Электроэнергетическая отрасль охватывает производство , передачу , распределение и продажу электроэнергии населению и промышленности. Коммерческое распределение электроэнергии началось в 1882 году, когда электричество было произведено для электрического освещения . В 1880-х и 1890-х годах растущие экономические и охранные проблемы привели к регулированию отрасли. То, что когда-то было дорогостоящей новинкой, ограниченной наиболее густонаселенными районами, надежная и экономичная электроэнергия стала существенным аспектом для нормальной работы всех элементов развитой экономики.
К середине XX века электроэнергия рассматривалась как « естественная монополия », эффективная только в том случае, если на рынке участвует ограниченное число организаций; в некоторых областях вертикально интегрированные компании обеспечивают все этапы от генерации до розничной продажи, и только государственный надзор регулировал норму прибыли и структуру затрат.
Начиная с 1990-х годов, во многих регионах производство и распределение электроэнергии были разделены [ требуется цитата ] . Хотя такие рынки могут быть подвергнуты злоупотреблениям с последующим негативным влиянием на цены и надежность для потребителей, в целом конкурентоспособное производство электроэнергии приводит к стоящим улучшениям в эффективности [ требуется цитата ] . Однако передача и распределение являются более сложными проблемами, поскольку возврат инвестиций не так легко получить.
Хотя было известно, что электричество вырабатывается в результате химических реакций, происходящих в электролитической ячейке, с тех пор как Алессандро Вольта разработал вольтов столб в 1800 году, его производство таким способом было и остается дорогим. В 1831 году Майкл Фарадей изобрел машину, которая вырабатывала электричество за счет вращательного движения, но потребовалось почти 50 лет, чтобы эта технология достигла коммерчески жизнеспособной стадии. В 1878 году в Соединенных Штатах Томас Эдисон разработал и продал коммерчески жизнеспособную замену газовому освещению и отоплению, используя локально вырабатываемую и распределенную электроэнергию постоянного тока .
Роберт Хаммонд в декабре 1881 года продемонстрировал новый электрический свет в городе Брайтон в Сассексе в Великобритании в течение испытательного срока. Последующий успех этой установки позволил Хаммонду поставить это начинание на коммерческую и юридическую основу, поскольку ряд владельцев магазинов хотели использовать новый электрический свет. Так была основана Hammond Electricity Supply Co.
В начале 1882 года Эдисон открыл первую в мире паровую электростанцию на Холборнском виадуке в Лондоне , где он заключил соглашение с City Corporation сроком на три месяца на обеспечение уличного освещения. Со временем он снабдил электрическим светом ряд местных потребителей. Методом питания был постоянный ток (DC). В то время как Годалминг и схема Холборнского виадука 1882 года закрылись через несколько лет, схема Брайтона продолжила работать, и в 1887 году подача электроэнергии стала доступна 24 часа в сутки.
Позже, в сентябре 1882 года, Эдисон открыл электростанцию на Перл-стрит в Нью-Йорке , и снова это был источник постоянного тока. Именно по этой причине генерация находилась близко к помещениям потребителя или на их территории, поскольку у Эдисона не было средств преобразования напряжения. Напряжение, выбранное для любой электрической системы, является компромиссом. Для заданного количества передаваемой мощности увеличение напряжения снижает ток и , следовательно, уменьшает требуемую толщину провода. К сожалению, это также увеличивает опасность прямого контакта и увеличивает требуемую толщину изоляции . Кроме того, некоторые типы нагрузок было трудно или невозможно заставить работать с более высокими напряжениями. Общий эффект заключался в том, что система Эдисона требовала, чтобы электростанции находились в пределах мили от потребителей. Хотя это могло работать в городских центрах, это не позволило бы экономично снабжать пригороды электроэнергией. [1]
В середине-конце 1880-х годов в Европе и США появились системы переменного тока (AC). Преимущество переменного тока заключалось в том, что трансформаторы , установленные на электростанциях , можно было использовать для повышения напряжения генераторов, а трансформаторы на местных подстанциях могли понижать напряжение для питания нагрузок. Повышение напряжения уменьшало ток в линиях передачи и распределения и, следовательно, размер проводников и потери при распределении. Это делало более экономичным распределение электроэнергии на большие расстояния. Генераторы (например, гидроэлектростанции ) могли располагаться далеко от нагрузок. Переменный и постоянный ток некоторое время конкурировали, в период, называемый войной токов . Система постоянного тока могла претендовать на немного большую безопасность, но эта разница была недостаточно велика, чтобы подавить огромные технические и экономические преимущества переменного тока, который в конечном итоге победил. [1]
Система переменного тока, используемая сегодня, быстро развивалась при поддержке таких промышленников, как Джордж Вестингауз с Михаилом Доливо-Добровольским , Галилео Феррарисом , Себастьяном Зиани де Ферранти , Люсьеном Голаром , Джоном Диксоном Гиббсом, Карлом Вильгельмом Сименсом , Уильямом Стэнли-младшим , Николой Теслой и других, внесших свой вклад в эту область.
Силовая электроника — это применение твердотельной электроники для управления и преобразования электроэнергии. Силовая электроника началась с разработки ртутного дугового выпрямителя в 1902 году, который использовался для преобразования переменного тока в постоянный. С 1920-х годов продолжались исследования по применению тиратронов и ртутных дуговых вентилей с сетевым управлением для передачи электроэнергии. Сглаживающие электроды сделали их пригодными для передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения (HVDC). В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители. [2] Транзисторная технология берет свое начало в 1947 году с изобретением точечно-контактного транзистора , за которым в 1948 году последовал биполярный транзистор (BJT). К 1950-м годам стали доступны более мощные полупроводниковые диоды , которые начали заменять вакуумные трубки . В 1956 году был представлен кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), что расширило диапазон применения силовой электроники. [3]
Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением МОП-транзистора (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) в 1959 году. Поколения МОП-транзисторов позволили разработчикам электропитания достичь уровней производительности и плотности, невозможных с биполярными транзисторами. [4] В 1969 году компания Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор , [5] который позже стал известен как VMOS (МОП-транзистор с V-образной канавкой). [6] С тех пор силовой МОП-транзистор стал самым распространенным силовым устройством в мире благодаря своей низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения, [7] простой возможности параллельного соединения, [7] [8] широкой полосе пропускания , прочности, простоте управления, простоте смещения, простоте применения и простоте ремонта. [8]
Хотя HVDC все чаще используется для передачи больших объемов электроэнергии на большие расстояния или для соединения соседних асинхронных энергосистем, основная часть производства, передачи, распределения и розничной продажи электроэнергии осуществляется с использованием переменного тока.
Электроэнергетическая отрасль обычно делится на четыре процесса. Это производство электроэнергии , например, электростанция , передача электроэнергии , распределение электроэнергии и розничная торговля электроэнергией . Во многих странах электроэнергетические компании владеют всей инфраструктурой от генерирующих станций до инфраструктуры передачи и распределения. По этой причине электроэнергия рассматривается как естественная монополия . Отрасль, как правило, жестко регулируется , часто с контролем цен , и часто принадлежит и управляется государством . Однако современная тенденция заключается в растущей дерегуляции, по крайней мере, в последних двух процессах. [9]
Характер и состояние рыночной реформы рынка электроэнергии часто определяют, могут ли электрокомпании участвовать только в некоторых из этих процессов без необходимости владеть всей инфраструктурой, или граждане выбирают, какие компоненты инфраструктуры им покровительствовать. В странах, где электроснабжение дерегулировано, конечные потребители электроэнергии могут выбирать более дорогую зеленую электроэнергию .
Мировая выработка электроэнергии по источникам в 2021 году . Общая выработка составила 28 петаватт-часов . [10]
Генерация — это преобразование некоторого первичного источника энергии в электроэнергию, пригодную для коммерческого использования в электрической сети. Большая часть коммерческой электроэнергии вырабатывается вращающимися электрическими машинами, « генераторами », которые перемещают проводники через магнитное поле для производства электрического тока. Генератор вращается какой-либо другой первичной движущей силой; в типичных генераторах, подключенных к сети, это паровая турбина, газовая турбина или гидравлическая турбина. Первичными источниками энергии для этих машин часто являются ископаемое топливо (уголь, нефть, природный газ), ядерное деление, геотермальный пар или падающая вода. Возобновляемые источники, такие как энергия ветра и солнца, приобретают все большее коммерческое значение.
Поскольку генерация электроэнергии должна быть тесно связана с потреблением электроэнергии, необходимо установить достаточно генерирующих мощностей для удовлетворения пиковых потребностей. В то же время необходимо выбирать первичные источники энергии для минимизации стоимости производимой электроэнергии. Как правило, источником электроэнергии с наименьшей приростной стоимостью будет следующий подключенный блок для удовлетворения растущего спроса. Электрогенераторы имеют автоматическое управление для регулирования мощности, подаваемой в систему электропередачи, регулируя выход генератора в каждый момент времени для балансировки с электрическим спросом. Для большой сети с десятками или сотнями подключенных генераторов и тысячами нагрузок управление стабильной подачей генератора является проблемой со значительными трудностями для удовлетворения экономических, экологических и надежных требований. Например, источники генерации с низкой приростной стоимостью, такие как атомные электростанции, могут работать непрерывно для удовлетворения средней « базовой нагрузки » подключенной системы, тогда как более дорогостоящие пиковые электростанции, такие как газовые турбины, могут работать в течение короткого времени в течение дня для удовлетворения пиковых нагрузок. В качестве альтернативы стратегии управления нагрузкой могут стимулировать более равномерный спрос на электроэнергию и сокращать дорогостоящие пики. Определенные генераторные установки для конкретной электросети могут работать только на частичной мощности, чтобы обеспечить «вращающийся резерв» на случай внезапного увеличения спроса или сбоев в работе других генерирующих установок.
Помимо производства электроэнергии, электрогенерирующие установки могут предоставлять другие вспомогательные услуги для электросети, такие как регулирование частоты, реактивная мощность и черный запуск разрушенной электросети. Эти вспомогательные услуги могут быть коммерчески ценными, когда компании по производству, передаче и распределению электроэнергии являются отдельными коммерческими организациями.
Передача электроэнергии — это объемное перемещение электроэнергии от места ее производства, например, электростанции , к электрической подстанции . Взаимосвязанные линии, которые обеспечивают это перемещение, называются сетью передачи. Это отличается от локальной проводки между высоковольтными подстанциями и потребителями, которая обычно называется распределением электроэнергии . Объединенная сеть передачи и распределения известна как « энергетическая сеть » в Северной Америке или просто «сетка». В Великобритании , Индии , Малайзии и Новой Зеландии сеть известна как Национальная сеть.
Широкозонная синхронная сеть , также известная как «межсетевое соединение» в Северной Америке, напрямую соединяет множество генераторов, поставляющих переменный ток с той же относительной частотой многочисленным потребителям. Например, в Северной Америке существует четыре основных межсетевых соединения ( Western Interconnection , Eastern Interconnection , Quebec Interconnection и сеть Совета по надежности электроснабжения Техаса (ERCOT)). В Европе одна большая сеть соединяет большую часть континентальной Европы .
Исторически линии передачи и распределения принадлежали одной и той же компании, но начиная с 1990-х годов многие страны либерализовали регулирование рынка электроэнергии способами, которые привели к разделению бизнеса по передаче электроэнергии от бизнеса по распределению. [11]
Распределение электроэнергии является заключительным этапом в доставке электроэнергии ; оно переносит электроэнергию от системы передачи к отдельным потребителям. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего напряжения в диапазоне от 2 кВ до 35 кВ с помощью трансформаторов . [ 12] Первичные распределительные линии передают эту мощность среднего напряжения на распределительные трансформаторы, расположенные вблизи помещений потребителя. Распределительные трансформаторы снова понижают напряжение до напряжения использования, используемого освещением, промышленным оборудованием или бытовыми приборами. Часто несколько потребителей снабжаются от одного трансформатора через вторичные распределительные линии. Коммерческие и жилые потребители подключаются к вторичным распределительным линиям через ответвления обслуживания . Потребители, которым требуется гораздо большее количество энергии, могут быть подключены напрямую к первичному уровню распределения или уровню субпередачи . [13]
Розничная продажа электроэнергии — это окончательная продажа электроэнергии от производителя конечному потребителю.
Организация электроэнергетического сектора страны или региона различается в зависимости от экономической системы страны. В некоторых местах все производство, передача и распределение электроэнергии осуществляется организацией, контролируемой правительством. В других регионах есть частные или принадлежащие инвесторам коммунальные компании, городские или муниципальные компании, кооперативные компании, принадлежащие их собственным клиентам, или их комбинации. Производство, передача и распределение может осуществляться одной компанией, или разные организации могут предоставлять каждую из этих частей системы.
Не у всех есть доступ к электросети. Около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа в 2017 году, по сравнению с 1,2 миллиарда в 2010 году. [14]
Бизнес -модель электроэнергетической компании изменилась за эти годы, сыграв важную роль в формировании электроэнергетической отрасли в том, чем она является сегодня: от генерации, передачи, распределения до конечной местной розничной торговли. Это произошло заметно после реформы электроэнергетической отрасли в Англии и Уэльсе в 1990 году.
В 1996–1999 годах Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) приняла ряд решений, которые были направлены на открытие оптового рынка электроэнергии США для новых игроков, в надежде, что стимулирование конкуренции сэкономит потребителям от 4 до 5 миллиардов долларов в год и поощрит технические инновации в отрасли. [15] Были предприняты шаги для предоставления всем участникам рынка открытого доступа к существующим межгосударственным линиям электропередачи.
Эти решения, которые были направлены на создание полностью взаимосвязанной сети и интегрированного национального рынка электроэнергии, привели к реструктуризации электроэнергетической отрасли США. Этот процесс вскоре столкнулся с двумя неудачами: энергетическим кризисом в Калифорнии 2000 года и скандалом и крахом Enron . Хотя реструктуризация отрасли продолжалась, эти события ясно показали, что конкурентные рынки могут быть подвержены манипуляциям и, следовательно, должны быть надлежащим образом спроектированы и проконтролированы. Кроме того, отключение электроэнергии на северо-востоке в 2003 году подчеркнуло необходимость двойного фокуса на конкурентном ценообразовании и высоких стандартах надежности. [21]
В некоторых странах работают оптовые рынки электроэнергии, где генераторы и розничные торговцы торгуют электроэнергией аналогично акциям и валюте . По мере дальнейшего дерегулирования коммунальные предприятия вынуждены продавать свои активы , поскольку энергетический рынок следует за газовым рынком, используя фьючерсные и спотовые рынки и другие финансовые соглашения. Происходит даже глобализация с иностранными покупками. Одной из таких покупок была покупка, когда Национальная электросетевая компания Великобритании , крупнейшая частная электроэнергетическая компания в мире, купила несколько электроэнергетических компаний в Новой Англии за 3,2 миллиарда долларов. [22] В период с 1995 по 1997 год семь из 12 региональных электрических компаний (REC) в Англии и Уэльсе были куплены энергетическими компаниями США. [23] На внутреннем рынке местные электрические и газовые компании объединили операции, поскольку увидели преимущества совместного объединения, особенно с учетом снижения стоимости совместного учета. Технологические достижения будут иметь место на конкурентных оптовых рынках электроэнергии, такие примеры уже используются, включая топливные элементы, используемые в космических полетах ; газовые турбины на основе авиационных двигателей, используемые в реактивных самолетах ; солнечная инженерия и фотоэлектрические системы; морские ветровые электростанции; и достижения в области коммуникаций, порожденные цифровым миром, в частности, микропроцессорная обработка, которая помогает в мониторинге и диспетчеризации. [24]
Ожидается, что в будущем спрос на электроэнергию будет расти. Информационная революция в значительной степени зависит от электроэнергии. Другие области роста включают в себя новые технологии, не зависящие от электричества, разработки в области кондиционирования пространства, промышленных процессов и транспорта (например, гибридные автомобили , локомотивы ). [24]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )