Az ukrán energiarendszert pénteken újabb súlyos támadás érte. Ezúttal elsősorban az erőműművek voltak a célpontok. Az ukrán miniszterelnök már decemberben azt jelentette be, hogy addigra már az ország összes hő- és vízerőművét támadás érte.
Mint Denisz Smihál miniszterelnök az ukrán kormány február 10-ei ülésén már azt jelentette be, hogy a támadások nyomán Ukrajna hőerőművi kapacitásainak háromnegyedét vesztette el.
Az ukrán energiarendszert – és azon belül hangsúllyal a villamosenergia-rendszert – ért sorozatos támadások és az azok miatti tömeges áramszünetek, tartós ellátási korlátozások miatt joggal merül fel a kérdés: lehet-e és ha lehet, akkor miként lehet olyan villamosenergia-rendszert építeni, amely súlyos csapások esetén is képes többé-kevésbé fenntartani a villamosenergia-szolgáltatást?
A kérdés messze nem elméleti jellegű. Például az USA huzamosabb ideje kénytelen szembenézni a hurrikánok pusztításaival. Sőt, egyre inkább a sarkividéki légörvények (polar vortex) hatásait is kezelniük kell. Az utolsó komolyabb polar vortex idén januárban érte Észak-Amerikát.
A klímaváltozás miatt Európában is egyre gyakoribbak a szélsőséges időjárási jelenségek. Minderről korábban külön cikkben írtunk. Azt a kérdést is körbejártuk, hogy lehetséges-e olyan villamosenergia-rendszert építeni, amely képes lenne drón- és rakétatámadások elviselésére is. Elméletben elvileg – nagyon elvileg – lehetséges, de olyan gigászi költsége lenne, hogy a gyakorlati megvalósítás esélye zérus.
A mérnöki rendszerek – mint a villamosenergia-rendszer is – ellenállóképességének növelése kapcsán az angol szakszövegekben a „hardening” és a „resiliency” kifejezések használatosak. Ugyanakkor sem a „hardening”, sem a „resiliency” esetében sem látszik egyetlen magyar szó, amely 100%-ig kifejezné az eredeti angol szavak jelentéstartalmát. Hasonló a helyzet, mint az angol „safety” és „security” kifejezések esetében. Mindkettőnek a magyar „biztonság” szó lenne a megfelelője, miközben a két angol kifejezés a biztonság eltérő aspektusait írja le. A magyar nyelvben ma már gyakran használt „szoftver” kifejezés is angol szóból (”software”) épült be a magyar nyelvbe. A „hardening” és a „resiliency” szavakkal úgy tűnik, hogy szaporodni fog azon jövevényszavak, szakkifejezések száma, amelyek eredeti, angol formájukban, vagy azokból származtatva hasonló módon beépülnek a magyar szakmai nyelvezetbe.
A „hardening” kifejezés legközelebbi magyar tartalmi megfelelői a „keményítés”, „megerősítés” szavak lehetnének. A „resiliency” esetében a „rugalmasság”, „ellenállóképesség”, „rugalmas ellenállási képesség” kifejezések közelítenek a jelentéstartalomhoz. De nem könnyű a pontos és széles körben elfogadható, megfelelő magyar változat megtalálása.
A cikkben részletesen bemutatjuk a két fogalomhoz tartozó alapvető tudnivalókat.
A jelenlegi legelterjedtebb hazai szóhasználattal összhangban a továbbiakban a „hardening” és „reziliencia” megnevezéseket fogjuk használni.
1. Fogalmak
Hardening*: a villamos hálózat potenciális kockázatainak felmérése, majd ezeken alapuló stratégiai intézkedések tétele, a kockázatok proaktív mérséklése, a villamos hálózati infrastruktúra megerősítése az ügyfeleket érintő nem tervezett áramszünetek megelőzése érdekében.
Reziliencia*: a villamosenergia-rendszer képessége arra, hogy egy a rendszert érintő szélsőséges eseményt követően önmaga korlátozza az esemény miatti károsodás súlyosságát és időtartamát.
(* Itt – és a későbbiekben is – villamosenergetikai kontextusban értelmezve.)
További – tartalmilag egymáshoz közeli, de mégis különböző, ezért értelmezendő – fogalmak a „reliability” és a „resiliency”.
A „reliability”(megbízhatóság) annak valószínűségét jelenti, hogy a villamosenergia az igény szerinti mennyiségben és minőségben rendelkezésre áll.
2. Hardening
A hardening szükségességét elsősorban a globális felmelegedéssel kapcsolatba hozható egyre szélsőségesebb időjárási jelenségek vetették fel.
Mint ahogyan azt korábbi cikkünkben részleteztük, a probléma Magyarországot is érinti.
A 2013. március 14-15-ei, majd a 2015. decemberi szélsőséges időjárásban a távvezeték sodronyokra fagyott ónos eső súlya a viharos széllökésekkel súlyosbítva olyan többlet erőhatásokat okozott, amelyeket számos távvezetéki oszlop már nem tudott elviselni és eltört.
Szélsőséges esetben akár sorozatos oszloptörések is előfordulhatnak:
Ezeket az oszlopokat még a múlt század ’60-as, ’70-es éveinek időjárási szélsőségeire tervezték, azonban ezek a 2000-es évekre annyival intenzívebbé váltak, hogy a régebbi oszlopok még a beépített mérnöki biztonsági tartalék ellenére sem voltak képesek elviselni a megnövekedett erőhatásokat. Emiatt egyrészt intenzív munkával kellett a meglévő távvezetéki oszlopokat megerősíteni, másrészt át kellett tervezni az új oszlopok típusterveit.
Az időjárási szélsőségek, a hurrikántevékenység erősödése különösen az USA-t sújtja. A Nemzeti Óceán- és Légkörkutató Hivataluk tanulmánya szerint a milliárd dolláros – az legalább ekkora kárértékű – időjárási események száma 1980 óta négyszeresére nőtt.
A tények tükrében akár rövid idő alatt is jelentősen súlyosbodhat a helyzet:
A Meteorológiai Világszervezet adatai szerint "az éghajlatváltozás miatt a katasztrófák száma 50 év alatt ötszörösre nőtt".
A vázolt szélsőséges körülmények hatásainak enyhítése miatt elkerülhetetlen hardening révén csökkenthető az áramszünetek száma, növelhető a villamosenergia-rendszer általános biztonsága és stabilitása.
A villamosenergia-rendszerben több területen is eredményes lehet a hardening:
- Redundancia és diverzitás: a zavarok hatásának minimalizálása érdekében a villamosenergia-termelő kapacitások fajtaságának növelése, a villamos hálózatba beépített méretezési és berendezés tartalékok bővítése.
- Távvezetékek kiváltása kábelekkel: a szélviharok hatásának csökkentése a légvezetékek földkábelekkel való kiváltásával. A magas ára miatt mindez inkább közép is kisfeszültségen jöhet szóba. Műszakilag nagyobb feszültségeken is megoldható lenne, azonban a magas költségek erős korlátozó tényezők.
- Intelligens hálózati technológiák: a villamosenergia-rendszer valós idejű felügyeletét és irányítását, az üzemzavarokra gyorsabb és hatékonyabb reagálást biztosító fejlett felügyeleti, ellenőrzési és kommunikációs rendszerek alkalmazása.
- Mikrogridek: akár a közcélú hálózattól függetlenül is működő, önellátó, helyileg irányított villamosenergia alrendszerek.
- Energiatárolók: akkumulátorok, és egyéb energiatároló rendszerek, amelyek a tárolt energiával növelhetik a villamosenergia-rendszer stabilitását és megbízhatóságát.
- Biztonsági intézkedések: a villamosenergia-rendszer fizikai és kiberbiztonságának megerősítése
- Vészhelyzeti tervezés: vészhelyzetekre való felkészülés és reagálás tervezése, vészhelyzeti intézkedési tervek kidolgozása és rendszeres gyakoroltatása az esetleges üzemzavarok lehető leggyorsabb és leghatékonyabb kezelése érdekében.
3. Reziliencia
Egy villamosenergia-rendszer akkor reziliens, ha eleve – már a tervezéskor, majd később az üzemeltetési rendszer felépítésekor is – alapvető szempont a zavarok időtartamának és hatásának minimalizálása, a normál, üzemszerű működés lehető leggyorsabb helyreállíthatósága.
A reziliencia növelés célszerű lépései a szélsőséges esemény bekövetkezése előtt:
- fizikai megerősítés, robusztus távvezetéki és alállomási infrastruktúra kialakítása,
- a centralizált energiatermelő és elosztó rendszerek arányának csökkentése az elosztott rendszerek, a mikrogridek javára,
- hálózati energiatárolók létesítése,
- előrejelzés,
- tartalékkészletek növelése és decentralizált elhelyezése (elsősorban transzformátorok),
- a villamosenergia-rendszer valós idejű felügyeletét és irányítását, a gyorsabb és hatékonyabb reagálást lehetővé tévő legkorszerűbb technológiák (pl. műhold, drón) alkalmazása,
- hatékony vészhelyzeti reagálási és helyreállítási tervezés,
- vészhelyzeti tervek végrehajtásának rendszeres gyakoroltatása,
- kibervédelem erősítése.
Célszerű lépések a szélsőséges esemény bekövetkezésekor:
- a vészhelyzetkezelésre rendelkezésre álló erőforrások hatékony alkalmazása,
- a kritikus rendszerfunkciók (elsősorban az üzemirányítás) fenntartása,
- helyreállításhoz szükséges erőforrások mozgósítása.
Célszerű lépések a szélsőséges esemény, majd a következmények felszámolása után:
- a szerzett tapasztalatok értékelése és visszacsatolása a további intézkedések tervezésébe.
A reziliensebb villamosenergia-rendszer nagyobb eséllyel képes ellenállni és/vagy gyorsabban helyreállni akár természeti katasztrófa, akár kibertámadás, akár vészhelyzet okozta csapásokból.
4. Egyezés, különbözőség
Látható módon a hardening és a reziliencia a villamosenergia-rendszer megbízhatóságának és stabilitásának javításával összefüggésben rokon fogalmak, azonban világos különbség is tehető közöttük.
A hardening inkább az energetikai infrastruktúra fizikai károkkal szembeni ellenállóbbá tételét célzó beavatkozásokra utal (elsősorban a szélsőséges időjárási körülményekkel szembeni ellenállóképesség fejlesztésére a távvezetékek, az alállomások megerősítésével). A hardening elsődleges célja tehát a villamos infrastruktúrában bekövetkezhető fizikai károk minimalizálása, a kiesések megelőzése.
A reziliencia az energiarendszer azon képességére utal, hogy egy mégis bekövetkező károsodás hatásai minimalizálhatók legyenek, azaz:
- az energiaszolgáltatás még egy vagy több rendszerelem sérülése vagy lekapcsolódása esetén is fenn legyen tartható,
- a mégis bekövetkező ellátási zavarok térben és időben behatárolhatók legyenek,
- az üzemszerű működés a lehető leggyorsan helyre legyen állítható.
Ez a megközelítés az eleve betervezett és beépített strukturális tartalékokra összpontosít, amelyek révén a fogyasztók még súlyos, térben és/vagy időben kiterjedt zavarok esetén is lényegében folyamatos villamosenergia-ellátásban részesülhessenek.
Az energiaellátás biztonságának növelése szempontjából mind a hardening, mind a reziliencia növelése nélkülözhetetlen, ugyanakkor e tevékenységek más-más oldalról közelítik a problémát. A hardening az üzemzavarok megelőzését, a károk bekövetkezését, míg a reziliencia növelése a mégis bekövetkező üzemzavarok időtartamának és hatásának minimalizálását célozza.
A címben feltett kérdésre – „Villamosenergia-rendszer hardening és/vagy reziliencia?” – a leírtak alapján egyértelmű ÉS a válasz. Két különböző, ám hatásában összefüggő tevékenységről van szó. A hardening annak az előfeltétele, hogy egy a villamosenergia-rendszert érő bármilyen csapásnak a rendszer fogyasztói következmények nélkül a korábbinál nagyobb eséllyel ellent tudjon állni. A hardening-en átesett rendszernek kell képeznie a rendkívüli helyzetekben jelentkező egyes hatások elleni első védvonalat. Az ezen esetleg „átjutó” zavarok kezelése a megnövelt rezilienciájú rendszer feladata.
5. Az ukrán aspektus
A cikk bevezetőjében feltett kérdésre (Lehet-e és ha lehet, akkor miként lehet olyan villamosenergia-rendszert építeni, amely akár súlyos csapások esetén is képes többé-kevésbé fenntartani a villamosenergia-szolgáltatást?) a válasz tehát ismételten egy „elméleti igen”, valójában egy „gyakorlati nem”.
- az alállomások, erőművek földalatti elhelyezésével, a légvezetékek kábelekkel való kiváltásával elméletileg lényegesen csökkenteni lehet a rendszer fizikai sérülésének kockázatát,
- a brutális költségek miatt a gyakorlati megvalósításra jelenleg esély sincs.
De egy terjedőben lévő technológiának köszönhetően körvonalazódik a „talán”. Az elosztott villamosenergia-termelés és -tárolás, továbbá az ezeket energiaközösségekbe fogó mikrogridek tömeges elterjedése idővel jelentősen növelheti a villamosenergia-rendszer strukturális rezilienciáját. Ez abból fakadhat, hogy a néhány távoli nagyerőműből, nagy hálózaton, több feszültségszinten, transzformátorokon keresztül, messziről érkező villamosenergia helyébe a fogyasztóhoz térben és „villamosan” is közel megtermelt energia lép. Alapesetben a helyi alhálózatok (mikrogridek) kapcsolatban vannak a közcélú hálózattal, ám annak bármilyen zavara esetén helyben biztosíthatják a mikorgrid által összefogott energiaközösség ellátását.
Ez a struktúra az ukrán villamosenergia-rendszert ért súlyos támadások esetén nagyobb esélyt jelentett volna a fogyasztók ellátására. Az immár százezres darabszámban Ukrajnába érkező kisebb-nagyobb generátorok a kényszerszülte legjobb példák arra, hogy jelentős mértékben rongálódott átviteli és elosztóhálózat esetén mi lehet a fogyasztók ellátásának lehetséges módja.
Az ukrán kormány a legjobb irányba lép akkor, amikor a kényszerhelyzetben az elosztott termelést preferálja. A kijevi Irpinben már üzembe is lépett az első 1 MW-os gázmotor.
Az ukrán kormány döntése értelmében további hasonló energiatermelő egységek lépnek üzembe: márciusban Csernihivben, majd Szumi és Poltava régiókban. A tervek szerint mintegy 100 hasonló gépegységet telepítenek.
A kérdés tágabb összefüggése, hogy a támadások mielőbbi remélt befejeződése után milyen irányt vesz az ukrán villamosenergia-rendszer helyreállítása. Egyfelől erős a csábítás arra, hogy az eredeti rendszert építsék újjá. Ám éppen az előbbi példa mutatja, hogy az ukrán szakemberek – és kisebb csodaként a politikusok is – elszántak abban, hogy akár strukturális változtatásokkal is elejét vegyék a jelenleg megtapasztalt mértékű, ismételt fogyasztó ellátatlanságoknak.
Az ukrajnai történések egyben fontos tanulságokkal szolgálnak a világ azon országai számára is, amelyek „más kárán” okulva tudnak és akarnak lépéseket tenni saját hálózataik rezilienciájának növeléséért.
Források:
A guide to grid hardening: How to protect your utility grid - AiDash
Building the Case for Power System Hardening (powermag.com)
CIGRE > Articles > Defining power system resilience
Summary | Enhancing the Resilience of the Nation's Electricity System |The National Academies Press
