Αντιμετώπιση αβεβαιοτήτων και εξασφάλιση ανθεκτικότητας των ΣΗΕ στο δρόμο για την Ενεργειακή Μετάβαση

Η συνεχής και αδιάλειπτη παροχή ηλεκτρικής ενέργειας είναι καθοριστικός παράγοντας για την ευημερία των σύγχρονων κοινωνιών και αποτελεί προαπαιτούμενο για την ομαλή ανάπτυξη όλων των οικονομικών δραστηριοτήτων υποστηρίζοντας βασικές ανάγκες της καθημερινής μας ζωής αλλά και μια σειρά κρίσιμων υπηρεσιών από την υγειονομική περίθαλψη και τις μεταφορές, έως τις επικοινωνίες, τις εμπορικές συναλλαγές και τις τραπεζικές υπηρεσίες. Είναι κοινός τόπος ότι η εξασφάλιση ασφαλούς και αξιόπιστης παροχής ηλεκτρικής ενέργειας είναι υψίστης σημασίας για τη ζωή τον 21ο αιώνα.
Στη διάρκεια των τελευταίων 30 ετών, το μερίδιο της ηλεκτρικής ενέργειας αυξήθηκε από περίπου 12% σε 20% της συνολικής τελικής κατανάλωσης ενέργειας∙ εκτιμάται ότι η τάση αυτή θα επιταχυνθεί και υπό την προϋπόθεση υιοθέτησης πολιτικών βιώσιμης ανάπτυξης η ηλεκτρική ενέργεια (σύμφωνα με το Διεθνή Οργανισμό Ενέργειας

- ΔΟΕ) θα μπορούσε να ξεπεράσει το πετρέλαιο ως κύρια πηγή ενέργειας έως το 20401. Σε όλα τα σενάρια που προβλέπει ο ΔΟΕ η ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας αναμένεται να αυξηθεί κατά περίπου 50% σε μόλις 20 χρόνια (βλ. Σχήμα 1). Στο μέλλον, η ηλεκτρική ενέργεια αναμένεται να διαδραματίσει μεγαλύτερο ρόλο στη θέρμανση, την ψύξη και τις μεταφορές αλλά και σε πολλούς ψηφιακά ολοκληρωμένους τομείς (όπως οι επικοινωνίες, η ψηφιακή οικονομία, η υγειονομική περίθαλψη). Η συνεχώς αυξανόμενη κρισιμότητα της ηλεκτρικής ενέργειας για τη λειτουργία των σύγχρονων οικονομιών, αυξάνει αντίστοιχα την ανάγκη για ασφαλή και συνεχή παροχή.

Στην περίοδο που διανύουμε ο τομέας της ηλεκτρικής ενέργειας υφίσταται θεμελιώδεις αλλαγές και συνεχιζόμενους πολλαπλούς μετασχηματισμούς και έρχεται αντιμέτωπος με μια σειρά νέων προκλήσεων: απαλλαγή από τα ορυκτά καύσιμα με την ταχεία ανάπτυξη των μεταβλητών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (ΑΠΕ)2, ψηφιοποίηση των συστημάτων παρακολούθησης και ελέγχου, διαχείριση ακραίων καιρικών φαινομένων λόγω της διαφαινόμενης κλιματικής αλλαγής. Τα κάθετα ολοκληρωμένα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας που χρησιμοποιούσαν σχετικά μικρό αριθμό από θερμοηλεκτρικές μονάδες μεγάλης ισχύος μετασχηματίζονται σε αγορές με συμμετοχή μεγάλου πλήθος μονάδων παραγωγής διαφόρων μεγεθών, πολλές από τις οποίες χρησιμοποιούν μεταβλητούς ανανεώσιμους πόρους. Στο πλαίσιο αυτό η ενσωμάτωση και χρήση των ψηφιακών τεχνολογιών αυξάνεται εκθετικά παρέχοντας νέες ευκαιρίες στη διαχείριση αυτών των περίπλοκων συστημάτων, με τίμημα όμως την έκθεση σε κυβερνοαπειλές.

Σχήμα 1 Εξέλιξη μεριδίων παγκόσμιας τελικής ενεργειακής κατανάλωσης στα σενάρια υιοθέτησης βιώσιμων πολιτικών3

Η λήψη μέτρων για τον μετριασμό της κλιματικής αλλαγής επιτάσσει την προσαρμογή των υποδομών των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας για την αντιμετώπιση των επιπτώσεών της. Η πραγματικότητα που διαμορφώνεται απαιτεί μια ευρύτερη και περιεκτική προσέγγιση όσον αφορά την ασφάλεια παροχής της ηλεκτρικής ενέργειας: για την επιτυχή ενεργειακή μετάβαση απαιτείται ο συνδυασμός δράσεων με στόχο τη μεγιστοποίηση του βαθμού βραχυπρόθεσμης και μακροπρόθεσμης ασφάλειας των ηλεκτρικών συστημάτων, τη διατήρηση της ευρωστίας και ενίσχυση της ανθεκτικότητας (resilience) των ηλεκτρικών συστημάτων.

Μελλοντικές προκλήσεις και ευκαιρίες
Η παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας αυξήθηκε σημαντικά την περασμένη δεκαετία∙ ο ρυθμός διείσδυσης των ΑΠΕ αναμένεται να επιταχυνθεί καθώς οι φωτοβολταϊκοί σταθμοί και τα αιολικά πάρκα σταδιακά εξελίσσονται στους φθηνότερους ενεργειακούς πόρους για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ παράλληλα συμβάλλουν δραστικά στην επίτευξη των στόχων για την κλιματική αλλαγή.

Η ταχεία ανάπτυξη των μεταβλητών ανανεώσιμων πηγών μπορεί υπό προϋποθέσεις να συμβάλει στο μετριασμό των όποιων ανησυχιών σχετικά με την ασφάλεια εφοδιασμού (που βασίζεται στα παραδοσιακά καύσιμα). Μια τέτοια εξέλιξη όμως, λόγω της έντονης στοχαστικότητας και μεταβλητότητας των ΑΠΕ, θα απαιτήσει την ανάπτυξη πόρων ευελιξίας στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να είναι δυνατή η συνεχής διατήρηση του ισοζυγίου παραγωγής – φορτίου. Δεδομένου ότι σταδιακά αποσύρονται οι συμβατικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής, οι οποίοι παρέχουν σε σημαντικό βαθμό την αναγκαία ευελιξία σήμερα, οι λύσεις αναζητούνται κυρίως στην ανάπτυξη συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας, που περιλαμβάνουν, πέρα από τις μεγάλες υδροηλεκτρικές μονάδες, συστήματα συσσωρευτών. Η ανάπτυξη νέων διασυνοριακών διασυνδέσεων αποτελεί επίσης ένα σημαντικό βήμα για την αύξηση της διείσδυσης των μεταβλητών ΑΠΕ. Τέλος, μια άλλη ενδιαφέρουσα προοπτική που θα επιτρέψει την αύξηση της διείσδυσης των μεταβλητών ΑΠΕ είναι η χρήση τους για την παραγωγή εναλλακτικών μη ρυπογόνων καυσίμων (με ιδιαίτερη έμφαση στο υδρογόνο).

Από την άλλη πλευρά, ο εξηλεκτρισμός περαιτέρω χρήσεων θα αυξήσει τη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια ενώ η ψηφιοποίηση αναμένεται να δώσει τη δυνατότητα στους καταναλωτές να έχουν πιο ενεργό ρόλο στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας. Η εγκατάσταση έξυπνων μετρητών είναι το πρώτο μεγάλο βήμα στην κατεύθυνση αυτή. Η συμμετοχή της ζήτησης στην αγορά μπορεί επίσης να αποτελέσει έναν επιπλέον και ιδιαίτερα σημαντικό πόρο ευελιξίας.

Στο τοπίο που διαμορφώνεται, το παραδοσιακό θεσμικό πλαίσιο για τη διασφάλιση της ασφάλειας τροφοδότησης δεν θα επαρκεί. Σε επίπεδο αγοράς, Ρυθμιστικών Αρχών και Διαχειριστών απαιτούνται μεταρρυθμίσεις για τη δίκαιη ανταμοιβή όλων των μορφών ευελιξίας καθώς και προσεκτικές εκτιμήσεις επάρκειας και αξιολόγησης των επιπτώσεων των σχεδίων απόσυρσης των συμβατικών πηγών παραγωγής ενέργειας.

Διατήρηση της αξιοπιστίας και επάρκειας του συστήματος ενόψει της μεγαλύτερης διακύμανσης της προσφοράς και της ζήτησης απαιτεί έγκαιρες επενδύσεις σε δίκτυα και ευέλικτους πόρους (κυρίως μέσα αποθήκευσης). Η ανάπτυξη των ηλεκτρικών δικτύων απαιτεί τον μακροπρόθεσμο σχεδιασμό έχοντας ως δεδομένο τους μεγάλους χρόνους κατασκευής και την συχνή αντιμετώπιση ζητημάτων αποδοχής τους από το ευρύ κοινό. Παράλληλα, είναι απαραίτητη η επαναπροσέγγιση του βραχυπρόθεσμου και μακροπρόθεσμου σχεδιασμού των ηλεκτρικών συστημάτων με νέα εργαλεία που θα ενσωματώνουν προηγμένες αναλύσεις που θα αξιολογούν την συνεισφορά από όλες τις διαθέσιμες τεχνολογίες στην παροχή της απαιτούμενης επάρκειας και ευελιξίας.

Μεταβλητές ανανεώσιμες πηγές και ο ρόλος του φυσικού αερίου
Αναμένεται ότι έως το 2040, ποσοστό μεγαλύτερο από 60% της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας θα καλύπτεται από ανανεώσιμες πηγές έναντι ποσοστού 27% κατά το έτος 20194 (βλ. Σχήμα 2). Η στοχαστική φύση των ανανεώσιμων πηγών εισάγει αβεβαιότητες που απαιτούν συνεχή παρακολούθηση και διαχείριση. Εκτός από την αποθήκευση, η ανάπτυξη εργαλείων τεχνητής νοημοσύνης και τα προηγμένα συστήματα πρόβλεψης μπορούν επίσης να βοηθήσουν στη διαχείριση της μεταβλητότητας.

Σχήμα 2 Εκτιμώμενη εξέλιξη ποσοστού ανανεώσιμων πηγών στη συνολική ηλεκτροπαραγωγή4

Έως και μερικούς μήνες πριν (και ιδιαίτερα στην Ευρώπη και στις Ηνωμένες Πολιτείες), η στρατηγική που είχε προκριθεί προέβλεπε τη διατήρηση μεταβατικά θερμικών μονάδων με καύσιμο φυσικό αέριο. Υπήρξαν βεβαίως και αντίθετες απόψεις που εξέφρασαν ανησυχίες σχετιζόμενες με την ασφάλεια εφοδιασμού δεδομένου ότι η παραγωγή φυσικού αερίου στην Ευρώπη μειώνεται διαρκώς, γεγονός που οδηγεί σε μεγαλύτερη και εντονότερη εξάρτηση από εξωτερικές πηγές, με όχι πάντα προβλέψιμη συμπεριφορά. Η εισβολή της Ρωσίας στην Ουκρανία εντείνει τον σκεπτικισμό αυτό και η συζήτηση περί των “μεταβατικών καυσίμων” επανέρχεται στο προσκήνιο.

Σε κάθε περίπτωση, ο ρόλος των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής που θα διατηρηθούν μεταβατικά για την εξασφάλιση επάρκειας και ευελιξίας θα είναι πολύ κρίσιμος για μια μακρά περίοδο. Η εξασφάλιση μεταβατικών καυσίμων για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας θα είναι ζωτικής σημασίας για την κάλυψη της ζήτησης και ιδιαίτερα σε περιόδους αιχμής (σε ακραίες καιρικές συνθήκες που παρουσιάζουν πλέον μεγαλύτερη συχνότητα εμφάνισης).

Στην προοπτική της επικράτησης των στοχαστικών ΑΠΕ, θεμελιώδη μεγέθη που χαρακτηρίζουν τα ηλεκτρικά συστήματα και διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο για την ομαλή λειτουργία τους, όπως η αδράνεια των στρεφόμενων μηχανών, μεταβάλλονται σημαντικά θέτοντας στο προσκήνιο την ανάγκη αξιολόγησης των επιπτώσεων και έγκαιρης λήψης μέτρων αντιμετώπισης.

Εκσυγχρονισμός, αναβάθμιση και επέκταση δικτύων, γήρανση υποδομών
Η διάρκεια ζωής των γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας είναι πεπερασμένη και η ανακαίνιση υφιστάμενων ή η κατασκευή νέων γραμμών συνεπάγεται μεγάλο οικονομικό κόστος και απαιτεί μεγάλους χρόνους υλοποίησης. Ταυτόχρονα, υπάρχει συνεχής ανάγκη επέκτασης των δικτύων και αύξησης της ικανότητας μεταφοράς τους για την εξασφάλιση της πρόσβασης σε απομακρυσμένες περιοχές με πλούσιο ανανεώσιμο δυναμικό (π.χ. υπεράκτια αιολικά πάρκα – off-shore wind farms).

Ένα μεγάλο πλήθος υφιστάμενων υποδομών των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας έχουν σχεδιαστεί και εγκατασταθεί πριν από δεκαετίες. Σε συνθήκες αυξημένης πίεσης, όπως είναι αναμενόμενο, τα στοιχεία αυτά παρουσιάζουν μεγαλύτερα ποσοστά αστοχίας έναντι του νεότερου εξοπλισμού, γεγονός που υποβαθμίζει την ικανότητα του δικτύου να ανταπεξέρχεται με επιτυχία σε απροσδόκητες διαταραχές.

Παράλληλα, η γήρανση του εξοπλισμού επιβάλλει την τακτική (δαπανηρή) συντήρησή τους και ενέργειες αντικατάστασης, προκειμένου να λειτουργούν αξιόπιστα. Αυτές οι ενέργειες ωστόσο, προγραμματίζονται δύσκολα δεδομένης της μεγάλης γεωγραφικής διασποράς των στοιχείων του συστήματος, αλλά και της ανάγκης διατήρησης της λειτουργικότητάς του που περιορίζει τα περιθώρια για να τεθούν εκτός λειτουργίας. Ο τομέας της ηλεκτρικής ενέργειας βρίσκεται αντιμέτωπος με τη βασική πρόκληση της γήρανσης των υποδομών, οι οποίες πρέπει να ανανεωθούν για την επίτευξη ενός ανθεκτικού και βιώσιμου συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας.

Ψηφιοποίηση - Απειλή κυβερνοεπιθέσεων
Η ψηφιοποίηση προσφέρει πολλά οφέλη για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας στο δρόμο για την ενεργειακή μετάβαση. Ταυτόχρονα όμως αυξάνεται η πιθανότητα κυβερνοεπιθέσεων. Η απειλή κυβερνοεπιθέσεων στα ηλεκτρικά συστήματα αξιολογείται πλέον ως σημαντική απειλή καθώς μια επιτυχημένη κυβερνοεπίθεση θα μπορούσε να προκαλέσει την απώλεια του ελέγχου σε συσκευές και διαδικασίες, προκαλώντας εκτεταμένες διακοπές της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας.

Αν και η πλήρης πρόληψη των κυβερνοεπιθέσεων δεν είναι δυνατή, τα ηλεκτρικά συστήματα απαιτείται να σχεδιαστούν ώστε να γίνουν πιο ανθεκτικά από πλευράς κυβερνοασφάλειας προκειμένου να αντέχουν, να προσαρμόζονται και να ανακάμπτουν γρήγορα από περιστατικά και επιθέσεις διατηρώντας παράλληλα τη συνέχεια λειτουργίας των υποδομών ζωτικής σημασίας.

Επιπτώσεις κλιματικής αλλαγής, απροσδόκητα γεγονότα, συχνές διακοπές
Τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας δέχονται αυξανόμενη πίεση από την κλιματική αλλαγή με τις ακραίες καιρικές συνθήκες να εξελίσσονται ως η πλέον κοινή αιτία εκτεταμένων διακοπών. Συχνότερη εκδήλωση δασικών πυρκαγιών, ακραία και μεταβλητά μοτίβα βροχοπτώσεων, αύξηση της στάθμης της θάλασσας και τα ακραία καιρικά φαινόμενα αποτελούν ήδη σημαντική πρόκληση για την ασφάλεια παροχής της ηλεκτρικής ενέργειας, αυξάνοντας την πιθανότητα εκδήλωσης διαταραχών και απροσδόκητων γεγονότων λόγω του κλίματος όπως γραφικά αποτυπώνεται στο Σχήμα 3, όπου περιλαμβάνονται παραδείγματα από πρόσφατα γεγονότα σε όλο τον κόσμο. Αντίστοιχα παραδείγματα έχουμε βιώσει στη χώρα μας με πλέον πρόσφατα τις διακοπές ηλεκτρικού ρεύματος κατά τις χειμερινές περιόδους 2020-2022 λόγω των ακραίων καιρικών φαινομένων.

Σχήμα 3 Πρόσφατα παραδείγματα ακραίων γεγονότων (M: χρήστες χωρίς ρεύμα σε εκατομμύρια) 5

Πέρα από τις καταστροφικές βλάβες εξοπλισμού, η κλιματική αλλαγή έχει αντίκτυπο στην αποδοτικότητα και διαθεσιμότητα των σταθμών ηλεκτροπαραγωγής, συμπεριλαμβανομένων τόσο των θερμικών όσο και των ΑΠΕ. Οι νέες κλιματικές συνθήκες μπορεί να οδηγήσουν σε μεγαλύτερης έντασης βλάβες στα δίκτυα μεταφοράς και διανομής, ενώ παράλληλα συμβάλλουν στην αύξηση της ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας για ψύξη/θέρμανση σε πολλές χώρες.

Ανθεκτικότητα και ηλεκτρικά συστήματα
Αν και η συζήτηση για τον ορισμό της ανθεκτικότητας στα ηλεκτρικά συστήματα δεν έχει τελειώσει και υπάρχουν διαφορετικές προσεγγίσεις ως προς τον ορισμό της7, υπάρχει ωστόσο κοινή αναγνώριση των βασικών χαρακτηριστικών της ανθεκτικότητας:

Ευρωστία – Στιβαρότητα (robustness)

Πλεονασματικότητα (redudancy)

Επινοητικότητα (resourcefulness),

Ταχεία ανάκαμψη (rapid recovery)

Προσαρμοστικότητα (adaptability)

Η στιβαρότητα σχετίζεται με την ικανότητα αντοχής και παραμονής σε λειτουργία μετά από απρόβλεπτα γεγονότα υψηλού αντίκτυπου και χαμηλής πιθανότητας. Η πλεονασματικότητα αφορά στην σχεδίαση ανάπτυξης και λειτουργίας του συστήματος με σκοπό την διασφάλιση της συνέχειας των υπηρεσιών σε περίπτωση εκδήλωσης συμβάντος. Η επινοητικότητα συνδέεται πρωτίστως με τον ανθρώπινο παράγοντα και αφορά την ικανότητα επιδέξιας διαχείρισης καταστάσεων κρίσης μέσω ορθών και έξυπνων επιλογών και την ιεράρχηση των δράσεων. Ταχεία ανάκαμψη είναι η ικανότητα του συστήματος να επιστρέψει γρήγορα στην κανονική του λειτουργία μετά από την εκδήλωση μιας κρίσης, ενώ προσαρμοστικότητα είναι η ικανότητα μάθησης από προηγούμενα γεγονότα με αξιοποίηση νέων τεχνολογιών και εργαλείων.

Συμπερασματικά, ένα ανθεκτικό ηλεκτρικό σύστημα θα πρέπει να έχει πολύπλευρες δυνατότητες: να είναι «έξυπνο» για να προβλέψει το γεγονός πριν συμβεί, ικανό να αποφύγει το συμβάν και να αποτρέψει τις επιπτώσεις του κινδύνου ή την ελαχιστοποίηση των ζημιών λόγω του ανέφικτου της αποφυγής όλων των επικίνδυνων συμβάντων. Μετά το συμβάν, το σύστημα θα πρέπει να έχει δυνατότητα επαναδιαμόρφωσης με διαθεσιμότητα υλικών πόρων και επαρκές ανθρώπινο δυναμικό για την ταχεία αποκατάσταση των κατεστραμμένων υποδομών στο επίπεδο πριν από την καταστροφή. Τέλος, το σύστημα θα πρέπει αξιολογώντας τις εμπειρίες διαχείρισης των συμβάντων να εξελίσσεται και να προσαρμόζεται συνεχώς και να ενισχύσει περαιτέρω τις μελλοντικές δυνατότητές του.

Ενίσχυση ανθεκτικότητας (Σχεδιασμός – Λειτουργία)
Οι στρατηγικές ενίσχυσης της ανθεκτικότητας ταξινομούνται σε μεθόδους που βασίζονται στον προγραμματισμό – σχεδιασμό (planning-based) και σε μεθόδους που βασίζονται στην επιχειρησιακή λειτουργία (operation-based). Οι μέθοδοι που βασίζονται στον προγραμματισμό επικεντρώνονται στην κατάρτιση προγραμμάτων επέκτασης των δικτύων με σκοπό την ενίσχυση σε βάθος των συστημάτων μεταφοράς και διανομής έναντι μελλοντικών ακραίων γεγονότων, ενώ οι μέθοδοι που βασίζονται στην λειτουργία αναπτύσσουν στρατηγικές που βασίζονται στη βελτιστοποίηση της χρήσης των διαθέσιμων στοιχείων υποδομής έναντι αστοχιών και ακραίων καιρικών συνθηκών.

Πίνακας 1 Μέθοδοι και μέτρα ενίσχυσης ανθεκτικότητας

Μέτρα στο επίπεδο προγραμματισμού

Μέτρα στο επίπεδο λειτουργίας

Υπογειοποίηση εναέριων γραμμών

Αναδιαμόρφωση δικτύου

μεταφοράς και διανομής

Κατασκευή νέων γραμμών ως

εναλλακτικών διαδρόμων μεταφοράς

Συστήματα ακριβούς πρόγνωσης καιρού

Μετατόπιση εγκαταστάσεων και αλλαγή διαδρομής γραμμών

Προηγμένα συστήματα προστασίας και αποκεντρωμένου ελέγχου

Αναβάθμιση δομών στήριξης Η/Μ εξοπλισμού με ισχυρότερα υλικά

Συντονισμός ενεργειών

αποκατάστασης (συνεργεία επισκευής)

Ανύψωση Υποσταθμών και εγκαταστάσεων και τοποθέτηση

υδρατοφραγμάτων σε περιοχές επιρρεπείς σε πλημμύρες

Διαθεσιμότητα φορητών γεννητριών έκτακτης ανάγκης

Εγκατάσταση εφεδρικών ηλεκτροπαραγωγών ζευγών

Διαχείριση ζήτησης

Ενίσχυση της διαχείρισης βλάστησης (κλάδεμα δέντρων κλπ.)

Συστήματα εκτίμησηs και αξιολόγησης κινδύνων και πρόβλεψης καταστροφών

Ανάπτυξη πρωτοκόλλων για την

κρυπτογραφημένη επικοινωνία κρίσιμων δεδομένων

Συστήματα επιτήρησης και

απεικόνισης κατάστασης εξοπλισμού

Βέλτιστος σχεδιασμός για την εγκατάσταση συστημάτων

αποθήκευσης, διακοπτικών στοιχείων (για διαχωρισμό του συστήματος) και μονάδων

εκκίνησης black-start

Συστήματα απόκρισης εκτάκτου ανάγκης (απόρριψη φορτίου)

Τα μέτρα ενίσχυσης των δικτύων είναι αποδοτικά ως προς την ανθεκτικότητα του συστήματος αλλά απαιτούν σημαντικές επενδύσεις και χρόνο ενώ τα μέτρα επιχειρησιακής λειτουργίας παρέχουν γρήγορες και οικονομικές λύσεις για την μείωση των επιπτώσεων των ανεπιθύμητων συμβάντων στα δίκτυα ηλεκτρικής ενέργειας. Αξίζει πάντως να σημειωθεί ότι μια στρατηγική βελτίωσης που είναι αποτελεσματική σε ένα συγκεκριμένο γεγονός μπορεί να έχει αρνητικό αντίκτυπο σε ένα άλλο συμβάν. Για παράδειγμα, η υπογειοποίηση των εναέριων γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας ενισχύει την ανθεκτικότητα των υποδομών δικτύου στις θύελλες και στις φωτιές αλλά μπορεί να προκαλέσει καθυστέρηση αποκατάστασης σε περίπτωση πλημμύρας ή σεισμού λόγω δυσκολίας στον εντοπισμό του σφάλματος και αποκατάστασης της βλάβης. Χαρακτηριστικό παράδειγμα στο Ελληνικό Σύστημα αποτελεί η καταστροφή σε εγκαταστάσεις υπογείων καλωδίων 400 kV στην Εύβοια κατά τη διάρκεια ακραίων καιρικών φαινομένων το καλοκαίρι του 2020 στην περιοχή της Χαλκίδας με πολύ μεγάλο χρόνο αποκατάστασης. Για το λόγο αυτό για τη λήψη αποφάσεων για

την εφαρμογή μέτρων ενίσχυσης της ανθεκτικότητας των συστημάτων απαιτείται να λαμβάνονται υπόψη τα συγκεκριμένα χαρακτηριστικά του δικτύου και η διατήρηση ισορροπίας μεταξύ των διαφόρων τύπων μέτρων. Κοινές πρακτικές και τεχνικές για την ενίσχυση της ανθεκτικότητας του συστήματος συνοψίζονται στον Πίνακα 1.

Επίδραση μεγάλης διείσδυσης ΑΠΕ στην ανθεκτικότητα του Συστήματος
Η υψηλή διείσδυση των ΑΠΕ μπορεί να επιδεινώσει την ανθεκτικότητα των συστημάτων ισχύος και ιδιαίτερα την ικανότητά τους να αντέχουν σε διαταραχές. Αυτό σχετίζεται κυρίως με την αδρανειακή απόκριση για τη διατήρηση της ευστάθειας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας. Επίσης η μεγάλη διείσδυση των ΑΠΕ οδηγεί σε αύξηση της τρωτότητας από φυσικά αίτια δεδομένης της μεγαλύτερης έκθεσης των μονάδων ΑΠΕ στις ακραίες καιρικές συνθήκες έναντι των συμβατικών σταθμών παραγωγής. Για παράδειγμα τα υπεράκτια Αιολικά Πάρκα είναι ευάλωτα σε καταιγίδες, ενώ η άπνοια όπως και οι πολύ υψηλές ταχύτητες ανέμου ή η παρατεταμένη έλλειψη ηλιοφάνειας αποτελούν καιρικά φαινόμενα που μπορούν να οδηγήσουν σε μείωση της παραγωγής των μεταβλητών ΑΠΕ.

Ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να διερευνηθεί και να αναλυθούν οι επιπτώσεις του, είναι το γεγονός ότι η πλειοψηφία των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ χρησιμοποιούν όλο και περισσότερο μετατροπείς AC/DC με αποτέλεσμα αρνητικές επιδράσεις στην ποιότητα ισχύος, λόγω εισαγωγής αρμονικών. Το ζήτημα αυτό είναι θεμελιώδες για τη μελλοντική ανάπτυξη καθώς επηρεάζει τόσο την πλευρά της παραγωγής όσο και την κατανάλωση.

Ευστάθεια συχνότητας, αδράνεια και μεγάλες διαταραχές στο Ευρωπαϊκό Σύστημα
Οι εμπειρίες από το πρόσφατο παρελθόν (όπως ο διαχωρισμός (split) του ηλεκτρικού συστήματος της Ιταλίας το Σεπτέμβριο του 20036, ο διαχωρισμός του Ευρωπαϊκού Συστήματος σε τρία τμήματα το Νοέμβριο του 20067 και ο διαχωρισμός Ανατολικού-Δυτικού συστήματος τον Ιανουάριο του 20218) επιβεβαίωσαν ότι η πιθανότητα εμφάνισης πολύ σοβαρών διαταραχών που οδηγούν το διασυνδεδεμένο σύστημα στα όρια της ευστάθειάς του και ενέχουν τον κίνδυνο σβέσεων μεγάλης κλίμακας (black/brown out), είναι υπαρκτή.

Τα Πανευρωπαϊκά Δεκαετή Προγράμματα Ανάπτυξης (TYNDP) που συνθέτει ο οργανισμός των Ευρωπαίων Διαχειριστών Συστημάτων Μεταφοράς (ENTSO-E) αποτυπώνουν τις τάσεις με τις οποίες εξελίσσεται το Ευρωπαϊκό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας: περισσότερες ΑΠΕ σε όλα τα επίπεδα τάσης, περισσότεροι πόροι που βασίζονται σε μετατροπείς (είτε σε συνδέσεις παραγωγής είτε σε συνδέσεις HVDC), πολύ μεταβλητό μείγμα παραγωγής, μειωμένα επίπεδα αδράνειας συστήματος και επίσης μεγάλες και εξαιρετικά μεταβλητές ροές ισχύος. Αυτός ο συνδυασμός, μεταξύ άλλων, οδηγεί τις προκλήσεις αναφορικά με την ευστάθεια συχνότητας να γίνονται ολοένα και πιο κρίσιμες, ακόμη και για το επίπεδο μια μεγάλης διασυνδεδεμένης περιοχής όπως είναι η σύγχρονη περιοχή του Ευρωπαϊκού Συστήματος (Continental Europe, CE).

Σχήμα 4 Ο διαχωρισμός του Ευρωπαϊκού Συστήματος σε τρία υποσυστήματα το 20069

Πρόσφατες δημοσιεύσεις από τον ENTSO-E10 εστιάζουν στις ανάγκες του συστήματος σε συνθήκες υψηλής διείσδυσης μονάδων παραγωγής που βασίζονται σε μετατροπείς (inverter-based generation). Σε αυτό το πλαίσιο αναγνωρίζονται οι ανάγκες για ικανότητα αντοχής σε μεγάλους ρυθμούς μεταβολής συχνότητας (Rate Of Change Of Frequency, ROCOF) καθώς επίσης την ανάγκη για μετατροπείς με ικανότητα διαμόρφωσης δικτύου (Grid Forming Converters) που αποτελούν μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία.

Σε περίπτωση εκδήλωσης συνηθισμένων διαταραχών που οδηγούν σε απώλεια παραγωγής δεν αναμένονται μεγάλοι ρυθμοί μεταβολής συχνότητας, ούτε σημαντικές απόλυτες μεταβολές συχνότητας στη σύγχρονη περιοχή τους Ευρωπαϊκού Συστήματος. Ωστόσο σε περιπτώσεις σοβαρών συμβάντων (όπως ο διαχωρισμός του ενιαίου συστήματος σε δύο ή περισσότερα υποσυστήματα), η εμφάνιση μεγάλής αναντιστοιχίας μεταξύ παραγωγής και φορτίου σε συνδυασμό με χαμηλή αδράνεια του συστήματος θα έχει σαν αποτέλεσμα την εμφάνιση μεγάλων ρυθμών μεταβολής συχνότητας.

Στη σύγχρονη περιοχή CE, ο διαχωρισμός του συστήματος είναι το πλέον κρίσιμο γεγονός που σχετίζεται με την ευστάθεια συχνότητας και για το λόγο αυτό κατατάσσεται στα γεγονότα που πρέπει να αντιμετωπιστούν από τα σχέδια άμυνας (Defense Plans) του συστήματος. Όμως οι υψηλές τιμές ρυθμών μεταβολής της συχνότητας εγείρουν κινδύνους για την αποτελεσματικότητα των σχεδίων αντιμετώπισης. Υψηλά RΟCΟF μειώνουν τον διαθέσιμο χρόνο για την ανάληψη των απαραίτητων ενεργειών εξισορρόπησης ή/και την ανάληψη διορθωτικών ενεργειών έκτακτης ανάγκης σύμφωνα με τα σχέδια άμυνας του συστήματος, οδηγώντας σε ασταθή συμπεριφορά που μπορεί να καταλήξει έως και σε μερική ή γενική σβέση επιμέρους περιοχών.

Η πρόκληση που τίθεται από τα φαινόμενα διαχωρισμού των συστημάτων δεν μπορεί να επιλυθεί με μεμονωμένες ενέργειες σε εθνικό επίπεδο. Απαιτούνται συντονισμένες προσπάθειες από όλους τους ευρωπαϊκούς Διαχειριστές για τη διασφάλιση της αποτελεσματικότητας των μέτρων. Στην κατεύθυνση αυτή οι Διαχειριστές οφείλουν να δρουν προληπτικά και να συνεργάζονται με όλα τα ενδιαφερόμενα μέρη για την εφαρμογή των βέλτιστων τεχνικοοικονομικών λύσεων στο δρόμο για τη μετάβαση του ενεργειακού συστήματος.

Σύμφωνα με μελέτη του ENTSO-E11, αρχικές τιμές RΟCΟF μετά την εκδήλωση συμβάντος μεγαλύτερες από 1 Hz/s θεωρούνται μη διαχειρίσιμες καθώς επιδρούν αρνητικά στην αποτελεσματικότητα των προβλεπόμενων από τα αμυντικά σχέδια ενεργειών που στοχεύουν στην σταθεροποίηση του δικτύου. Κάτω από τέτοιες συνθήκες, τα διαθέσιμα μέσα εξισορρόπησης δεν είναι αρκετά γρήγορα για να αποκαταστήσουν το ισοζύγιο ενεργού ισχύος του συστήματος πριν η συχνότητα φτάσει σε επίπεδα, όπου το μεγαλύτερο μέρος της παραγωγής αποσυνδέεται με αποτέλεσμα το σύστημα να οδηγείται σε ολική σβέση (black-out).

Σχήμα 5 Πρόσθετη κινητική ενέργεια που απαιτείται για να αντιμετωπιστούν τα σοβαρά συμβάντα διαχωρισμού συστήματος στη σύγχρονη περιοχή CE12

Στη μελέτη του ENTSO-E υπολογίστηκε για μια σειρά σεναρίων (με χρονικό ορίζοντα από το 2025 έως το 2040) το θεωρητικό ποσό πρόσθετης αδράνειας που είναι απαραίτητο για τον περιορισμό του RΟCΟF σε τιμές μικρότερες του 1 Hz/s. Η αδράνεια περιλαμβάνει την κινητική ενέργεια των σύγχρονων γεννητριών και συγχρόνων αντισταθμιστών καθώς και τη συμβολή συσκευών που βασίζονται σε μετατροπείς με δυνατότητα διαμόρφωσης δικτύου. Τα αποτελέσματα φαίνονται γραφικά στο Σχήμα 5.

Για να γίνει κατανοητό το μέγεθος της απαιτούμενης αδράνειας, αυτό αντιστοιχεί σε εγκατάσταση νέων συμβατικών σταθμών παραγωγής (θεωρώντας τυπική σταθερά αδράνειας 5 sec) συνολικής ισχύος 100 GW το 2025 και 500 GW το 2040 αντίστοιχα .

Εν κατακλείδι, το ζήτημα ανθεκτικότητας και ασφάλειας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας στο νέο τοπίο με την προσδοκώμενη μεγάλη διείσδυση ΑΠΕ (οι οποίες παρουσιάζουν πολύ μεγάλες αβεβαιότητες), αποτελεί τον κρισιμότερο ίσως παράγοντα για τη διατήρηση της ασφάλειας τροφοδοσίας με ηλεκτρική ενέργεια στο μέλλον.

--------------------------

*Αναδημοσίευση από το ηλεκτρονικό περιοδικό «ΠΥΛΩΝΕΣ» της Ελληνικής Επιτροπής Cigre