Суперсеть или суперсеть — это широкомасштабная сеть передачи, как правило , трансконтинентальная или многонациональная, которая предназначена для обеспечения возможности торговли большими объемами электроэнергии на больших расстояниях. Иногда ее также называют «мегасеткой». Суперсети обычно предлагают использовать постоянный ток высокого напряжения (HVDC) для передачи электроэнергии на большие расстояния. Последнее поколение линий электропередач HVDC может передавать энергию с потерями всего 1,6% на 1000 км. [1]
Суперсети могли бы поддержать глобальный энергетический переход , сглаживая локальные колебания энергии ветра и солнца . В этом контексте они рассматриваются как ключевая технология для смягчения глобального потепления .
Идея создания дальних линий электропередачи для использования возобновляемых источников, расположенных на большом расстоянии, не нова. В США в 1950-х годах было сделано предложение о транспортировке гидроэлектроэнергии с плотин, строящихся на северо-западе Тихого океана, потребителям в Южной Калифорнии , но оно было встречено сопротивлением и отклонено. В 1961 году президент США Джон Ф. Кеннеди санкционировал крупный проект общественных работ с использованием новой высоковольтной технологии постоянного тока из Швеции . Проект был реализован в тесном сотрудничестве между General Electric из США и ASEA из Швеции , и система была введена в эксплуатацию в 1970 году. С несколькими модернизациями преобразовательных станций за прошедшие десятилетия система теперь имеет мощность 3100 МВт и известна как Pacific DC Intertie .
Концепция «суперсети» появилась в 1960-х годах и использовалась для описания начинающегося объединения энергосистемы Великобритании. [2] В кодексе, который управляет Британской энергосистемой, Grid Code, [3] в настоящее время Supergrid определяется — и с тех пор, как этот кодекс был впервые написан в 1990 году — как относящаяся к тем частям британской системы передачи электроэнергии, которые подключены под напряжением свыше 200 кВ (200 000 вольт). Поэтому планировщики и эксплуатационный персонал британской энергосистемы неизменно говорят о Supergrid в этом контексте; на практике используемое определение охватывает все оборудование, принадлежащее компании National Grid в Англии и Уэльсе, и никакое другое оборудование.
За последние 40 лет изменились масштабы энергии и расстояний, которые представляются возможными 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 передачи некоторых стран СНГ, сетью IPS/UPS . Если она будет завершена, то полученная в результате массивная сеть будет охватывать 13 часовых поясов, простираясь от Атлантики до Тихого океана. [4]
Хотя такие сети охватывают 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 словам сторонников, необходимы для обеспечения практической работы и обещанных преимуществ таких трансконтинентальных мегасетей.
В современном использовании термин «суперсеть» имеет два значения: во-первых, это надстроечный слой, наложенный или надстроенный над существующей региональной сетью или сетями электропередачи, а во-вторых, это наличие некоего набора превосходных возможностей, превосходящих возможности даже самых передовых сетей.
В значении «наложение» или «суперструктура» суперсеть — это эквивалент широкомасштабной синхронной сети с большой площадью, способной к крупномасштабной передаче возобновляемой электроэнергии. В некоторых концепциях сетка передачи линий электропередачи HVDC образует слой, который отчетливо отделен таким же образом, как система супермагистралей отделена 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 широкомасштабных синхронных систем передачи , где электричество проходит по специальному транзитному маршруту непосредственно через местные линии электропередачи или линии HVDC по мере необходимости. [5] Исследования таких континентальных систем сообщают о проблемах масштабирования из-за сложности сети, перегрузки передачи и необходимости в быстрых системах диагностики, координации и управления. Такие исследования показывают, что пропускная способность должна быть значительно выше, чем у существующих систем передачи, чтобы способствовать беспрепятственной торговле энергией на расстояниях, не ограниченных государственными, региональными или национальными или даже континентальными границами. [6] С практической точки зрения стало необходимым включать такие функции интеллектуальной сети , как широкополосные сенсорные сети (WAMS), даже в региональные сети скромного размера, чтобы предотвратить крупные отключения электроэнергии, такие как авария на северо-востоке в 2003 году . Динамические взаимодействия между группами по производству электроэнергии становятся все более сложными, а временные нарушения, которые каскадно распространяются на соседние коммунальные службы, могут быть внезапными, большими и сильными, сопровождающимися резкими изменениями в топологии сети, когда операторы пытаются вручную стабилизировать сеть. [7]
Во втором смысле расширенной сети суперсеть превосходит не только потому, что это глобальная мегасеть, но и потому, что она высоко координируется от макроуровня, охватывающего страны и континенты, вплоть до микроуровня, планирующего низкоприоритетные нагрузки, такие как водонагреватели и холодильное оборудование. В предложении European SuperSmart Grid и концепции US Unified Smart Grid такие суперсети имеют интеллектуальные функции на уровне передачи данных по всей территории, которые объединяют локальные интеллектуальные сети в единую глобальную суперсеть. Это похоже на то, как Интернет связал несколько небольших сетей в одну повсеместную сеть.
Передачу электроэнергии по большой площади можно рассматривать как горизонтальное расширение интеллектуальной сети. При смене парадигмы различие между передачей и распределением размывается с интеграцией, 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 может использоваться для сокращения пиков в поставках электроэнергии путем их интеграции в интеллектуальную сеть с использованием технологии «транспорт-сеть» .
Одним из преимуществ такой географически распределенной и динамически сбалансированной системы является то, что потребность в генерации базовой нагрузки значительно снижается, поскольку прерывистость некоторых источников, таких как океан , солнце и ветер , может быть сглажена. [10] Серия подробных модельных исследований доктора Грегора Чиша, в которых рассматривалось общеевропейское принятие возобновляемых источников энергии и объединение электросетей с использованием кабелей HVDC , показывает, что все потребление энергии в Европе может поступать из возобновляемых источников, при этом 70% общей энергии будет поступать из ветра по той же стоимости или ниже, чем в настоящее время. [11] [12] [13]
Для некоторых критиков такой широкополосный уровень передачи не является новым; они указывают, что технология мало чем отличается от той, которая используется для региональных и национальных сетей передачи электроэнергии. Сторонники отвечают, что помимо качественных характеристик интеллектуальной сети, которые позволяют мгновенно координировать и балансировать непостоянные источники энергии через международные границы, количественная полнота имеет свое собственное качество. Утверждается, что суперсети открывают рынки. [14] Точно так же, как автострады произвели революцию в межгосударственном транспорте, а Интернет произвел революцию в онлайн-торговле, когда были построены всеобъемлющие сети высокой пропускной способности, утверждается, что суперсеть высокой пропускной способности должна быть построена для того, чтобы обеспечить распределительную сеть настолько всеобъемлющей и с такой доступной мощностью, что торговля энергией будет ограничена только тем, сколько электроэнергии предприниматели могут поставить на рынок.
Планы суперсетей большой площади обычно предусматривают массовую передачу с использованием линий постоянного тока высокого напряжения . Предложение Европы SuperSmart Grid основано на HVDC, а в США ключевые лица, принимающие решения, такие как Стивен Чу, выступают за национальную систему сетей постоянного тока большой дальности. [15] В отрасли есть сторонники переменного тока высокого напряжения (HVAC). Хотя гибкие системы передачи переменного тока ( FACTS ) имеют недостатки для больших расстояний, American Electric Power отстаивает суперсеть 765 кВ, которую они называют I-765, которая обеспечит 400 ГВт дополнительной пропускной способности, необходимой для производства 20% энергии США с ветряных электростанций, расположенных 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 коммуникационного и контрольного оборудования в отличие от простых повышающих трансформаторов, необходимых при использовании линий переменного тока. В настоящее время существует только одна многоточечная система передачи HVDC большой дальности. [16] В более отдаленном будущем потери напряжения текущих методов можно будет избежать, используя экспериментальную сверхпроводящую технологию " SuperGrid ", где кабель передачи охлаждается трубопроводом жидкого водорода, который также используется для перемещения энергии по всей стране. Необходимо учитывать потери энергии на создание, удержание и повторное охлаждение жидкого водорода.
Координация и управление сетью будут использовать интеллектуальные сетевые технологии, такие как устройства измерения фазора, для быстрого обнаружения дисбалансов в сети, вызванных колебаниями возобновляемых источников энергии , и потенциально мгновенного реагирования с помощью запрограммированных автоматических схем защиты для перенаправления, снижения нагрузки или сокращения генерации в ответ на сбои в работе сети.
Китай поддерживает идею глобальной межконтинентальной суперсети. [17] Исследование, проведенное в США, оценило 80%-ное сокращение выбросов парниковых газов в сочетании с установкой возобновляемых источников энергии , [18] в настоящее время на стадии планирования. [19]
В одном исследовании для европейской суперсети подсчитано, что потребуется до 750 ГВт дополнительной пропускной способности — мощности, которая будет обеспечена с шагом 5 ГВт с помощью линий HVDC. [20] Недавнее предложение 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 на 6 ГВт и 1850 км было оценено в 790 миллионов долларов США и потребует полосы отвода шириной 69 метров. [22] При 750 ГВт новой пропускной способности HVDC, необходимой для европейской суперсети, земля и деньги, необходимые для новых линий электропередачи, будут значительными.
В Европе, энергетическая безопасность суперсети обсуждалась как способ частично предотвратить российскую энергетическую гегемонию . [23] В США такие сторонники, как Т. Бун Пикенс, продвигали идею национальной сети передачи, чтобы способствовать энергетической независимости Соединенных Штатов . Эл Гор выступает за Единую интеллектуальную сеть , которая имеет всеобъемлющие возможности суперсети. Гор и другие сторонники, такие как Джеймс Э. Хансен, считают, что суперсети необходимы для окончательной полной замены использования ископаемого топлива, вызывающего парниковый газ , который подпитывает глобальное потепление . [24]
Большие площади земли потребуются для коридоров передачи электроэнергии, используемых новыми линиями электропередачи суперсети. Может возникнуть значительное противодействие размещению линий электропередач из-за опасений по поводу визуального воздействия, беспокойства по поводу предполагаемых проблем со здоровьем и экологических проблем. В США существует процесс обозначения коридоров передачи электроэнергии в интересах национального значения , и вполне вероятно, что этот процесс будет использоваться для указания путей для суперсети в этой стране. В ЕС разрешения на новые воздушные линии могут легко достигать 10 лет. [25] В некоторых случаях это сделало подземный кабель более целесообразным. Поскольку требуемая земля может составлять одну пятую от земли для воздушных линий, а процесс получения разрешения может быть значительно быстрее, подземный кабель может быть более привлекательным, несмотря на его недостатки, такие как более высокая стоимость, меньшая емкость, меньший срок службы и значительно более длительные простои. [ необходимая цитата ]
Так же, как супермагистрали изменяют оценку земли из-за близости к возможности транспортировки ценных товаров, предприятия сильно мотивированы влиять на размещение суперсети в свою пользу. Стоимость альтернативной энергии - это поставляемая цена электроэнергии, и если производство электроэнергии из ветра Северной Дакоты или солнца Аризоны должно быть конкурентоспособным, расстояние соединения от ветряной электростанции до межштатной сети передачи не должно быть большим. Это связано с тем, что фидерная линия от генератора до линий передачи обычно оплачивается владельцем генерации. Некоторые населенные пункты помогут оплатить стоимость этих линий за счет местного регулирования, например, комиссии по коммунальным услугам . Проект Т. Буна Пикенса решил оплачивать фидерные линии в частном порядке. Некоторые населенные пункты, такие как Техас, предоставляют таким проектам право принудительного отчуждения , которое 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] , которая считается менее эффективной для передачи на большие расстояния.
В 1960-х годах частные энергетические компании Калифорнии выступили против проекта Pacific Intertie с рядом технических возражений, которые были отклонены. Когда проект был завершен, потребители в Лос-Анджелесе сэкономили около 600 000 долларов США в день, используя электроэнергию с проектов на реке Колумбия, а не местные энергетические компании, сжигающие более дорогое ископаемое топливо. [ необходима цитата ]
В 1965 г. была открыта первая линия 400 кВ, протянувшаяся на 150 миль от Сандона, Бедфордшир, до Уэст-Бертона в Мидлендсе. Две новые системы 275 кВ и 400 кВ, работающие параллельно друг с другом, стали известны как Суперсеть.
