Электроэнергетика: история, развитие и современное состояние.

Введение

Промышленность, обеспечивающая производство и поставку электрической энергии.

Электроэнергетика охватывает производство, передачу, распределение и продажу электрической энергии населению и промышленности. Коммерческое распределение электроэнергии началось в 1882 году, когда электричество впервые было использовано для электрического освещения. В 1880-х и 1890-х годах растущие экономические и соображения безопасности привели к регулированию отрасли. То, что когда-то было дорогостоящей новинкой, доступной лишь в наиболее густонаселенных районах, надежная и экономичная электроэнергия стала важнейшим условием нормального функционирования всех элементов развитых экономик. К середине XX века электричество рассматривалось как "естественная монополия", эффективная только при ограниченном числе участников рынка; в некоторых регионах вертикально интегрированные компании осуществляют все этапы – от генерации до розничной продажи, а государственный надзор регулирует норму прибыли и структуру затрат. С 1990-х годов многие регионы разделили процессы генерации и распределения электроэнергии. Хотя такие рынки могут быть подвержены злоупотреблениям, что негативно сказывается на ценах и надежности для потребителей, конкурентное производство электроэнергии в целом приводит к существенному повышению эффективности. Однако передача и распределение представляют собой более сложные задачи, поскольку обеспечить достаточную доходность инвестиций в этой сфере сложнее.

История

Хотя электричество было известно как продукт химических реакций в электролитических ячейках с момента разработки вольтаического столба Алессандро Вольта в 1800 году, его производство таким способом оставалось и остаётся дорогостоящим. В 1831 году Майкл Фарадей сконструировал машину, генерирующую электричество из вращательного движения, однако потребовалось почти 50 лет, чтобы технология достигла коммерчески жизнеспособного уровня. В 1878 году в США Томас Эдисон разработал и продавал коммерчески жизнеспособную замену газовому освещению и отоплению, используя местное производство и распределение электроэнергии постоянного тока. Роберт Хаммонд в декабре 1881 года продемонстрировал новый электрический свет в городе Брайтон, графство Сассекс, Великобритания, в рамках испытательного периода. Успех этой установки позволил Хаммонду оформить предприятие с коммерческой и юридической точек зрения, поскольку ряд владельцев магазинов хотели использовать новое электрическое освещение. Так и была основана компания Hammond Electricity Supply Co. В начале 1882 года Эдисон открыл первую в мире паровую электростанцию на Виадуке Холборн в Лондоне, заключив соглашение с Городской корпорацией о предоставлении уличного освещения на три месяца. Со временем он обеспечил электроэнергией ряд местных потребителей. Электроснабжение осуществлялось постоянным током (DC). В то время как схемы в Годалминге и на Виадуке Холборн 1882 года были закрыты через несколько лет, схема в Брайтоне продолжала функционировать, и в 1887 году электроснабжение стало доступно 24 часа в сутки. Позднее, в сентябре 1882 года, Эдисон открыл электростанцию Перл-стрит в Нью-Йорке, также работающую на постоянном токе. Именно поэтому генерация располагалась вблизи потребителей, поскольку Эдисон не имел средств для преобразования напряжения. Выбор напряжения для любой электрической системы – это компромисс. При заданной мощности, передаваемой по сети, увеличение напряжения снижает ток и, следовательно, уменьшает требуемую толщину провода. К сожалению, это также увеличивает опасность при прямом контакте и требует более толстой изоляции. Кроме того, некоторые типы нагрузок было сложно или невозможно заставить работать при более высоких напряжениях. В результате система Эдисона требовала размещения электростанций в пределах мили от потребителей. Хотя это было возможно в центрах городов, экономически нецелесообразно было обеспечивать электроэнергией пригороды. В середине и конце 1880-х годов в Европе и США появились системы переменного тока (AC). Преимуществом электроэнергии переменного тока было то, что трансформаторы, установленные на электростанциях, могли повышать напряжение от генераторов, а трансформаторы на местных подстанциях могли понижать напряжение для питания нагрузок. Увеличение напряжения снижало ток в линиях передачи и распределения, а следовательно, размер проводников и потери при распределении. Это сделало более экономичным распределение энергии на большие расстояния. Генераторы (например, гидроэлектростанции) могли располагаться вдали от потребителей. В течение некоторого времени системы переменного и постоянного тока конкурировали в период, известном как «война токов». Система постоянного тока могла похвастаться немного большей безопасностью, но эта разница была недостаточной, чтобы перевесить огромные технические и экономические преимущества переменного тока, который в конечном итоге одержал победу. Технология транзисторов берет начало в 1947 году с изобретения точечного транзистора, за которым в 1948 году последовал биполярный транзистор (BJT). К 1950-м годам стали доступны более мощные полупроводниковые диоды и начали заменять вакуумные лампы. В 1956 году был представлен кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), расширивший спектр применений силовой электроники. Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением MOSFET (металл-оксид-полупроводникового полевого транзистора) в 1959 году. Поколения MOSFET позволили разработчикам силовых устройств достичь уровней производительности и плотности, недостижимых с биполярными транзисторами. В 1969 году компания Hitachi представила первый вертикальный силовой MOSFET, который позже стал известен как VMOS (V-образный MOSFET). С тех пор мощный MOSFET стал самым распространенным силовым устройством в мире благодаря своей низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения, возможности простого параллельного соединения, широкой полосе пропускания, надежности, простоте управления, простоте настройки и ремонта. Характер и состояние реформы рынка электроэнергии часто определяют, могут ли энергетические компании участвовать только в некоторых из этих процессов, не владея всей инфраструктурой, или граждане выбирают, какие компоненты инфраструктуры поддерживать. В странах, где электроснабжение дерегулировано, конечные потребители электроэнергии могут выбирать более дорогую «зеленую» электроэнергию.

Although electricity had been known to be produced as a result of the chemical reactions that take place in an electrolytic cell since Alessandro Volta developed the voltaic pile in 1800, its production by this means was, and still is, expensive. In 1831, Michael Faraday devised a machine that generated electricity from rotary motion, but it took almost 50 years for the technology to reach a commercially viable stage. In 1878, in the United States, Thomas Edison developed and sold a commercially viable replacement for gas lighting and heating using locally generated and distributed direct current electricity. Robert Hammond, in December 1881, demonstrated the new electric light in the Sussex town of Brighton in the UK for a trial period. The ensuing success of this installation enabled Hammond to put this venture on both a commercial and legal footing, as a number of shop owners wanted to use the new electric light. Thus the Hammond Electricity Supply Co. was launched. In early 1882, Edison opened the world's first steam powered electricity generating station at Holborn Viaduct in London, where he had entered into an agreement with the City Corporation for a period of three months to provide street lighting. In time he had supplied a number of local consumers with electric light. The method of supply was direct current (DC). Whilst the Godalming and the 1882 Holborn Viaduct Scheme closed after a few years the Brighton Scheme continued on, and supply was in 1887 made available for 24 hours per day. It was later on in the year in September 1882 that Edison opened the Pearl Street Power Station in New York City and again it was a DC supply. It was for this reason that the generation was close to or on the consumer's premises as Edison had no means of voltage conversion. The voltage chosen for any electrical system is a compromise. For a given amount of power transmitted, increasing the voltage reduces the current and therefore reduces the required wire thickness. Unfortunately it also increases the danger from direct contact and increases the required insulation thickness. Furthermore, some load types were difficult or impossible to make work with higher voltages. The overall effect was that Edison's system required power stations to be within a mile of the consumers. While this could work in city centres, it would be unable to economically supply suburbs with power. The mid to late 1880s saw the introduction of alternating current (AC) systems in Europe and the U. S. AC power had an advantage in that transformers, installed at power stations, could be used to raise the voltage from the generators, and transformers at local substations could reduce voltage to supply loads. Increasing the voltage reduced the current in the transmission and distribution lines and hence the size of conductors and distribution losses. This made it more economical to distribute power over long distances. Generators (such as hydroelectric sites) could be located far from the loads. AC and DC competed for a while, during a period called the war of the currents. The DC system was able to claim slightly greater safety, but this difference was not great enough to overwhelm the enormous technical and economic advantages of alternating current which eventually won out. Transistor technology dates back to 1947, with the invention of the point contact transistor, which was followed by the bipolar junction transistor (BJT) in 1948. By the 1950s, higher power semiconductor diodes became available and started replacing vacuum tubes. In 1956, the silicon controlled rectifier (SCR) was introduced, increasing the range of power electronic applications. A breakthrough in power electronics came with the invention of the MOSFET (metal oxide semiconductor field effect transistor) in 1959. Generations of MOSFETs enabled power designers to achieve performance and density levels not possible with bipolar transistors. In 1969, Hitachi introduced the first vertical power MOSFET, which would later be known as the VMOS (V groove MOSFET). The power MOSFET has since become the most common power device in the world, due to its low gate drive power, fast switching speed, easy advanced paralleling capability, wide bandwidth, ruggedness, easy drive, simple biasing, ease of application, and ease of repair. The nature and state of market reform of the electricity market often determines whether electric companies are able to be involved in just some of these processes without having to own the entire infrastructure, or citizens choose which components of infrastructure to patronise. In countries where electricity provision is deregulated, end users of electricity may opt for more costly green electricity.

Поколение

Выработка электроэнергии — это преобразование первичного источника энергии в электрическую мощность, пригодную для коммерческого использования в электрической сети. Большая часть коммерческой электроэнергии производится вращающимися электрическими машинами, называемыми "генераторами", которые перемещают проводники в магнитном поле для создания электрического тока. Генератор приводится в движение другим первичным двигателем; в типичных генераторах, подключенных к сети, это паровая турбина, газовая турбина или гидротурбина. Основными источниками энергии для этих машин часто служат ископаемое топливо (уголь, нефть, природный газ), ядерное деление, геотермальный пар или падающая вода. Возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра и солнца, приобретают все большее коммерческое значение. Поскольку выработка электроэнергии должна быть тесно согласована с потреблением, необходимо установить достаточную генерирующую мощность для удовлетворения пиковых нагрузок. При этом первичные источники энергии должны выбираться таким образом, чтобы минимизировать стоимость производимой электроэнергии. Как правило, источник электроэнергии с наименьшими дополнительными затратами будет следующим подключенным блоком для удовлетворения растущего спроса. Электрические генераторы оснащены автоматическими системами управления для регулирования мощности, подаваемой в систему передачи электроэнергии, корректируя выходную мощность генератора в режиме реального времени для поддержания баланса между выработкой и потреблением. Управление стабильным электроснабжением в крупной сети, включающей десятки или сотни генераторов и тысячи потребителей, является сложной задачей, требующей соблюдения экономических, экологических и требований к надежности. Например, источники генерации с низкими дополнительными затратами, такие как атомные электростанции, могут работать непрерывно для удовлетворения средней "базовой нагрузки" системы, в то время как более дорогие пиковые электростанции, такие как газовые турбины, могут работать в течение коротких периодов времени в течение дня для покрытия пиковых нагрузок. Альтернативно, стратегии управления нагрузкой могут способствовать более равномерному спросу на электроэнергию и снижению пиковых нагрузок. Отдельные генераторные установки для конкретной электрической сети могут работать на частичной мощности, чтобы обеспечить "вращающийся резерв" для внезапного увеличения спроса или при возникновении неисправностей в других генерирующих установках. Помимо производства электроэнергии, генерирующие установки могут предоставлять другие вспомогательные услуги для электрической сети, такие как регулирование частоты, обеспечение реактивной мощности и восстановление энергосистемы после полного отключения. Эти вспомогательные услуги могут быть коммерчески выгодными, если компании, занимающиеся производством, передачей и распределением электроэнергии, являются отдельными коммерческими организациями.

Generation is the conversion of some primary energy source into electric power suitable for commercial use on an electrical grid. Most commercial electric power is produced by rotating electrical machines, "generators", which move conductors through a magnetic field to produce electric current. The generator is rotated by some other prime mover machine; in typical grid connected generators this is a steam turbine, a gas turbine, or a hydraulic turbine. Primary energy sources for these machine are often fossil fuels (coal, oil, natural gas), nuclear fission, geothermal steam, or falling water. Renewable sources such as wind and solar energy are increasingly of commercial importance. Since electrical generation must be closely matched with electrical consumption, enough generation capacity must be installed to meet peak demands. At the same time, primary energy sources must be selected to minimize the cost of produced electrical energy. Generally the lowest incremental cost source of electrical energy will be the next unit connected to meet rising demand. Electrical generators have automatic controls to regulate the power fed into the electrical transmission system, adjusting generator output moment by moment to balance with electrical demand. For a large grid with scores or hundreds of generators connected and thousands of loads, management of stable generator supply is a problem with significant challenges, to meet economic, environmental and reliability requirements. For example, low incremental cost generation sources such as nuclear power plants may be run continually to meet the average "base load" of the connected system, whereas more costly peaking power plants such as natural gas turbines may be run for brief times during the day to meet peak loads. Alternatively, load management strategies may encourage more even demand for electrical power and reduce costly peaks. Designated generator units for a particular electrical grid may be run at partial output only, to provide "spinning reserve" for sudden increases in demand or faults with other generating units. In addition to electrical power production, electrical generation units may provide other ancillary services to the electrical grid, such as frequency control, reactive power, and black start of a collapsed power grid. These ancillary services may be commercially valuable when the generation, transmission, and distribution electrical companies are separate commercial entities.

Передача электрической энергии

Передача электроэнергии – это масштабное перемещение электрической энергии от источника генерации, такого как электростанция, к электрической подстанции. Взаимосвязанные линии, обеспечивающие 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 в Северной Америке известна как "электросеть" или просто "сеть". В Великобритании, Индии, Малайзии и Новой Зеландии сеть называется Национальной сетью. Широкомасштабная синхронная сеть, также известная как "взаимосоединение" в Северной Америке, напрямую соединяет множество генераторов, поставляющих переменный ток с одинаковой относительной частотой, с многочисленными потребителями. Например, в Северной Америке существует четыре основных взаимосоединения (Западное взаимосоединение, Восточное взаимосоединение, Квебекское взаимосоединение и сеть Совета по надёжности электроэнергетической системы 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, что привело к разделению бизнеса по передаче электроэнергии и бизнеса по распределению.

Распределение электроэнергии

Распределение электроэнергии — заключительный этап доставки электроэнергии, обеспечивающий передачу электроэнергии от системы передачи до конечных потребителей. Распределительные подстанции подключаются к системе передачи и понижают напряжение передачи до среднего напряжения, находящегося в диапазоне от 2 кВ до 35 кВ, с помощью трансформаторов.

Электропродажа

Розничная продажа электроэнергии — это заключительная стадия продажи электроэнергии от производителя до конечного потребителя.

Мировые электроэнергетические отрасли

Организация электроэнергетического сектора страны или региона варьируется в зависимости от экономической системы страны. В некоторых местах вся генерация, передача и распределение электроэнергии осуществляется организацией, находящейся под контролем государства. В других регионах существуют частные или принадлежащие инвесторам энергокомпании, компании, принадлежащие городам или муниципалитетам, кооперативные компании, принадлежащие их собственным потребителям, или их комбинации. Генерация, передача и распределение могут предоставляться одной компанией, либо каждая из этих частей системы может обеспечиваться разными организациями. Не все имеют доступ к электросети. В 2017 году около 840 миллионов человек (в основном в Африке) не имели доступа к электроэнергии, по сравнению с 1,2 миллиарда в 2010 году.

Реформа рынка

Бизнес-модель, лежащая в основе электроэнергетических компаний, претерпела изменения с течением времени, сыграв ключевую роль в формировании современной электроэнергетической отрасли – от генерации, передачи и распределения электроэнергии до конечной розничной продажи на местном уровне. Особенно заметно это стало после реформы электроэнергетической отрасли в Англии и Уэльсе в 1990 году.

Соединенные Штаты

В 1996–1999 годах Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) приняла ряд решений, направленных на открытие оптового рынка электроэнергии США для новых участников, в надежде, что стимулирование конкуренции позволит сэкономить потребителям от 4 до 5 миллиардов долларов в год и поощрит технические инновации в отрасли. Были предприняты шаги для обеспечения всем участникам рынка открытого доступа к существующим межштатным линиям электропередачи. Распоряжение № 888 предписывало вертикально интегрированным энергокомпаниям функционально разделить свои подразделения по передаче, генерации и сбыту электроэнергии, чтобы предотвратить злоупотребления. Распоряжение № 889 учредило систему, обеспечивающую всем участникам своевременный доступ к информации о доступной пропускной способности линий передачи и ценах. FERC также поддержала концепцию назначения независимых системных операторов (ISO) для управления электрической сетью – функцией, которая традиционно возлагалась на вертикально интегрированные энергокомпании. Концепция независимого системного оператора эволюционировала в концепцию региональных организаций передачи (RTO). FERC планировала, чтобы все американские компании, владеющие межштатными линиями электропередачи, передали управление этими объектами региональным организациям передачи (RTO). В своем распоряжении № 2000 (Региональные организации передачи), выпущенном в 1999 году, FERC определила минимальные требования к возможностям RTO. Эти решения, направленные на создание полностью взаимосвязанной сети и интегрированного общенационального рынка электроэнергии, привели к реструктуризации электроэнергетической отрасли США. Вскоре этот процесс столкнулся с двумя серьезными проблемами: энергетическим кризисом в Калифорнии в 2000 году и скандалом, связанным с компанией Enron и ее банкротством. Несмотря на продолжение реструктуризации отрасли, эти события показали, что конкурентными рынками можно манипулировать, и поэтому необходимо их грамотно проектировать и контролировать. Кроме того, масштабное отключение электроэнергии на северо-востоке США в 2003 году подчеркнуло необходимость одновременного обеспечения конкурентоспособных цен и высоких стандартов надежности.

Другие страны

В некоторых странах функционируют оптовые рынки электроэнергии, где генераторы и поставщики торгуют электроэнергией по аналогии с акциями и валютой. По мере дальнейшей либерализации энергетические компании стремятся к продаже своих активов, поскольку рынок электроэнергии подстраивается под газовый рынок в части использования фьючерсных и спотовых контрактов, а также других финансовых инструментов. Наблюдается и глобализация, выражающаяся в зарубежных приобретениях. Примером является покупка компанией National Grid (Великобритания), крупнейшей частной электроэнергетической компанией в мире, нескольких электроэнергетических компаний в Новой Англии за 3,2 миллиарда долларов. В период с 1995 по 1997 год семь из двенадцати региональных электроэнергетических компаний (REC) в Англии и Уэльсе были приобретены американскими энергетическими компаниями. Внутри страны местные электро- и газовые компании объединяют свою деятельность, видя преимущества совместной работы, особенно в снижении затрат на совместный учет. На конкурентных оптовых рынках электроэнергии будут внедряться технологические новшества, примерами которых уже сейчас служат топливные элементы, используемые в космической отрасли; газовые турбины аэродинамического типа, применяемые в авиации; солнечная энергетика и фотоэлектрические системы; морские ветропарки; а также достижения в области коммуникаций, обусловленные развитием цифровых технологий, в частности, микропроцессорная техника, способствующая мониторингу и управлению.

Перспективы

Ожидается, что в будущем спрос на электроэнергию будет расти. Информационная революция сильно зависит от электроэнергии. Другие области роста включают в себя новые технологии, работающие исключительно на электричестве, усовершенствования в системах кондиционирования, промышленных процессах и транспорте (например, гибридные автомобили, локомотивы).