Hogyan működik a villamosenergia-hálózat

Publikálva 2015. február 17

villamosenergia-hálózat

Az elektromos hálózat egy összetett és hihetetlenül fontos rendszer, és a modern kor egyik legimpozánsabb mérnöki teljesítménye. Különböző létesítményekben termelt energiát továbbítja és elosztja a végfelhasználók számára, gyakran nagy távolságokon. Villamos energiát biztosít az épületek, ipari létesítmények, iskolák és otthonok számára. És ezt teszi minden nap minden percében, egész évben.

Mi alkotja az elektromos hálózatot?

Nemzetünk villamosenergia-hálózata négy fő összetevőből áll, amelyek mindegyikét az alábbiakban részletezzük.

Egyéni generátorok

Számos létesítmény termel villamos energiát, beleértve a szén- és földgázüzemeket, a vízerőművek gátjait, az atomerőműveket, a szélturbinákat és a napelemeket. Ezen villamosenergia-termelők elhelyezkedése - és a végfelhasználóktól való távolságuk - nagyon eltérő.

Ezek a technológiák fizikailag is különböznek egymástól, és ennek következtében az elektromos hálózaton másképp használják és manipulálják őket. Például bizonyos típusú erőművek, mint például a szén- és atomerőművek, rövid távú rugalmassággal rendelkeznek villamosenergia-termelésük beállításában; hosszú időbe telik a villamosenergia-kibocsátásuk felfelé vagy lefelé növelése [1].

Más üzemeket, például a földgáztüzelésű erőműveket nagyon gyorsan fel lehet fejleszteni, és gyakran használják a kereslet csúcsainak kielégítésére. A változóbb technológiákat, például a szél- és napelemeket általában használják, amikor csak elérhetőek, főleg azért, mert üzemanyaguk - a napfény és a szél - szabad.

Egy adott időpontban mindig van egy „tartalék tartalék”, egy meghatározott mennyiségű tartalék villamosenergia-termelő kapacitás, amely rendelkezésre áll az előrejelzési hibák vagy az erőmű váratlan leállításainak kompenzálására. A villamosenergia-keresletet, -ellátást, a tartalékkulcsokat és a villamosenergia-termelő technológiák keverékét a hálózatüzemeltetők folyamatosan figyelemmel kísérik és kezelik, hogy minden zökkenőmentesen működjön.

A villamosenergia-termelők villamos társaságok vagy közművek tulajdonában vannak, amelyeket viszont az állami közüzemi bizottság (PUC) vagy a közszolgáltatási bizottság (PSC) szabályoz. A PUC-k és a PSC-k az állami törvényhozás által kinevezett független szabályozó ügynökségek. A generátorokat csak a PUC vagy a PSC jóváhagyásával lehet megépíteni, és ezek az ügynökségek megfelelő villamosenergia-díjakat állapítanak meg államukban, amelyet a közműveknek be kell tartaniuk [2].

Távvezetékek

Az átviteli vezetékek szükségesek a nagyfeszültségű villamos energia nagy távolságok átviteléhez, és az áramtermelőknek az áramfogyasztókkal való összekapcsolásához.

A távvezetékek felsővezetékek vagy földalatti vezetékek. A felsővezetékek nincsenek szigeteltek és az időjárásnak vannak kitéve, de beszerelése olcsóbb lehet, mint a földalatti tápkábelek. A felső és a föld alatti távvezetékek alumíniumötvözetből készülnek és acélral vannak megerősítve; a földalatti vezetékek jellemzően szigeteltek [3].

A távvezetékek magas feszültséget hordoznak, mert csökkentik a szállítás során elvesző villamos energia részét - az Egyesült Államokban átlagosan körülbelül 6% -ot [4]. Amint a villamos energia a vezetéken keresztül áramlik, egy része hőként elvezet az ellenállásnak nevezett folyamaton keresztül. Minél nagyobb a feszültség egy távvezetéken, annál kevesebb áramot veszít. (Az elektromos áram nagy része a távvezeték felületéhez közel áramlik; vastagabb vezetékek használata minimális hatással lenne az átviteli veszteségekre.)

Az átviteli szintű feszültség általában 110 000 V vagy 110 kV vagy annál magasabb, és néhány távvezeték 765 kV magas feszültséget is képes szállítani [5]. Az áramfejlesztők azonban alacsony feszültség mellett termelnek áramot. A nagyfeszültségű villamos energia szállításának lehetővé tétele érdekében a villamos energiát először transzformátorral kell nagyobb feszültséggé alakítani.

Ezek a magas feszültségek is lényegesen nagyobbak, mint amire szüksége van otthonában, így amint az áram közel kerül a végfelhasználókhoz, egy másik transzformátor alacsonyabb feszültséggé alakítja vissza, mielőtt belépne az elosztó hálózatba.

A távvezetékek erősen összekapcsoltak a redundancia és az áramellátás fokozott megbízhatósága miatt, amint azt az amerikai távvezetékek ezen térképe is mutatja. Három fő átviteli hálózat van az Egyesült Államokban: a nyugati összekapcsolás, a keleti összekapcsolás és a texasi elektromos megbízhatósági tanács (ERCOT).

A villamosenergia-termelőkhöz hasonlóan a távvezetékeket az államnak (PUC vagy PSC) jóvá kell hagynia, mielőtt megépülne. A regionális hálózatüzemeltetők közötti nagykereskedelmi villamosenergia-tranzakciókat azonban a Federal Energy Regulatory Commission (FERC) nevű nemzeti ügynökség szabályozza [6].

A FERC a villamosenergia-hálózatot nagyobb mértékben szabályozza, mint a PUC-k, és megoldhatja a hálózat különböző piaci szereplői közötti vitákat. Az átviteli hálózatokat néha a közművek kezelik, de egyes hálózatokat különálló szervezetek, független rendszerüzemeltetők (ISO) vagy regionális átviteli szervezetek (RTO) néven kezelnek. Ezek a vállalatok megkönnyítik a villamosenergia-szolgáltatók közötti versenyt és hozzáférést biztosítanak az átvitelhez a távvezetékek használatának ütemezésével és figyelemmel kísérésével.

terjesztés

Az elosztó hálózat egyszerűen a vezetékek rendszere, amely ott veszi fel a kapcsolatot, ahol a távvezetékek elhagyják. Ezek a hálózatok a transzformátoroknál kezdődnek, és otthonokkal, iskolákkal és vállalkozásokkal végződnek. Az elosztást állami szinten PUC-k és PSC-k szabályozzák, amelyek minden államban meghatározzák a villamos energia kiskereskedelmi díjait.

Fogyasztói felhasználás vagy „terhelés”

Az átviteli hálózat véget ér, amikor az áram végül eljut a fogyasztóhoz, lehetővé téve a villanykapcsolást, a tévézést vagy a mosogatógép működtetését. Életünk mintázatai órák, napok és évszakok szerint változó villamosenergia-igényt adnak, ezért a hálózat kezelése bonyolult és létfontosságú mindennapi életünkben.

A villamosenergia-hálózat alakulása

A villamosenergia-hálózat az 1880-as évek elejének kezdete óta, amikor az energiarendszerek kicsiek és lokalizáltak voltak, rendkívül megnőtt és megváltozott. Ez idő alatt két különböző típusú villamosenergia-rendszert fejlesztettek ki: az egyenáramú vagy egyenáramú rendszert és az AC vagy váltakozó áramú rendszert [7, 8]. A verseny e két rendszer között kiélezett volt. A versenyben lévő villamosipari vállalatok a városok ugyanazon utcáin húzták a vezetékeket, a vidéki területeken történő elektromos szolgáltatást azonban figyelmen kívül hagyták.

Thomas Edison az egyenáramú rendszer népszerűsítésére irányuló kampánya ellenére George Westinghouse üzletember és feltaláló, Nikola Tesla elnyerte az elektromos vállalatok támogatását a váltakozó áramú rendszer számára, amelynek kifejezett előnye volt, hogy nagy feszültségeket tudott nagy távolságokon átvinni, majd átalakítani alacsonyabb feszültségek az ügyfelek számára [9].

A villamosenergia-rendszer növekedésével az AC előnyei lehetővé tették a közüzemi vállalatok számára, hogy nagyobb területeken építsenek hálózatokat, méretgazdaságosságot teremtve. Az üzleti környezet stabilizálása érdekében a közüzemi vállalkozások „szabályozási kompaktumot” kerestek, amely monopólium státuszt biztosít számukra az állami kormányok részéről, és korlátokat szabnak az ügyfelek számára megállapítandó díjakra. Nagyjából 1920 és 1980 között ez a megközelítés a helyére került. Ebben a struktúrában a közművek a villamosenergia-hálózat minden aspektusát kontrollálták, a termeléstől a vevőig történő elosztásig.

Az 1970-es évek energetikai válságával [10] azonban a kongresszus megváltoztatta ezt a struktúrát, lehetővé téve a nagykereskedelmi versenyt az áramtermelésben; a hatékonyabban áramot termelő vagy megújuló energiát használó létesítmények beléphetnek a piacra, míg az átvitelirendszer-üzemeltetők (ISO-k és RTO-k) monopóliumot tartottak fenn a hálózat irányításában - ezt a változást „szerkezetátalakításnak” nevezik.

Ez arra késztette 17 államot, valamint a Columbia körzetet, hogy átalakítsa a villamosenergia-hálózat kezelését, lehetővé téve az ügyfelek számára, hogy versenyképes kiskereskedelmi szállítóktól vásároljanak villamos energiát [11]. Sok állam azonban továbbra is „vertikálisan strukturált”, vagyis a villamosenergia-hálózat minden szempontját ugyanaz a vállalat kezeli.

A hatékony rácsátvitel fontossága

A villamosenergia-hálózat összekapcsolt és összetett jellege számos előnnyel jár [12], többek között:

  • Megbízhatóság: Mivel a hálózat óriási hálózat, az áram az ország nagy régióiban a megfelelő helyekre telepíthető. A nagy átviteli hálózat lehetővé teszi a hálózatüzemeltetők számára, hogy kezeljék a várható és nem várt veszteségeket, miközben továbbra is kielégítik az áramigényt.
  • Rugalmasság: A villamosenergia-hálózat lehetővé teszi az energiaellátó rendszer számára az erőforrások sokféleségének felhasználását, még akkor is, ha azok messze vannak attól a helytől, ahol az áramra szükség van. Például a szélturbinákat ott kell építeni, ahol a legerősebb a szél; a hálózat lehetővé teszi, hogy ezt az áramot távoli városokba továbbítsák.
  • Gazdasági verseny: Mivel a hálózat lehetővé teszi több generátor és erőmű villamosenergia-ellátását a fogyasztók számára, a különböző termelők versenyeznek egymással azért, hogy a legolcsóbb áron biztosítsák az áramot. A hálózat egyben a biztosítás egyik formája is - a hálózaton folyó verseny megvédi az ügyfeleket az üzemanyagárak ingadozásaitól.

Egy 2003-as történelmi áramkimaradás megmutatta, miért olyan fontos a hatékony hálózatátvitel. 2003. augusztus 14-én egy ohiói villamosenergia-társaság egyszerűen emberi tévedés miatt elindította az emberiség történelmének legnagyobb áramszünetét [13]. Az áramszünet New York, Pennsylvania, Connecticut, Massachusetts, New Jersey, Michigan, sőt Kanada egyes részein terjedt el. Az irodákat ki kellett üríteni, és emberek ezrei árasztották el a hőségtől szenvedő kórházakat [14]. A villamosenergia-hálózatunk 2003 óta hosszú utat tett meg, de sokkal több lehetőség áll rendelkezésre a fejlesztésre.

Új lehetőségek a rácson

Az elektromos hálózat dinamikus rendszer. Az elmúlt évszázadban gyorsan változott és fejlődött, hogy alkalmazkodjon az új technológiákhoz, növekszik az áramigény és növekszik a megbízható, változatos villamosenergia-források iránti igény. Óránkénti bontásban is változik a hálózat, különböző áramforrásokkal manipulálják a kereslet legkisebb költséggel történő kielégítését.

Amint elérhetővé válnak a technológiai változások és a jobb lehetőségek, jelentős javítások történhetnek az elektromos hálózaton.

Például az energiatárolási technológiák lehetővé tehetik a villamos energia tárolását felhasználás céljából, amikor a villamos energia iránti kereslet csúcsra emelkedik vagy gyorsan növekszik, növelve a hatékonyságot és a megbízhatóságot. Az újabb, fejlettebb mérők, például az önprogramozó termosztátok jobb adatgyűjtést tesznek lehetővé a hatékonyabb kezelés és a gyorsabb válaszidő érdekében. Még a járművek is szerepet játszhatnak, mivel az intelligens töltés lehetővé teszi az elektromos autók számára az elektromos hálózathoz való kapcsolódást.

Az elosztott termelési rendszerek, például az egyes lakások napelemei, csökkentik az elektromosság által megtett távolságot, ezáltal növelve a hatékonyságot és pénzt megtakarítva. A fogyasztók által végrehajtott beruházások - például energiatakarékos készülékek vásárlása, energiatakarékosabb épületek építése vagy napelemek telepítése - ugyanakkor pénzt takarítanak meg az ügyfeleknek és hatékonyabban használják fel az energiát.