Nie lubimy płacić za coś, z czego nie korzystamy. Takim elementem jest moc bierna. Nic więc dziwnego, że broni się przed nią każdy większy odbiorca energii elektrycznej.
W świecie „Gwiezdnych wojen” moc to tajemnicza, przenikająca wszystko siła, która poddaje się kontroli wybranych jednostek, czyli rycerzy jedi lub sithów. Dzięki niej są oni w stanie manipulować materią, używać telekinezy, wpływać na umysły, potrafią również koncentrować ją w postaci ataków energetycznych. Ta fundamentalna dla świata siła pozostaje jednak wielką tajemnicą. Równie tajemnicza jest moc bierna, stanowiąca nieodłączny element funkcjonowania takich urządzeń jak transformatory czy silniki elektryczne.
Energetycy jej nie lubią, bo nie jest to coś, co końcowy odbiorca zużywa, a mimo wszystko trzeba ją do niego przesłać, a potem od niego odebrać. W ten sposób błąka się ona po sieci, zwiększając jej obciążenie, nagrzewając i zużywając przewody, a także zabierając zdolność przesyłową linii elektroenergetycznych mocy czynnej, czyli tej faktycznie zużywanej przez odbiorcę. Dlatego po przekroczeniu pewnego poziomu (tzw. umownego współczynnika mocy) energetyka zaczyna wystawiać przemysłowi także rachunek za moc bierną.
Moc bierna ma jednak to do siebie, że można starać się skompensować, co de facto oznacza wytwarzanie jej u siebie. W ten sposób nie trzeba jej przesyłać do odbiorcy, co znajduje odbicie pod postacią mniejszych rachunków za prąd dla największych odbiorców, czyli zakładów przemysłowych. A mówimy o niebagatelnych sumach. W całej sieci energetycznej silniki indukcyjne napędzające różne urządzenia odpowiadają za 60–70 proc. poboru całej mocy biernej. Dalej znajdują się transformatory odpowiadające za 20–25 proc., a trzecim źródłem są same linie elektroenergetyczne z ok. 10 proc. poboru. Przy czym z punktu widzenia fabryki rachunek za pobór energii biernej może być równie bolesny co za pobór energii czynnej. Pozbycie się tego pierwszego elementu stanowi więc znaczną oszczędność.
– Ze zjawiskiem mocy biernej można sobie radzić na różne sposoby. Kiedyś robiono to przy pomocy statycznych baterii kondensatorów, ale dają najlepszy efekt w bardzo konkretnych scenariuszach poboru mocy. Tymczasem rozwój przemysłu i wprowadzenie bardziej skomplikowanych maszyn sprawił, że przestały one wystarczać. Dzisiaj dobry kompensator musi być „inteligentny” i odpowiednio reagować na zmiany zachodzące w zakładowej sieci energetycznej – tłumaczy mgr inż. Julian Wosik z Instytutu Technik Innowacyjnych EMAG w Katowicach, który jest konstruktorem takiego właśnie, adaptującego się w czasie rzeczywistym urządzenia.
Aby lepiej zrozumieć to zjawisko, wyobraźmy sobie fabrykę. Zwykli pracownicy to moc czynna – jeśli nie będzie komu obsługiwać maszyn i linii produkcyjnych, to w zakładzie nie powstanie żaden produkt. Ale do sprawnego funkcjonowania całej fabrycznej maszynerii są też potrzebni majstrowie, którzy dbają o sprzęt, konfigurują go i konserwują. Bez ich obecności maszyny nie ruszą i staną, kiedy ich zabraknie. Majstrowie to moc bierna; do zakładu trzeba jednak z odległych miejscowości dowieźć i jednych, i drugich – to koszty przesyłu. Za pracę też trzeba zapłacić wszystkim – to rachunek za prąd. Sprytny menedżer fabryki zastąpił jednak majstrów ich robotycznymi odpowiednikami, zaoszczędzając znacznie na uposażeniach i transporcie. Moc bierna – niezbędna do działania maszyn – wytwarzana jest w ten sposób na miejscu.
Problem polega na tym, że urządzenia zasilane energią elektryczną wprowadzają do sieci różne zakłócenia. We wzorowych warunkach – czyli takich, o jakich uczono nas w szkole – przebieg prądu ilustruje piękna sinusoida. Niestety, napędy wind osobowych, elektronarzędzi, maszyn drukarskich i tkackich, walcowni oraz napędy urządzeń wykorzystywanych w branży spożywczej, a także urządzenia elektroniczne, tj. komputery, pobierają z sieci prądy niesinusoidalne. Znaczy to, że po podłączeniu takiego urządzenia do sieci ilustracją przebiegu prądu przestaje być gładka sinusoida, a staje się postrzępiona. To niestety przekłada się na zniekształcenia napięcia sieciowego, co pociąga za sobą zmiany w wykorzystywanej mocy. To z kolei powoduje dodatkowe obciążenie wszystkich urządzeń stosowanych w tej samej sieci.
Dlatego właśnie zaproponowane przez inżynierów z Katowic urządzenie działa dwutorowo. Najpierw „wygładza” wspomnianą już sinusoidę, stabilizując zużycie mocy, a następnie kompensuje, czyli dostarcza mocy biernej. Takie rozwiązania nie nadają się oczywiście dla użytkowników indywidualnych, chociaż z myślą o wnoszonych przez nich do sieci zakłóceniach takie urządzenia są instalowane w kontenerowych stacjach transformatorowych, znajdujących się tam, zanim linia energetyczna dojdzie do osiedla mieszkaniowego. W przypadku przemysłu stosuje się raczej rozwiązania skrojone bardziej na potrzeby użytkownika, bo też konfiguracja urządzeń i potrzeby danego zakładu będą się różnić. Ogólna zasada pozostaje jednak ta sama: zakład sam wytwarza moc bierną, aby nie musieć płacić za nią dostawcy energii.
Problem nie jest nowy i zarówno energetyka, jak i przemysł starają się z nim walczyć już od dziesięcioleci. Dopiero jednak osiągnięcie przez procesory odpowiedniej mocy obliczeniowej pozwoliło na stworzenie aktywnych metod kompensacji, gdzie układ ten w czasie rzeczywistym oblicza wartość wszystkich zakłóceń i stosownie do nich aplikuje kompensację. Problem kompensacji mocy biernej jest również ważny z punktu widzenia efektywności gospodarki. „Nieefektywna” nie znaczy tylko bowiem, że używane przez nią urządzenia w rzeczywistości zużywają więcej energii, niż powinny, ale też że dużo energii jest marnowane chociażby przez niedostateczną kompensację. To dodatkowo generuje koszty. – Proszę sobie wyobrazić, że energia elektryczna jest jak paliwo lane z dystrybutora na stacji benzynowej. Jeśli jest kiepskiej jakości, to będzie niszczyło silnik. Podobnie jest z energią elektryczną – jej niewłaściwe parametry mogą wpływać na przyspieszone zużywanie się urządzeń. A to już kosztuje – tłumaczy mgr Wosik.