Nagli rast solarne energije u Europi gura mreže do granica izdržljivosti

Kad je prije desetak godina uveden sustav ranog upozorenja koji operaterima diljem Europe signalizira poremećaje u elektroenergetskoj mreži, na ekranima je uglavnom prevladavala zelena boja. Sigurno, bez prekida.

Danas su te mape sve češće obojene u žuto, crveno, a ponekad čak i crno, boju potpunog nestanka struje. Taj uobičajeni "semafor" u realnom vremenu pokazuje kako se uspjeh solarne energije, s oko četiri nova panela koji se instaliraju negdje u Europi svake sekunde, sudara s ograničenjima mreže izgrađene u vrijeme kad obnovljivi izvori još nisu bili u središtu proizvodnje električne energije.

Situacija postaje sve teža za upravljanje, a operateri upozoravaju da nemaju alate potrebne za uravnoteženje učinaka solarne energije, pokazuju razgovori s nekoliko europskih upravitelja mreža. Pogrešan potez ili kašnjenje u reakciji mogu imati ozbiljne posljedice - od gašenja svjetla do potpunih nestanaka struje.

"Brzina promjena je nevjerojatna", kaže Jan Vorrink, koji je više od deset godina vodio kontrolnu sobu nizozemske mreže. "Naglo širenje solarne energije gura sustav do njegovih granica".

Solarne elektrane niču brže nego što je i sama industrija očekivala. Prema podacima BloombergNEF-a, Europa je 2020. godine instalirala 23 gigavata solarne energije. Od tada se svake godine postavlja novi rekord, a ove se očekuje dodatnih 69,2 gigavata - što znači da se kapacitet u posljednjem desetljeću više nego učetverostručio.

Do kraja desetljeća, solarna energija trebala bi postati najveći zeleni izvor energije na svijetu, procjenjuje Međunarodna agencija za energiju (IEA). Promjena je posebno izražena u Europi, gdje su zemlje ubrzale izgradnju solarnih postrojenja kako bi se riješile skupog uvoza prirodnog plina i ispunile obećanje sa COP28 konferencije o utrostručenju globalnih kapaciteta obnovljivih izvora do 2030. godine - ključno za postizanje cilja Pariškog sporazuma o ograničavanju zagrijavanja na 1,5 °C.

Procjenjuje se da će europske zemlje do kraja desetljeća dodati 265 gigavata novih kapaciteta | Bloomberg

Vorrink danas radi na osmišljavanju kontrolne sobe prilagođene budućnosti, no godinama je bio u prvim redovima u tvrtki Tennet Holding BV. Kada je 2009. bio na mjestu voditelja, kontrolna soba bila je mirno i tiho radno okruženje. Alarm se rijetko oglašavao - ako uopće. Danas se, kaže, aktivira često, kad napon poraste i mreža se preoptereti. Cijeli sustav rastegnut je gotovo do krajnjih granica.

"Još uvijek možemo držati sve pod kontrolom, ali nije lako", kaže Vorrink.

Pitanje koje sada stoji pred Europom jest može li dovoljno brzo modernizirati svoju mrežu da spriječi novi veliki blackout. Kaotičan prijelaz išao bi na ruku političkim strujama diljem svijeta koje tvrde da će cilj klimatske neutralnosti uništiti poduzeća i dodatno poskupjeti energiju.

Neuredan prijelaz

Popularnost solarne energije naglo je porasla kako su cijene panela dramatično pale. Masovna proizvodnja snizila je troškove za oko 99 posto od 1970-ih, pokazuje istraživanje MIT-a objavljeno prošlog mjeseca.

Zbog niske cijene ugradnje, solarna energija postala je dostupna svima - od kućanstava koja žele postaviti nekoliko panela na krov, do velikih solarnih farmi koje se prostiru na stotinama hektara. No taj kumulativni učinak znači da mreža ne može ublažiti posljedice visokog napona kada se pojavljuju u tako velikim razmjerima. U lipnju je solarna energija po prvi put postala najveći izvor električne energije u Europskoj uniji, uz rast od 22 posto u odnosu na godinu ranije, prema podacima think tanka Ember.

"Ako samo nekoliko kuća u susjedstvu ima solarne panele, sustav to može podnijeti, ali kad ih imaju gotovo svi - upravljanje postaje puno teže", kaže Vorrink iz Tenneta.

Blackout u Španjolskoj i Portugalu, više od 50 milijuna ljudi ostalo bez struje nakon lančanih isključenja | Bloomberg

Krhkost europske elektroenergetske mreže ponovno je došla u središte pozornosti početkom mjeseca, kada je španjolski operator mreže zatražio hitne mjere za kontrolu naglih porasta napona. Tvrtka Red Eléctrica priopćila je da je skokove napona uočila u razdobljima niske potrošnje i visoke proizvodnje solarne energije, upozorivši da bi to moglo izazvati lančane isključenosti - slične onima koje su ove godine prouzročile najveći nestanak struje u Europi u posljednjih nekoliko desetljeća. Taj je prekid opskrbe zahvatio više od 50 milijuna ljudi u Španjolskoj i Portugalu i jasno pokazao što je u igri.

Uslijedile su brze optužbe na račun solarne energije. Prema dosad dostupnim podacima, iznenadno isključenje velikog broja solarnih postrojenja doista je pridonijelo porastu napona u mreži, što je na kraju dovelo do kolapsa sustava. A problem i dalje nije riješen.

Napon je električni pritisak koji tjera elektrone iz elektrana kroz mrežu prema potrošačima. Mreže se moraju održavati stabilnima, a ako napon počne odstupati od granica koje je postavila kontrolna soba, alarmi se oglašavaju kao znak da negdje postoji kvar.

Nije riječ samo o Španjolskoj, porasti napona sve su češći diljem Europe zbog naglog širenja proizvodnje iz obnovljivih izvora. Tijekom 2024. zabilježen je rekord od 8.645 slučajeva u kojima je napon premašio dopuštene europske granice. To je porast od više od 2.000 posto u odnosu na 2015. godinu, kada su evidentirane samo 34 takve dojave, pokazuju podaci Europske mreže operatora prijenosnih sustava za električnu energiju (Entso-e). Drugim riječima, danas se alarmi javljaju gotovo svakog sata, dok ih je prije deset godina bilo manje od tri mjesečno.

Solarni paneli niču rekordnom brzinom - u Europi se svakih nekoliko sekundi instaliraju četiri nova | Bloomberg

Kada dođe do porasta napona, drugi uređaji priključeni na mrežu, uključujući elektrane, mogu se automatski isključiti kako bi se zaštitili od oštećenja. No, to dodatno povećava napon. U najgorem scenariju taj se ciklus nastavlja dok cijela mreža ne kolabira, kao što se dogodilo u Španjolskoj.

Desetljećima je niski napon bio češći problem, pa su operateri razvili alate za njegovo upravljanje. Solarna energija sada je sve to preokrenula.

Operatori mreža počeli su reagirati. Njemačka je početkom ove godine donijela zakon kojim pokušava obeshrabriti solarne farme da proizvode više energije nego što potrošači mogu iskoristiti. Italija je počela kupovati novu opremu koja stabilizira mrežu na način na koji su to nekad činile elektrane na fosilna goriva. Nakon izvješća o Španjolskoj, paneuropska organizacija Entso-e pozvala je na izmjene propisa koje bi obvezale proizvođače iz obnovljivih izvora da aktivno pomažu u održavanju napona pod kontrolom.

Tržišni poremećaji

Navala solarne energije uzrokuje poremećaje i izvan problema s naponom. Sve je češće da veleprodajne cijene električne energije padnu ispod nule. Budući da solarne i vjetroelektrane nemaju trošak goriva, operateri nemaju velik poticaj za isključivanje kada cijene padnu. Kad je potražnja niska, a ponuda iz obnovljivih izvora visoka, cijene mogu postati negativne.

Njemačka, najveće europsko tržište električne energije, ima i najveći broj solarnih i vjetroelektrana u regiji, a s njima i sve više negativnih cijena. Godine 2019. oko dva posto satnih ugovora o opskrbi električnom energijom trgovalo se ispod nule, dok je prošle godine taj udio više nego udvostručen, na 5,2 posto.

Negativne cijene postale su češće tijekom cijele godine | Bloomberg

Na prvi pogled, investicijska slika ne izgleda ohrabrujuće. Solarne elektrane koje prodaju struju izravno na tržištu moraju plaćati kad nastave proizvodnju u razdobljima negativnih cijena. Čak i projekti s zajamčenim ugovorima suočavaju se sa sve manjim prinosima jer potražnja stalno opada. Ipak, investitore to ne zaustavlja - trend koji je operatere mreža zatekao nespremne, kaže Stefan Kapferer, izvršni direktor tvrtke 50Hertz Transmission GmbH, koja upravlja mrežom u sjeveroistočnoj Njemačkoj.

"Sličan trend vidimo diljem Europe: ogromna ulaganja u solarne kapacitete, dok potražnja stagnira", kaže Kapferer iz 50Hertza. "To jednostavno nema smisla".

Prošlog proljeća, prema riječima Kapferera, poljski su operatori elektroenergetske mreže hitno kontaktirali svoje kolege u Njemačkoj. Očekivalo se da će velika količina solarne energije preopteretiti poljski elektroenergetski sustav, pa su vlasti zamolile Njemačku da preuzme što više viškova kako bi se spriječio nestanak struje.

Ista se situacija, kaže Kapferer, ponovila i nekih vikenda tijekom 2024. godine. Svaki je put višak energije uspješno preusmjeren, bez da su kućanstva to osjetila, no Kapferer upozorava da bi uskoro mogle biti potrebne drastičnije mjere poput kontroliranih isključenja struje.

"Moglo bi se dogoditi da privremeno moramo isključiti opskrbu električnom energijom u pojedinim četvrtima", rekao je. "To se sada ne događa i radimo sve da tako i ostane, ali ako se razvoj nastavi ovim tempom kao posljednjih godina, rizik postaje sve veći".

Oprema poput transformatora, koji mijenjaju napon i čine električnu energiju sigurnom za korištenje, ključna je za funkcioniranje mreže, ali ju je teško zamijeniti. Ako se preoptereti prevelikom količinom energije, transformator može otkazati, a rok isporuke novog traje i do pet godina. U takvim slučajevima često je bolje privremeno isključiti dio mreže nego riskirati trajno oštećenje opreme.

"Mnogo je jednostavnije isključiti potrošača na sat, dva, tri ili četiri kako bi se zaštitila oprema, nego dopustiti da se oprema ošteti i potom ostaviti potrošača bez struje mjesecima", objašnjava Konrad Purchala, potpredsjednik zadužen za razvoj sustava u poljskom operatoru PSE.

Europska elektroenergetska mreža rastegnuta je do krajnjih granica pod pritiskom obnovljivih izvora | Bloomberg

Dijelovi koji čine razliku

Postoji specijalizirana oprema koja može pomoći. Sinkroni kompenzator, primjerice, sadrži goleme metalne cilindre s rotorima koji se vrte 1.500 puta u minuti i pomažu stabilizirati mrežu.

Solarni paneli i baterije oslanjaju se na uređaj zvan inverter, koji pretvara istosmjernu struju u izmjeničnu za kućnu upotrebu. Inverteri mogu i prilagođavati te optimizirati razine napona. Jedno od mogućih rješenja za današnju nestabilnost mreže jest prilagoditi postojeće postavke invertera tako da solarne elektrane reagiraju na nagli porast napona umjesto da se, kao što je sada često slučaj, automatski isključe.

Iako bi naknadna modernizacija starijih sustava mogla biti složena, novi solarni i baterijski projekti mogu se odmah opremiti pametnijim postavkama invertera koje pomažu stabilizirati mrežni napon. Jasno je da će za upravljanje ovim rastućim problemom trebati donijeti nova pravila.

"Treba nam proizvodnja koja ima mogućnost kontrole napona - bilo iz konvencionalnih, bilo iz obnovljivih izvora", rekao je početkom mjeseca Damian Cortinas, predsjednik upravnog odbora Entso-ea, prilikom predstavljanja izvješća o španjolskom blackoutu. "Zalagat ćemo se jasno za promjene u regulativi".

U lipnju je solarna energija prvi put postala najveći izvor električne energije u Europskoj uniji | Bloomberg

Elektroenergetske mreže regulirane su kroz petogodišnje investicijske cikluse. To znači da se njihov razvoj odvija znatno sporije od ulaganja privatnog kapitala u solarne i vjetroelektrane. Dogovor oko novih pravila također zahtijeva vrijeme.

"To su dugoročne mjere i neće imati trenutačan učinak", kaže Olivier Arrivé, supredsjedatelj odbora za upravljanje sustavima u Entso-eu i član stručnog tima koji istražuje španjolski blackout.

Neke zemlje u Europi već imaju sinkrone kompenzatore, no kako udio obnovljivih izvora raste, trebat će ih još više. Španjolska na dan blackouts nije imala nijedan u pogonu na kopnu - da jest, nestanak struje vjerojatno se mogao izbjeći.

Trošak osiguravanja dodatne stabilnosti na kraju će, naravno, snositi potrošači. Sinkroni kompenzator u Liverpoolu, koji je izgradio norveški Statkraft, koštao je 25 milijuna funti i ima ugovor s upraviteljem mreže. To je primjer kako bi se takva oprema mogla koristiti i financirati i u drugim europskim zemljama.

Situacija se pogoršava

Solarna energija bilježi nagli rast diljem svijeta, a posebno snažan zamah ima u Europi. U Španjolskoj je, primjerice, prošle godine činila oko 21 posto ukupne proizvodnje električne energije, u usporedbi s manje od šest posto prije samo pet godina. Kina je prošle godine iz solarnih elektrana dobila oko osam posto električne energije, dok je udio u SAD-u bio manji od sedam posto.

Kina i SAD dodale su najviše novih kapaciteta, ali su obje zemlje istodobno doživjele i rast potražnje za električnom energijom zbog podatkovnih centara i gospodarskog rasta. U Europskoj uniji, pak, nagli rast cijena prirodnog plina koji je započeo 2021. godine pridonio je padu potražnje za više od pet posto ispod razine prije pandemije, pokazuju podaci briselskog think tanka Ember, specijaliziranog za energetiku i klimatsku politiku.

Rast novih solarnih kapaciteta nadmašuje rast potražnje za električnom energijom | Bloomberg

A još više obnovljivih izvora tek dolazi. Europska komisija predložila je cilj smanjenja stakleničkih plinova za 90 posto do 2040. godine. Da bi se taj cilj uopće približno ostvario, Europska unija morat će se uvelike osloniti na brzo širenje vjetroelektrana i solarnih kapaciteta.

Kako se u sustav uključuje sve više obnovljivih izvora, bit će nužna i veća ulaganja u načine sigurne stabilizacije mreže, kaže Mehdi Ghazavi Dozein, predavač na području elektroenergetskih sustava na Sveučilištu Monash u Melbourneu.

"Svi govore o 100 posto obnovljivih izvora i doći ćemo do te točke, ali moramo biti svjesni rizika i planirati unaprijed", ističe Ghazavi Dozein. "Španjolska sigurno neće biti posljednja zemlja koju će pogoditi blackout".