Aşağıda fotoğrafını göreceğiniz sıradışı makine, elektriğin buluşunun ilk yıllarından kalan büyüleyici bir yadigârdan başka bir şey değilmiş gibi görünüyor olabilir; ancak 1920 tarihli GE Review’da kendisinden “mekanik güç üretmeyecek şekilde tasarlanmış dev bir motor” olarak bahsediliyor. Yine de, “senkron kondansatörü” olarak bilinen bu cihaz, bugünün elektrik şebekelerinden sorumlu mühendislerin keşfettiği gibi, bir buhar çağı ürününden çok daha fazlası.
GE, ilk senkron kondansatörünü bir asır önce üretti. GE’nin, tam yüz yıl önce Kanada’daki Ontario Hydro’ya inşa ettiği ilk büyük şanzıman şebeke kondansatörü, bir odayı dolduracak kadar büyüktü. Niagara Şelaleleri’nin ürettiği elektrik gücünün uzak şehirlerdeki müşterilere taşınmasına yardımcı oluyordu. Bugün ise GE, enerji karışımlarını değiştiren ve güneş-rüzgâr enerjisini kullanan kuruluşlara bu teknolojiyi sağlayarak alanında hâlâ lider konumunda.
İlk cihaz tam bir başarıydı. Alternatif akımın sorunsuz bir şekilde akmasını sağlamak için şebekeye doğru miktarda “reaktif güç” enjekte ederek çalışıyordu. Reaktif gücü hiç duymadınız mı? Memnuniyetle açıklayalım: Reaktif güç, şebekenin stabilitesinin korunmasında oynadığı kritik, fakat sıklıkla gözlerden kaçan rolü nedeniyle bazen “hayalet güç” olarak da adlandırılır. Gerilimi ve akımı senkronize tutarak dalgalanmaların ve kopmaların önlenmesine yardımcı olur; böylece kamu kuruluşlarının uzak yerlerden enerji aktarımı yapmasına olanak tanır. 1920 tarihli bir yazıda, senkron kondansatörden “yüksek potansiyelli uzun mesafe iletim hatlarındaki voltajı kontrol etmenin mutlak bir yolu” olarak bahsedilir.
Yüz yıl sonra, bugünün elektrik şebekelerini yöneten mühendisler, kendilerini garip bir şekilde benzer sorunlarla karşı karşıya buldu.
1920 ve 2020’deki elektrik şebekelerini karşılaştırdığınızda çok ortak noktaları olduğunu görebilirsiniz. Günümüzün güneş ve rüzgâr çiftlikleri, hidroelektrik santrallerinin karşılaştığı benzer bir ikilemle karşı karşıya: Enerji üretimi için kullanılan yenilenebilir enerjinin fazlası, üretilen güç müşterilere taşınmak istendiğinde zaman zaman bir engel olabiliyor. Genişleyen bir şebekeye ne kadar fazla kullanıcı ve üretici bağlanırsa, şebekenin akımı ve voltajı genellikle fazdan çıkarılır. Bu büyük bir problem.
Alternatif akımının, ki bu evlerimizdeki prizlerde olan akım türüdür, sıfır civarında salındığını ve belirli aralıklarla yönünü tersine çevirdiğini eski bilgilerinizden hatırlayabilirsiniz. Sonuç olarak, voltaj ve akım tamamen faz dışındaysa ve birbirini iptal ederse, alternatif akım şebekelerinin gücüyle yapılan iş sıfıra düşebilir; senkron mükemmele ne kadar yakın olursa, güç de o kadar verimli akar. Senkron kondansatörlerin görevi de gerektiğinde şebekeye reaktif güç enjekte ederek şebekenin fazda kalmasını sağlamaktır.
Sorunun günümüzdeki versiyonu ise kritik bir önem taşıyor; sebebi ise üretilen enerjiyi kullanacak olan yüksek nüfuslu merkezlerden uzak bölgelerde, planlanan devasa yenilenebilir enerji projelerinin sayısının artması. Kuzey Denizi ve Wyoming gibi yerlerde bulunan rekortmen rüzgâr çiftlikleri, enerjilerini büyük şehirlere ulaştırmak için etkili yollara ihtiyaç duyuyorlar. Bunun ötesinde, güneş ve rüzgâr çiftliklerinin enerji üretmek için kullandığı yöntem, geleneksel büyük enerji santrallerinden daha farklı. Çünkü, güneş ve rüzgâr çiftlikleri, önemli bir şebeke gücü ve stabilite sağlamaz.
Konuyu şöyle somutlaştırabiliriz: Geleneksel elektrik santralini büyük bir yük treni, güneş ve rüzgâr çiftlikleri de birden fazla yarış arabası olarak düşünün. Yük treninin karşısına, büyük bir hayvan gibi bir “engel” çıkarsa, tren hızında neredeyse hiçbir değişiklik yapmadan raylarda seyretmeye devam eder. Ancak benzer bir “engel” yarış arabalarının önüne çıktığında büyük zincirleme bir kaza olur ve yarış arabaları bundan büyük ölçüde etkilenir. Bu, iletim şebekesindeki “engelin” bir benzeri. Birden fazla yenilenebilir enerji üretimine sahip bir şebekeye senkron kondansatörler ekleyerek böylesi bir “engelle” karşılaşıldığında şebekenin kararlı bir şekilde çalışmaya devam etmesine izin veren güç ve stabilite sağlanabilir. Tüm bu gigavat’lar gezegenin etrafında sıkıştıkça, iletim şebekesinde istikrarı artırabilecek bir teknoloji her zamankinden daha değerli hâle geliyor.
Araştırmacılar, geçtiğimiz haftalarda yayınlanan bir Elektrik Mühendisliği Dergisi makalesinde, senkron kondansatörlerin şebekedeki konumunun, etkinlikleri üzerinde önemli bir etkiye sahip olduğunu yazdı. Modeller; mevcut şebekenin ucuna yeni bir rüzgar çiftliği ve bir kondansatör kombinasyonu eklemenin, şebeke stabilitesini önemli ölçüde artırdığını gösteriyor.
Senkron kondansatörün modern versiyonu, öncekilere göre, 21. yüzyıla uygun bazı iyileştirmeler de sunuyor. Makinenin 1920 sürümü reostatlara ve diğer analog kontrol sistemlerine dayanırken, günümüzün kondansatörü reaktif gücü anında göndermek için dijital kontrolleri kullanıyor.
Bir ağaç dalı ana güç hattına düştüğünde — ya da ana şebekede bir arızaya neden olan başka bir olay gerçekleştiğinde — voltaj geçici olarak düşer ve bu da tüm şebekenin çökmesine sebep olabilir. Tabii eğer bir kondansatör gerilimi geri kazanmak için büyük ve hızlı bir reaktif güç enjeksiyonu ile devreye girmezse…
Üreticiler ve kullanıcılar arasındaki bu uzun mesafeler de ağın güvenlik açığının artmasına ya da kısa devre gibi aksaklıklara neden olabilir, ki bunlar da modern senkron kondansatörlerin karşı koymada etkin olduğu olduğu diğer problemler.
Peki, elektrik şebekeleri gelişmeye devam ederken, tam yüz yıldır var olan bu teknolojinin şaşırtıcı başka özellikleri gün ışığına çıkmaya devam edebilir mi? Elektrik Mühendisliği Dergisi makalesinin yazarları bu konuda da iyimserlikten yana: “Senkron kondansatör, eski bir teknoloji olmasına rağmen gelecekteki çalışmalar için ilginç bir konu olmaya devam edecek.”