Суперсеть или суперсеть — это глобальная сеть передачи, как правило , трансконтинентальная или многонациональная, которая предназначена для обеспечения возможности торговли большими объемами электроэнергии на большие расстояния. Иногда ее также называют «мегасеткой». Обычно предлагается использовать в суперсетях постоянный ток высокого напряжения (HVDC) для передачи электроэнергии на большие расстояния. Линии электропередачи HVDC последнего поколения могут передавать энергию с потерями всего 1,6% на 1000 км. [1]
Суперсети могут поддержать глобальный энергетический переход , сглаживая локальные колебания ветровой и солнечной энергии . В этом контексте они рассматриваются как ключевая технология смягчения последствий глобального потепления .
Идея создания линий электропередачи на большие расстояния для использования удаленных возобновляемых источников не нова. В США в 1950-х годах было сделано предложение по поставке гидроэлектроэнергии с плотин, строившихся на северо-западе Тихого океана , потребителям в Южной Калифорнии , но оно было отвергнуто и отвергнуто. В 1961 году президент США Джон Ф. Кеннеди санкционировал крупный проект общественных работ с использованием новой технологии высокого напряжения постоянного тока из Швеции . Проект был реализован в результате тесного сотрудничества между General Electric в США и ASEA в Швеции , и система была введена в эксплуатацию в 1970 году. После нескольких модернизаций преобразовательных подстанций за прошедшие десятилетия мощность системы теперь составляет 3100 МВт. известный как Pacific DC Intertie .
Концепция «суперсети» возникла в 1960-х годах и использовалась для описания возникающего объединения сети Великобритании. [2] В кодексе, который регулирует Британскую энергосистему, Сетевой кодекс, [3] Суперсеть в настоящее время определяется – и так было с момента его первого написания в 1990 году – как относящаяся к тем частям британской системы передачи электроэнергии, которые подключены при напряжении свыше 200 кВ (200 000 вольт). Поэтому проектировщики и оперативный персонал британских энергосистем неизменно говорят о Суперсети в этом контексте; на практике используемое определение охватывает все оборудование, принадлежащее компании National Grid в Англии и Уэльсе, и никакое другое оборудование.
Что изменилось за последние 40 лет, так это масштаб энергии и расстояний, которые можно себе представить в суперсети. Европа начала объединять свои сети в 1950-х годах, и ее крупнейшей объединенной сетью является синхронная сеть континентальной Европы, обслуживающая 24 страны. Ведется серьезная работа по объединению этой синхронной европейской сети (ранее известной как сеть UCTE) с соседней синхронной сетью электропередачи некоторых стран СНГ – сетью IPS/UPS . В случае завершения результирующая массивная сетка будет охватывать 13 часовых поясов, простирающихся от Атлантики до Тихого океана. [4]
Хотя такие сети покрывают большие расстояния, способность передавать большие объемы электроэнергии остается ограниченной из-за перегрузок и проблем с контролем. SuperSmart Grid (Европа) и Unified Smart Grid (США) определяют основные технологические обновления, которые, по утверждению их сторонников, необходимы для обеспечения практической работы и обещанных преимуществ таких трансконтинентальных мегасетей.
В современном использовании термин «суперсеть» имеет два значения: один — это слой надстройки, наложенный или наложенный на существующую региональную сеть или сети передачи, а второй — наличие некоторого набора превосходных способностей, превосходящих возможности даже самых продвинутых сетей.
В значении «наложение» или «надстройка» суперсеть представляет собой эквивалент глобальной синхронной сети на очень большие расстояния , способной осуществлять крупномасштабную передачу возобновляемой электроэнергии. В некоторых концепциях сеть линий электропередачи высокого напряжения постоянного тока образует слой, который четко отделен от системы супермагистралей от системы городских улиц и региональных автомагистралей. В более традиционных концепциях, таких как предлагаемое объединение синхронной европейской сети UCTE и системы IPS/UPS СНГ , такая мегасеть ничем не отличается от типичных глобальных синхронных систем передачи , где электроэнергия проходит по специальному транзитному маршруту непосредственно через местные сети . линии электропередачи или линии высокого напряжения постоянного тока по мере необходимости. [5] Исследования таких систем континентального размера показывают, что существуют проблемы масштабирования из-за сложности сети, перегрузки передачи и необходимости в системах быстрой диагностики, координации и управления. Такие исследования показывают, что пропускная способность должна быть значительно выше, чем у нынешних систем передачи, чтобы способствовать беспрепятственной торговле энергией на расстояниях, не ограниченных государственными, региональными, национальными или даже континентальными границами. [6] На практике возникла необходимость включения функций интеллектуальных сетей , таких как глобальные сенсорные сети (WAMS), даже в региональные сети скромного размера, чтобы предотвратить крупные отключения электроэнергии , такие как отключение электроэнергии на северо-востоке в 2003 году . Динамические взаимодействия между группами производителей электроэнергии становятся все более сложными, а временные помехи, которые каскадом распространяются на соседние коммунальные предприятия, могут быть внезапными, масштабными и сильными, сопровождаясь резкими изменениями в топологии сети, когда операторы пытаются вручную стабилизировать сеть. [7]
Во втором смысле продвинутой сети суперсеть превосходит не только потому, что это обширная мегасеть, но и потому, что она хорошо скоординирована на макроуровне, охватывающем страны и континенты, вплоть до микроуровня. планирование нагрузок с низким приоритетом, таких как водонагреватели и холодильное оборудование. В предложении европейской SuperSmart Grid и концепции Unified Smart Grid в США такие суперсети имеют интеллектуальные функции на глобальном уровне передачи, которые объединяют локальные интеллектуальные сети в единую глобальную суперсеть. Это похоже на то, как Интернет объединил несколько небольших сетей в одну повсеместную сеть.
Широкую зону передачи можно рассматривать как горизонтальное расширение интеллектуальной сети. При смене парадигмы различие между передачей и распределением стирается по мере интеграции, поскольку поток энергии становится двунаправленным. Например, распределительные сети в сельской местности могут генерировать больше энергии, чем потребляют, превращая местную интеллектуальную сеть в виртуальную электростанцию , или городской парк из миллиона электромобилей можно использовать для сокращения пиков поставок электроэнергии путем интеграции их в интеллектуальная сеть с использованием технологии «автомобиль-сеть» .
Одним из преимуществ такой географически рассредоточенной и динамически сбалансированной системы является то, что потребность в выработке базовой нагрузки значительно снижается, поскольку можно сгладить непостоянство некоторых источников, таких как океан , солнечная энергия и ветер . [10] Серия подробных исследований по моделированию, проведенных доктором Грегором Чишем, в которых рассматривалось общеевропейское внедрение возобновляемых источников энергии и объединение энергетических сетей с помощью кабелей HVDC , показывает, что все энергопотребление в Европе может происходить за счет возобновляемых источников энергии, при этом 70% общей энергии будет приходиться на долю возобновляемых источников энергии. от ветра на том же уровне затрат или ниже, что и в настоящее время. [11] [12] [13]
Для некоторых критиков такой широкий уровень передачи не является чем-то новым; они отмечают, что эта технология мало чем отличается от той, которая используется для региональных и национальных сетей электропередачи. Сторонники отвечают, что помимо качественных функций интеллектуальных сетей, которые позволяют мгновенно координировать и балансировать источники прерывистой энергии через международные границы, количественная полнота имеет собственное качество. Утверждается, что суперсети открывают рынки. [14] Точно так же, как автострады произвели революцию в транспорте между штатами, а Интернет произвел революцию в онлайн-торговле, когда были построены комплексные сети с высокой пропускной способностью, утверждается, что необходимо построить суперсеть высокой пропускной способности, чтобы обеспечить столь всеобъемлющую и многофункциональную распределительную сеть. настолько доступная мощность, что торговля энергией ограничивается только тем, сколько электроэнергии предприниматели могут вывести на рынок.
Планы создания суперсетей большой площади обычно предусматривают массовую передачу с использованием линий постоянного тока высокого напряжения . Предложение SuperSmart Grid в Европе основано на HVDC, а в США ключевые лица, принимающие решения, такие как Стивен Чу, отдают предпочтение национальной системе энергосистем постоянного тока на большие расстояния. [15] В отрасли есть сторонники переменного тока высокого напряжения (HVAC). Хотя гибкие системы передачи переменного тока ( FACTS ) имеют недостатки при передаче на большие расстояния, компания American Electric Power выступила за создание суперсети напряжением 765 кВ, которую они называют I-765, которая обеспечит 400 ГВт дополнительной мощности передачи, необходимой для производства 20% энергии США с помощью ветряных электростанций. базируется на Среднем Западе. (См. рисунок выше). [9] Сторонники систем HVAC отмечают, что системы HVDC ориентированы на массовую передачу из точки в точку, и множественные подключения к ним потребуют дорогостоящего сложного оборудования связи и управления, в отличие от простых повышающих трансформаторов , необходимых в случае использования линий переменного тока. В настоящее время существует только одна многоточечная система передачи постоянного тока на большие расстояния. [16] В более отдаленном будущем потери напряжения нынешними методами можно было бы избежать с помощью экспериментальной сверхпроводящей технологии « SuperGrid », где кабель передачи охлаждается трубопроводом с жидким водородом, который также используется для передачи энергии по всей стране. Необходимо учитывать потери энергии на создание, хранение и повторное охлаждение жидкого водорода.
Для координации и управления сетью будут использоваться технологии интеллектуальных сетей , такие как блоки векторных измерений, для быстрого обнаружения дисбалансов в сети, вызванных колебаниями возобновляемых источников энергии, и потенциально мгновенного реагирования с помощью запрограммированных автоматических схем защиты для изменения маршрута, снижения нагрузки или сокращения выработки в ответ на сетевые помехи.
Китай поддерживает идею глобальной межконтинентальной суперсети. [17] Исследование показало, что суперсеть в США позволит сократить выбросы парниковых газов на 80% в сочетании с установкой возобновляемых источников энергии , [18] в настоящее время находится на стадии планирования. [19]
По оценкам одного исследования европейской суперсети, потребуется до 750 ГВт дополнительной мощности передачи – мощность, которая будет обеспечена с шагом в 5 ГВт с помощью линий HVDC. [20] Недавнее предложение компании Transcanada оценило линию HVDC длиной 1600 км и мощностью 3 ГВт в 3 миллиарда долларов США; для этого потребуется коридор шириной 60 метров. [21] В Индии недавнее предложение мощностью 6 ГВт и протяженностью 1850 км было оценено в 790 миллионов долларов и потребовало бы полосы отвода шириной 69 метров. [22] Учитывая, что для европейской суперсети потребуется 750 ГВт новой мощности передачи высокого напряжения постоянного тока, земля и деньги, необходимые для новых линий электропередачи, будут значительными.
В Европе влияние суперсети на энергетическую безопасность обсуждается как способ отчасти предотвратить энергетическую гегемонию России . [23] В США такие сторонники, как Т. Бун Пикенс, продвигали идею создания национальной сети электропередач с целью продвижения энергетической независимости Соединенных Штатов . Эл Гор выступает за унифицированную интеллектуальную энергосистему , которая обладает комплексными возможностями суперсетей. Гор и другие сторонники, такие как Джеймс Э. Хансен, считают, что суперсети необходимы для окончательной полной замены использования ископаемого топлива, производящего парниковые газы , которое способствует глобальному потеплению . [24]
Большие площади земли потребуются для коридоров передачи электроэнергии , используемых новыми линиями электропередачи суперсети. Размещение линий электропередач может вызвать серьезное сопротивление из-за опасений по поводу визуального воздействия, беспокойства по поводу предполагаемых проблем со здоровьем и экологических проблем. В США существует процесс определения коридоров электропередачи национальных интересов , и вполне вероятно, что этот процесс будет использоваться для определения путей для суперсети в этой стране. В ЕС разрешения на строительство новых воздушных линий могут легко достигать 10 лет. [25] В некоторых случаях это сделало подземный кабель более целесообразным. Поскольку требуемая земля может составлять одну пятую от площади для воздушной прокладки, а процесс получения разрешений может быть значительно быстрее, подземный кабель может быть более привлекательным, несмотря на его недостатки, такие как более высокая стоимость, меньшая пропускная способность, более короткий срок службы и значительно более длительные простои.
Точно так же, как супермагистрали меняют стоимость земли из-за близости к возможности транспортировки ценных товаров, у бизнеса есть сильная мотивация влиять на размещение суперсети в свою пользу. Стоимость альтернативной энергии — это цена поставки электроэнергии, и если производство электроэнергии ветровыми электростанциями в Северной Дакоте или солнечной энергией в Аризоне должно быть конкурентоспособным, расстояние от ветряной электростанции до межштатной сети электропередачи не должно быть большим. Это связано с тем, что фидерная линия от генератора к линиям электропередачи обычно оплачивается владельцем генерации. Некоторые населенные пункты помогут оплатить стоимость этих линий за счет местных постановлений, например, комиссии по коммунальным предприятиям . Проект Т. Буна Пикенса решил оплачивать питающие линии в частном порядке. В некоторых населенных пунктах, например в Техасе , таким проектам предоставляется право выдающегося владения , что позволяет компаниям захватывать землю на пути запланированного строительства. [26]
Производители энергии заинтересованы в том, использует ли суперсеть технологию HVDC или использует переменный ток, поскольку стоимость подключения к линии HVDC обычно выше, чем при использовании переменного тока. План Пикенса отдает предпочтение передаче переменного тока напряжением 765 кВ [9] , что считается менее эффективным для передачи на большие расстояния.
В 1960-х годах частные калифорнийские энергетические компании выступили против проекта Pacific Intertie , выдвинув ряд технических возражений, которые были отклонены. Когда проект был завершен, потребители в Лос-Анджелесе экономили около 600 000 долларов США в день, используя электроэнергию от проектов на реке Колумбия , а не от местных энергетических компаний, сжигающих более дорогое ископаемое топливо. [ нужна цитата ]
В 1965 году была открыта первая линия напряжением 400 кВ, протянувшаяся на 150 миль от Сандона, Бедфордшир, до Уэст-Бертона в Мидлендсе.
Две новые системы напряжением 275 кВ и 400 кВ, работающие параллельно друг другу, стали известны как Суперсеть.
