Электроэнергетика 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 проблемы экономики и безопасности привели к регулированию отрасли. То, что когда-то было дорогостоящей новинкой, ограниченной наиболее густонаселенными районами, надежная и экономичная электроэнергетика стала важным аспектом нормальной работы всех элементов развитых экономик.
К середине 20-го века электричество рассматривалось как «естественная монополия», эффективная только в том случае, если на рынке участвовало ограниченное число организаций; в некоторых сферах вертикально-интегрированные компании обеспечивают все этапы от генерации до розничной торговли, и только государственный надзор регулировал норму прибыли и структуру затрат.
С 1990-х годов во многих регионах произошло разделение производства и распределения электроэнергии. Хотя такими рынками можно злоупотреблять, что приводит к негативным последствиям для цен и надежности потребителей, в целом конкурентное производство электроэнергии приводит к значительному повышению эффективности. Однако передача и распределение представляют собой более сложную проблему, поскольку получить прибыль от инвестиций не так-то просто.
Хотя было известно, что электричество производится в результате химических реакций, происходящих в электролизере, с тех пор, как Алессандро Вольта разработал гальваническую батарею в 1800 году, его производство таким способом было и остается дорогим. В 1831 году Майкл Фарадей изобрел машину, вырабатывающую электричество за счет вращательного движения, но потребовалось почти 50 лет, чтобы технология достигла коммерчески жизнеспособной стадии. В 1878 году в Соединённых Штатах Томас Эдисон разработал и продал коммерчески жизнеспособную замену газовому освещению и отоплению с использованием локально генерируемой и распределяемой электроэнергии постоянного тока.
Роберт Хаммонд в декабре 1881 года продемонстрировал новый электрический свет в сассекском городе Брайтон в Великобритании в течение испытательного периода. Последующий успех этой установки позволил Хаммонду поставить это предприятие как на коммерческую, так и на юридическую основу, поскольку ряд владельцев магазинов хотели использовать новое электрическое освещение. Так была основана компания Hammond Electricity Supply Co.
В начале 1882 года Эдисон открыл первую в мире электростанцию, работающую на паре, на виадуке Холборн 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. Способ питания – постоянный ток (DC). В то время как Годалминг и схема виадука Холборн 1882 года закрылись через несколько лет, Брайтонская схема продолжала действовать, и в 1887 году снабжение стало доступным 24 часа в сутки.
Позже, в сентябре 1882 года, Эдисон открыл электростанцию на Перл-стрит в Нью-Йорке, и она снова стала источником постоянного тока. Именно по этой причине генерация осуществлялась вблизи или на территории потребителя, поскольку у Эдисона не было средств преобразования напряжения. Напряжение, выбранное для любой электрической системы, является компромиссным. Для заданного количества передаваемой мощности увеличение напряжения уменьшает 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 при более высоких напряжениях. Общий эффект заключался в том, что система Эдисона требовала, чтобы электростанции находились в пределах мили от потребителей. Хотя это могло бы сработать в центрах городов, оно не смогло бы экономически обеспечить электроэнергией пригороды.
В середине-конце 1880-х годов в Европе и США были внедрены системы переменного тока (AC). Преимущество сети переменного тока заключалось в том, что трансформаторы, установленные на электростанциях, можно было использовать для повышения напряжения от генераторов, а трансформаторы на местных подстанциях. может снизить напряжение питания нагрузки. Увеличение напряжения уменьшало ток в линиях передачи и распределения и, следовательно, размеры проводников и потери в распределении. Это сделало более экономичным распределение мощности на большие расстояния. Генераторы (например, гидроэлектростанции) могут располагаться вдали от потребителей. Переменный и постоянный ток какое-то время соперничали, в период, называемый войной токов. Система постоянного тока могла претендовать на несколько большую безопасность, но эта разница была недостаточно велика, чтобы перевесить огромные технические и экономические преимущества переменного тока, которые в конечном итоге победили.
Используемая сегодня система электропитания переменного тока быстро развивалась при поддержке таких промышленников, как Джордж Вестингауз с Михаилом Доливо-Добровольским, Галилео Феррарис, Себастьян Зиани де Ферранти, Люсьен Голар, Джон Диксон Гиббс, Карл Вильгельм Сименс, Уильям Стэнли-младший, Никола Тесла и другие внесли свой вклад в эту область.
Силовая электроника — это применение полупроводниковой 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 клапанов с сеточным управлением для передачи энергии. Градирующие электроды сделали их пригодными для передачи энергии постоянного тока высокого напряжения (HVDC). В 1933 году были изобретены селеновые выпрямители. Транзисторная технология восходит к 1947 году, когда был изобретен точечный транзистор, за которым в 1948 году последовал биполярный переходной транзистор (BJT). К 1950-м годам стали доступны полупроводниковые диоды большей мощности, которые начали заменять электронные лампы. В 1956 году был представлен кремниевый управляемый выпрямитель (SCR), расширивший диапазон применения силовой электроники.
Прорыв в силовой электронике произошел с изобретением МОП-транзистора (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) в 1959 году. Поколения МОП-транзисторов позволили разработчикам источников питания достичь уровней производительности и плотности, недоступных для биполярных транзисторов. В 1969 году Hitachi представила первый вертикальный силовой МОП-транзистор, который позже будет известен как VMOS (MOSFET с V-образной канавкой). С тех пор силовые МОП-транзисторы стали самым распространенным силовым устройством в мире благодаря низкой мощности управления затвором, высокой скорости переключения, простоте расширенных возможностей параллельного подключения, широкой полосе пропускания, надежности, простоте управления, простоте смещения, простоте применения и простоте управления. ремонт.
В то время как HVDC все чаще используется для передачи больших объемов электроэнергии на большие расстояния или для подключения соседних асинхронных энергосистем, основная часть производства, передачи, распределения и розничной торговли электроэнергией происходит с использованием переменного тока.
Электроэнергетику обычно разделяют на четыре процесса. Это производство электроэнергии, такое как электростанция, передача электроэнергии, распределение электроэнергии и розничная торговля электроэнергией. Во многих странах электроэнергетические компании владеют всей инфраструктурой от электростанций до инфраструктуры передачи и распределения. По этой причине электроэнергетика рассматривается как естественная монополия. Отрасль, как правило, жестко регулируется, часто с контролем цен, и зачастую находится в собственности и управлении государства. Однако современной тенденцией является усиление дерегуляции, по крайней мере, в двух последних процессах.
Характер и состояние рыночного реформирования рынка электроэнергии часто определяют, смогут ли электроэнергетические компании участвовать лишь в некоторых из этих процессов, не владея всей инфраструктурой, или граждане сами выбирают, какие компоненты инфраструктуры им покровительствовать. В странах, где электроснабжение дерегулировано, конечные потребители электроэнергии могут сделать выбор в пользу более дорогой «зеленой» электроэнергии.
Генерация — это преобразование некоторого первичного источника энергии в электроэнергию, пригодную для коммерческого использования в электрической сети. Большая часть коммерческой электроэнергии производится вращающимися электрическими машинами, «генераторами», которые перемещают проводники через магнитное поле для производства электрического тока. Генератор вращается какой-то другой первичной машиной; в типичных генераторах, подключенных к сети, это паровая турбина, газовая турбина или гидравлическая турбина. Основными источниками энергии для этих машин часто являются 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 точно соответствовать ее потреблению, необходимо установить достаточные генерирующие мощности для удовлетворения пиковых потребностей. При этом необходимо выбирать первичные источники энергии так, чтобы минимизировать стоимость производимой электрической энергии. Как правило, источником электроэнергии с наименьшими дополнительными затратами будет следующий блок, подключенный для удовлетворения растущего спроса. Электрические генераторы имеют автоматическое управление для регулирования мощности, подаваемой в систему электропередачи, моментально регулируя выходную мощность генератора, чтобы сбалансировать потребность в электроэнергии. Для большой сети с десятками или сотнями подключенных генераторов и тысячами потребителей управление стабильным снабжением генераторов является проблемой, требующей значительных усилий для удовлетворения экономических, экологических требований и требований надежности. Например, источники генерации с низкими дополнительными затратами, 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 короткого периода времени. день для удовлетворения пиковых нагрузок. Альтернативно, стратегии управления нагрузкой могут стимулировать более равномерный спрос на электроэнергию и снизить дорогостоящие пиковые нагрузки. Определенные генераторные агрегаты для конкретной электрической сети могут работать только с частичной мощностью, чтобы обеспечить «резерв» на случай внезапного увеличения спроса или сбоев в работе других генерирующих блоков.
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 массовое перемещение электрической энергии от генерирующего объекта, такого как электростанция, к электрической подстанции. Взаимосвязанные линии, которые облегчают это движение, известны как сеть передачи. Это отличается от местной проводки между высоковольтными подстанциями и потребителями, которую обычно называют распределением электроэнергии. Объединенная сеть передачи и распределения известна в Северной Америке как «электрическая сеть» или просто «сеть». В Великобритании, Индии, Малайзии и Новой Зеландии эта 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 таким образом, что это привело к отделению бизнеса по передаче электроэнергии от бизнеса по распределению.
Распределение электроэнергии является заключительным этапом поставки электроэнергии; он передает электроэнергию от системы передачи 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. По первичным линиям распределения эта мощность среднего напряжения поступает к распределительным трансформаторам, расположенным рядом с помещениями потребителя. Распределительные трансформаторы снова понижают напряжение до рабочего напряжения, используемого освещением, промышленным оборудованием или бытовыми приборами. Часто несколько потребителей снабжаются от одного трансформатора по вторичным распределительным линиям. Коммерческие и бытовые потребители подключаются к вторичным распределительным линиям через линии обслуживания. Потребители, которым требуется гораздо большее количество электроэнергии, могут быть подключены непосредственно к первичному уровню распределения или к уровню подпередачи.
Розничная торговля электроэнергией – это конечная продажа электроэнергии от производства до конечного потребителя.
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 могут предлагаться 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.
Бизнес-модель электроэнергетической компании с годами изменилась, сыграв жизненно важную роль в формировании электроэнергетической отрасли в том виде, в каком она есть сегодня; от генерации, передачи, распределения до конечной местной розничной торговли. Это стало заметным после реформы электроэнергетической отрасли в Англии и Уэльсе в 1990 году.
В 1996–1999 годах Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) приняла ряд решений, направленных 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 будет стимулировать технические инновации. в отрасли. Предприняты шаги по предоставлению всем участникам рынка открытого доступа к существующим межгосударственным линиям электропередачи.
Эти решения, направленные на создание полностью взаимосвязанной сети и интегрированного национального энергетического рынка, привели к реструктуризации электроэнергетической отрасли США. Этот процесс вскоре потерпел две неудачи: энергетический кризис в Калифорнии 2000 года, а также скандал и крах Enron. Хотя реструктуризация отрасли продолжалась, эти события ясно показали, что конкурентными рынками можно манипулировать, и поэтому их необходимо правильно проектировать и контролировать. Кроме того, отключение электроэнергии на северо-востоке страны в 2003 году подчеркнуло необходимость двойного внимания: конкурентоспособным ценам и строгим стандартам надежности.
В некоторых странах действуют оптовые рынки электроэнергии, на которых производители и розничные торговцы торгуют электроэнергией аналогично акциям и валюте. Поскольку дерегулирование продолжается, коммунальные предприятия вынуждены продавать свои активы, поскольку энергетический рынок следует примеру газового рынка, используя фьючерсные и спотовые рынки и другие финансовые механизмы. Происходит даже глобализация с иностранными закупками. Одна из таких покупок произошла, когда британская National Grid, крупнейшая частная электроэнергетическая компания в мире, купила несколько электроэнергетических компаний в Новой Англии за 3,2 миллиарда долларов. В период с 1995 по 1997 год семь из 12 региональных электрических компаний (REC) в Англии и Уэльсе были куплены энергетическими компаниями США. Внутри страны местные электроэнергетические и газовые компании объединили свои операции, поскольку увидели преимущества совместного объединения, особенно в плане снижения затрат на совместные измерения. Технологический прогресс будет происходить на конкурентных оптовых рынках электроэнергии, такие примеры, которые уже используются, включают топливные элементы, используемые в космических полетах; авиационные газовые турбины, используемые в реактивных самолетах; солнечная техника и фотоэлектрические системы; морские ветряные электростанции; а также достижения в области связи, порожденные цифровым миром, особенно с микропроцессорами, которые помогают в мониторинге и диспетчеризации.
Ожидается, что в будущем спрос на электроэнергию будет расти. Информационная революция во многом зависит от электроэнергии. Другие области роста включают появление новых технологий, использующих исключительно электричество, разработки в области кондиционирования воздуха, промышленных процессов и транспорта (например, гибридные транспортные средства, локомотивы).