Električne mreže diljem planeta imaju tajanstveni ritam. Sada znamo zašto

Svakih 60 sekundi i uvijek u isto vrijeme. I to na pet kontinenata, dok čitamo vijesti, kuhamo večeru ili punimo mobitel, u elektroenergetskim mrežama javlja se zagonetni puls. Ritam frekvencije se malo promijeni, a odstupanje je toliko sitno da ga u svakodnevici ne primjećujemo. No dovoljno je pravilno da je godinama zbunjivalo znanstvenike. Zašto se mreže koje nisu međusobno povezane ponašaju kao da prate isti sat?

Misteriozno odskakanje zabilježeno je diljem svijeta. Slični obrasci mogli su se pronaći u električnim mrežama u Europi, Veliku Britaniji, Australiji, SAD-u... Fluktuacije su male, ali izrazito uporne, ponavljajući se s izvanrednom preciznošću preko mreža vrlo različitih veličina i konfiguracija. Nije riječ o tome da struja jednom u minuti nestane ili da svjetla nužno zatrepere. Mijenja se frekvencija izmjenične struje. Znanstvenici sada imaju uvjerljivo objašnjenje: Mnoštvo uređaja u istom trenutku provjerava vlastite pričuvne baterije. Posao koji je pojedinačno gotovo zanemariv, kada ga sustavi obavljaju zajedno, postaje vidljiv u velikoj mreži, piše ScienceAlert.

Rezultati su objavljeni u časopisu Nature Energy, u radu Carstena Hartmanna i kolega pod naslovom "One-minute frequency disturbances from unintended synchronization in cyber–physical power systems". U istraživanju su sudjelovali stručnjaci istraživačkog centra Jülich, Sveučilišta u Kölnu i Tehnološkog instituta u Karlsruheu. Jedan od autora, fizičar Dirk Witthaut, potragu je u objavi centra Jülich opisao kratko: "Bile su to doista godine detektivskog rada."

Da bi se razumjelo što su tražili, valja razjasniti riječ koja se inače rijetko pojavljuje u razgovorima o kućnim računima za struju: frekvencija. Ona označava broj ponavljanja u jednoj sekundi, a mjeri se u hercima. U europskoj mreži nazivna je frekvencija 50 herca. To znači da izmjenična struja u sekundi prolazi kroz 50 punih ciklusa, tijekom kojih mijenja smjer i vraća se u početno stanje.

Možemo je zamisliti kao vrlo brzo njihalo. Puni njihaj u jednom pa u drugom smjeru jedan je ciklus. Kada bi njihalo malo usporilo, u istom bi vremenu napravilo nešto manje njihaja. U mreži se promjena očituje kao sitno odstupanje od 50 herca. Brojka pritom ne govori koliko struje imamo, nego kojim se ritmom izmjenična struja mijenja.

Taj ritam povezan je s ravnotežom proizvodnje i potrošnje. Elektrane i drugi izvori moraju u svakom trenutku zajedno isporučivati približno onoliko električne snage koliko potrošači uzimaju. Kada potrošnja nadmaši proizvodnju, frekvencija pada. Kada proizvodnja nadmaši potrošnju, raste. Mrežni operatori neprestano prate tu ravnotežu i prilagođavaju rad sustava.

Sitna odstupanja zato nisu neobična. Ljudi uključuju uređaje, tvornice mijenjaju potrošnju, a proizvodnja se također mijenja. Neobično je bilo što se jedan obrazac vraća s gotovo satnom preciznošću, svake minute. Dva su različita ritma u ovoj priči. Struja u europskoj mreži prolazi kroz 50 ciklusa u sekundi, a mala promjena tog brzog ritma ponavlja se svakih 60 sekundi.

Koliko kolektivna navika može utjecati na potrošnju dobro ilustrira britanski "TV pickup", primjer koji navodi ScienceAlert. Tijekom reklamne stanke nekog programa mnogo gledatelja u Britaniji ide pristaviti čaj. Posljedica velikog broja istodobno uključenih električnih kuhala za čaj je da potražnja naglo poraste. U slučaju zagonetnog pulsa zajedničku radnju, po svemu sudeći, ne pokreću televizijski program i ljudska navika, nego softver i satovi uređaja.

Slične oscilacije istraživači u Skandinaviji bilježili su barem od 2014. Razmatrala se povezanost s hidroelektranama, čiji regulacijski sustavi mogu sudjelovati u oscilacijama takva trajanja. No hidroenergija nije mogla sama objasniti zašto se tako precizan obrazac pojavljuje i drugdje, u mrežama različitih veličina i ustroja.

Witthautu i kolegama upravo je pravilnost bila važan trag. Izvor je trebalo tražiti među postupcima koji se ravnaju prema satu. Za učinak vidljiv u velikoj mreži pritom nije bilo dovoljno pronaći jedan mali uređaj: Trebalo je objasniti kako se potrošnja velikog broja uređaja vremenski uskladi.

Ova pojava je godinama zbunjivala znanstvenike AI Ilustracija

Odgovor su potražili ondje gdje su mogli pratiti potrošnju mnogo detaljnije nego na razini kontinenta, u vlastitom istraživačkom kampusu u Jülichu. Ondje su, prema objavi istraživačkog centra, imali mjerenja na približno 80 mjesta. U podacima se pojavio poznati obrazac, ali samo na određenim lokacijama. Četiri zgrade u kojima je prepoznat imale su zajedničku opremu: Sustave besprekidnog napajanja, poznate pod engleskom kraticom UPS.

Takvi sustavi čuvaju opremu i radne procese od prekida napajanja. Baterije omogućuju da računala, poslužitelji i drugi osjetljivi uređaji nastave raditi kada nestane mrežnog napajanja. Nalazimo ih u podatkovnim centrima, bolnicama i istraživačkim ustanovama. Da bi bili spremni kada zatrebaju, njihov softver nadzire stanje baterija i provodi provjere.

Istraživači su jedan sustav pregledali posebno pomno. Na baterijskoj strani pronašli su kratke strujne impulse u razmacima od jedne minute. Proizvođač je potvrdio da nastaju tijekom rutinskog samotestiranja. No time istraga nije završila. Trebalo je pokazati da pojava ne ostaje zatvorena unutar baterije ili zgrade.

Pratili su je kroz električnu infrastrukturu, preko transformatora, sve do priključka na javnu mrežu. U javno dostupnoj ranijoj verziji rada na arXivu opisan je trag do mreže napona 110 kilovolta. Mala programski upravljana radnja tako je ostavljala mjerljiv otisak na znatno većoj razini. U promatranim zgradama bez UPS-a nisu pronašli isti obrazac.

Preostalo je pitanje zbog kojeg je priča od početka bila neobična. Zašto bi uređaji u različitim zgradama, gradovima ili državama svoje baterije provjeravali baš istodobno?Digitalni uređaji mogu usklađivati unutarnje satove s vanjskim vremenskim signalima. Sustavi koji neovisno rade na različitim lokacijama zato mogu znati kada je točno počela nova minuta. Ako im je provjera zadana za taj trenutak, neće se rasporediti kroz svih 60 sekundi, nego će se njihove radnje vremenski preklopiti.

Witthaut u priopćenju Jülicha objašnjava da ne postoje obvezujući standardi koji bi određivali raspored takvih provjera. Njegova je pretpostavka da se interval od jedne minute različitim proizvođačima jednostavno učinio prikladnim, a početak minute prirodnim izborom. To ne znači da svi UPS uređaji rade jednako niti da svaka baterija provodi isti test. Problem je kada dovoljno sustava odabere isti raspored.

Benjamin Schäfer, jedan od autora s Tehnološkog instituta u Karlsruheu sažima učinak: "Kada mnogi uređaji istodobno provode provjere, inače malen učinak zbraja se u mjerljivu promjenu u elektroenergetskoj mreži." Fizička povezanost mreža pritom nije potrebna. Isti način programiranja i usklađivanja vremena može proizvesti sličan obrazac na različitim kontinentima. Zajednički nazivnik nije vod koji ih spaja, nego način na koji njihovi uređaji prate vrijeme.

Ipak, valja razlikovati ono što je izravno izmjereno od šireg zaključka. Tim je pokazao kako baterijske provjere mogu proizvesti minutni obrazac i kako se njihov učinak prenosi prema javnoj mreži. Da je isti mehanizam odgovoran za sve slične pojave u svijetu, treba potvrditi dodatnim mjerenjima. ScienceAlert također navodi da objašnjenje treba provjeriti na drugim lokacijama. Mogući doprinos drugih digitalno upravljanih potrošača nije isključen.

Odstupanja o kojima je riječ uglavnom se mjere u milihercima, tisućinkama herca. Prema istraživačima, trenutačno ne predstavljaju neposrednu prijetnju stabilnosti mreže. Ipak, to ne znači da su nevažna. Ponavljajuće oscilacije mogu se pojačati djelovanjem same mreže i pridonijeti trošenju opreme. No kako elektroenergetske mreže postaju sve ovisnije o digitalno upravljanoj opremi, Witthaut i njegovi kolege upozoravaju da bi problem mogao rasti. Sve je više baterijskih sustava za pohranu energije, podatkovnih centara i uređaja povezanih s internetom, koji bi mrežu mogli dodatno opteretiti sinkroniziranom potrošnjom.

Richard Jumar, također autor istraživanja s instituta u Karlsruheu upozorava na povećano trošenje turbina u hidroelektranama. Promjene opterećenja traže odgovore sustava, a njihovo stalno ponavljanje može imati posljedice tijekom duljeg vremena. Sa sve većim brojem baterijskih i digitalno upravljanih uređaja raste i važnost dobrog oblikovanja njihovih upravljačkih programa.

Rješenje je u promjeni rasporeda. Ako jedan sustav test pokrene na početku minute, drugi nešto poslije, a treći u nekom drugom trenutku, njihove se male promjene potrošnje neće sve zbrojiti u isti kratki vrhunac. Prema ScienceAlertu, nakon što su istraživači kontaktirali jednog proizvođača, tvrtka je objavila softversku nadogradnju koja je ublažila strogu periodičnost provjera. 

Uređaji koji štite računala i osjetljivu opremu od prekida napajanja tako su postali glavni trag u objašnjenju neobičnog ritma velikih mreža. Svaki zasebno radi razuman posao, no elektroenergetski sustav osjeti kada dovoljno njih taj posao obavi u istom trenutku.