V predchádzajúcej časti, v ceste k vysvetleniu blackoutu v Španielsku, sme hovorili o výhodách striedavej elektriny. Teraz si povedzme o jej nevýhodách.

No a základnou nevýhodou je, že všetko okolo nej je pomerne zložité na pochopenie. Urobme si aspoň takú malú analógiu na objasnenie.

Prenos jednosmernej elektriny od zdroja (napr. chemického článku) k spotrebiču (napr. klasickej žiarovke - edizonke) sa dá zobraziť napríklad ako remeň medzi dvomi kolesami (remenicami): jedno koleso je poháňané nejakým základným zdrojom energie (v našom prípade je to rozdiel chemickej energie väzieb medzi atómami jednotlivých konštrukčných prvkov chemického článku, ktorá ženie elektróny von jednou elektródou a vťahuje ich dnu do druhej elektródy), druhé je brzdené mechanickou brzdou, ktorá sa trením rozžeravuje do biela a tým svieti (toto je takmer presná analógia so žiarovkou). Remeň predstavuje elektrické vedenie.

(Mimochodom, aj ten remeň je brzdený a tým sa ohrieva, napr. trením o vzduch. Keď je ten remeň dlhý, rozstrapkaný alebo sa hýbe rýchlejšie (čo sú analógie k dĺžke, mernému odporu materiálu a prúdu vodičom), tie straty sú väčšie.)

Pri striedavej elektrine sa hnacie koleso netočí, ale sa kýve sem a tam, 50x za sekundu (t.j. frekvenciou 50Hz; v USA 60Hz). Brzdené hnané koleso stále rozžeravuje brzdu, takže sa zdá, že všetko je rovnako ako v jednosmernom prípade.

Lenže problém je v tom, že hnané koleso nie je vždy brzdené jednoduchou brzdou. Niekedy je to hnacie koleso spojené s brzdou cez pružinu. V jednosmernom prípade hnacie koleso najprv naťahuje pružinu až do bodu, keď sila natiahnutej pružiny prekoná trenie brzdy, ale ďalej to už pokračuje úplne rovnako ako predtým, pružina zostane napnutá a brzda sa rozžeraví. Striedavý prípad je zložitejší, a tak si najprv predstavme extrém, že brzda je úplne zaseknutá, t.j. máme niečo ako je nepokoj v mechanických hodinkách. Hnacie koleso sa začne vychyľovať do jednej strany a napína pružinu, energia sa prenáša z hnacieho kolesa do hnaného a do pružiny. Hnacie koleso po štvrtine periódy dosiahne krajnú polohu a začne sa otáčať v opačnom smere, lenže pritom pružina tlačí cez hnané koleso do hnacieho a energia sa prenáša naopak, z hnaného do hnacieho kolesa. Hnacie koleso prejde strednou polohou a vtedy začne cez hnané pružinu napínať v opačnom smere, prenášajúc energiu „normálnym“ smerom. Znova, po dosiahnutí krajnej polohy sa prenos energie otočí. V konečnom dôsledku sa polovicu času prenáša energia z hnacieho na hnané koleso, a polovicu času naopak. Celkový prenos energie je nulový (čo vidíme aj na tom, že zaseknutá brzda sa predsa nemôže ohriať), ale pritom sa energia prelievala hore-dole. Ak tá brzda nie je zaseknutá, záleží na pomere trenia brzdy a pružnosti pružiny, že aká časť energie sa spotrebuje na zohrievanie brzdy a aká časť sa len „prelieva“ hore-dole.

Podobný problém predstavuje zotrvačnosť. Tentokrát si predstvme, že na hnané koleso je pripevnený veľký a ťažký zotrvačník. Znova, pri jednosmernom prípade, na začiatku musí hnacie koleso „rozbehnúť“ hnané so zotrvačníkom, t.j. dodať do neho dostatok energie aby sa točilo na potrebných otáčkach, ale potom to všetko pokračuje ako predtým. V striedavom prípade je to znova zložitejšie a musíme si pomôcť extrémom, ktorým je tentokrát úplne uvoľnená brzda. A ako východiskový okamih si tentokrat predstavme krajnú polohu oboch kolies, t.j. kolesá sú v tom okamihu v pokoji, práve sa skončil pohyb v jednom smere a hnacie koleso začína pohyb v druhom smere. Nemusí síce dodávať energiu do brzdy, ale musí dodávať energiu na rozbehnutie zotrvačníka. Keď sa celá sústava dostane do strednej polohy, zotrvačník je už rozbehnutý a hnacie koleso ho musí začať brzdiť, t.j. zotrvačník z hnaného kolesa dodáva energiu do hnacieho. Po dosiahnutí druhej krajnej polohy sa toto zopakuje aj opačnom smere, t.j. znova polovicu času sa prelieva energia jedným smerom a polovicu druhým, a výsledný celkový prenos energie je nulový. A znova, v neextrémnom prípade keď brzda brzdí, pomer medzi energiou dodanou do brzdy a energiou prelievajúcou sa hore-dole závisí od pomeru momentu zotrvačnosti zotrvačníka a momentu sily vyplývajúceho z trenia bzdy.

V prípade elektriny, prenesenej energii, ktorá zohrieva brzdu, hovoríme činná, a tej, ktorá sa len prelieva hore-dole, jalová - a okamžitým hodnotám (t.j. derivácii prenesenej energie podľa času) hovoríme činný a jalový výkon (angl. active vs. reactive power). Kým činný výkon sa udáva vo wattoch (W), elektrotechnici sú z jalového výkonu tak zhnusení, že ho udávajú vo voltampéroch (VA), napriek tomu, že tie jednotky W a VA sú formálne totožné.

V praxi sa pružnosť aj zotrvačnosť (v elektrickom svete zvané kapacita a indukčnosť) vyskytujú súčasne, naviac zotrvačnosť a pružnosť majú aj všetky zapojené prvky, vrátane remeňa. Energia v zotrvačníku je vlastne kinetickou energiou a energia v pružine potenciálnou, a ak ste na tej stredoškolskej fyzike naozaj dávali pozor, už viete, že ak sa tieto dve energie môžu navzájom prelievať, tak sa aj budú, a z toho vzniká celý rad nepríjemne zaujímavých či zaujímavo nepríjemných javov zvaných kmity (cudzím ale často používaným slovom oscilácie), okolo ktorých sa v skutočnosti točí asi 90% celej fyziky a tým celého sveta okolo nás.

Pri nevhodne skombinovaných parametroch - pružnostiach, zotrvačnostiach, brzdách, pohonoch, ich vzájomných pomeroch a vzdialenostiach - celej sústavy sa tá sústava dokáže rozkmitať tak, že na niektorých miestach budú kmity väčšie než sú kmity zdroja. Elektricky, napätie môže dosiahnuť hodnoty vyššie ako je normálne. No a to môže byť problém, pretože elektrické zariadenia sú konštruované pre nejaké prevádzkové napätie a pri vyšších napätiach môžu nastať prierazy a zničenie zariadenia.

Okrem takéhoto prepätia je jalový výkon nežiadúci jav aj kvôli tomu, že to „prelievanie“ sa energie sem a tam po vedení zaťažuje vedenie rovnako ako činný výkon a podieľa sa na stratách na vedení. Jalový výkon sa dá kompenzovať pripájaním vhodnej záťaže „opačného“ charakteru, t.j. ak je záťaž indukčného charakteru, kompenzuje sa pripájaním kapacít, a naopak. Nie je to však jednoduché: záťaž je potrebné kompenzovať lokálne, lebo kompenzovať ho za vedením (t.j. na nejakom vhodnom centrálnom mieste) je menej účinné; charakter záťaže sa môže meniť (podľa toho ako sa zapínajú/vypínajú spotrebiče); ďalej kompenzátory majú nejakú konkrétnu kapacitu/indukčnosť, ktorá sa dá pripojiť len ako celok, t.j. sa nedajú „plynule ladiť“ (existujú moderné elektronické „laditeľné“ kompenzátory, sú však viacmenej novinkou a sú aj pomerne drahé).

Zdroje a prenosová sústava teda okrem toho, že vyrábajú a dodávajú činný výkon, musia zniesť aj nejaké množstvo nevykompenzovaného jalového výkonu. Viacmenej ide o to, že zdroje musia odolať „mykaniu“, ktoré ide späť z vedenia a brániť tomu, aby sa jeho následkom zvyšovalo napätie v sieti. Paradoxne teda, ak v sieti, ktorá je v rovnováhe, vypadne malá časť generácie, môže to spôsobiť neintuitívne zvýšenie napätia siete.

Doteraz popisované javy sa odohrávajú v rámci jedného cyklu základnej 50Hz frekvencie siete. Na napätie v sieti však vplývajú aj - resp. najmä - regulačné mechanizmy generátorov, t.j. elektrární. Jednoducho povedané, ak sa zvýši odber, treba pridať paru alebo viac otvoriť prietok vody, a naopak, ak sa odber zníži, treba prívod primárneho zdroja energie priškrtiť. Na toto slúžia regulátory - zrejme každý pozná historický Wattov regulátor, dve točiace sa gule, ktoré odstredivou silou rozotvárajú rovnobežník, na ktorom sú pripevnené, a tým otvárajú/zatvárajú ventil na paru, čím sa dosiahla konštantná rýchlosť parného stroja. Regulátory v dnešných elektrárňach sú počítače, na ktorých bežia zložité algoritmy, ktoré okrem rýchlej reakcie musia zabrániť rôznym nežiadúcim javom ako je rozkmitanie celej sústavy alebo privedenie sústavy do blízkosti rôznych medzných polôh.

Lenže keď sa prenosovou sústavou pospája viacero elektrární, síce si na jednej strane navzájom pomáhajú zvládnuť premenlivú záťaž, ale na druhej strane ich jednotlivé regulátory začnú navzájom interagovať zložitými a nie úplne predvídateľnými spôsobmi. V praxi sa toto ukázalo napríklad v 90tych rokoch, keď sa do celoeurópskej siete pripojili východoeurópske krajiny, začali byť občas pozorované „celosieťové“ oscilácie. Najvýraznejšou je západo-východná oscilácia, ktorá má uzol uprostred Francúzska, jednu kmitňu v Španielsku a druhú v oblasti Slovenska/Maďarska. Frekvencia oscilácií tohoto javu je asi 0.2Hz, t.j. v kmitniach asi 2.5 sekundy napätie stúpa, a potom asi 2.5s klesá. Je zaujímavé, že keď sa okolo 2010 k európskej sústave pripojilo Turecko, aj naďalej zostali ako najbežnejšie a najvýraznejšie tieto 0.2Hz oscilácie, pričom sa zachovali doterajšie kmitne aj uzol, len pribudol ďalší uzol na Balkáne a tretia kmitňa práve v Turecku. Tieto oscilácie sa dajú do niekoľkých minút potlačiť rekonfiguráciou siete a „preladením“ regulátorov jednotlivých elektrární. Častokrát - ale nie vždy - oscilácie vznikajú pri skokových zmenách typu náhle odpojenie veľkej časti siete alebo veľkého generátora. Presný mechanizmus vzniku a zániku oscilácií nie je do detailov známy, a aj keď sa v tomto smere robí veľa výpočtov a simulácií, z pochopiteľných dôvodov ich nie je možné potvrdzovať experimentálne.

Tým netechnickým čitateľom, ktorí vydržali čítať až sem, klobúk dole. Sľubujem, že v ďalšej časti už nebude žiadna teória, len čistá prax.