Tajemniczy impuls w europejskiej sieci energetycznej powtarzał się co 60 sekund. Rozwiązanie zagadki kryło się w urządzeniach, które miały ją chronić.
Przez lata operatorzy europejskich sieci energetycznych obserwowali dziwne zjawisko. Dokładnie co 60 sekund częstotliwość prądu nieznacznie spadała, jakby ktoś w całej Europie jednocześnie włączał ogromną liczbę urządzeń. Nikt nie potrafił wyjaśnić, skąd bierze się ten regularny impuls. Teraz naukowcy z Niemiec rozwiązali zagadkę. Okazuje się, iż przyczyną są m.in. zasilacze awaryjne i systemy magazynowania energii, które niemal równocześnie wykonują automatyczne testy. Problem dotyczy nie tylko Europy, ale również sieci energetycznych na innych kontynentach.
Co 60 sekund sieć energetyczna dostawała tajemniczy impuls
Niemiecki operator sieci przesyłowej TenneT od kilku lat rejestrował niezwykle regularne spadki częstotliwości prądu. Zjawisko powtarzało się dokładnie co minutę, niezależnie od pory dnia czy warunków pogodowych. Odchylenia były niewielkie i nie zagrażały bezpieczeństwu dostaw energii, ale ich powtarzalność zastanawiała ekspertów.
Europejska sieć elektroenergetyczna pracuje z nominalną częstotliwością 50 Hz. o ile produkcja energii jest większa od jej zużycia, częstotliwość rośnie. Kiedy zapotrzebowanie przewyższa produkcję, zaczyna spadać. To jeden z najważniejszych parametrów pozwalających operatorom kontrolować stabilność całego systemu.
Jak pokazała awaria europejskich zegarów w 2018 r., choćby stosunkowo niewielkie odchylenia częstotliwości mogą mieć zauważalne konsekwencje. Wówczas niedobory energii związane ze sporem Kosowa i Serbii sprawiły, iż zegary wykorzystujące częstotliwość sieci zaczęły się spóźniać.
W przypadku nowo odkrytego zjawiska zmiany są znacznie mniejsze. Naukowcy oszacowali, iż wahanie częstotliwości o amplitudzie około 3 mHz odpowiada skoordynowanej zmianie zapotrzebowania na moc rzędu 80 MW. To tak, jakby w całym systemie co minutę pojawiał się dodatkowy odbiorca o mocy niewielkiej elektrowni.
Naukowcy znaleźli winowajców. Zasilacze działały jak jeden organizm
Rozwiązaniem zagadki zajął się zespół kierowany przez Dirka Witthauta z Forschungszentrum Jülich, współpracujący z Uniwersytetem Kolońskim i Instytutem Technologicznym w Karlsruhe. Wyniki badania opublikowanego w Nature Energy pokazały, iż kluczową rolę odgrywają cyfrowe systemy sterowania urządzeniami energetycznymi.
Badacze przeanalizowali pomiary z ponad 80 punktów na terenie kampusu Forschungszentrum Jülich. Okazało się, iż charakterystyczne impulsy występowały przede wszystkim w budynkach wyposażonych w duże zasilacze awaryjne UPS. W obiektach pozbawionych takich instalacji nie obserwowano równie wyraźnego sygnału.
Dalsze pomiary wykazały, iż systemy zarządzania bateriami wykonują regularne testy sprawdzające ich stan. Powodują one krótkotrwałe zwiększenie poboru energii. Co najważniejsze, wiele urządzeń przeprowadza takie czynności dokładnie na początku każdej minuty.
Pojedynczy zasilacz nie miałby zauważalnego wpływu na europejską sieć. Kiedy jednak tysiące podobnych instalacji wykonują tę samą operację niemal równocześnie, ich niewielkie impulsy sumują się. Powstaje zjawisko widoczne choćby na poziomie sieci wysokiego napięcia.
Centra danych mogą pogłębiać problem. W Irlandii widać to szczególnie
Naukowcy odkryli podobny wzorzec w systemach energetycznych na pięciu kontynentach. Regularne minutowe wahania rejestrowano m.in. w Europie, Ameryce Północnej, Australii, Korei Południowej i Afryce Południowej. Oznacza to, iż problem nie wynika ze specyfiki jednego operatora czy konkretnego państwa.
Szczególnie interesujący okazał się przypadek Irlandii. W latach 2016-2021 amplituda minutowych spadków częstotliwości wzrosła tam czterokrotnie, z około 3 do 12 mHz. W tym samym czasie gwałtownie rozwijały się centra danych, wyposażone w rozbudowane systemy zasilania awaryjnego.
Serwerownie odpowiadały w 2022 r. za około 18 proc. krajowego zużycia energii elektrycznej. Ich zasilacze UPS muszą zapewniać ciągłość pracy choćby w przypadku awarii sieci, dlatego stale monitorują stan akumulatorów i wykonują procedury diagnostyczne.
Badacze wskazują, iż podobne zjawiska mogą występować również w innych urządzeniach sterowanych cyfrowo, np. pompach ciepła, klimatyzatorach czy inteligentnym sprzęcie AGD. Na razie nie udowodniono jednak, iż odpowiadają one za zaobserwowane wahania w takim samym stopniu jak duże systemy UPS.
Problem może dotyczyć także Polski. Nie oznacza to na szczęście blackoutu
Odkrycie jest istotne również dla naszego kraju, ponieważ polski system elektroenergetyczny pracuje synchronicznie z siecią Europy kontynentalnej. Wahania częstotliwości obejmujące ten połączony obszar dotyczą więc także Polski, chociaż naukowcy nie wskazali konkretnych polskich instalacji jako źródła problemu.
Nie ma również powodów, by obawiać się nagłych przerw w dostawach prądu wywołanych samym minutowym impulsem. Zaobserwowane odchylenia są zbyt małe, aby stanowiły bezpośrednie zagrożenie dla stabilności systemu. Problem ma jednak znaczenie dla urządzeń odpowiedzialnych za utrzymywanie równowagi między produkcją i zużyciem energii.
Szczególnie odczuwają go elektrownie wodne. Gdy zapotrzebowanie chwilowo rośnie, turbiny nieznacznie zwalniają, a następnie ponownie przyspieszają. Powtarzające się zmiany obciążenia mogą zwiększać zużycie mechaniczne urządzeń.
Polska również rozwija wielkoskalowe magazynowanie energii, w tym elektrownie szczytowo-pompowe, które pomagają stabilizować pracę systemu. Nowe badanie pokazuje, iż rosnąca liczba urządzeń sterowanych programowo wymaga także odpowiedniej koordynacji ich pracy.
Rozwiązanie zagadki okazało się zaskakująco proste
Zdaniem naukowców nie trzeba wymieniać tysięcy zasilaczy ani przebudowywać sieci energetycznej. Wystarczy zmienić sposób działania oprogramowania, aby urządzenia wykonywały swoje testy w różnych momentach, zamiast uruchamiać je wszystkie na początku minuty.
Można to osiągnąć przez losowe rozłożenie kontroli lub zastosowanie niewielkich przesunięć czasowych. Badacze poinformowali już jednego z producentów o swoich ustaleniach, a przygotowana aktualizacja systemu usunęła sztywną okresowość impulsów w jednej z analizowanych instalacji. Nie wyeliminowała jednak całkowicie samego mechanizmu skokowego poboru energii.
*Źródło grafiki wprowadzającej: Jupiterimages, Photo Images, Canva Pro / Gorvik, Getty Images, Canva Pro / Licec, Getty Images, Canva Pro
