Pár postřehů k velkému španělskému blackoutu.
Kaskádovité selhání sítě na Pyrenejském poloostrově zatím nemá definitivně určenou příčinu. Jedna z možností, o které se hovoří, a která by v případě svého potvrzení byla mimořádně politicky citlivá, je destabilizace sítě způsobená obnovitelnými zdroji – větrníky a solárními panely. Jisto je, že kolaps nastal nesmírně rychle. Území velikosti osmi Českých republik přišlo o proud během pár minut. Obnova trvala řádově déle.
Jako vždy stojí za to se podívat na pár technických detailů.
První detail – frekvence.
Oprášíme-li znalosti z fyziky ZŠ, vzpomeneme si na „střídavý“ a „stejnosměrný“ proud. Chcete-li se potkat se stejnosměrným proudem, stačí použít libovolnou (nevybitou) baterii. Střídavý proud pak máte doma v každé zásuvce.
Koncem 19. století, když se elektřina začala šířit po prvních městech, proběhla takzvaná „válka proudů“, ve které proti sobě stáli dva velcí inženýři své doby – Thomas Alva Edison a George Westinghouse. Edison prosazoval stejnosměrný proud, Westinghouse střídavý, a jeden prohrát musel, protože napájet celá města oběma systémy vedle sebe by bylo extrémně nepraktické.
Kolem roku 1890 bylo dobojováno – Edison prohrál. I když některé stejnosměrné systémy zůstaly v provozu ještě dlouho (a zřizovaly se i později – například severní část české železniční sítě je už desítky let napájena 3 kV stejnosměrnými a bude se přepínat až v následujících letech, s naplánovaným koncem procesu roku 2036), zvítězila „střídavina“, která se, kromě jiného, daleko efektivněji přenáší na velké vzdálenosti.
Na rozdíl od stejnosměrného proudu, což je „rovná čára“, je střídavý proud sinusovka – neustále kmitá. Má tedy frekvenci, a tato frekvence se standardizuje napříč širokými kusy pevniny. Evropa dnes „jede“ na frekvenci 50 Hz (padesát kmitů za sekundu), v některých částech Asie je normovaná frekvence 60 Hz. I tady existují výjimky, např. německá železniční síť používá třetinovou frekvenci 16 2/3 Hz. Ale celokontinentální síť v Evropě je padesátihertzová.
Žádná technika na světě není dokonale přesná a frekvence proudu v síti může kolísat. Projeví-li se nečekaná zátěž navíc, frekvence poklesne. Pokud je naopak zátěže nečekaně málo, frekvence vzroste. To první je indikací přetížení sítě, to druhé naopak jejího nedostatečného využití.
Háček je hlavně v tom, že tolerance odchylek je v tomto případě velmi malá, jen asi půl procenta „sem“ nebo „tam“. Vybočí-li frekvence proudu z tohoto velmi úzkého koridoru, začnou se od sítě odpojovat zdroje, protože hrozí poškození některých elektrárenských zařízení. Jenže to může síť dále destabilizovat, což pak vede ke zvýšení rozkmitu frekvence, odpojení dalších zdrojů … jednotlivé kostky domina padají a během velmi krátké chvíle jste bez proudu úplně. Kaskádovité selhání.
To se stalo i ve Španělsku.
Druhý detail – setrvačnost
Velké klasické elektrárny, jako jsou elektrárny vodní, tepelné, jaderné a plynové, používají velké generátory (alternátory). Jsou to pořádné kusy kovu – temelínský generátor váží 90 tun. Z toho, že frekvence v síti je 50 Hz, snadno spočítáte, že vnitřek té obrovské mašiny, rotor, se musí točit 3000-krát za minutu.
A to je pro stabilitu sítě určitý ochranný prvek, protože ta obrovská mašina má co? Obrovskou setrvačnost (přesněji: moment setrvačnosti). Roztočíte-li ten rotor na 3000 otáček za minutu, bude se nějakou dobu točit i sám od sebe, bez dodávky energie zvenčí, a jeho frekvence bude klesat jen pomalu. Je to fyzikálně nevyhnutelné, protože desítky tun hmoty roztočené na vysoké otáčky si v sobě nesou ohromnou kinetickou energii. Dokonce tak velkou, že se dnes rotory musejí konstruovat spíše „do délky“ než „do šířky“, aby se tím zuřivým otáčením samy neroztrhaly na cucky.
Tato setrvačnost stabilizuje síť, i když nikoliv dokonale. Nastanou-li problémy, setrvačností se otáčející rotory pořád ještě dodávají proud, a i když jejich frekvence klesá, klesá pomalu a předvídatelně; několikasekundové zakolísání dokáží takové stroje nějak ustát a poskytnout tak čas k nápravě.
Zkrátka, dokud provozujete v síti hlavně takové mohutné generátory, dostáváte k tomu určitou pojistku stability už „v ceně“, z fyzikálních důvodů, protože jsou to prostě těžké „krávy“, kterým sice můžete říci „stop“, ale ony se stejně na befél jen tak nezastaví. Jednoduše nemůžou.
Třetí detail – fotovoltaika
Solární panely neobsahují žádné generátory, protože jsou založeny na totálně jiném fyzikálním principu, takzvaném fotoelektrickém jevu. Dopadající světelné záření uvolňuje elektrony z atomů, aniž by se v celém tom systému něco viditelného hýbalo – hýbou se jenom subatomární částice, hluboko pod rozlišovací schopností mikroskopů.
Pomocí fotoelektrického jevu však vyrábíte stejnosměrný proud. Nic se tam netočí, nic nekolísá, elektricky nabité částice se poslušně ubírají jen jedním směrem. Tento stejnosměrný proud vám ovšem není k ničemu, když spotřebiče ve vaší vlastní domácnosti i síť jako celek očekávají střídavinu o padesáti hertzích.
Musíte tedy ten stejnosměrný proud nejprve na střídavý přeměnit, a k tomu slouží zařízení jménem invertor, které je docela sofistikované. (Česky také „střídač“.) Je to elektronická, programovatelná mašina, jež dokáže na povel vyprodukovat různé frekvence, včetně těch kýžených 50 Hz, a dokáže je měnit opravdu „mrknutím oka“. Aby se síť nedestabilizovala, je maximální snaha „vymazlit“ invertory tak, aby se dokázaly aktuálním poměrům přizpůsobit.
Jenže na rozdíl od těch obrovských generátorů v sobě invertory nemají fyzikální setrvačnost, která by jim „kryla záda“ a nedovolila by jim velké frekvenční skoky sem a tam. Jsou to víceméně počítače řízené specializovaným softwarem, a jako veterán softwarového řemesla vám můžu s chmurnou jistotou říci, že spolehlivost softwaru se nikdy nebude dát srovnat se spolehlivostí základních fyzikálních zákonů, jež opravdu fungují bez výjimek. Kdyby celý svět fungoval stejně dobře jako software, nejmíň jednou za pár měsíců by se stalo, že by vám náhodou upuštěné kladivo odletělo na sousední strom a pokukovalo po vás shůry, místo aby se odebralo po standardní, gravitací akcelerované trajektorii směrem k vaší botě. (Jau!)
Jinými slovy, máte-li v systému hodně invertorů, ještě navíc od různých dodavatelů a generací, jejichž vnitřní logika se může malinko lišit, vždycky nad vámi visí otázka, jestli se v případě nestability dokáží synchronizovat tím správným způsobem a jestli tu vzniklou situaci svými předprogramovanými reakcemi spíš nezhorší.
Existují opět různé způsoby, jak tohle riziko snižovat, třeba obří baterie, do kterých se rychle „nacpe“ excesivní energie, nebo z nich naopak nedostatková energie vytáhne. Ale pořád je to dost heterogenní počítačový systém, za kterým není ta mohutná, fyzikálně daná setrvačnost coby garant stability.
Je možné, byť je to jenom jedna z možností, že právě soláry tu španělskou síť shodily. Bylo jasné poledne a produkce solární energie byla velmi vysoká, přitom ale nebylo nijak zvlášť teplo a spotřeba tak byla o něco nižší než ve vrcholném létě, kdy klimatizace v domovech i na pracovištích jedou ostošest.
Jen pár dnů předtím se Španělsko chlubilo, že dosáhlo (na jeden den) 100 % pokrytí svých potřeb z obnovitelných zdrojů…
Čtvrtý detail – propojení
Pyrenejský poloostrov je poloostrovem i z energetického hlediska, protože propojení tamní sítě do zbytku Evropy je chabé. Z Francie se dá dovézt jen asi 3 % španělské spotřeby ve špičce.
Toto by za normálních okolností měla řešit EU, která na vzájemné kapacitní propojování národních sítí celkem tlačí – v poměrech EU se za akceptovatelnou kapacitu přeshraničního spojení považuje cca 10 procent spotřeby, což je významně více, a konečným cílem je navýšit tu kapacitu všude aspoň na 15 procent.
Jenže i když jsou si všechny členské státy EU právně vzato rovné, Francie je jedna z těch rovnějších, a proti jejímu odporu reálně neprosadíte nic, byť teoreticky by se k něčemu přinutit dát měla. Nuže, nedá se přinutit, navíc je to poloprezidentský systém, ve kterém značná moc spočívá v rukou jedné osoby, a když se tedy francouzský prezident rozhodne, že nebude dovážet levnou španělskou solární elektřinu a ohrožovat svoje vlastní elektrárenské podniky, tak ta spojení prostě nepostaví, nepostaví a nepostaví.
(Přemrštěnou roli Francie mimochodem považuji za závažnou strukturální chybu EU, která by se ještě významně zhoršila s případným zrušením práva veta. Francie je veliká, ale co se governance nebo-li vládnutí týče, vyprodukovala spoustu patologických nápadů, které se pak přes Brusel přenášejí do jiných, zdravějších států.)
Je možné, zase ovšem nikoliv jisté, že dostatečně kapacitní spojení do Francie by dokázalo tu krátkou krizi vykompenzovat a nedošlo by k onomu kaskádovému výpadku. Takto ovšem Španělsko a Portugalsko posloužily jako pokusné zvířátko ve hře jménem „poraď si sám“.
Pátý detail – „start ze tmy“
Nemáte-li vůbec žádnou elektřinu v síti, je docela kumšt tu síť zase pozapínat. S obřími rotory alternátorů jen tak nehnete, nemůžete je roztočit klikou. Je to úkol, který poněkud připomíná příběh o baronu Prášilovi, jež prý jednou zapadl do bažiny, ale dokázal sám sebe vytáhnout za vlasy ven.
Toto je problém zvaný „start ze tmy“, a elektrárenské společnosti jej neignorují, ale až dosud jej řešily spíš teoreticky. Ve španělském případě bylo pro „start ze tmy“ určeno celkem pět výkonných vodních elektráren, jenže jako na potvoru byly tři z těch pěti elektráren zrovna odstaveny kvůli plánované údržbě, což bylo ze strany správců sítě dost hazardérské rozhodnutí. Bohužel si dokážu docela dobře představit, jak k němu došlo: x-krát se nic nestalo, uděláme to znova.
Nedostatek kapacity pro „start ze tmy“ prý zkomplikoval obnovení dodávek a protáhl blackout o celé hodiny. Jediná dobrá věc na tomto detailu je, že jde o problém byrokratického charakteru, kterému se dá do budoucna zabránit tím, že se zavedou nějaká pořádná pravidla („odstavena smí být jen jedna elektrárna naráz“). Zkrátka, není kvůli tomu potřeba přebudovávat celou síť.
Tolik ke Španělsku a jsem upřímně zvědav, co z celé věci ještě bude, a jaká opatření pak přijmeme u nás. Na rozdíl od vlády totiž ČEZu a ČEPSu celkem věřím, ale samozřejmě taky neumějí dělat zázraky.
Diskusní fórum ke článku najdete zde.
Hudební epilog
Hrajete-li na elektrickou kytaru, byli byste bez nástroje … naštěstí existují i staré dobré dřevěné klasiky.
