Odporne na zmianę klimatu sieci przesyłu, dystrybucji i usług energii elektrycznej

Zwalnianie kabli zasilających powoduje tymczasową utratę zasilania dla użytkowników i powoduje dodatkowe koszty napraw dla dostawców energii. Burze mogą uszkodzić linie energetyczne, a tym samym spowodować przerwy w dostawie prądu i przerwy w dostawie prądu, poprzez bezpośrednie lub pośrednie uderzenie (np. spadające drzewa). Ponadto burze mogą zwiększyć szybkość błysków piorunów, co jest kolejną przyczyną przerw w dostawie prądu poprzez uszkodzenie linii energetycznych. Spadek drzewa, spowodowany kilkoma czynnikami, w tym silnymi wiatrami, akumulacją wody w glebie (co powoduje łatwiejsze wyrywanie), akumulacją śniegu lub oświetleniem, może mieć ten sam wynik. Niemniej jednak stopień, w jakim opady i burze wiatrowe powodują upadek drzew, zależy od wieku i obwodu danych drzew. Nagromadzenie, a następnie akrecja śniegu na liniach przesyłowych i dystrybucyjnych, w szczególności w obecności wysokiej wilgotności i temperatur około 0°C (tzw. „mokry śnieg”), może spowodować przerwanie linii energetycznych i zawalenie się wież przesyłowych wysokiego napięcia.

Okablowanie podziemne umożliwia dostosowanie systemów przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej do zmiany klimatu, ponieważ chroni kluczową część infrastruktury przed wyżej wymienionymi skutkami zmiany klimatu. Instalacja okablowania podziemnego obejmuje trzy dominujące techniki: umieszczanie okablowania w korytach wzmocnionych betonem, umieszczanie kabli w podziemnych tunelach lub bezpośrednie zakopywanie kabli.

Umieszczając okablowanie pod ziemią, można uniknąć większości niekorzystnych warunków pogodowych, na jakie narażona jest tradycyjna infrastruktura przesyłowa. Odnosi się to w dużej mierze do opadów i burz. Okablowanie podziemne może złagodzić wymóg dalszych i częstszych inwestycji w konserwację i naprawy infrastruktury przesyłowej. Oczekiwane korzyści obejmują bezpieczniejsze dostawy energii przy mniejszej liczbie przypadków przerw w dostawie energii związanych z pogodą, a jednocześnie osiągnięcie oszczędności kosztów w perspektywie długoterminowej dzięki ograniczonej konserwacji i naprawom.

Burze nie są jedynym zagrożeniem dla sieci elektroenergetycznych związanym z klimatem. Bardzo wysokie temperatury otoczenia, takie jak te występujące podczas fal upałów, zagrażają przesyłowi i dystrybucji, ponieważ mogą powodować zwisanie linii; ich zmniejszony odstęp od ziemi może być niebezpieczny dla ogółu społeczeństwa. Zwiotczenie może również spowodować kontakt z drzewami i innymi konstrukcjami, co może spowodować porażenie prądem lub pożary. W większości krajów europejskich obowiązują przepisy mające na celu utrzymanie minimalnej odległości między liniami energetycznymi a ziemią lub strukturami, aby uniknąć potencjalnych przypadków porażenia prądem lub pożarów. Wyższe temperatury otoczenia wymagają zmniejszenia prądu elektrycznego przechodzącego przez napowietrzne linie energetyczne, aby zapobiec przegrzaniu sprzętu. Ciepłe linie energetyczne mogą również skutkować zmniejszoną wydajnością (de-rating). Skutki te zwiększają ryzyko wypadków, przerw w dostawie energii elektrycznej i awarii sieci kaskadowej, co ma negatywny wpływ na rentowność zaangażowanych przedsiębiorstw użyteczności publicznej i dobrostan dotkniętej nimi ludności. Wpływ ten potęguje rosnące zapotrzebowanie na energię elektryczną, również ze względu na zwiększone zużycie klimatyzacji. Możliwości przystosowania się do tych skutków obejmują:

• Instalowanie słupów linii wysokiego napięcia,
• Instalowanie przewodów o cieplejszych granicach eksploatacyjnych lub stosowanie przewodów „nisko zwisających”.
• Zwiększenie minimalnej temperatury projektowej nowych tras linii napowietrznych jest szczególnie opłacalną opcją, której osiągnięcie zazwyczaj zwiększyłoby wysokość projektową słupów drewnianych o 0,5 metra.
• Opracowanie narzędzia programowego w celu optymalizacji ocen linii napowietrznych.

W przypadku optymalizacji oprogramowania wszystkie opcje w tej klasie obejmują instalację lub modyfikację infrastruktury w terenie, na obszarach miejskich, przemysłowych, wiejskich i przyrodniczych. Interakcja zainteresowanych stron na szczeblu lokalnym (z właścicielami gruntów, władzami lokalnymi i ogółem społeczeństwa) wzdłuż tras zainstalowanych/modernizowanych sieci ma zatem kluczowe znaczenie dla zapewnienia akceptacji społecznej oraz terminowego i racjonalnego pod względem kosztów wdrożenia infrastruktury. W przypadku kabli podziemnych koordynacja z innymi podmiotami zajmującymi się okablowaniem może obniżyć koszty ekonomiczne i zminimalizować uciążliwości dla społeczności lokalnych, ograniczając czas trwania prac kopiących do absolutnego minimum.

Okablowanie podziemne zależy od dostępności odpowiedniej technologii i know-how w zakresie instalacji, monitorowania i zarządzania. Współpraca z innymi podmiotami zajmującymi się okablowaniem podziemnym, takimi jak firmy telekomunikacyjne, pomaga zminimalizować zakłócenia dla ludności poprzez działania kopiące, 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. Wykopy w wyniku innej działalności budowlanej lub konserwacyjnej stanowią kluczowe ryzyko uszkodzenia zainstalowanych kabli podziemnych. Ryzyko to można zmniejszyć, stosując technologię digitalizacji i GIS do kabli podziemnych, aby poinformować koparki o lokalizacji kabli podziemnych.

Główną różnicą między kablami podziemnymi i napowietrznymi jest sposób zapewnienia izolacji elektrycznej. Kable napowietrzne są izolowane powietrzem, które je otacza, najtańszym i najprostszym dostępnym rozwiązaniem izolacyjnym. Kable podziemne muszą być izolowane, aby uniknąć strat energii i ryzyka porażenia prądem poprzez bezpośredni kontakt z glebą. Rezystancja elektryczna generowana przez izolację generuje ciepło, a tym samym straty transmisji. Wymaga to większych lub wielu kabli w celu zrekompensowania strat oraz systemu chłodzenia (wymuszona wentylacja, woda lub gazy) do rozpraszania ciepła. Kable podziemne muszą być zakopane w okopach, chronione przed przypadkowymi uszkodzeniami i łatwo dostępne, gdy konieczna jest konserwacja. Ogólnie rzecz biorąc, skutkuje to większym wykorzystaniem 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 złożona i kosztowna niż w przypadku kabli napowietrznych: „w przypadku awarii kabla podziemnego o napięciu 400 kV jest on przeciętnie nieczynny przez okres 25 razy dłuższy niż linie napowietrzne o napięciu 400 kV. Wynika to głównie z długiego czasu potrzebnego na zlokalizowanie, wykopanie i przeprowadzenie napraw technicznych. Te konserwacje i naprawy również kosztują znacznie więcej” (National Grid, 2015).

Ponadto istnieją ograniczenia techniczne w użytkowaniu gruntów w pobliżu kabli specyficznych dla linii podziemnych. Oprócz konieczności zarezerwowania niektórych gruntów w celu zapewnienia dostępu do linii w celach konserwacyjnych, istnieją również ograniczenia dotyczące sadzenia drzew i żywopłotów nad kablami lub w odległości 3 m od wykopu kablowego, aby zapobiec wkraczaniu roślinności. Korzenie drzewa mogą przenikać do obudowy zasypki kablowej, co z kolei może wpłynąć na ocenę kabla, a nawet spowodować fizyczne uszkodzenie kabla. Podobnie w przypadku linii napowietrznych wzrost drzew jest zniechęcany i kontrolowany pod przewodami linii napowietrznej lub w odległościach, w których drzewa mogą spaść na linie. Będą również ograniczenia wysokości dla maszyn lub szczególnie wysokich pojazdów, takich jak sprzęt rolniczy, w pobliżu linii napowietrznych ze względów bezpieczeństwa. Na obszarach miejskich powierzchnia gruntu wykorzystywana do zakopywania kabli znacznie przekracza powierzchnię wymaganą dla równoważnej linii napowietrznej. Kable były w przeszłości kierowane pod drogi, aby uniknąć odejmowania gruntów od alternatywnych zastosowań; jednak zakłócenia w ruchu podczas badania usterek i napraw mogą być znaczne. Tam, gdzie kable są instalowane przez bezpośrednie grzebanie na obszarach wiejskich, istnieją ograniczenia dotyczące stosowania głęboko uprawianego sprzętu rolniczego, aby uniknąć ryzyka uszkodzenia. Zakopywanie kabli wysokiego napięcia jest również bardziej skomplikowane niż układanie rur gazowych i wodnych. Ponadto co 500–1000 m muszą być budowane podziemne wspólne przęsła, które są wyłożone betonem i szersze niż same okopy.

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

Oprócz bezpośrednich przyszłych skutków dla klimatu, zarówno dla sieci podziemnych, jak i napowietrznych, ważne jest uzyskanie wglądu w przyszłe warunki rynkowe, w których będą działać operatorzy systemów przesyłowych (OSP) i operatorzy systemów dystrybucyjnych (OSD).

Ogólnie rzecz biorąc, eksploatacja kabli podziemnych kosztuje mniej więcej tyle samo, co eksploatacja kabli napowietrznych (National Grid, 2015). Koszty kapitałowe związane z budową linii metra są jednak znacznie wyższe niż w przypadku kabli napowietrznych. Alonso i Greenwell (2013 r.) zgłaszają od 4 do 14 razy wyższe koszty budowy kabli podziemnych na podstawie badania z 2011 r. przeprowadzonego przez Komisję Służby Publicznej Wisconsin. Rzeczywiste koszty zależą jednak od charakterystyki geologicznej i geograficznej trasy kabli, sposobu instalacji (koszty instalacji tunelu przewyższają koszty bezpośredniego pochówku), zdolności przesyłowej linii oraz wybranych opcji izolacji i chłodzenia kabli podziemnych.

Wysokość słupa podnoszącego jest stosunkowo niedroga: studium przypadku dotyczące linii napowietrznych w Zjednoczonym Królestwie donosi, że koszty zakupu drewnianych słupów napowietrznych o wysokości 0,5 metra zależą od wysokości pierwotnego słupa, ale mogą wynosić zaledwie około 10 GBP (11 EUR) na słup.

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

Budowa napowietrznych lub podziemnych linii energetycznych podlega krajowym przepisom dotyczącym wydawania pozwoleń, podobnie jak każda inna ważna infrastruktura. W procesie wydawania pozwoleń należy uwzględnić szereg szczególnych wad środowiskowych. 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. Jednak 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 populacjach ptaków migrujących lub zamieszkujących (Bernardino i in., 2018). Zarówno w środowisku miejskim, jak i wiejskim zakłócenia na lądzie są większe przy układaniu kabli podziemnych niż przy wznoszeniu wież napowietrznych. Objętość gleby wydobytej dla kabla podziemnego, w którym instalowane są dwa kable na fazę, jest około 14 razy większa niż w przypadku równoważnej trasy linii napowietrznej. Roślinność musi być oczyszczana wzdłuż i na bokach okopów, aby umożliwić budowę i powiązany dostęp dla pojazdów.

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 z kablami napowietrznymi.

Kable, zarówno napowietrzne, jak i podziemne, są zwykle zaprojektowane do pracy przez 60 lat. W studium przypadku Zjednoczonego Królestwa stwierdzono, że przewidywany okres eksploatacji drewnianych słupów podtrzymujących linie napowietrzne jest porównywalny: 40-60 lat.