un salt imens într-o perioadă scurtă.

Foto: Turbine eoliene pe insulele Faroe

La fel, un parc fotovoltaic poate produce 10 MW putere cu soarele direct spre el, iar în secunda următoare un nor masiv acoperă soarele, iar producţia parcului scade brusc la doar 2 MW, generând o variaţie bruscă. Aceste variaţii sunt de obicei stabilizate parţial de invertoare poziţionate direct la parcurile de energie regenerabilă, iar la proiectele mai mari — de staţii de transformare care cuprind şi condensatoare ce pot absorbi aceste variaţii.

De asemenea, şi pe partea receptoare a reţelei electrice e nevoie de staţii avansate de stabilizare atunci când cota regenerabilelor de acest tip în reţea tinde să devină majoritară, iar acum câteva luni scriam despre o soluţie Hitachi Energy aplicată în Marea Britanie pentru acest fenomen.

Şi asta vine şi din cauza variaţiilor surselor ce produc această energie în reţea, dar şi din cauza variaţiilor pe care le pot produce staţiile de încărcare tot mai puternice ale maşinilor electrice şi camioanelor, spre exemplu, care pot genera fluctuaţii mari de solicitări în sistem. Centralele de baterii, pentru stocarea electricităţii, ajută la stocarea energiei regenerabile, însă ele de obicei au nevoie de ceva timp, de minim câtva secunde sau mai multe zeci de secunde pentru trecerea dintr-un regim în altul. Reţeaua electrică însă are nevoie de stabilizare la nivel de a 50-a parte dintr-o secundă într-o reţea cu frecvenţă de 50 Hz, prin urmare doar soluţiile precum condensatoarele şi cea menţionată azi pot asigura reacţii atât de instantanee.

Ei bine, această tehnologie de peste 100 de ani, readusă acum în actualitate de inginerii ABB, şi folosită de curând în cazul insulelor Faroe e cea a condensatoarelor sincron cu volant. Insulele Faroe, situată departe în Oceanul Atlantic, nu au reţele electrice conectate cu continente şi sunt nevoite să se descurce singure la capitolul stabilizare. Până acum, generatoarele diesel asigurau această funcţie prin efectul fizic de inerţie rotativă, iar variaţiile de solicitare duceau la ajustarea turaţiilor şi creşterea producţiei. În acelaşi timp, reţeaua primea electricitate de la aceste generatoare, cu parametri predictibili. Acum insulele Faroe se aproprie deja de 50% energie regenerabilă şi vor să ajungă în 2030 la 100% energie regenerabilă produsă prin hidrocentrale, turbine eoliene, panouri fotovoltaice şi chiar captarea energiei fluxurilor şi refluxurilor. Respectiv, reţeaua devine mult mai susceptibilă intermitenţelor, chiar dacă va avea baterii pentru stocare.

Cei de la ABB au furnizat, însă, 3 sisteme de condensatoare sincron cu volant pe trei insule separate, de 8, 12 şi 8 MVA, care vor avea rolul să asigure stabilizarea instantanee a reţelelor în faţa regenerabilelor, oferind timp centralelor de baterii să poată interveni cu compensări de livrare de putere.

Teoretic, s-ar fi putut opta pentru sisteme mai scumpe şi mai sofisticate cu condensatori electronici, însă tehnologia de 100 ani a celor mecanici e mult mai ieftină şi simplă până la absolut, fiind suficient de funcţională încât să-şi îndeplinească misiunea în acest caz, a unor insule mici, când nu sunt fezabile investiţii de multe milioane. Cum funcţionează condensatoarele sincron cu volant, deci?

Acestea sunt efectiv nişte motoare electrice sincrone, care nu propulsează nimic altceva decât o roată mare şi grea, cu rol de volant. Cu cât mai mare şi mai greu e volantul, cu atât mai mare e forţa de inerţie a acestuia.

Motorul electric de alături consumă la început electricitate pentru a porni din loc volantul, apoi el are nevoie, teoretic, doar de a menţine turaţii stabile a volantului şi, pentru că întreg sistemul nu propulsează nimic altceva, electromotorul va trebuie să consume electricitate doar pentru a compensa pierderile forţei de frecare care ar încetini în timp turaţiile volantului.

Foto: Aşa arată un condensator sincron cu volant ABB

În practică, însă, atunci când apare un salt de scurtă durată de furnizare a electricităţii în reţea, electromotorului acestui sistem va fi cel care-l va absorbi şi-l va transforma în mişcare de accelerare a vitezei de rotaţie a volantului. Imediat ce saltul dispare, motorul trece în regim de inerţie şi nu consumă energie în perioada următoare, lăsând volantul să ajungă înapoi la turaţiile medii. În mod similar, când apare o deficienţă scurtă în sistem din cauza unui moment de sacadare a producţiei sau a unei solicitări mai mari, volantul şi forţa sa de inerţie vor fi cele care vor propulsa electromotorul, iar acesta devine generator de electricitate pe acea perioadă scurtă, acoperind lipsa din sistem pe cele câteva secunde necesare până se include o centrală de baterii.

Deci simpla inerţie rotativă a volantului e cea care asigură stabilizarea sistemului, într-un mecanism mult mai simplu şi mai ieftin, care era folosit, aşa cum spuneam, acum 100 de ani şi mai mult, când încă nu se inventaseră condensatoarele mai avansate. Neajunsul acestui sistem e că el consumă, totuşi, o parte mică de electricitate, fiind astfel mai ineficient decât condensatoarele mai sofisticate şi mai moderne. Însă cei de la ABB au minimizat acest efect prin sisteme cu inerţie rotativă foarte bună şi rulmenţi avansaţi, care să asigure că rezistenţa sistemului va fi minimă.

Şi se pare că totul funcţionează foarte bune, exemplul celor trei insule Faroe, şi a unei staţii pilot din Liverpool, fiind cât se poate de elocvent în acest sens. Şi inginerii ABB spun că e oarecum neaşteptat că a fost nevoie de reînvierea unei tehnologii atât de vechi pentru o tendinţă hi-tech atât de nouă precum energia regenerabilă, însă uneori lucrurile simple şi uitate de demult se dovedesc a fi foarte eficiente, viabile şi ieftine în a fi puse în aplicare.