Волны летней жары по всей стране проверяли, сможет ли стареющая электрическая сеть Америки удовлетворять спрос — проблема, по мнению ученых, будет усугубляться изменением климата, поскольку сильные ураганы, лесные пожары и другие погодные явления происходят все чаще, нарушая производство и передачу электроэнергии.
Удовлетворение растущих потребностей американских потребителей в электроэнергии требует увеличения мощности производства и передачи, повышения отказоустойчивости и более разумного управления.
Отдел новостей DU спросил Амина Ходаи, директора KLab и профессора электротехники и вычислительной техники в Школе инженерии и компьютерных наук Ричи Денверского университета, как новые технологии, интеллектуальные сети и активные потребители могут подготовить сеть к изменению климата .
Какие проблемы изменение климата ставит перед нашей нынешней электросетью?
Безопасность, отдых, работа, а теперь больше, чем когда-либо, образование в значительной степени зависят от энергосистемы, которая может поставлять и обеспечивать электричеством без перебоев. Однако экстремальные погодные явления и стихийные бедствия , вызванные изменением климата , нарушают работу сети и создают множество проблем для ее работы.
Электроэнергетическая сеть традиционно разрабатывалась с учетом двух целей: надежности и экономичности. Надежность представляет собой способность сети продолжать подачу электроэнергии .и доставка в случае ограниченных простоев оборудования, например, если одна или две линии передачи не работают. Экономическая цель сети заключается в выборе самой дешевой комбинации генерации для производства электроэнергии с учетом физических и технических ограничений сети и различных генерирующих единиц. За последнее столетие электроэнергетическим компаниям удалось по большей части добиться успеха в достижении этих двух целей. Однако растущая частота и интенсивность стихийных бедствий, вызванных изменением климата, требуют рассмотрения еще одной не менее важной цели: устойчивости. Устойчивость определяется как способность энергосистемы и ее компонентов противостоять разрушительным событиям и адаптироваться к ним, а также быстро восстанавливаться после них. Достижение устойчивости обходится дорого, а растущее число бедствий только усугубляет ситуацию.
Как можно адаптировать или модернизировать существующую сеть, чтобы обеспечить устойчивое и надежное электроснабжение?
Есть три фактора, определяющие будущие потребности и вызовы сети. Первые два — это изменение климата и изменение ландшафта энергоснабжения, о которых я говорил. Третье — вокруг потребителей. То, как потребители используют электроэнергию, меняется. Растет потребность в более качественном питании для цифровых устройств потребителей. Потребители также устанавливают все больше и больше локальных генераторов, в том числе солнечные панели на крышах и системы накопления энергии в жилых помещениях, что впервые в истории обеспечивает двусторонний поток электроэнергии от потребителей к вышестоящей сети. Растущее использование электромобилей является еще одним важным изменением, которое потенциально может удвоить пиковый спрос бытового потребителя, что потребует модернизации сети.
Сеть требуется для расширения своих возможностей на трех уровнях физического, кибернетического и принятия решений для решения этих проблем. Физический уровень нуждается в новых технологиях, таких как устройства мониторинга в реальном времени и микросети, чтобы обеспечить локальный интеллект для лучшего управления распределенными ресурсами. Киберуровню требуются обновленные средства связи и меры кибербезопасности для работы с цифровыми сетями. А уровень принятия решений нуждается в серьезной переработке, чтобы использовать самые современные технологии, такие как искусственный интеллект и передовые вычисления.
Как нужно изменить энергосистему, чтобы ввести в сеть новые возобновляемые и надежные источники энергии?
На производство электроэнергии приходится 25% выбросов парниковых газов , сразу после транспортного сектора — 27%. Помимо обширных негативных последствий для общества, эти выбросы усугубляют изменение климата, которое еще больше нарушит работу сети. Жизненно важно сократить эти выбросы, что должно быть сделано за счет использования чистых возобновляемых источников энергии, таких как ветер и солнечная энергия.
Хотя эти ресурсы являются чистыми, возобновляемыми и становятся все более рентабельными, они создают несколько технических проблем для сети. Первая проблема — это прерывистость и нестабильность генерации, а это означает, что они не могут производить электроэнергию постоянно, а производство электроэнергии может значительно колебаться в течение нескольких секунд. Сеть должна быть модернизирована, чтобы справиться с такими колебаниями, путем установки блоков быстрого реагирования, в основном работающих на газе, или накопителей энергии, что является дорогостоящим. Вторая проблема — отсутствие инерции. Традиционные тепловые генераторы полагаются на электромеханическое преобразование энергии посредством вращающихся элементов, предлагая механическую инерцию, которую можно предложить для преодоления небольших изменений нагрузки. Это необходимо для стабильной работы сетки. Энергетические ресурсы ветра и солнца не обладают инерцией, следовательно, не может поддерживать стабильность сети. Последние достижения в области силовой электроники, т.е.Силовая электроника , используемая для соединения ветровой и солнечной генерации с энергосистемой, обеспечивает эффективное решение этой проблемы.
Нужно ли менять поведение потребителей вместе с сетью?
Поведение потребителей на самом деле меняется, превращая потребителей из традиционно пассивных игроков в сеть в более активных игроков, которые могут реагировать на условия сети. Если сбой в сети нарушит подачу электроэнергии, будущий потребитель автоматически переключится на собственную генерацию, чтобы локально устранить это отключение. Если отключения не будет, будущий потребитель будет продавать электроэнергию обратно в сеть и получать оплату за свой вклад в поставку в сеть.
Однако активный потребитель может играть гораздо более важную роль в работе сети. Активные потребители могут решить многие из технических проблем сети, например колебания возобновляемой генерации, необходимость повышения отказоустойчивости и даже восстановления системы после аварий. Чтобы существенно упростить это, подумайте о том, что Uber сделал для транспорта. Так же, как Uber предоставил жизнеспособный и дополнительный вариант транспорта, активные потребители могут предоставлять множество устойчивых услуг для более надежной, отказоустойчивой, эффективной и чистой энергосистемы.
