Autor: Alenka Šimić, prof.

OŠ kneza Branimira, Donji Muć

Windräder Silhouetten – Kostenloses Foto auf Pixabay

Sažetak

Elektroenergetski sustav često se opisuje kao najveći i najsloženiji tehnički sustav koji je čovječanstvo ikada izgradilo. Tijekom posljednjih desetljeća taj sustav prolazi kroz duboke promjene koje mijenjaju način proizvodnje, prijenosa i potrošnje električne energije. Sve veća primjena obnovljivih izvora energije, razvoj tehnologija za pohranu energije te digitalizacija elektroenergetskih mreža stvaraju nove mogućnosti, ali i nove izazove. U radu se na jednostavan i razumljiv način objašnjavaju ključne promjene koje obilježavaju energetsku tranziciju te se prikazuju suvremena rješenja za osiguravanje stabilnog, pouzdanog i održivog energetskog sustava.

Uvod: od tradicionalnog prema suvremenom energetskom sustavu

Više od stotinu godina elektroenergetski sustav funkcionirao je prema relativno jednostavnom modelu. Električna energija proizvodila se u velikim elektranama na ugljen, plin, naftu ili u nuklearnim elektranama, a zatim se dalekovodima i distribucijskom mrežom dopremala do krajnjih korisnika.

Takav sustav karakterizirala su tri osnovna obilježja:

• proizvodnja energije bila je koncentrirana u nekoliko velikih elektrana,
• električna energija tekla je u jednom smjeru – od proizvođača prema potrošačima,
• kućanstva i industrija imali su isključivo ulogu potrošača.

Zahvaljujući stabilnoj proizvodnji iz konvencionalnih elektrana, bilo je relativno jednostavno uskladiti proizvodnju i potrošnju. Kada bi se očekivalo povećanje potrošnje, proizvodnja bi se prilagodila povećanjem snage elektrana.

Danas se elektroenergetski sustav ubrzano mijenja. Često tu promjenu često opisujemo kao 3D :

Dekarbonizacija podrazumijeva postupno smanjivanje uporabe fosilnih goriva i povećanje udjela obnovljivih izvora energije kako bi se smanjile emisije stakleničkih plinova.

Decentralizacija označava prijelaz s nekoliko velikih elektrana na velik broj manjih izvora energije, kao npr. solarnih elektrana na krovovima kuća ili vjetroelektrana raspoređenih na različitim lokacijama.

Digitalizacija uključuje primjenu naprednih informacijskih i komunikacijskih tehnologija za nadzor i upravljanje sve složenijim energetskim sustavom.

Zbog tih promjena mnogi građani danas više nisu samo potrošači električne energije. Kućanstva koja posjeduju solarne elektrane istodobno proizvode i troše električnu energiju pa se za njih koristi naziv prosumeri, nastao spajanjem engleskih riječi producer i consumer.

Izazovi obnovljivih izvora energije

Sunčeva i energija vjetra predstavljaju temelj budućeg održivog energetskog sustava. Njihova najveća prednost jest činjenica da su obnovljivi izvori energije koji tijekom rada ne stvaraju štetne emisije.

Međutim, za razliku od klasičnih elektrana, njihova proizvodnja ovisi o vremenskim uvjetima. Sunčeva elektrana proizvodi energiju samo kada ima dovoljno Sunčeva zračenja, dok proizvodnja vjetroelektrane ovisi o brzini i smjeru vjetra.

U elektroenergetskom sustavu mora se neprestano održavati ravnoteža između proizvodnje i potrošnje električne energije.

U stvarnosti se pritom uzimaju u obzir i gubici koji nastaju tijekom prijenosa i distribucije električne energije.

Ako proizvodnja postane manja od potrošnje, frekvencija mreže opada. Ako proizvodnja postane veća od potrošnje, frekvencija raste iznad dopuštenih granica. U oba slučaja može doći do poremećaja rada elektroenergetskog sustava.

U europskom elektroenergetskom sustavu frekvencija iznosi 50 Hz te se njezina stabilnost mora stalno održavati.

Važnost rotacijske inercije

Za stabilan rad elektroenergetske mreže važna je rotacijska inercija.

Veliki generatori u termoelektranama, hidroelektranama i nuklearnim elektranama stalno se vrte velikom brzinom. Zbog svoje velike mase oni pomažu mreži da ostane stabilna kada dođe do naglih promjena u proizvodnji ili potrošnji električne energije.

Ako se, primjerice, potrošnja iznenada poveća, ti generatori svojim okretanjem ublažavaju promjenu frekvencije i daju sustavu dovoljno vremena da se prilagodi.

Solarne elektrane nemaju velike pokretne dijelove koji se vrte, pa ne pružaju takvu prirodnu pomoć mreži. Zato se danas koriste napredni inverteri koji pomoću posebnih programa oponašaju učinak rotacijske inercije. Takvo rješenje naziva se virtualna inercija i sve je važnije u modernim elektroenergetskim sustavima.

Pohrana energije – ključ energetske tranzicije

Jedan od najvećih izazova obnovljivih izvora energije jest činjenica da proizvodnja i potrošnja često nisu vremenski usklađene. Primjerice, solarne elektrane najveću količinu energije proizvode tijekom dana, dok je potrošnja u kućanstvima najizraženija u večernjim satima te je zato važna pohrana energije.

Baterijski sustavi

Veliki baterijski spremnici omogućuju vrlo brzu reakciju na promjene u proizvodnji i potrošnji električne energije. Njihova je prednost mogućnost gotovo trenutačnog uključivanja, zbog čega imaju važnu ulogu u održavanju stabilnosti mreže.

Nedostatak im je visoka cijena te ograničeno vrijeme pohrane energije.

Reverzibilne hidroelektrane

Reverzibilne hidroelektrane danas predstavljaju jedan od najučinkovitijih načina skladištenja velikih količina energije.

Kada postoji višak električne energije, voda se pumpa iz donjeg u gornji akumulacijski bazen. Kada se pojavi potreba za dodatnom proizvodnjom, voda se vraća kroz turbine i ponovno proizvodi električnu energiju.

Takav sustav funkcionira poput velike prirodne baterije.

Zeleni vodik

Viškovi električne energije mogu se koristiti za proces elektrolize vode, pri kojem nastaju kisik i vodik.

Dobiveni vodik može se skladištiti tijekom duljeg vremenskog razdoblja te se kasnije koristiti za proizvodnju električne energije, topline ili kao gorivo u industriji i prometu.

Zbog mogućnosti dugotrajnog skladištenja energije vodik se smatra jednim od ključnih elemenata budućeg održivog energetskog sustava.

Pametne mreže i umjetna inteligencija

Sve veći broj solarnih elektrana i vjetroelektrana zahtijeva nove načine upravljanja elektroenergetskim sustavom.

Zbog toga se razvijaju pametne mreže koje pomoću senzora i naprednih brojila prikupljaju podatke o proizvodnji i potrošnji električne energije u stvarnom vremenu. Na temelju tih podataka moguće je bolje upravljati radom mreže.

Važnu ulogu ima i umjetna inteligencija. Ona analizira vremensku prognozu i druge podatke te može predvidjeti koliko će energije proizvesti solarne elektrane i vjetroelektrane. Tako pomaže stručnjacima da lakše održavaju stabilnost sustava.

Pametne mreže omogućuju i prilagodbu potrošnje električne energije. Primjerice, punjenje električnog automobila može se automatski uključiti kada u mreži ima dovoljno energije iz sunca ili vjetra. Na taj se način energija koristi učinkovitije, a mreža ostaje stabilna.

Zaključak

Suvremena energetika danas predstavlja spoj elektrotehnike, strojarstva, informatike i zaštite okoliša. Energetska tranzicija ne znači jednostavnu zamjenu jednog izvora energije drugim, već temeljitu promjenu načina na koji proizvodimo, pohranjujemo i koristimo energiju.

Razvoj obnovljivih izvora energije, sustava za pohranu energije, pametnih mreža i umjetne inteligencije omogućit će stvaranje održivijeg i učinkovitijeg elektroenergetskog sustava. Istodobno, pred stručnjake se postavljaju novi tehnički izazovi koji zahtijevaju interdisciplinarna znanja i stalno usavršavanje.

Glavni cilj energetike 21. stoljeća jest izgradnja sustava koji će biti ekološki prihvatljiv, tehnički pouzdan i ekonomski dostupan svima. Energetska tranzicija stoga nije samo tehnološki izazov, nego i važan društveni projekt koji će značajno utjecati na kvalitetu života sadašnjih i budućih generacija.