Kõik elektrisüsteemi hõlmavad arenduskavad ja juhtimisotsused peavad olema kooskõlas süsteemi füüsikaga ja arvestama tervikmõju süsteemile. Seejuures on oluline, et tänapäeval lisanduvad tootmisvahenditena nn taastuva primaarenergia põhised elektritootmisviisid, mille kasutamine elektri tootmiseks toob kaasa kogu elektrisüsteemi talitluskäitumise muutuse ja palju tehnilisi keerukusi.
Eesti elektrisüsteemi arengukavade üks puudus ongi see, et need ei sisalda elektroenergeetilist realiseeritavushinnangut ja just elektrisüsteemi elektrilises osas toimuvat.
Suur erinevus juhitava ja mittejuhitava energia vahel
Niisiis, taastuvallikad jagunevad juhitavad ja mittejuhitavad, nende mõju elektrisüsteemi funktsioneerimisele ning tarbijate toitmisele on erinev, seetõttu on oluline neid eristada. Juhitav taastuvelekter toodetakse üldjuhul hüdro- ja koostootmisjaamades sünkroongeneraatoritega (SG), see on süsteemi elektriliste protsesside vaates klassikaline elektritootmine.
Mittejuhitav taastuvelekter (variable renewable energy – VRE), tähistatud MjT, toodetakse tuule ja päikeseparkides, mille primaarne energia on mittemõjutatav ja tootmisvahendiks (võrgu ühenduseks) on jõuelektroonika seade – konverter, mille omadused erinevad täielikult sünkroongeneraatori omadustest. Taastuvenergia kasutamise raskused ongi mittejuhitava taastuvelektri kasutusraskused.
Elektrimajanduse alusobjekt on eletrisüsteem, järgneva temaatika jaoks on mõiste elektrisüsteem autonoomselt funktsioneeriv süsteemiosa (sünkroonala), mida võib käsitleda kui funktsionaalsete lülide jada: elektri tootmine, ülekanne ja tarbimine.
Paljudel juhtudel ei lange elektrisüsteemi piirid kokku vaadeldava poliitilise või majandusliku üksuse piiridega, elektriliste protsesside analüüsil tuleb lähtuda elektrilistest piiridest ja vaadelda elektrisüsteemi kui teiste süsteemide ühist alusstruktuuri koos vastava analüüsi loogikaga.
Mainitud lülidest kõige probleemirikkam ja olulisem on elektritootmise lüli, mis määrab kogu süsteemi talitluse ja omadused. Sõltumata sellest, kas tootmisvahendid on klassikalised või sisaldavad taastuvallikatest tootmisvahendeid, elektritootmise ja ülekande lülid peavad olema võimelised tagama tarbijatele vajaliku energia, nõutava kvaliteedi ja töökindlusega.
Kaks tähtsat nõuet elektri tootmisele
Rääkides trilemmast – võrrelda saab ainult neid elektrisüsteemi variante, mille varustuskindlus on tagatud. Seega arenguplaanide esimene samm peab olema piisava varustuskindlusega variantide koostamine, mida hiljem võrreldakse teistes aspektides (kahjuks seda eiratakse).
Järgneva eesmärgiks ongi piiritleda klassikalise ja mittejuhitava taastuvenergia segatootmisega elektrivarustuse (süsteemi) varustuskindluse põhikomponente.
Ka kaks põhinõuet elektri tootmislülile ja süsteemile tervikuna.
Esiteks – süsteemi elektritootmise (tootmissegu, ToSe) juhitavuse nõue. Tootmissegu peab olema juhitav sellisel määral, et tootmine (elektriline võimsus) oleks võimeline järgima tarbimise kulgu ja sellisel viisil tagama tootmise- tarbimise võrdsuse (balanseerituse). Üldjuhul lisandub mainitud tootmissegule süsteemsete reservide komplekt mis peab tagama ka suurte häirete neutraliseerimise st kogu sageduse hoidmise protsessi. Mõistet tootmissegu kasutatakse siin kitsamalt (tarbimise balanseerimiseks).
Teiseks – tootmisüksuste (jaamade) paralleeltöö ja energia ülekandeprotsesside stabiilsuse nõue (sageduse, pinge ja nurgastabiilsus). Lisaks peab olema kindlustatud süsteemi releekaitse ja võrku järgivate (GFL) konverterite (käesoleval ajal enamus) häireteta toimimine.
Talitluse stabiilsus on väga kompleksne süsteemi omadus, mis lihtsustatult tähendab seda, et teatud kõrvalekallete ja häirete esinemisel süsteemi olek liigub tasakaaluasendi suunas ja siirdeprotsessid sumbuvad.
Ilma nende kahe nõude täitmiseta ei ole võimalik elektrisüsteemi funktsioneerimine ja tarbijate varustamine, see on varustuskindluse tuum. Süsteemi balanseeritus eraldivõetuna, ilma selle oleku stabiilsuseta, ei oma sisulist mõtet, sest ei talu ühtegi häiret, ei ole eksisteerimisvõimeline.
Mittejuhitava taastuvelektri tootmisel omad iseärasused
Klassikaliselt toimub elektrienergia tootmine sünkroongeneraatoritega, mis oma põhiomadustega määravad kogu elektrisüsteemi talitlusomadused, teiseks, primaarenergia muundusprotsess nendes jaamades on juhitav.
Klassikalisel elektritootmisel on toodud süsteemsed nõuded täidetud, mis on ka elektrisüsteemi töökindla funktsioneerimise alus.
Mittejuhitav taastuvelekter toodetakse tuule ja päikeseparkides, millised on mittejuhitavad, neis puudub võimalus toota elektrienergiat vastavalt vajadusele, Sellised pargid ühendatud võrguga läbi jõuelektroonika seadmete, mis ei oma inertsi, ei tooda lühisvoole, on tunduvalt kiiretoimelisemad kui sünkroongeneraatorid jne.
Seega MjT on mittejuhitava primaarenergia baasil konvertertootmine, mis on klassikalisest (SG) tootmisest täiesti erinevate omadustega.
Käesoleval ajal on süsteemi tootmissegu eespoolmainitud tootmisvahendite koostootmise tulemus, süsteemi talitluse dünaamika on määratud nende omavaheliste proportsioonidega. Mida suurem on konvertertootmise (MjT) osakaal hetkevõimsuste järgi süsteemis, seda erinevamad on ka süsteemi kui terviku karakteristikad klassikalisega võrreldes – halveneb juhitavus, vähenevad süsteemi inerts ja lühis-võimsused.
Teatud piirist alates muutuvad probleemseks nii ToSe vajaliku juhitavuse hoidmine (balanseerimisvõime), kui ka mainitud süsteemi stabiilsusnõuete täitmine.
Kasutusel mõisted tugev ja nõrk süsteem
MjT osalusega elektrisüsteemi talitluse iseloomustamiseks kasutatakse süsteemitugevuse mõistet, mis on mitmest komponendist koosnev, kuid üldisem jaotus on tugev süsteem ja nõrk süsteem. Tugevuse mõõte ja käsitlusi on erinevaid, põhiiseloomustaja on lühistugevus. Piir tugeva ja nõrga süsteemi vahel on hägune, see sõltub võrgu konfiguratsioonist, SG agregaatide koormatusest jne ning jagab süsteemi dünaamika ja käitumise kaheosaliseks.
- Kui konvertertootmise osakaal on alla 60–80%, omab süsteem piisavalt suurt inertsi ja lühisvoole (tugev süsteem), toimib konventsionaalne stabiilsusmehhanism, MjT on võimalik ühendada võrku järgivate (GFL) konverterite abil, releekaitse probleeme ei teki jne.
- Kui konvertertootmise osakaal on 80–100% (nõrk süsteem või piirijuhtum), siis süsteemi inerts ja sõlmede lühisvõimsuste tase on muutunud nii väikeseks ja süsteemi dünaamika on muutunud niivõrd, et konventsionaalne stabiilsus-mehhanism ja selle käsitlused enam ei tööta. Lisaks häired releekaitse ja võrku järgivate konverterite funktsioneerimises (nõrk süsteem).
Nõrga süsteemi üks tunnus on sõlmede jääkpinge pingekõvera kuju moonutused, mille tulemusena võrku järgivad konverterid ei ole võimelised saama vajalikku informatiooni võrgu sageduse ja pinge nurga kohta, nende töö häirub ja kaitse lülitab konverterid st vastavad tootmisüksused välja. Seega – nõrga võrgu piirkonnas võib tekkida suuremahuline konvertertootmise kadu, sarnaselt Hispaania süsteemikustumise algfaasis täheldatule.
Järelikult tuleb koostootmisega segu puhul, sõltuvalt MjT võimsuste hetkeosakaalust, süsteemi talitlust käsitleda samuti kahel erineval viisil. Kas süsteem on tugev või nõrk. Enne arenguplaanide tegemist peab otsustama, kas soovitakse süsteemi käitada tugeva süsteemi piirkonnas (klassikaline stabiilsusmehhanism jne) või soovitaks katsetada töötamist 70–100% konvertertootmise, st nõrga süsteemi piirkonnas (stabiilsusmehhanismid ja tehnilised probleemid uurimisjärgus). Süsteemi töökindluse tarviliku nõude täitmine on nendes talitlusolukordades täiesti erinev.
Tugev võrk tagab süteemi toimimise stabiilsusmuredeta
Valides nn tugeva süsteemi talitluse ja käidu, võib tootmissegus olla maksimaalselt 70–80% konvertertootmist, sh salvestus ja alalisvoolulingid ja 20–30% sünkroongeneraatoritega tootmist (võimsus), sh elektrisüsteemi funktsioneerimise seisukohast pole tähtis primaarenergia liik.
See 20–30% pidevat SG tootmist moodustab nn baastootmise, antud juhul tekib baastootmise vajadus konvertertootmise kasutamisest ning see peab kindlustama talitluse tugeva võrgu piirkonnas, st ilma stabiilsusprobleemideta, releekaitse ja GFL konverterite toimimisprobleemideta.
Valides nõrga süsteemi (70–100% MjT) talitluse, tuleb arvestada sellega, et selles piirkonnas stabiilse funktsioneerimise tagamise viisid ja vahendid on alles uurimisjärgus, selles mõttes on olulised Saksamaa energiasüsteemi jaoks teostatud suuremahulised uuringud, mille käigus koostati põhjalik uuringute teekaart suure MjT osakaaluga tootmise stabiilsusprobleemide lahendamiseks jne.
Selge on siiski see et, nõrga süsteemi stabiilse funktsioneerimise kindlustamine põhineb klassikalisest erinevale elektroonilis-tarkvaralisele juhtimissüsteemile, mille häirekindlus, eriti küberründekindlus, on tunduvalt madalam, seetõttu tugeva võrgu säilitamine omab palju positiivset.
Elektri baastootmise suurus oleneb võrgu koormusest
Eesti süsteemist on mõte rääkida ainult saarestunud olekut silmas pidades. Eesti süsteemi normaaltöö on Balti süsteemi normaaltöö, st planeerides Eesti jaoks 100% MjT-d, tekib süsteemi kui terviku suhtes määramatus. Vajalik on teada kogu Balti süsteemi tootmissegu, MjT-d ja tarbimist. Kuna nõrga süsteemi talitluspiirkonda ettekavatsemata sattumise tagajärjed on väga rasked, siis planeerides Eesti jaoks 100% MjT tuleks põhjalikult analüüsida nõrga süsteemi olemust.
Praeguse tuule ja päikese (MjT) kasutusideoloogia jätkudes kasvab installeeritud võimsus kontrollimatult ja süsteemi stabiilse funktsioneerimise raskused võivad tekkida suhteliselt järsku. Sellisel ettekavatsemata lähenemisel on paratamatu, et stabiilsuse säilitamiseks tuleb piirata MjT seadmete toodangut ja otsida kokku sünkroongeneraatoritega tootmisvõimsusi. Loomulikult on selline tootmissegu kaugel majanduslikust optimaalsusest.
Loogiline oleks arvestada edasijõudnud riikide kogemustega ja korrigeerida arenguplaane selliselt, et nii Eesti kui Balti süsteem tervikuna jääks tööle klassikalise stabiilsusmehhanismi piirkonnas, mis tähendab sünkroongeneraatoritega baastootmist vähemalt eespoolmainitud proportsioonis.
Kuna saartalitlus on oluline, siis tuleks analüüsida vähemalt kahte konfiguratsiooni – Balti süsteem ja Eesti saar. Kõige piiravamaks (tootmispiisavus) kujuneb ilmselt Eesti saar, mis peakski olema arengulaanide esimene lähtealus.
Eelnevat arvesse võttes kujuneb tugeva süsteemi tootmissegu elektriline osa struktuurilt kindlate proportsioonidega kolmekomponendiliseks tootmisseguks – SG baastootmine, MjT tootmine ja viimase balanseerimiseks vajalik juhitav tootmine. Viimane võib olla kas vajaliku paindlikkusega SG tootmine, või salvestusseadmed.
Baastootmise suurus tuleneb prognoositavatest koormustest. Eespoolmainitud süsteemseid reserve, mis rakenduvad suurte häiringute ilmnemisel, võiks nimetada neljandaks komponendiks.
Tootmissegu elektriline struktuur ei esita piiranguid primaarenergiale ja muundustehnoloogiale, välja arvatud summaarne juhtimispaindlikkus.
Riigi ülesanne on leida parimad tootmisvahendid
Seega elektrilise osa struktuuri määramisele peaks järgnema tootmisvahendite komplekti leidmine, mis kindlustaks eespooltoodud elektrililise struktuuri ning oleks majanduslikult ratsionaalne. See kolmekomponendiline tootmisstruktuur on vajalik süsteemi varustuskindluse garanteerimiseks – tootmise-tarbimise balanseerimine, talitluse stabiilsus, süsteemi rikkekindluse toimimine senikasutatavate kaitsetüüpidega, tuule- ja päikeseenergia tootmise võrguühendused süsteemi järgivate konverteritega.
Üleilmsed kogemused näitavad, et praegu ja ligema tuleviku põhivariant saab olla töötamine tugeva süsteemi piirkonnas, st süsteemis või süsteemi osas ei tohi tekkida olukorda, kus konvertertootmise osakaal toitesegus (võimsuse järgi) oleks üle 70–80%. Pidevalt peab eksisteerima sünkroongeneraatoritega baastootmine vähemalt 20–30% ajamomendi tarbimisest. Kriitilise piiri täpsem hindamine toimub SG+SK inertsi ja sõlmede lühisvõimsuste jne alusel.
Võib lisada et tuumajaama kasutamisel baastootmiseks, (Eesti süst. 2 x 300MW ) saadakse kõige madalama CO2 emiteerimisega, kõige väiksema installeeritud MjT võimsusega ja kõige väiksema juhitava SG võimsusega tootmissegu Eesti tarbimise rahuldamiseks. Ka CO2 emiteerimise seisukohast on tuumajaam eelistatud.
