Новые идеи в построении энергетических сетей

В предлагаемой вашему вниманию статье идет речь о перспективах преобразования единой энергетической системы в Соединенных штатах Америки. Но, полагаю, основная идея рассматриваемого в статье подхода актуальна и для России, где Единая Энергетическая Система так же, если не более, громоздка и затратна. По данным из Википедии «ЕЭС России охватывает практически всю обжитую территорию страны и является крупнейшим в мире централизованно управляемым энергообъединением.» Одни только потери при передаче измеряются миллионами киловатт :

«среднегодовые потери на ЛЭП напряжением 500 кВ составляют около 12 кВт/км, при напряжении 750 кВ — 37 кВт/км, при 1150 кВ — 80 кВт/км. Потери также резко возрастают при осадках, особенно изморози, и могут достигать 1200 кВт/км.»

Так что читайте статью и делайте выводы.

Источник: https://medium.com/@luey02/democratizing-energy-generation-75fca3ec1288, 13 июля.

Во второй половине 20-го столетия персональные компьютеры произвели революцию в распространении информации, кардинально повысили производительность и усилили коллективный разум. Никто, даже Алан Тьюринг, один из основоположников компьютерной техники, не мог ожидать, что простые нули и единички окажут такое воздействие на общество.

В наши дни, спустя столетие после расцвета промышленной революции, нам предоставляется еще одна возможность. На этот раз возрастающая потребность в обеспечении глобальной энергетической безопасности и сохранении окружающей среды будет оказывать огромное социо-экономическое воздействие на новые технологические инновации. Пока что получены только некоторые улучшения. Перспектива масштабного использования ветровой и солнечной энергии ограничивается фундаментальной проблемой их непостоянства. Сможет ли следующая волна инноваций действительно обеспечить кардинальные изменения в энергетике, как это сделали компьютеры в сфере информатизации, производительности и обмена информацией?

Давайте рассмотрим существующую энергетическую инфраструктуру. Энергосеть США была создана в начале 1900-х годов. Американская академия машиностроения (American Academy of Engineering) называет ее самым значительным достижением инженерной мысли 20-го столетия. Она породила процесс индустриализации, который позволил повысить эффективность в то время, когда энергия вырабатывалась вне границ городов и густонаселенных районов. К настоящему времени электросеть США представляет собой самое большое устройство  на планете, включающее 9200 электростанций общей мощностью более миллиона мегаватт, и 300 000 миль линий электропередачи. По оценке Эдисоновского электро-института (Edison Electric Institute) ее стоимость составляет 876 миллиардов долларов. Впечатляет тот факт, что по данным Департамента энергетики, несмотря на свой возраст, электросеть страны имеет надежность в 99,97%.

Для достижения такого уровня надежности требуется иметь резервы, которые должны быть доступны по первому требованию. Электростанции, используемые для балансировки нагрузки и в период пиковых нагрузок, — это два типа резервных мощностей, которые используются в те периоды, когда основные производители энергии по каким-либо причинам отключаются или не способны соответствовать требованиям по нагрузке. В любой отдельный момент времени задействовано вдвое больше резервных мощностей, чем используется. Это означает не только то, что резервные мощности простаивают большую часть времени, но еще и инфраструктура передачи и распределения энергии должна создаваться в расчете на обработку полной мощности, независимо от реального использования.

Чтобы окупить затраты, коммунальные компании взимают плату с больших промышленных налогоплательщиков из расчета для пиковых мощностей, даже если такие мощности не потребляются. Такой подход, который используется в централизованной системе энергоснабжения, вызван необходимостью сохранить преемственность и предотвратить нарушение питания. Связанные с этим расходы, которые несут конечные потребители, и которые включают в себя как фиксированную часть (избыточная пропускная способность электросетей), так и переменные затраты (мощности для балансировки и на случай пиковых нагрузок), обусловлены необходимостью обеспечения потребителей энергией в течение тех периодов (всего 0,3% от общего времени), когда сеть недоступна (и это даже не предотвращает простои, связанные с непогодой!).

Из-за 2,6 часов простоев в год, в основном связанных с погодой, согласно данным Министерства энергетики, экономика США теряет $ 70- $ 200 миллиардов. И по некоторым оценкам затраты, связанные с необходимостью поддержки статус-кво, в следующие два десятилетия равны примерно 14 триллионам долларов.

Ремонт существующих электросетей подобен попыткам продлить жизнь 10-летнего автомобиля, который ломается каждый раз, как портится погода. Хуже того, это становится вопросом политики. В силу астрономической стоимости поддержания работоспособности электросетей остро встает вопрос «А кто должен платить за это?».

Одним из факторов, которые необходимо учитывать при обсуждении государственной политики в области энергетики, является развитие солнечной и ветровой энергии. Сейчас предприятиям, обеспечивающим работу энергетических сетей, придется делать значительные инвестиции для модернизации сети, а их доходы от текущей модели возмещения расходов сокращаются в связи с все более широким распространением бытовых фотоэлектрических установок (ФЭУ). Проблема в том, что более половины поставок электроэнергии осуществляется по фиксированной стоимости и только малая часть возмещается за счет изменения цен, возможно 10%. 

Еще один момент связан с неравномерным распределением солнечной и ветровой энергии. Например, на штаты солнечного пояса приходится 85% от суммарной солнечной радиации. То же самое относится к штатам, относящимся к ветровому поясу (Северная и Южная Дакота, Техас, Канзас, Монтана, Оклахома, Колорадо, Нью-Мексико) на которые приходится 93% общей ветровой мощности. В то же время основные потребители энергии находятся в Калифорнии и на северо-востоке. И, поскольку операторы электросетей и поставщики энергии тоже разделены географически, трудно определить, кто должен финансировать расходы на передачу и доставку энергии, особенно если вспомнить, что каждая миля наземной линии передачи стоит как новая Ferrari.

Но представьте себе другой подход к модернизации нашей энергетической инфраструктуры, который не требует реконструкции тысяч генерирующих объектов и примерно миллиона миль линий передачи. Вместо этого создается энергетическая инфраструктура, основанная на миллиардах локальных, не бросающихся в глаза микро-генераторов, питающих энергией современную экономику. Преимущества такого подхода:

• Не требуется новая инфраструктура.
• Не нужны сети передачи энергии.
• Не нужны средства распределения и доставки энергии пользователям.
• Не нужны промежуточные мощности для хранения энергии.
• Не потерь на передачу
• Не требуется никаких разрешений.
• Не затрат на пиковые мощности

Подобно выгодам, полученным при внедрении персональных компьютеров, эта сеть микро-генераторов даст беспрецедентный уровень эффективности и взаимосвязанности. Сеть взаимосвязанных микро-генераторов способна обеспечить уровень надежности, прямо пропорциональный общему числу подключенных единиц.

Такой подход к обеспечению безопасности энергоснабжения уже частично используется в микро-сетях. Некоторые называют их «умными сетями» (smart grid). Концепция таких сетей состоит в следующем: это отдельная сеть, состоящая из множества источников, генерирующих энергию, включая солнечные панели, ветровые турбины и современные устройства накопления энергии, обслуживающая потребности местных потребителей энергии. Техасский университет в Остине имеет одну из самых больших в мире микро-сетей с пиковой мощностью 62 мегаватта, обслуживающую 150 зданий их кампуса.

Чтобы выпутаться из паутины централизованных сетей энергоснабжения, наша страна может развернуть большое количество установленных у пользователей микро-генераторов, которые могут функционировать независимо от общей электросети. Это позволит достичь надежности за счет разнообразия ресурсов и их размеров и задействовать самые современные меры по повышению энергоэффективности. Преимуществом такого решения является повышение эффективности за счет устранения потерь при передаче из централизованных установок, а также использования для отопления помещений и нагрева воды тепла, которое получается в качестве побочного продукта производства электроэнергии. Локализованные, но  взаимосвязанные микро-генераторы также обеспечат захватывающие возможности использования датчиков для анализа данных, контроля и управления на основе обратной связи, чтобы подача электроэнергии более гибкой и надежной.

Нет более сложной задачи и лучшего, чем сейчас, времени для преобразования нашей энергетической инфраструктуры. Побуждающим мотивом такого изменения энергетической инфраструктуры и перевода ее на микро-генераторную основу является жизненная необходимость совершенствования доступности, гибкости и надежности системы обеспечения нас необходимой энергией. Как сказал доктор Черил Мартин (Dr. Cheryl Martin), директор ARPA-E, “Заглядывая на 50 лет вперед, я надеюсь, что те, кто решится на это [инновации в области энергетики] увидят такой же уровень воздействия [какое произвел интернет].” Я согласен с этим. Построить что-то похожее на интернет в сфере энергетики — это было бы восхитительно!