Co naprawdę płynie z gniazdka, czyli o ukrytych twarzach prądu i jego kaprysach, których nie widać gołym okiem

Na pierwszy rzut oka sprawa wydaje się prosta – prąd płynie, urządzenie działa, koniec historii. Kiedy podłączamy czajnik, komputer, ładowarkę do telefonu czy klimatyzator, spodziewamy się, że prąd po prostu „robi swoje”: grzeje wodę, napędza wentylator albo ładuje baterię. Ale w rzeczywistości świat energii elektrycznej to skomplikowany układ zależności, w którym nie wszystko jest takie, jak się wydaje. Za pozorną prostotą kryje się cała matematyka, geometria i fizyka – zjawiska, które mają bardzo realny wpływ nie tylko na to, ile płacimy za prąd, ale także na trwałość i sprawność całego systemu energetycznego.

Na początek trzeba zrozumieć jedno: nie cała energia, która płynie z gniazdka, jest wykorzystywana do pracy. Tylko część z niej rzeczywiście „pracuje” – obraca bęben pralki, świeci żarówką, gotuje wodę. To ta część, którą fachowo nazywamy mocą czynną (P). Cała reszta to energia, która – choć też płynie – nie zamienia się na nic, co moglibyśmy bezpośrednio wykorzystać. To tzw. moc bierna (S) oraz coraz częściej – moc odkształceń (D). I choć brzmi to nieco tajemniczo, ich działanie odczuwamy bardzo wyraźnie, zwłaszcza gdy zaczynają przeszkadzać [1].

Wyobraźmy sobie, że energia elektryczna to rodzaj wirtualnej waluty, którą płacimy za działanie urządzeń. Ale zanim trafi do właściwego miejsca, musi przejść przez długą drogę – sieć przesyłową, transformatory, przewody w budynku. Każdy element po drodze jest jak stacja obsługi – przetwarza, dostosowuje, ale też się zużywa. I tu zaczyna się problem: jeśli energia niesie ze sobą coś, czego te urządzenia nie „lubią” – czyli nadmiar mocy biernej lub odkształcenia – cała sieć cierpi. Jak cierpi? Na przykład przewody grzeją się bardziej, transformator szybciej się zużywa, a automatyka w zakładzie potrafi głupieć przy pomiarach [2].

Moc bierna to nie energia, którą można wykorzystać do zapalenia żarówki. Ale jest potrzebna, by działały urządzenia z cewkami – silniki, pompy, klimatyzatory. Można ją porównać do wahadła, które musi się rozbujać, zanim zacznie wykonywać pożyteczną pracę. To bujanie nie wykonuje pracy, ale bez niego praca w ogóle by nie ruszyła. Problem w tym, że to bujanie też zużywa miejsce na „autostradzie energetycznej” – czyli sieci przesyłowej [3].

Ale to jeszcze nic w porównaniu z tym, co potrafi moc odkształceń. To zjawisko znane dobrze każdemu, kto próbował zasilać wiele urządzeń elektronicznych jednocześnie: komputer, telewizor, lodówkę „inteligentną” i do tego jeszcze ładowarka do auta. Choć każde z nich pobiera prąd, to nie robi tego równomiernie. Zamiast ładnych, gładkich fal sinusoidalnych – tak powinien wyglądać zdrowy prąd przemienny – mamy zębate, poszarpane impulsy. Powstają tzw. harmoniczne, czyli niechciane dodatki do podstawowej częstotliwości 50 Hz. Można to porównać do orkiestry, w której ktoś nagle zaczyna grać w zupełnie innym rytmie i w dodatku na zniekształconym instrumencie. Efekt? Zamiast harmonii mamy chaos [4].

Ten chaos, choć niewidoczny, bardzo wyraźnie wpływa na jakość energii. Urządzenia elektroniczne zaczynają się grzać, niektóre się wyłączają, a zabezpieczenia „strzelają” bez wyraźnego powodu. Co więcej, harmoniczne potrafią „wracać” do sieci i psuć jakość zasilania także innym odbiorcom. To jakby ktoś w bloku puszczał przez wentylację dym z cygara – i choć sam ma z tego przyjemność, inni się duszą [5].

Tradycyjny sposób mierzenia efektywności energetycznej, czyli współczynnik mocy (oznaczany jako cos φ), dobrze działał wtedy, gdy wszystkie urządzenia były liniowe – jak silniki czy grzałki. Wówczas problem ograniczał się głównie do mocy biernej, którą można było skompensować prostymi kondensatorami. Dziś jednak – w dobie elektroniki i automatyki – ten współczynnik nie mówi już całej prawdy. Urządzenia mogą mieć pozornie wysoki cos φ, ale nadal „zanieczyszczać” sieć przez moc odkształceń [1].

Najgorsze w tym wszystkim jest to, że odbiorcy końcowi zwykle nie mają świadomości, że generują problemy. Użytkownik widzi tylko etykietkę „120 W” na zasilaczu i zakłada, że to koniec historii. Ale rzeczywisty wpływ takiego urządzenia na sieć może być kilkukrotnie większy, jeśli bierze pod uwagę nie tylko zużycie, ale też jakość pobieranego prądu. To dlatego firmy energetyczne coraz częściej stosują opłaty za moc bierną i w przyszłości mogą objąć opłatami również moc odkształceń [3].

Jak się bronić? Przede wszystkim – świadomie wybierać sprzęt elektryczny, zwracając uwagę nie tylko na moc znamionową, ale i klasę kompatybilności elektromagnetycznej. Dobrej jakości urządzenia mają wbudowane układy kompensacji i filtracji. W dużych instalacjach stosuje się aktywne filtry harmonicznych i kompensatory mocy biernej, które potrafią dynamicznie dostosowywać się do sytuacji. Coraz popularniejsze są także analizatory jakości energii, które – niczym stetoskop dla sieci – pozwalają wykryć problemy zanim dojdzie do awarii [5].

Wszystko to pokazuje, że energia elektryczna to nie tylko licznik kWh i wysokość rachunku. To cały ekosystem, który można zepsuć przez niepozorne ładowarki i pozornie oszczędne świetlówki. Być może za jakiś czas, tak jak dziś uczymy dzieci segregować śmieci, będziemy uczyć je także, czym różni się „czysty” prąd od tego zakłóconego. I dlaczego warto dbać nie tylko o to, ile energii zużywamy, ale też jaką jakością ją pobieramy.

Bibliografia:
[1] IEEE Std 1459-2010, Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalanced Conditions.
[2] W. Mielczarski, Systemy elektroenergetyczne, Warszawa: PWN, 2009.
[3] K. Heuck, K.-D. Dettmann, D. Schulz, Electric Power Systems, Berlin: Springer, 2010.
[4] R. C. Dugan, M. F. McGranaghan, S. Santoso, H. W. Beaty, Electrical Power Systems Quality, 3rd ed., New York: McGraw-Hill, 2012.
[5] IEEE Std 519-2014, Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems.