αντικατάσταση ορυκτών καυσίμων από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, και ειδικότερα την Ευρωπαϊκή Ένωση να αποφασίσει τον ιδιαίτερα φιλόδοξο στόχο της μείωσης κατά 55% των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα πριν το 2030 (Fit-for-55) και την οριστική από-ανθρακοποίηση μέχρι το 2050.
Η πρόσφατη ενεργειακή κρίση που κλιμακώνεται επικίνδυνα μετά τη Ρωσική εισβολή στην Ουκρανία, δείχνει ότι το αίτημα της ενεργειακής απεξάρτησης γίνεται ακόμη πιo επιτακτικό και επίκαιρο στην Ευρώπη και στη χώρα μας, δεδομένου ότι η μειωμένη διαθεσιμότητα και το κόστος των ορυκτών καυσίμων μπορεί να καταστήσουν τη χρήση τους απαγορευτική πολύ νωρίτερα και από τους πιο φιλόδοξους προγραμματικούς στόχους που έχουν τεθεί. Και αυτό ανεξάρτητα από μερικές προσωρινές υπαναχωρήσεις που η απότομη μετάβαση μπορεί να καταστήσει αναπόφευκτες.
Τι προκλήσεις φέρνει όμως μαζί της η ενεργειακή μετάβαση για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας και ποιες είναι οι απαντήσεις που πρέπει να δοθούν σε αυτές;
Το μόνο βέβαιο που μπορεί να προσδοκά κανείς είναι ότι η ήδη μεγάλη αβεβαιότητα που προκαλεί η διαρκώς αυξανόμενη διείσδυση στην ηλεκτροπαραγωγή ανανεώσιμων πηγών (όπως η αιολική και η ηλιακή), οι οποίες είναι από τη φύση τους στοχαστικές (δηλαδή προβλέψιμες με μεγάλο βαθμό αβεβαιότητας), θα συνεχίσει να αυξάνει. Στην αβεβαιότητα αυτή προστίθεται ήδη και αυτή που αφορά τις τιμές και την επάρκεια των ορυκτών καυσίμων και η οποία δεν είναι καθόλου βέβαιο ότι θα αρθεί με το τέλος του πολέμου στην Ουκρανία.
Μια πρώτη μεγάλη πρόκληση είναι ότι σε αυτές τις συνθήκες διαρκώς αυξανόμενης αβεβαιότητας, τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας θα πρέπει να διατηρήσουν τον ίδιο βαθμό αξιοπιστίας και ασφάλειας που έχουν κατακτήσει τις τελευταίες δεκαετίες, επίτευγμα στο οποίο συνέβαλαν καθοριστικά ο κεντρικός έλεγχος και σχεδιασμός των συστημάτων, ώστε να τηρούν κριτήρια αξιοπιστίας, καθώς και στατικής και δυναμικής ασφάλειας.
Μια δεύτερη πρόκληση σχετίζεται όχι μόνο με την αυξανόμενη διείσδυση στοχαστικών πηγών ενέργειας, αλλά και με την όλο και συχνότερη εμφάνιση ακραίων φυσικών καταστροφών και φαινομένων που αποδίδονται στην κλιματική κρίση. Έτσι μια νέα έννοια ήρθε να προστεθεί σε αυτές της ασφαλούς και αξιόπιστης λειτουργίας των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας: η έννοια της ανθεκτικότητας.
Η ανθεκτικότητα ενός συστήματος με απλά λόγια είναι η δυνατότητά του να ανταπεξέρχεται με τις μικρότερες δυνατές απώλειες σε πολύ μεγάλες και απρόβλεπτες καταστροφές, όπως τυφώνες, χιονοκαταιγίδες, δασικές πυρκαγιές, σεισμοί, παλιρροιακά κύματα. Γενικά η έννοια της ανθεκτικότητας αναφέρεται στη μείωση των επιπτώσεων ακόμη και στις περιπτώσεις που ένα σύστημα καταρρέει και πρέπει να επανέλθει το συντομότερο δυνατό και με τις μικρότερες δυνατές απώλειες ξανά σε κανονική λειτουργία, κάτι που η ανάλυση ασφάλειας και αξιοπιστίας δεν συμπεριλαμβάνει.
Στη συνέχεια αυτού του άρθρου εισάγονται συνοπτικά αυτά τα τρία Α: Αβεβαιότητα, Ασφάλεια, Ανθεκτικότητα και διακρίνονται μεταξύ τους, όπως και με το τέταρτο Α, την έννοια της Αξιοπιστίας
Αβεβαιότητα και Διαχείριση Ρίσκου
Ο σχεδιασμός και η λειτουργία των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας ποτέ δεν βασίστηκε σε βεβαιότητες. Υπήρχαν όμως στο παρελθόν κάποιες σταθερές. Η δυνατότητα συνεχούς ελέγχου των συμβατικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής (μέσα στα όρια φυσικά των τεχνικών μεγίστων και ελαχίστων τους) έδινε τη δυνατότητα της εύκολης προσαρμογής της παραγωγής στο μεταβαλλόμενο φορτίο. ‘Έτσι, παρότι η πιθανοτική ανάλυση έχει εισαχθεί στον προγραμματισμό του συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ήδη από τη δεκαετία του 1960, η διαχείριση της αβεβαιότητας ήταν μέχρι τις αρχές του 21ου αιώνα σχετικά απλή, ενώ οι αναπόφευκτες αστοχίες με ενίοτε καταστρεπτικά αποτελέσματα ήταν τόσο σπάνιες, ώστε να μην απαιτούν ριζικές αλλά μάλλον οριακές αναβαθμίσεις συστημάτων και τεχνικών.
Σε καθεστώς αυξημένης αβεβαιότητας το πρώτο ζητούμενο είναι ο προσδιορισμός όλων των κρίσιμων δεικτών μέσω πιθανοτικής (στοχαστικής) ανάλυσης δηλαδή παίρνοντας υπόψη τις πιθανότητες κάθε ενδεχομένου και υπολογίζοντας όχι αιτιοκρατικά αποτελέσματα, αλλά αναμενόμενες τιμές και, εάν είναι αυτό δυνατόν και τις αντίστοιχες πιθανοτικές κατανομές, δηλαδή την πιθανότητα που έχει να εμφανιστεί κάθε τιμή του αντίστοιχου δείκτη.
Όμως η αύξηση της αβεβαιότητας στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας τα τελευταία χρόνια είναι τέτοια, ώστε να απαιτείται πλέον μια ριζική αναθεώρηση στον τρόπο διαχείρισής της. Η μεταβλητότητα στην παραγωγή από ανανεώσιμες πηγές, η αβεβαιότητα ως προς την επάρκεια και τις τιμές των ορυκτών καυσίμων, η λειτουργία της αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας που έχει τη δική της αβεβαιότητα, η εισαγωγή της ηλεκτροκίνησης που διευρύνει την αβεβαιότητα των ηλεκτρικών φορτίων, οι ταχέως μεταβαλλόμενες μετεωρολογικές συνθήκες που οδηγούν σε όλο και συχνότερα ακραία καιρικά φαινόμενα είναι κάποιες από τις βασικές αιτίες αυτής της αναγκαίας μεταβολής υποδείγματος (paradigm shift) ως προς την διαχείριση της αυξημένης αβεβαιότητας.
Η αλλαγή αυτή μπορεί να φαίνεται ως ριζική ανατροπή για τον τρόπο ανάλυσης που έχουν συνηθίσει οι ενεργειακοί ηλεκτρολόγοι μηχανικοί, αλλά έχει ήδη συντελεστεί σε πολλούς άλλους κλάδους, κυρίως της οικονομίας, με πιο χαρακτηριστικό παράδειγμα τον τρόπο με τον οποίο εργάζονται οι ασφαλιστικές εταιρίες που κατεξοχήν ασχολούνται με τη διαχείριση ρίσκου.
Το ρίσκο, το οποίο στα Ελληνικά μπορούμε να αποδώσουμε ως διακινδύνευση, δεν είναι τίποτε άλλο από το γινόμενο της πιθανότητας εμφάνισης ενός ενδεχομένου επί το αποτέλεσμα που αυτό θα επιφέρει εάν συμβεί, δηλαδή το αναμενόμενο κόστος (ζημία) που θα επιφέρει. Το ρίσκο δεν είναι απαραίτητο να εκφράζεται σε χρήμα, αν και αυτό βοηθάει στη σύγκρισή του με το κόστος αποτροπής του. Έτσι το ρίσκο μπορεί να προσδιοριστεί ως αναμενόμενη μη εξυπηρετούμενη ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας, ή με όποιον άλλο τρόπο μπορεί κανείς να αποτιμήσει τα αποτελέσματα κάθε ενδεχομένου.
Από τη σκοπιά του μηχανικού, η μετάβαση από τη λογική της αιτιοκρατικής ανάλυσης του συστήματος στη λογική της διαχείρισης της διακινδύνευσης συνεπάγεται ορισμένες προκλήσεις και δυσκολίες:
Αναζήτηση και επαλήθευση δεδομένων ως προς την πιθανότητα κάθε ενδεχομένου. Αυτό μπορεί να βασιστεί αρχικά σε ιστορικά δεδομένα ή ακόμη και σε βιβλιογραφικές αναφορές, αλλά θα πρέπει να γίνει από ένα σημείο και μετά βασικό συστατικό του τρόπου δουλειάς με την καταγραφή και επαλήθευση των δεδομένων σε καθημερινή βάση.
Αιτιοκρατική ανάλυση μεγάλου αριθμού ενδεχομένων για να προσδιοριστούν (και στη συνέχεια να αξιολογηθούν και αποτιμηθούν) τα αποτελέσματά τους. Αν και αυτό θα ήταν αδύνατο πριν μερικές δεκαετίες, η σημερινή ανάπτυξη των υπολογιστικών υποδομών το κάνει ένα απολύτως διαχειρίσιμο πρόβλημα που απαιτεί όμως κατάλληλη οργάνωση και πόρους.
Προσδιορισμό του ανεκτού επιπέδου διακινδύνευσης σε συνάρτηση πάντα με το κόστος που απαιτείται για τον περιορισμό του.
Από αυτά, το τελευταίο είναι ίσως το πιο κρίσιμο, δεδομένου ότι η απάντηση συναρτάται με κριτήρια που είναι δύσκολα να θεσπιστούν, αλλά και με την γενική ή όχι αποδοχή του τρόπου αποτίμησης διαφορετικών αγαθών όπως η ενεργειακή επάρκεια και η ασφάλεια τροφοδοσίας ευαίσθητων υποδομών.
Ασφάλεια Συστήματος Ηλεκτρικής Ενέργειας
Για τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας η ασφάλεια (security) προσδιορίζεται με αιτιοκρατικό τρόπο, ως η ικανότητα του συστήματος να ανταπεξέλθει με επιτυχία (δηλαδή παραμένοντας σε κανονική λειτουργία χωρίς άλλες απώλειες) μια σειρά από προκαθορισμένες ενδεχόμενες διαταραχές (contingencies). Συνήθως η λίστα των διαταραχών που πρέπει να αντιμετωπίσει το σύστημα επιτυχώς για να θεωρηθεί ασφαλές περιλαμβάνει όλες τις απλές (Ν-1) διαταραχές (απώλεια π.χ. μιας γραμμής ή μιας γεννήτριας), καθώς και μερικές επιλεγμένες διπλές (Ν-2) διαταραχές, συνήθως αυτές που χαρακτηρίζονται κοινής αιτίας, αλλά όχι μόνο.
Η ασφάλεια του συστήματος εκτιμάται στα Κέντρα Ελέγχου Ενέργειας με επαναληπτικές αναλύσεις των επιπτώσεων κάθε διαταραχής, είτε στη μόνιμη κατάσταση με ένα πρόγραμμα ροής φορτίου (στατική ασφάλεια), είτε με δυναμική προσομοίωση της διαταραχής (που μπορεί να περιλαμβάνει και σφάλματα) με ένα πρόγραμμα ανάλυσης ευστάθειας (δυναμική ασφάλεια). Η διαδικασία αυτή ονομάζεται εκτίμηση ασφάλειας (security assessment) και σύμφωνα με τα παραπάνω διακρίνεται σε στατική (SSA) ή δυναμική (DSA) εκτίμηση ασφάλειας.
Συνήθως οι διαχειριστές των συστημάτων μεταφοράς δεν αρκούνται στη διαπίστωση της ασφάλειας ή ανασφάλειας του συστήματος, αλλά επιδιώκουν να προσδιορίσουν και το βαθμό ασφάλειας, δηλαδή το πόσο ασφαλές ή ανασφαλές είναι το σύστημα σε μια δεδομένη κατάσταση λειτουργίας. ‘Έτσι εισάγεται η έννοια του περιθωρίου ασφάλειας που συνήθως μετράται σε MW αύξησης φορτίου. Το περιθώριο ασφάλειας ορίζεται λοιπόν ως η ελάχιστη αύξηση φορτίου η οποία θα καταστήσει το σύστημα ανασφαλές. Προφανώς, εάν ένα σύστημα είναι σε ανασφαλή κατάσταση, το περιθώριο ασφάλειας προκύπτει αρνητικό. Οι διαχειριστές συνήθως επιδιώκουν το περιθώρια ασφάλειας να παραμένει όχι μόνο θετικό, αλλά και μεγαλύτερο ενός προκαθορισμένου ορίου εκφρασμένου συνήθως σε MW.
Παρότι η εκτίμηση ασφάλειας αναφέρεται σε προκαθορισμένες διαταραχές και εξετάζεται συνήθως μέσω αιτιοκρατικής ανάλυσης, σε συνθήκες μεγάλης αβεβαιότητας, όπως αυτές που αναφέρθηκαν παραπάνω, το περιθώριο ασφάλειας μπορεί να υπολογίζεται και ως πιθανοτική κατανομή, να προσδιορίζεται δηλαδή η πιθανότητα να είναι ίσο ή μεγαλύτερο από μια ορισμένη τιμή. Στις συνθήκες αυτές μπορεί κανείς να προδιαγράψει όχι το ελάχιστο επιθυμητό περιθώριο ασφάλειας, αλλά τη μέγιστη επιτρεπόμενη πιθανότητα το σύστημα να βρεθεί σε κατάσταση ανασφάλειας, δηλαδή με μηδενικό ή αρνητικό περιθώριο ασφάλειας.
Ανθεκτικότητα και Αξιοπιστία
Ιστορικά, η πρώτη εισαγωγή πιθανοτικής ανάλυσης στα ηλεκτρικά συστήματα έγινε μέσω της έννοιας της αξιοπιστίας. Μαθηματικά η αξιοπιστία (reliability) εκφράζει την πιθανότητα ένα σύστημα να εκπληρώσει ικανοποιητικά την αποστολή του. Στα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας η αξιοπιστία του αξιολογείται με διάφορους δείκτες που αναφέρονται τόσο στην παραγωγή, όσο και στη μεταφορά και τη διανομή.
Για το σύστημα παραγωγής, η πιο γνωστή έννοια είναι αυτή της πιθανότητας απώλειας φορτίου (Loss of Load Probability) που ορίζεται ως η πιθανότητα το σύστημα παραγωγής να μην είναι σε θέση να εξυπηρετήσει την αιχμή του φορτίου λόγω μη διαθεσιμότητας κάποιων μονάδων. Ένας άλλος σχετικός δείκτης είναι η αναμενόμενη τιμή της μη εξυπηρετούμενης ζήτησης ενέργειας (Expected Energy Not Served) σε MWh, η οποία είναι πλησιέστερη με την έννοια του ρίσκου (διακινδύνευσης) που αναφέρθηκε προηγουμένως. Σημειώνεται, ότι ένα μεγάλο πλήθος ειδικότερων δεικτών έχει προταθεί και χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της αξιοπιστίας των συστημάτων παραγωγής, μεταφοράς και διανομής, που όμως δεν θα αναφερθούν στο παρόν άρθρο δεδομένου ότι δεν εμπίπτουν στο κυρίως αντικείμενό του.
Γενικά, ένα σύστημα είναι αξιόπιστο (έχει μεγάλη αξιοπιστία) όταν η πιθανότητα αστοχίας του είναι πολύ μικρή (π.χ. απώλεια φορτίου για λιγότερο από μια ημέρα σε δέκα χρόνια). Ωστόσο, και το πιο αξιόπιστο σύστημα έχει μια μη μηδενική πιθανότητα να μην ανταποκριθεί στην αποστολή του. Έτσι η ταυτόχρονη ύπαρξη μεγάλης αβεβαιότητας και ακραίων καιρικών φαινομένων φέρνουν στην επικαιρότητα των ηλεκτρικών συστημάτων ένα διαφορετικό ερώτημα: πόσο καταστροφικές θα είναι οι συνέπειες μιας πιθανής αστοχίας, έστω και αν η πιθανότητα εμφάνισής της είναι πολύ μικρή;
Ας υποτεθεί για παράδειγμα ότι ένα σύστημα Α είναι αξιόπιστο, αλλά η πολύ σπάνια αστοχία του θα οδηγήσει σε πλήρη σβέση του συστήματος και συνακόλουθα σε μακροχρόνια διακοπή της τροφοδοσίας (δηλαδή σε μπλακάουτ). Αντίθετα, ας υποτεθεί ότι ένα λιγότερο αξιόπιστο σύστημα Β εμφανίζει μεν πιο συχνές αστοχίες, αλλά έχει τη δυνατότητα να αποφεύγει τη σβέση και να ανταπεξέρχεται με μικρές μόνο απώλειες φορτίου κάθε φορά που θα αστοχήσει. Πώς θα χαρακτηρίζαμε το σύστημα Β σε σχέση με το Α;
Τη λύση σε αυτό το πρόβλημα τη δίνει η εισαγωγή της έννοιας της ανθεκτικότητας. Το σύστημα Β είναι μεν λιγότερο αξιόπιστο από το Α, αλλά είναι πιο ανθεκτικό, εμφανίζει δηλαδή μεγαλύτερη ανθεκτικότητα (resilience).
Στη συνέχεια αυτού του αφιερώματος, η έννοια της ανθεκτικότητας εισάγεται αναλυτικά κυρίως ως προς φαινόμενα μικρής πιθανότητας, αλλά εξαιρετικά καταστροφικών συνεπειών, όπως οι φυσικές καταστροφές. Περιγράφονται επίσης τα διαθέσιμα μέτρα και ορισμένοι δείκτες ανθεκτικότητας, καθώς και τρόποι για να γίνουν τα συστήματα περισσότερο ανθεκτικά. Εξετάζονται τέλος οι επιπτώσεις που μπορεί να έχει η κυβερνοασφάλεια, αλλά και συγκεκριμένες ακραίες καιρικές καταστάσεις ή φυσικές καταστροφές, όπως ο παγετός και οι δασικές πυρκαγιές.
Συμπερασματικά, στις σύγχρονες συνθήκες αβεβαιότητας, κλιματικής αλλαγής και ενεργειακής μετάβασης, η αλλαγή του τρόπου λειτουργίας και ανάλυσης των ηλεκτρικών συστημάτων είναι επιβεβλημένη, ενώ γίνεται όλο και μεγαλύτερη η ανάγκη εισαγωγής και αξιοποίησης πιθανοτικών και στατιστικών μεθόδων.
Επιπλέον, γίνεται όλο και πιο αναγκαία η συνεχής επιτήρηση όχι μόνο της αξιοπιστίας και της ασφάλειας, αλλά και της ανθεκτικότητας του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας.
*Ομότιμου Καθηγητή ΕΜΠ
(Aναδημοσίευση από το ηλεκτρονικό περιοδικό «ΠΥΛΩΝΕΣ» της Ελληνικής Επιτροπής Cigre)
Η CIGRE (Conseil international des grands réseaux électriques – Διεθνές Συμβούλιο Μεγάλων Δικτύων Ηλεκτρικής Ενέργειας) αποτελεί ένα μη κερδοσκοπικό επιστημονικό οργανισμό ο οποίος ασχολείται με τα Συστήματα Ηλεκτρικής Ισχύος και έχει στόχο τη συνεχή αναβάθμιση και τυποποίηση της γνώσης γύρω από αυτά. Υπό την αιγίδα της Cigre λειτουργούν περισσότερες από 250 ομάδες εργασίας με μέλη από όλο τον κόσμο οι οποίες παράγουν πλήθoς τεχνικών εγχειριδίων, τεχνικών προδιαγραφών και προσφέρουν εκπαιδευτικά σεμινάρια σχετικά με όλα τα θέματα που απασχολούν τους Ηλεκτρολόγους μηχανικούς γύρω από τα Συστήματα Ηλεκτρικής ενέργειας. Ιδρύθηκε πριν 100 χρόνια (1921) στο Παρίσι. Σήμερα αριθμεί 1.250 συλλογικά μέλη (εταιρείες/πανεπιστήμια) και 15.000 ατομικά μέλη από 90 χώρες. Αυτή η μοναδική κοινότητα υποστηρίζεται από ένα παγκόσμιο δίκτυο 60 Εθνικών Επιτροπών, που διαθέτουν επί τόπου σε βάθος κατανόηση των τοπικών συνθηκών. Οι Εθνικές Επιτροπές προτείνουν τους καταλληλότερους επιστήμονες για τις 250+ Ομάδες Εργασίας που συμμετέχουν στο παγκόσμιο πρόγραμμα γνώσης της CIGRE.
Η Ελληνική Επιτροπή CIGRE συστάθηκε το 1976. Στόχος της είναι η ανταλλαγή γνώσεων, εμπειριών και τεχνογνωσίας με σκοπό τη διασφάλιση ενός αποτελεσματικού δικτύου μεταφοράς και διανομής της Ηλεκτρικής Ενέργειας σύμφωνα με τις διεθνείς πρακτικές και τις πρόσφατες εξελίξεις σε τεχνικό και επιστημονικό επίπεδο. Η ΕΕ Cigre πραγματοποιεί ένα συνέδριο ανά διετία, αλλά και άλλες δράσεις (ημερίδες – σεμινάρια) εστιασμένες σε θέματα αιχμής. Η EE Cigre είναι από τις πιο δραστήριες παγκοσμίως και αριθμεί 260 ισοδύναμα μέλη.