Warianty adaptacyjne dla sieci i infrastruktury przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej

Załamanie kabli zasilających powoduje tymczasową utratę mocy dla użytkowników i powoduje dodatkowe koszty naprawy dla dostawców energii. Burze mogą uszkodzić linie energetyczne, a tym samym powodować przerwy w zasilaniu i zaciemnienia, poprzez bezpośrednie uderzenie lub pośrednie uderzenie (np. spadające drzewa). Co więcej, burze mogą zwiększyć szybkość błysków piorunów, co jest kolejną przyczyną awarii zasilania przez uszkodzenia linii energetycznych. Upadek drzew, spowodowany przez kilka czynników, w tym silne wiatry, akumulację wody w glebie (co powoduje łatwiejsze wykorzenienie), akumulację śniegu lub oświetlenie, może mieć ten sam wynik. Niemniej jednak stopień, w jakim opady i burze wiatrowe powodują upadek drzew, zależy od wieku i obwodu drzew, o których mowa. Akumulacja i późniejsze akrecja śniegu na liniach przesyłowych i dystrybucyjnych, szczególnie w obecności wysokiej wilgotności i temperatur około 0 °C (tzw. „mokrego śniegu”), może spowodować pęknięcie linii energetycznych i zawalenie się wysokonapięciowych wież transmisyjnych.

Okablowanie podziemne umożliwia dostosowanie systemów przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej do zmian klimatycznych, ponieważ chroni kluczową część infrastruktury przed wspomnianymi skutkami zmiany klimatu. Instalacja okablowania podziemnego obejmuje trzy główne techniki: umieszczenie okablowania w korytach wzmocnionych betonem, umieszczenie kabli w podziemnych tunelach lub bezpośrednie zakopanie kabli.

Umieszczając okablowanie pod ziemią, można uniknąć większości niekorzystnych warunków pogodowych, w których tradycyjna infrastruktura przesyłowa jest nadziemna. Odnosi się to w dużej mierze do opadów i burz wiatrowych. Okablowanie podziemne może złagodzić zapotrzebowanie na dalsze i częstsze inwestycje w konserwację i naprawy infrastruktury przesyłowej. Oczekiwane korzyści obejmują bezpieczniejsze dostawy energii przy mniejszej liczbie przerw w dostawach energii związanych z pogodą, przy jednoczesnym osiągnięciu oszczędności kosztów w dłuższej perspektywie dzięki ograniczeniu konserwacji i napraw.

Burze nie są jedynym zagrożeniem związanym z klimatem wpływającym na sieci energetyczne. Bardzo wysokie temperatury otoczenia, takie jak te występujące podczas fal upałów, zagrażają transmisji i dystrybucji, ponieważ mogą powodować zwisanie linii; ich ograniczenie odstępu od ziemi może być niebezpieczne dla ogółu społeczeństwa. Zwiotczenie może również skutkować kontaktem z drzewami i innymi strukturami, co może prowadzić do porażenia prądem elektrycznym lub pożaru. W większości krajów europejskich obowiązują przepisy mające na celu utrzymanie minimalnej odległości między liniami elektroenergetycznymi a gruntami lub strukturami, aby uniknąć potencjalnych przypadków porażenia prądem elektrycznym lub pożarów. Wyższe temperatury otoczenia wymagają, aby prąd elektryczny przechodzący przez napowietrzne linie energetyczne musiał zostać zmniejszony, aby zapobiec przegrzaniu urządzeń. Cieplejsze linie energetyczne mogą również powodować zmniejszenie wydajności (de-rating). Skutki te zwiększają ryzyko wypadków, przerw w dostawie prądu i awarii sieci kaskadowej, co ma negatywny wpływ na rentowność zaangażowanych przedsiębiorstw użyteczności publicznej oraz na dobrostan poszkodowanej ludności. Skutki te potęgują rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, również ze względu na zwiększone zużycie klimatyzacji. Warianty dostosowawcze służące uporaniu się z tymi skutkami obejmują:

• Instalowanie wyższych słupów linii energetycznych,
• Instalowanie przewodów z gorętszymi ograniczeniami roboczymi lub stosowanie przewodów „niskosagowych”.
• Zwiększenie minimalnej temperatury projektowej nowych tras napowietrznych jest szczególnie opłacalną opcją, której osiągnięcie zazwyczaj zwiększy wysokość konstrukcji słupów drewnianych o 0,5 metra.
• Opracowanie oprogramowania do optymalizacji ratingów linii napowietrznych.

Kategorie IPCC

Strukturalne i fizyczne: opcje inżynierii i środowiska zbudowanego, Strukturalne i fizyczne: opcje technologiczne

Udział zainteresowanych stron

BAR w przypadku optymalizacji oprogramowania, wszystkie opcje w tej klasie obejmują instalację lub modyfikację infrastruktury na ziemi, na obszarach miejskich, przemysłowych, wiejskich i naturalnych. Interakcja z zainteresowanymi stronami na szczeblu lokalnym (z właścicielami gruntów, władzami lokalnymi i ogółem społeczeństwa) na trasach zainstalowanych/zmodernizowanych sieci ma zatem kluczowe znaczenie dla zapewnienia akceptowalności społecznej oraz terminowego i racjonalnego pod względem kosztów rozmieszczenia infrastruktury. W przypadku kabli podziemnych koordynacja z innymi jednostkami okablowania może zmniejszyć koszty ekonomiczne i zminimalizować uciążliwość dla społeczności lokalnych, ograniczając czas trwania działalności kopania do minimum.

Czynniki sukcesu i czynniki ograniczające

Okablowanie podziemne zależy od dostępności odpowiedniej technologii i know-how w zakresie instalacji, monitorowania i zarządzania. Współpraca z innymi podziemnymi podmiotami kablowymi, takimi jak firmy telekomunikacyjne, pomaga zminimalizować zakłócenia ludności poprzez działalność kopania, a podział kosztów operacji kopania zmniejsza koszty ponoszone przez każdy podmiot. Chociaż okablowanie podziemne może być narażone na nowe zagrożenia klimatyczne, w szczególności z powodu powodzi i ruchów gleby związanych z osuwiskami, do tej pory zagrożenia te pozostają hipotetyczne. Wykopaliska spowodowane inną działalnością budowlaną lub konserwacyjną stanowią kluczowe ryzyko uszkodzenia zainstalowanych kabli podziemnych. Ryzyko to można zmniejszyć poprzez zastosowanie technologii digitalizacji i GIS do kabli podziemnych, aby informować koparki o lokalizacji kabli podziemnych.

Główną różnicą między kablami podziemnymi i napowietrznymi jest sposób, w jaki zapewniana jest izolacja elektryczna. Przewody napowietrzne są izolowane powietrzem, które je otacza, najtańszym i najprostszym dostępnym rozwiązaniem izolacyjnym. Przewody podziemne muszą być izolowane, aby uniknąć strat mocy i ryzyka porażenia prądem elektrycznym poprzez bezpośredni kontakt z glebą. Rezystancja elektryczna generowana przez izolację generuje straty ciepła, a co za tym idzie straty przesyłowe. Wymaga to większych i/lub wielu kabli w celu zrekompensowania strat oraz systemu chłodzenia (wymuszonej wentylacji, wody lub gazów) do rozpraszania ciepła. Kable podziemne muszą być zakopane w okopach, aby były chronione przed przypadkowymi uszkodzeniami i łatwo dostępne, gdy konieczna jest konserwacja. Ogólnie rzecz biorąc, powoduje to większe wykorzystanie gruntów przez kable podziemne w porównaniu z kablami napowietrznymi podczas instalacji, chociaż po zakopaniu, użytkowanie gruntów i efekty wizualne, które generują, są znacznie niższe.

Konserwacja kabli podziemnych jest znacznie bardziej skomplikowana i kosztowna niż w przypadku kabli napowietrznych: „jeżeli usterka występuje na kablu podziemnym 400 kV, jest ona średnio nieobsługiwana przez okres 25 razy dłuższy niż 400 kV linii napowietrznych. Wynika to głównie z długiego czasu potrzebnego do zlokalizowania, wydobycia i podjęcia technicznych napraw. Te prace konserwacyjne i naprawy również kosztują znacznie więcej” (National Grid, 2015).

Wreszcie istnieją techniczne ograniczenia w użytkowaniu gruntów w pobliżu kabli specyficznych dla linii podziemnych. Oprócz konieczności zarezerwowania niektórych gruntów w celu zapewnienia dostępu do linii do celów utrzymania, istnieją również ograniczenia dotyczące sadzenia drzew i żywopłotów nad kablami lub w odległości 3 m od wykopu kablowego, aby zapobiec ingerowaniu przez roślinność. Korzenie drzew mogą przenikać przez zaplecza kabla, co z kolei może mieć wpływ na jakość kabla lub nawet spowodować fizyczne uszkodzenie kabla. Podobnie w przypadku linii napowietrznych wzrost drzew jest zniechęcany i kontrolowany pod przewodnikami linii napowietrznej lub w odległościach, gdzie drzewa mogą spaść na linie. Ze względów bezpieczeństwa pojawią się również ograniczenia wysokości dla maszyn lub szczególnie wysokich pojazdów, takich jak sprzęt rolniczy, w pobliżu linii napowietrznych. Na obszarach miejskich powierzchnia użyta do zakopanych kabli znacznie przekracza wymaganą dla równorzędnie znamionowej linii napowietrznej. Kable były historycznie kierowane pod drogami, aby uniknąć odejmowania gruntów od alternatywnych zastosowań; jednak zakłócenia ruchu podczas badania usterek i napraw mogą być znaczące. W przypadku gdy kable są instalowane w drodze bezpośredniego pochówku na obszarach wiejskich, istnieją ograniczenia dotyczące korzystania z głębokiej kultywacji sprzętu rolniczego, aby uniknąć ryzyka uszkodzenia. Zakopywanie kabli wysokiego napięcia jest również bardziej skomplikowane niż układanie rur gazowych i wodnych. Ponadto podziemne zatoki łączone, które są wyłożone betonem i szersze niż same okopy, muszą być budowane co 500-1 000 m.

Jeśli chodzi o odporność kabli napowietrznych na zmianę klimatu, niezbędna jest szczegółowa wiedza na temat przyszłych lokalnych warunków klimatycznych o wysokiej rozdzielczości, aby zaplanować niezbędne interwencje. Wyraźną zaletą uzyskiwania najdokładniejszych scenariuszy dla kabli napowietrznych jest zrozumienie, w jakim stopniu mogą one nadal być ważną opcją. Jeżeli przewiduje się, że zdarzenia ekstremalne będą miały znaczący wpływ na obszary, w których zainstalowane lub planowane są sieci kablowe napowietrzne, można ostatecznie rozważyć przejście na okablowanie podziemne. Nawet w mniej ekstremalnych okolicznościach identyfikacja dróg, które w przyszłości będą najmniej narażone na zagrożenia dla okablowania napowietrznego, może pomóc w planowaniu przyszłego rozwoju sieci.

Oprócz bezpośrednich przyszłych skutków klimatycznych, zarówno w przypadku sieci podziemnych, jak i napowietrznych, ważne jest uzyskanie informacji na temat przyszłych warunków rynkowych, w których będą działać operatorzy systemów przesyłowych i operatorzy systemów dystrybucyjnych.

Koszty i korzyści

Ogólnie rzecz biorąc, obsługa kabli podziemnych kosztuje mniej więcej tyle samo, jak w przypadku kabli napowietrznych (National Grid, 2015). Koszty kapitałowe związane z budową linii podziemnych są jednak znacznie wyższe niż w przypadku kabli napowietrznych. Alonso i Greenwell (2013) zgłaszają od 4 do 14 razy wyższe koszty budowy kabli podziemnych na podstawie badania Komisji Służby Publicznej w Wisconsin z 2011 roku. Rzeczywiste koszty zależą jednak od geologicznych i geograficznych cech trasy kabli, metody instalacji (instalacja tunelu kosztuje więcej niż bezpośrednie zakopanie), zdolności przesyłowej linii oraz wybranych opcji izolacji i chłodzenia kabli podziemnych.

Podnoszenie wysokości bieguna jest stosunkowo niedrogie: studium przypadku linii napowietrznych w Wielkiej Brytanii donosi, że koszty zakupu drewnianych słupów napowietrznych o 0,5 metra wyższe zależą od wysokości pierwotnego bieguna, ale mogą one wynosić zaledwie około 10 funtów (11 EUR) za słup.

Aspekty Prawne

W przypadku kabli napowietrznych szczególne normy krajowe w każdym kraju UE regulują maksymalną wysokość biegunów i minimalny prześwit od podłoża.

Budowa napowietrznych lub podziemnych linii energetycznych jest podporządkowana krajowym przepisom zezwalającym, podobnie jak każda inna istotna infrastruktura. Istnieje szereg szczególnych wad środowiskowych, które należy uwzględnić w procesie wydawania pozwoleń. Na obszarach wiejskich należy ocenić zakłócenia flory i fauny, użytkowania gruntów i stanowisk archeologicznych. Pod tym względem linie napowietrzne są zwykle mniej uciążliwe niż kable podziemne i powodują mniej zakłóceń. Jednakże w szczególnych przypadkach kable podziemne mogą mieć znaczący pozytywny wpływ na niektóre zagrożone gatunki; na przykład mogą one zmniejszyć śmiertelność z powodu kolizji linii energetycznych w populacji ptaków migrujących lub rezydentów (Bernardino i in., 2018). Zarówno w środowisku miejskim, jak i wiejskim, zakłócenie terenu jest większe przy układaniu kabli podziemnych niż przy wznoszeniu wież napowietrznych. Objętość gleby wydobyta dla podziemnego kabla, w którym zainstalowane są dwa kable na fazę, jest około 14 razy większa niż w przypadku równoważnej trasy napowietrznej. Roślinność musi być oczyszczona wzdłuż i na bok rowów, aby umożliwić budowę i związany z tym dostęp dla pojazdów.

Czas wdrożenia

Czas realizacji różni się w zależności od lokalnych warunków geograficznych i geologicznych oraz zastosowanej metody instalacji. Jest jednak znacznie dłuższy w przypadku kabli podziemnych w porównaniu do kabli napowietrznych.

Okres użytkowania

Kable, zarówno napowietrzne, jak i podziemne, są zwykle zaprojektowane tak, aby działały przez 60 lat. Brytyjskie studium przypadku donosi, że oczekiwany okres użytkowania drewnianych słupów obsługujących linie napowietrzne jest porównywalny: 40-60 lat.

Strony internetowe:

Bibliografia: