14.6: Проблеми електромереж та сталого розвитку
- Page ID
- 30170
За останні півтора століття електроенергія виникла як популярний і універсальний енергоносій. Сьогодні електроенергія використовується не тільки для її різноманітних цілей, таких як освітлення, рух, охолодження, зв'язок та обчислення, а й як основний носій енергії. Електроенергія є однією з двох магістралей сучасної енергетичної системи (рідке транспортне паливо - інше), що несе енергію високої щільності на короткі та великі відстані для різноманітного використання. У 2009 році електроенергія споживала найбільшу частку первинної енергії Сполучених Штатів, 38 відсотків, а транспортування близько секунди - 37 відсотків. Ці два сектори також становили найбільшу частку викидів вуглецю в США, 38 відсотків для електроенергії та 33 відсотки для транспорту.
На сьогоднішній день більшість електроенергії виробляється спалюванням викопного палива для перетворення парових або газових турбін. Це найменш ефективний крок в енергетичному ланцюзі, перетворюючи лише 36 відсотків хімічної енергії в паливі в електричну енергію, якщо усереднити над теперішньою сумішшю генерації газу та вугілля. Він також виробляє всі викиди вуглецю електричного ланцюга. Крім виробництва, електроенергія є надзвичайно чистим та ефективним носієм. Перетворення з обертального руху турбіни та генератора в електрику, подача електроенергії через електромережу та перетворення в рух в двигуни для використання в промисловості, транспорті та холодильній техніці може бути більш ніж на 90 відсотків ефективними. Жоден з цих кроків не виробляє викидів парникових газів. Саме пост-виробнича універсальність, чистота та ефективність електроенергії роблять її основним енергоносієм на майбутнє. Виробництво електроенергії, засноване на відносно великій кількості вітчизняного вугілля та газу, не викликає негайних проблем із безпекою палива. Поява електромобілів обіцяє збільшити попит на електроенергію та зменшити залежність від іноземної нафти, тоді як зростання відновлюваної енергії вітру та сонячної генерації зменшує викиди вуглецю. Першочергові проблеми сталого розвитку електроенергії як енергоносія знаходяться на етапі виробництва: ефективність та викиди вуглекислого газу та токсинів.
Електромережа: потужність та надійність
Окрім виробництва, електроенергія стикається з проблемами потужності, надійності та впровадження зберігання та передачі, необхідних для врахування віддаленості та мінливості відновлюваних джерел енергії. Найбільші проблеми з пропускною спроможністю виникають у міських районах, де проживає 79 відсотків Сполучених Штатів та 50 відсотків світового населення. Висока щільність населення міських територій вимагає відповідно високої щільності енергії та електроенергії. У Сполучених Штатах 33 відсотки електроенергії використовується в 22 найкращих районах метро, а попит на електроенергію, за прогнозами, зросте на 31 відсоток до 2035 року. Це створює «вузьке місце міської влади», де підземні кабелі насичуються, перешкоджаючи економічному зростанню та ефективності масштабу транспорту, використання енергії та викидів парникових газів, що мають високу щільність населення. Насичення існуючої кабельної інфраструктури вимагає встановлення значної нової потужності, дорогої пропозиції для риття нових підземних кабельних тунелів.
Надійність електромережі представляє другий виклик. Мережа Сполучених Штатів постійно зростала від витоків на початку 20 століття; значна частина її інфраструктури базується на технології та філософії дизайну, починаючи з 1950-х та 1960-х років, коли основною проблемою було поширення електрифікації на нові сільські та міські райони. За межами міських районів сітка знаходиться переважно над землею, піддаючи її впливу погодних та температурних перепадів, які спричиняють більшість перебоїв у електроенергії. Реакція на відключення є надзвичайно повільною і традиційною - комунальні послуги часто спочатку сповіщають про відключення через телефонні скарги клієнтів, і відповідь вимагає відправки екіпажів для виявлення та усунення пошкоджень, так само, як ми це робили 50 років тому. Надійність мережі Сполучених Штатів значно нижча, ніж для нових мереж Європи та Японії, де типовий клієнт відчуває в десять - 20 разів менше часу відключення, ніж у США. Надійність особливо важлива в цифрову епоху, коли переривання навіть частки циклу може вимкнути цифровий центр обробки даних або виробничу лінію, що вимагає годин або днів для перезапуску.
Питання надійності можуть бути вирішені шляхом впровадження інтелектуальної мережі з двостороннім зв'язком між комунальними компаніями та клієнтами, яка постійно контролює подачу електроенергії, робочий стан системи доставки та реалізує заходи реагування на попит, регулюючи потужність, що подається окремим особам клієнтів відповідно до раніше встановленого унікального клієнтського протоколу. Така система вимагає встановлення цифрових датчиків, які відстежують потоки електроенергії в системі доставки, цифрові технології прийняття рішень та управління та можливості цифрового зв'язку, як це вже стандартне для зв'язку через Інтернет. Для клієнтів, які мають можливість сонячної генерації на місці, розумна сітка контролюватиме та контролюватиме продаж надлишкової енергії від замовника до комунального підприємства.
Інтеграція відновлюваної електроенергії в мережу
Однією з найбільш нагальних проблем, що стоять перед мережею, є одним з найбільш актуальних проблем, що стоять перед мережею. Лідерство у просуванні відновлюваної електроенергії перейшло від федеральних до урядів штатів, багато з яких законодавчо закріпили стандарти портфеля відновлюваних джерел (RPS), які вимагають, щоб 20 відсотків державного виробництва електроенергії були відновлюваними до 2020 року. 30 штатів та округ Колумбія мають такі вимоги, найбільш агресивними є Каліфорнія з 33 відсотками відновлюваної електроенергії, необхідної до 2020 року, і Нью-Йорк з 30 відсотками до 2015 року. Щоб поставити цю юридичну вимогу в перспективі, вітер та сонячна енергія зараз становлять близько 1,6 відсотка виробництва електроенергії в США; приблизно в десять разів менше вимог RPS. (Крабтрі та Місвіч, 2010).
Відновлювана мінливість
Мережа стикається з основними проблемами для задоволення мінливості вітрової та сонячної електроенергії. Без значної ємності зберігання, сітка повинна точно збалансувати генерацію до попиту в режимі реального часу. В даний час мінливість попиту контролює процес балансування: попит змінюється на стільки ж, скільки два рази від ночі до дня, коли люди проходять свої щоденні процедури. Ця передбачувана мінливість забезпечується перемиканням джерел генерації резервів у відповідь на зміни попиту. З відновлюваною генерацією варіація може становити до 70 відсотків для сонячної електроенергії через прохідні хмари і 100 відсотків для вітру через спокійні дні, набагато більше, ніж мінливість попиту. На нинішньому рівні 1.6 відсотка проникнення вітру та сонячної енергії відносно невелика варіація генерації може бути прийнята шляхом перемикання та виходу звичайних ресурсів, щоб компенсувати коливання вітру та сонця. При 20-відсотковому проникненні, необхідному державними стандартами відновлюваного портфеля, розміщення варіацій генерації вимагає значного збільшення звичайних резервних потужностей. При високих рівнях проникнення кожне додавання вітрової або сонячної потужності вимагає майже рівного додавання звичайних потужностей для забезпечення генерації, коли відновлювані джерела енергії спокійні. Ця подвійна установка для забезпечення надійності збільшує вартість відновлюваної електроенергії та знижує її ефективність у зниженні викидів парникових газів.
Основним ускладненням відновлюваної варіації є її непередбачуваність. На відміну від мінливості попиту, яка надійно висока вдень і низька вночі, відновлювана генерація залежить від погоди і не дотримується жодної закономірності. Передбачення мінливості вітрової та сонячної генерації вимагає більш складних прогнозів з більшою точністю та більшим рівнем впевненості, ніж зараз доступні. Оскільки сьогоднішні прогнози часто пропускають фактичну мету ефективності, додаткові умовні резерви повинні бути готові покрити ризик неточностей, додаючи ще одне збільшення вартості відновлюваної електроенергії. Зберігання відновлюваної електроенергії пропонує життєздатний шлях до вирішення проблеми змінної генерації.
Як передавати електрику на великі відстані
Останнім викликом для розміщення відновлюваних джерел енергії є передача на великі відстані. Хоча доставка на великі відстані можлива там, де розташовані спеціальні високовольтні лінії електропередачі, пропускна здатність і кількість таких ліній обмежена. Ситуація дуже схожа на автомобільний транспорт до того, як система міждержавних автомобільних доріг була побудована в 1950-х роках. Можна було проїхати узбережжя до узбережжя, але час їзди було довгим і невизначено, а маршрут непрямим. Щоб ефективно використовувати відновлювані джерела електроенергії, ми повинні створити своєрідну міждержавну систему автомобільних доріг для електроенергії.