Električna energija: Struja i zima

Česta tema u jesenjim razgovorima, ne samo među informatičarima, je „hoće li zimus biti struje“. Već smo gotovo zaboravili na ružnu reč „restrikcije“, a sada se i ona čuje, uz stalne apele da se štedi energija. Nadajući se da će stanje biti normalno, ipak moramo da budemo spremni za sve eventualnosti, a ako tu situaciju iskoristimo za povećanje energetske efikasnosti, utoliko bolje.

Pre 22 godine pisao sam članak na ovu temu (PC#50) iniciran istom brigom – hoće li biti struje na zimu i kako pomoći sebi ako dođe do problema. To je bila 1999. godina, Srbija upravo izašla iz rata tokom koga je ozbiljno oštećena infrastruktura EPS-a. Srećom, sve je tada prošlo dobro, kako sam i predvideo. Okruženje je sada bitno drugačije – tada je struje bilo u susednim zemljama i „samo“ ju je trebalo kupiti… i dovesti do svake kuće.

Danas je situacija drugačija. Rata ima, nije kod nas, ali nije ni daleko, a posledice se globalno osećaju. Nije problem samo u ratu, izgleda da je došlo do superpozicije nekoliko fenomena. Kako će se prevazići ti izazovi videćemo u nastupajućim mesecima. Nadajmo se da će stvari ići u dobrom smeru i da je ovo bespotrebna briga.

Odakle nam struja?

Prvo da vidimo kako radi elektroenergetski sistem da bismo mogli da razumemo problematiku. Osnovna stvar koju treba imati na umu jeste ta da u svakom trenutku mora postojati balans između proizvodnje i potrošnje struje. Struja se ne može (jednostavno) uskladištiti. Čitav sistem je koncipiran tako da sve što se proizvede mora odmah da se potroši. Zvuči jednostavno, ali nije. Mašine koje proizvode struju nisu male i samim tim ne mogu lako reagovati na promene u zahtevima potrošača. Zato dispečeri koji rukovode sistemom moraju mnogo stvari uzeti u obzir prilikom upravljanja. Moraju odlično poznavati navike potrošača da bi mogli na vreme da „dignu“ na mrežu novi agregat ili da ga ugase.

U svakom trenutku mora postojati balans između proizvodnje i potrošnje struje. Struja se ne može (jednostavno) uskladištiti. Zato sve što se proizvede mora odmah da se potroši

Potrošnja zavisi od mnogo faktora, kao što su doba dana i koji je dan, da li industrija radi ili ne. Koliko je hladno zbog grejanja i, u novije vreme, koliko je toplo zbog hlađenja. U doba televizije i indikadentnih (starih sijalica s vlaknom) za vreme popularnih serija opadala je potrošnja, jer se sve gasilo osim TV-a. Čim se to završi, sledi paljenje svetala, podgrevanje/spremanje večere i potrošnja naglo skače, za šta treba biti spreman. Zbog grejanja, nekada je kod nas najveća potrošnja bila zimi, ali se to promenilo jer ima mnogo klima-uređaja, tako da leto po tom pitanju sustiže zimu.

To dovodi u pitanje dosadašnje navike u radu elektroprivrede. Leto je bio period s malom potrošnjom te su termoelektrane mogle da odu na zasluženu pauzu tokom koje se remontovalo ono što je potrebno. Danas to mora pažljivije da se planira. Ovaj primer ističem jer su kod nas termoelektrane najzastupljenije u proizvodnji – grubo rečeno dve trećine. Ostalo je hidroenergija i odskora vetar. Solarni paneli još nisu toliko zastupljeni da se može ozbiljno računati na njih.

Za hidroenergiju imamo sreću da Dunav prolazi kroz Srbiju i da tu baš ima veliku klisuru – Đerdap. On podmiruje veliki procenat potrošnje i čini skoro petinu snage i skoro toliko proizvodnje. Drinsko-limske elektrane imaju sličnu snagu, ali čine oko 10 odsto proizvodnje. Ova razlika dolazi od činjenice da ne rade sve elektrane sve vreme, tako da instalirana snaga i proizvodnja energije nisu u istom odnosu. Ostali načini proizodnje (vetar, MHE…) nisu toliko značajni da bi se ozbiljno uzeli u računicu.

Kod termoelektrana treba istaći da, pored velikih koje znamo kao što su Obrenovac, Kostolac, Kolubara i Morava i koje rade na lignit, imamo i termoelektrane-toplane koje kao gorivo koriste gas ili mazut. Tako se zovu jer pored električne energije prozivode toplotu za grejanje i vodenu paru za industriju. Još jedna odlika je da im treba mnogo vremena da se uključe i postave na mrežu, što je razumljivo ako se uzme u obzir da su to praktično parne mašine – nešto zagreva vodu koja dalje pokreće turbine. Samo što su ti kotlovi mnogo veliki, mašine imaju velike zamajce itd, te se za sve mora poštovati procedura, a svaka havarija je skupa i opasna.

Noć i dan

Tu sad dolazimo do sledećeg pojma – noćna, jeftina struja. Kada se uključe termoelektrane, nije dobro da se one gase. Ne samo što je potrebno mnogo vremena da se ponovo pokrenu, nego nije ni poželjno zbog veka eksploatacije. Zato se one dovode do tehničkog minimuma kada nema potrebe za njima, ali one i dalje proizvode struju koja mora da se potroši. Zbog toga se stanovništvo cenom stimuliše da je troši onda kada ima viška. Sve je to bilo lepo odmereno dok nisu došle ove promene u navikama, kao što su klime i novotarije kao LED sijalice koje malo troše. A tu su i novi načini proizvodnje struje, vetar na primer, koji daju svoj maksimum kada ima meteoroloških uslova i ako se tada ne iskoristi taj potencijal, propada.

Postoje razni predlozi kako da se taj problem reši uz pomoć pametnih brojila, tj. pametne kuće koja bi određene potrošače uključivala samo kad je cena povoljna ili samo kada ima na raspolaganju „zelene energije“. Dok se to ne sprovede u realnost i standardizuje, imamo na raspolaganju ovaj stari sistem sa skupom i jeftinom strujom. Tu odmah treba napomenuti da postoje dva načina štednje – štednja novca i štednja energije. Za kućni budžet je prijatnija ova prva štednja, ali za društvo i ekologiju važnija je ova druga vrsta. Ali na to ćemo se vratiti kasnije.

Pomenuo bih i Zaovinsko jezero jer ono ima posebnu ulogu u elektroenergetskom sistemu Srbije. Turistični je interesantno, kao omiljena destinacija brojnim roniocima, ali ono je napravljeno za sasvim drugu svrhu: služi kao veliki akumulator. Prirodni dotok koji ima je mali. Ono se puni iz Drine, jezera Perućac i to u dve situacije. Jedna je kada ima previše vode u proleće te da se ne preliva uzalud, a druga je kada ima viška struje, ako TA peći ne potroše dovoljno. Snažne pumpe tada guraju vodu u Zaovinsko jezero i tako ga pune. Ta voda se kasnije može koristiti po potrebi, kao i svaka hidrocentrala. Proces nije ekonomski isplativ, ali jeste koristan za ceo region. Zato nekada ima velikih kolebanja u njegovom nivou, ali oni koji mnogo brinu treba da znaju da se ne mora čekati proleće i sneg, već samo povoljna energetska situacija da bi se nivo vode povratio.

Srbija nema nuklearnu centralu, ali ih ima nekoliko u blizini, uključujući i Krško koje je na Savi. Danas je popularno biti protiv te vrste izvora električne energije. Označava se kao neekološka, ali da li je baš tako? Kao prvo, radi se opet o termocentrali – parnoj mašini, ali umesto da se voda greje pomoću fosilnih goriva, koristi se nuklearna fisija za taj posao. Rezultat je da nema izduvnih gasova, ništa se ne sagoreva na tradicionalan način. Naravno, postoji nova lepeza problema, kao što je odlaganje potrošenog radioaktivnog goriva. To je osetljiv ali rešiv problem.

Veća opasnost je od akcidenata koji mogu dovesti do curenja radijacije. Poslednji primer je Fukušima, ali to je zaista bio splet nesrećnih okolnosti – nuklearna centrala na trusnom području sa opasnošću od cunamija. Postoje regije koje su znatno sigurnije, ali ostaje ljudski faktor. Tu nema prostora za javašluk, sve mora da se radi po propisanim procedurama bez improvizacija, što je super za kulture s visokim stepenom discipline i odgovornosti. Problem je za one druge. Napomenimo da oni veliki široki dimnjaci, koji se vide oko nekih nuklearki, zapravo nisu dimnjaci nego rashladne kule koje postoje i oko običnih termoelektrana kao što je Pljevlja.

Kakvo je stanje?

Na Starom kontinentu nije nimalo sjajno. Hidrosituacija je izuzetno loša. Mnoge reke su presušile, kao i jezera. Ako ne padne mnogo kiše, biće problem s njima ove zime. Treba pomenuti da je sneg ipak ono glavno što popunjava rečne tokove. Najbolje je kada padne mnogo snega koji se na proleće lagano topi i time lepo natopi zemlju da može do sledeće zime lagano da se cedi i time napaja izvore. Ako nije bilo mnogo snega i još se naglo otopio, imamo situaciju kao ovog leta.

Termoelektrane su veliki zagađivači i opravdano se gase svuda gde je to moguće. Naše pri tome troše lignit, ugalj lošeg kvaliteta, tako da baš imamo problem sa izborom – struja ili ekologija. Situaciju dodatno komplikuje to što se nije vodilo računa na pravi način o ovim elektranama, a bez njih smo prilično nemoćni. Nadajmo se da će stručna lica dobiti mogućnosti da do zime i doba velikih opterećenja što bolje urade potrebne popravke i remonte.

Posle rata 1999. godine imali smo odličnu ekipu stručnjaka i sreću da su susedne zemlje baš tada menjale staru tehniku koja se pravila u SFRJ novim sistemima te im je ostalo viška opreme koja je nama bila potrebna da se saniraju štete ratnih dejstava. Odlično bi bilo kada bi i ovoga puta naši inženjeri imali mogućnosti da urade ono što umeju.

Termoelektrane-toplane rade na gas ili mazut. To su već energenti za koje se prognozira da će biti problematični ove zime. Ostaje nam da se nadamo da neće biti većeg problema u snabdevanju. Oni su važni ne samo za ove centrale već i za veliki deo gradskih toplana. Ako bude dobro centralno grejanje, manje će se struje trošiti na dogrevanje. Snabdevanje gasom višestruko utiče na stanje sa električnom energijom – biće veća proizvodnja i manja potrošnja struje i obratno.

Frekvencija je pokazatelj stanja sistema. Ako je tačno 50 Hz, sve je kako treba. Ako primetite da sat na rerni kasni, stvari ne stoje najbolje

Vetar kod nas nema neki veliki značaj. Neke zemlje imaju mogućnost za izgradnju velikih vetroparkova i one ozbiljno računaju s tim izvorom, ali najveći problem je u načinu upravljanja tim izvorom. Ako je vetar preslab, nema struje. Ako je prejak, opet se gase turbine da se ne oštete. Važnija je stalnost vetra od jačine. Tako da je vremenska prognoza od velikog značaja da se planira rad elektroenergetskog sistema.

Nuklearne centrale su na udaru kritika ekologa odavno, a naročito posle događaja u Fukušimi. Insistiralo se na njihovom gašenju, što je u mnogim zemljama urađeno. A njih nije baš jednostavno ponovo osposobiti za rad, proces je znatno osetljiviji nego termoelektrana na ugalj. Tako da se postavlja pitanje da li će potrebni dodatni kapaciteti za Evropu moći da dođu iz ovog izvora ili će pre pokrenuti one na ugalj iako više štete okolini.

Ovo je bio pojednostavljen prikaz problema koji se mogu javiti u snabdevanju strujom kod nas i u Evropi, čiji smo deo, barem elektroenergetski. Tome treba dodati probleme u snabdevanju gasom koji se neće dobro odraziti na energetsku situaciju i dolazimo do glavnog problema – od koga kupiti struju?

Kako putuje struja?

Kada se reši proizvodnja, sledeći sloj problema jeste kako je dostaviti do krajnjeg potrošača. Ni ovo nije jednostavan proces. Nekada davno svaki blok zgrada imao je svoju centralu pa je problem prenosa električne energije bio lokalni. Onda je Tesla osmislio sistem prenosa višefazne naizmenične struje. Ako se manemo teorija zavere i kafanskih priča, ostajemo s trofaznim sistemom naizmenične struje koji je odličan i tu je genijalnost naučnika koga mnogi svojataju, ali malo ko razume u čemu je njegov
doprinos civilizaciji.

Trofazni sistem znači da imamo tri „faze“ čije su sinusoide pomerene za 120 stepeni. Zbir tih faza je 0 ako su faze ravnomerno opterećene. Da li ste se zapitali zašto se ona četvrta žica zove „nula“? Prilikom projektovanja instalacija posebna pažnja se poklanja ravnomernosti potrošnje po fazama. Ili se prave monofazni stanovi pa onda faze razdele po ulazima, a ima i drugih rešenja. Ovakav sistem omogućava i miran rad generatora, a i transformatori mogu biti manji.

Osim ove odlike trofaznog sistema, naizmenična struja pruža nam mogućnost prenosa na daljinu uz male gubitke, time što će se ista snaga preneti korišćenjem višeg napona. Snaga je proizvod struje i napona. Gubici u prenosu zavise od struje koja ide kroz provodnik. Bez obzira na to koliko je dobar provodnik od koga se prave žice, dalekovodi su vrlo dugački i imaju nezanemarljiv otpor. Što veći napon, to je manja struja a time i gubici. Viši napon se dobija korišćenjem transformatora, mašine koja ima veliki stepen iskorišćenja, veći od 90 odsto, tako da su gubici prilikom prebacivanja s jednog na drugi naponski nivo mali.

Postoji štednja novca i štednja energije. Za kućni budžet je prijatnija ova prva štednja, ali za društvo i ekologiju važnija je ova druga

Kod nas su standardni dalekovodi od 400, 220 i 110 kV (hiljada volti). Oni se koriste za prenos energije do mesta kada treba da se dalje distribuira do krajnjih potrošača. Tu se napon spušta na 35 ili 10 kV i ide do lokalnih trafo-stanica koje dalje šalju struju napona 0,4 kV, što je međufazni napon, a to je naših poznatih 220 V. Zašto imamo tih nekoliko nivoa napona? Što je veći napon, to su veći dalekovodi, oni su nadzemni jer je tako mnogo jeftinije. Kao izolator koristi se vazduh, koji jeste besplatan, ali se žice moraju dovoljno udaljiti međusobno da ne bi dolazilo do proboja, tj. varnica i stvaranja luka. Poseban problem predstavlja zaštita od atmosferskog pražnjenja te provodnike faza prate gromobrani – to su one dve tanje žice iznad. Ako je manji napon, veći su gubici, ali je dalekovod jeftiniji. Zato se prvo spusti na taj manji napon pa tako prosleđuje do krajnjeg potrošača. U gradskim sredinama struja ipak mora da ide podzemnim putem. Ti kablovi su skupi i komplikovani, zato se primenjuju samo tamo gde je neophodno. Kad idete trotoarom, videćete nekad pločice na kojima piše npr. 110 kV, oznaka da je ispod kabl tog napona.

Frekvencija kao merilo

Drugi deo priče kaže da je veći sistem stabilniji, ima više rezerve i zato je dobro da se ne samo država poveže nego i da se one međusobno povežu na pravi način. Tako se prave velike interkonekcije koje daju dodatnu dozu stabilnosti sistema i otpornost na probleme oko disbalansa. Tu dolazimo do pitanja frekvencije sistema. Naizmenična struja u našem geografskom području ima 50 Hz, dok je u Americi i još nekim državama frekvencija 60 Hz. Generatori su predviđeni da se vrte tačno određenom brzinom da bi imali tu frekvenciju, sve je lepo proračunato i tu nema mnogo mesta za grešku.

Frekvencija je pokazatelj stanja sistema. Ako je tačno 50 Hz, sve je kako treba. Ako dolazi do odstupanja, onda ona „beži“. Kada je proizvodnja veća od potrošnje, frekvencija ide na preko 50 Hz, mašine se brže vrte. Ako je manja od 50 Hz, znači da je potrošnja veća. Ukoliko se nastavi trend opadanja frekvencija, dolazi do havarijskih isključenja. Ukoliko se ne reaguje brzo, može doći do raspada sistema jer zaštite automatski gase mašine da ne dođe do većih havarija i može se desiti da čitave države ostanu bez struje. To se jednom desilo u SFRJ. Zato se upravljanju mrežom prenosa pristupa vrlo odgovorno i tu nema mnogo mesta za privatizacije i „zdravu konkurenciju“. Stvar je osetljiva i mora da se radi po strogim pravilima. Ova pojava je kod nas bila poznata po tome što su satovi na rernama kasnili, jer su uzimali takt iz mreže.

Drugi pokazatelj problema s potrošnjom jeste napon koji stiže do nas. Ako je niži u odnosu na uobičajenu vrednost, onda je lokalna potrošnja veća ili je to jedan od načina štednje struje. Rekli smo da je snaga direktno proporcionalna naponu – što je niži napon to je manja snaga, a onda je manja i potrošnja. Ovo je jedan od načina kako se štedi na distributivnom nivou. Primećuje se da ringle nešto slabije greju. Jeste nepopularna mera, ali ako nema dovoljno energije, bolje i to nego restrikcije. Naravno da se pazi da napon ostane u propisanim granicama.

Na snabdevanje strujom utiču i prenosni kapaciteti. Dešavalo se da se neki dalekovodi bukvalno istope pod opterećenjem. Zato se vodi računa da sistem prenosa i distribucije bude redundantan ne bi li se obezbedila konstantna isporuka energije krajnjim potrošačima. Uobičajeno je da se primeni sistem n-1, što znači da može otkazati bilo koji element sistema i on će nastaviti normalno da funkcioniše. Zato je u razvodnim postrojenjima koji dalje raspoređuju do lokalnih trafo-stanica sve duplirano, od transformatora do dalekovoda. Mora se obezbediti napajanje s dve strane – ako otkaže jedan dalekovod, drugi može preuzeti napajanje na sebe. Pariz kao „Grad svetlosti“ imao je n-2 sistem koji je ekonomski totalno neisplativ, ali je davao poseban status toj zoni.

LED sijalice su skuplje, ali troše za red veličine manje struje od onih starih i nekoliko puta manje od tzv. štedljivih sijalica

Mene brine da li se n-1 princip i dalje primenjuje? Centar Beograda ostao je bez struje jer se zapalio jedan podzemni kabl, šta je s drugim? Slično je bilo kada se radio remont jednog dalekovoda (barem je tako javljeno), kada je veliki deo Novog Beograda ostao bez napajanja. Nadam se da će se naši inženjeri izboriti s tim izazovom jer je to važna karika u sistemu.

Kako štedeti struju?

Šta mi možemo uraditi da doprinesemo štednji energije, jer se plašim da će biti potrebna na celom Starom kontinentu? Počnimo od zamene sijalica. Ma koliko LED sijalice bile skupe – a zapravo i nisu tako skupe kao što su bile kada su se pojavile – one troše za red veličine manje struje od onih starih i nekoliko puta manje od tzv. štedljivih sijalica.

Ako ste u mogućnosti, nabavite kućne aparate boljeg energetskog ranga, koji manje troše za isti posao. Ređe otvarajte frižider i zamrzivač. Uključujte mašine za pranje samo kad su pune da se ne greje voda za malo stvari. Ne grejte previše vodu u bojlerima da biste smanjili gubitke od stajanja. I tako dalje, ima još mnogo dobrih saveta, ali ne verujte baš svima, kao onoj besmislici o gašenju rutera.

Veća ušteda energije (ne para) dobija se primenom protočnog bojlera jer on greje vodu samo kad se koristi, manji su gubici. Slično tome, TA peći troše više od ovih koje ne akumuliraju toplotu, već je prave onda kada treba. TA peći su smišljene da bi se „peglala“ potrošnja, da se najviše koriste kad je jeftina tarifa – one štede pare a ne struju.

Još se više na grejanju uštedi ako se koriste toplotne pumpe jer se tu struja ne pretvara u toplotu, već se koristi za „pumpanje toplote“ s jednog na drugo mesto. Tako rade i ove naše popularne klime, leti greju napolju a hlade iznutra, a zimi nas greju ali hlade napolju. Ako je moguće, pređite na neki drugi način grejanja kuće i vode. Problem nastaje ako se masovno pređe na čvrsto gorivo jer će to povećati zagađenje vazduha. Uvek ti kompromisi.

Problem je u tome što neka od tih alternativnih rešenja ne rade kad nema struje. Ako ste instalirali grejanje na pelet, što je popularna misao ovih dana, tom etažnom/centralnom grejanju treba struja za pumpu i gorionik. Ako ste se opredelili za stare TA peći, pa ćete je napuniti kad ima struje, potrebno je nešto što će pogoniti ventilator za duvanje. Dobra stvar je što tu nije potrebna velika snaga, te postoje neka jednostavna/jeftina rešenja.

Pomenimo i generatore (agregate) koji nisu baš tako jeftini, traže ipak neko održavanje i nabavljanje goriva. Mogu biti bučni, pogotovu oni jeftini, i proizvode izduvne gasove pa se nikako ne smeju naći u zatvorenom prostoru – ne samo što nije zdravo, već je opasno po život. A ni terase neće uvek biti dobar izbor zbog buke. No, ako ste u kući, sasvim je druga priča i ozbiljno razmislite o nabavci.

Uskladištena energija

Slede akumulatori. Na tržištu su se pojavili inverteri koji od jednosmerne struje 12 V prave naizmeničnih 220 V. Neki rade samo to, dok su drugi integrisani s punjačem i automatikom te se ponašaju slično UPS-u. Kad ima struje, napajaju potrošače iz mreže i pune akumulator, a kad nestane, prebace na napajanje iz akumulatora. Za male snage, koja je dovoljno da se napaja pumpa ili mrežna oprema, cena nije visoka. Jedini problem je olovni akumulator za kola ili kamion, koji nije preporučljivo držati u sobi. Ali barem ne pravi buku, tako da zaštićena terasa predstavlja odlično mesto.

Na grejanju se najviše uštedi korišćenjem toplotne pumpe, jer se tu struja ne pretvara u toplotu, već se koristi za „pumpanje toplote“ s jednog na drugo mesto

Probali smo jedan takav uređaj koji se može kupiti kod nas i glavna zamerka je oblik izlaznog napona. Naime, lakše je simulirati sinusoidu (tzv. modified sine wave inverter) nego dobiti pravi sinusni oblik signala (tzv. pure sine wave inverter). Ako su potrošači s prekidačkim napajanjem, kao u kompjuterima, prava sinusoida nije neophodna, ali ako treba da se napaja neki motor, treba imati dozu opreza. Najbolje je proveriti kako inverter radi s konkretnom pumpom, da li se ona greje ili pravi neobične zvuke. Uvek postoji mogućnost kupovine kvalitetnog UPS-a s pravim sinusnim signalom i dodatnim paketima baterija. Ali se cena neće svideti svima.

I na kraju, solarna energija. Ako se postave samo solarne ploče, to pomaže društvu u globalu, ali je tu i problem oko registracije, jer ste sada i proizvođač. I nekako je opšti utisak da u stvari štedite pare, a manje da rešavate problem ako dođe do prekida struje. Tu u igru dolaze baterije. Slično prethodno opisanom sistemu, samo što su baterije obično većeg kapaciteta i pune se preko solarnih ploča. Energiju trošite kada vama odgovara i postajete nezavisniji od elektroprivrede. Ovo rešenje deluje idealno, ali je skupo i instalacija celog tog sistema zahteva vreme i strpljenje.

Šta nam je činiti?

Treba da se potrudimo da smanjimo potrošnju energije (ne nužno i para), između ostalog i poboljšanjem toplotne izolacije stana/kuće. Ako bude manjih prekida u napajanju, baterije na telefonima i laptopima biće verovatno dovoljne za većinu. Treba obezbediti neki način da mrežna oprema radi za to vreme, što nije veliki zalogaj. Veći problem može predstavljati grejanje, pa ako nemate svoj sistem nego daljinski, ne možete mnogo toga uraditi. Ako imate svoj sistem, agregat ili akumulator sa inverterom završiće posao. Najbolje bi bilo imati solarne panele sa akumulatorima dimenzionirane po potrebama, ali to nije svuda moguće uraditi a ni cena nije popularna. Najbolje će biti ako ove zime bude dovoljno energenata, ali se posle toga treba pametno pripremati za sledeću zimu. Jer, slepo pratiti parole koje pozivaju na spas planete može napraviti obrnuti efekat. U stvari, treba slušati školovane ljude.