Трансформация электроэнергии: 11.4. Трансформация электроэнергии — Энергетика: история, настоящее и будущее

Содержание

11.4. Трансформация электроэнергии — Энергетика: история, настоящее и будущее

11.4. Трансформация электроэнергии

Рис. 11.6. Индукционная катушка

Прообразом трансформаторов являлись широко используемые уже в середине XIX века «индукционные катушки», предназначенные для преобразования малых токов.

Первая индукционная катушка (рис. 11.6) была собрана Фарадеем в 1831 г. и появилась одновременно с открытием им явления индукции. Если по обмотке катушки Н’ пропустить электрический ток от гальванической батареи, то в пространстве вокруг этой катушки возникнут силовые линии, которые достигнут обмотки другой катушки Н. При этом в обмотке катушки Н  возникнет ток, который может быть обнаружен гальванометром G. Если прервать цепь первичной катушки Н’, в обмотке катушки Н опять возникнет ток, но уже противоположного направления. Для того, чтобы ток в обмотке катушки Н был как можно больше, ее следует сделать настолько широкой, чтобы в ней могла свободно поместиться верхняя катушка Н’.

Если при этом в катушкуН’ поместить, например, пучок металлической проволоки, то этим еще более улучшится путь для силовых линий и, следовательно, увеличится ток в катушке Н.

Этот прибор Фарадея имел целью только передавать электрическую энергию при помощи индукции, а вовсе не преобразовывать напряжение тока. Генрих Румкорф (1803–1877) первым предпринял попытку объединить передачу электричества посредством электромагнитного поля с одновременным изменением напряжения электрического тока. Катушка Румкорфа была представлена на Всемирной выставке в 1855 г. При этом необходимо отметить, что изобретение Румкорфа вовсе не имело целью дать практический способ трансформации напряжения. Кроме того, не Румкорф, а американский электротехник Пэдж в 1836 г. первым применил индукционный аппарат для повышения напряжения. Однако открытие Пэджа прошло незамеченным, и только Румкорфу удалось обратить внимание физиков на удивительную способность индукционного аппарата давать токи очень высокого напряжения.

В 1848 г. Румкорф создал свои первые индукционные аппараты для высоких напряжений, назначением которых было давать искры. В 1852 году Румкорф сконструировал катушку с двумя обмотками. В цепь первичной обмотки он поставил прерыватель вибрационного типа (так называемый «молоточек Вагнера») и подключил к гальванической батарее. Во вторичной обмотке в связи с очень большим числом витков появилось высокое напряжение, что позволило получать искры длиной до 2 см.

В конце 1864 года император Франции Наполеон III, решивший возродить премию имени Вольты, постановил наградить этой премией в 50 000 франков Генриха Румкорфа за изобретение индукционной катушки.

Патент, или, как раньше говорили, привилегию, на изобретение трансформатора фирмы «Ганц и К» приобрела американская компания Эдисона, но не для того, чтобы его эксплуатировать: для нее это было простейшим способом устранения опасного конкурента собственной системы постоянного тока. И только значительно позже ее преемница – «General Electric Company» – исправила сделанный промах и усердно занялась применением и усовершенствованием трансформаторов.

Рис. 11.7. Вторичный генератор Голарда–Гиббса

При этом ему приходилось предпринимать определенные усилия для предотвращения пробоя изоляции между многочисленными витками во вторичной обмотке. В 1859 году Румкорф создал катушку, позволяющую получать искры длиной до 50 см.

Создавая индукционные катушки, Румкорф не преследовал никаких экономических целей, связанных с применением эффекта трансформации напряжения электрического тока. Первым на эту сторону дела обратил внимание Голард, который оценил эту особенность индукционных катушек и для реализации своего изобретения вошел в компанию с банкиром Гиббсом. На Туринской выставке в

Рис. 11.8. Трансформатор фирмы «Ганц и К°»

 

1884 году был впервые представленвторичный генераторГоларда–Гиббса (рис. 11.7), состоящий из вертикальных установленных попарно индукционных катушек. В зависимости от требуемого уровня напряжения как первичные, так и вторичные катушки соединялись по соответствующей схеме. Дополнительное регулирование напряжения осуществлялось с помощью железных сердечников катушек, которые для этого вдвигались в катушки на требуемую глубину.

В зависимости от различного положения железных сердечников катушек изменялось и значение индукции, а следовательно, и электродвижущей силы во вторичных катушках. Изобретение не было лишено множества недостатков. В частности, при вертикальном расположении индукционных катушек в виде столбов линии сил первичной катушки замыкались от северного полюса к южному по длинному пути через воздух, что значительно снижало эффективность трансформации и увеличивало потери.

Изобретенный Голардом вторичный генератор размещался в местах потребления тока и был предназначен для понижения переменного тока опасного высокого напряжения до более низкого безопасного уровня. Изобретение Голарда представляло собой начальный пункт развития систем трансформации переменного тока, без которых не было бы возможно дальнейшее совершенствование систем передачи и распределения электрической энергии.

Рис. 11.9. Трансформатор компании Вестингауза

Дальнейшим совершенствованием систем трансформации электрической энергии занялись электротехники фирмы «Ганц и К°», снабдив свой трансформатор (рис. 11.8) железным сердечником в форме кольца, так что силовые линии проходили только по железу. Кроме того, первичная и вторичная обмотки были расположены на железном тороидальном сердечнике так, что потери тока при трансформации были минимальны.

В отличие от компании Эдисона американское общество Вестингауза первым взялось за внедрение системы Голарда, привилегию на которую оно приобрело. Электротехник этого общества Стенли построил оригинальный трансформатор, состоящий из двух плоских катушек. Сердечник трансформатора состоял из тонких железных пластинок, вырезанных в форме буквыЕи вставленных в катушку попеременно то с одной, то с другой стороны (рис. 11.9). Железная оболочка катушек помещалась между железными рамами, стягиваемыми длинными железными штырями. Такая конструкция трансформатора, впоследствии усовершенствованная и видоизмененная, еще долгое время использовалась в электротехнике.

Современный трансформатор переменного тока

 

Урок 12. преобразование и передача электроэнергии — Естествознание — 11 класс

Естествознание, 11 класс

Урок 12. Преобразование и передача электроэнергии

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме:

  • Какие способы передачи энергии на расстояние существуют?
  • Чем обусловлены потери энергии при передаче?
  • Чем выгоден каждый способ передачи электроэнергии?
  • Как уменьшить потери при передаче электроэнергии?

Глоссарий по теме:

Электромагни́тная инду́кция — явление возникновения электрического тока, электрического поля или электрической поляризации при изменении во времени магнитного поля или при движении материальной среды в магнитном поле.

Правило Ленца: индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать причине, его вызывающей.

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея).

Какова бы ни была причина изменения магнитного потока, охватываемого замкнутым проводящим контуром, возникающая в контуре Э.Д.С. индукции определяется формулой:

Первичной обмоткой называется та, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока. Вторичная обмотка – обмотка, которая служит источником питания для потребителя. Обычно первичную обмотку обозначают индексом 1, а вторичную – индексом 2.

Трансформатор (от лат.transformare — «превращать, преобразовывать») — статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Обязательная литература:

  1. Александров, А. П. Атомная энергетика и научно-технический прогресс / А.П. Александров. — М.: Наука, 2015. — 272 c.
  2. Арутюнян, А. А. Основы энергосбережения / А.А. Арутюнян. — М.: Энергосервис, 2016. — 600 c.
  3. Демидов, В. И. Тепла Вам и света / В.И. Демидов. — М.: Лицей, 2009. — 254 c.

Дополнительные источники:

  1. https://moiinstrumenty. ru/elektro/obmotka-transformatora.html
  2. Якобсон, И.А. Испытания переключающих устройств силовых трансформаторов / И.А. Якобсон. — М.: Наука, 2006. — 56 c

Теоретический материал для самостоятельного изучения

В современном мире трудно представить себе даже несколько минут без электричества. Многие жизненно важные приборы, а также бытовая техника потребляют электроэнергию. Проблема передачи электроэнергии на различные расстояния: от маленьких деревень до многомиллионных городов до сих пор остается актуальной. Как это осуществить с минимальными потерями и наиболее эффективно?

Развитие цивилизации и научно-технический прогресс, связанный с использованием двигателей, потребовал решения не только задач производства энергии, но также задачи передачи энергии на расстояние. С давних пор известно два способа передачи топлива для двигателей: транспортный и более экономичный – трубопроводный, применяемые до сих пор. Но самый эффективный способ – по проводам. Французский физик М. Депре построил первую линию электропередачи в 1880 г. Однако, и этот способ не позволяет избежать потерь, связанных с нагревом подводящих проводов.

При простейшем способе передачи, когда источник электроэнергии (электрогенератор) связан проводами с потребителем, процесс передачи можно изобразить схемой, приведенной на Рис. 1

Рис.1

Обозначая полезную потребляемую мощность (мощность на нагрузке) через Wн, а паразитную мощность, идущую на нагревание проводов через Wп, получим для них выражения:

Wн = I2Rн

Wп = I2Rп

Из этих формул видно, что отношение мощностей равно отношению сопротивлений.

Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из алюминия или меди и достаточно толстыми.

Уменьшить потери энергии в проводах по сравнению с энергией, которую нужно передать, можно, если уменьшить ток, текущий в проводах, по сравнению с током, который течет в приборах потребителя. Сделать это позволяет трансформатор, принцип действия которого основан на взаимопреобразовании электрического и магнитного полей. Трансформатор, история применения которого насчитывает почти полтора века, все это время служит человечеству верой и правдой. Его назначение — преобразование напряжения переменного тока. Это одно из немногих устройств, КПД которого может достигать почти 100%.

Самый простой трансформатор — это сердечник из ферромагнитного материала с большой магнитной проницаемостью (например, из электротехнической стали) и две намотанных на него обмотки (рис. 2). При пропускании через первичную обмотку переменного тока силой I1 в сердечнике возникает меняющийся магнитный поток Ф, которым пронизывается как первичная, так и вторичная обмотка.

В каждом из витков этих обмоток находится одинаковая по численному значению ЭДС индукции. Таким образом, отношения ЭДС в обмотках и витков в них одинаковы. На холостом ходу (I2 = 0) напряжения на обмотках практически равны ЭДС индукции в них, следовательно, для напряжений также выполняется соотношение:

U1 / U2 ≈ N1 / N2, где

N1 и N2 — число витков в обмотках.

Отношение U1 / U2 называют еще коэффициентом трансформации (k). Если U1 < U2, трансформатор называют повышающим, при U1 > U2 — понижающим (рис 2). У первого трансформатора коэффициент трансформации больше, а у второго — меньше единицы. Поскольку КПД трансформатора близок к 100%, мощность в цепи первичной обмотки приблизительно равна мощности в цепи вторичной обмотки:

U1I1=U2I2

Следовательно, ток во вторичной обмотке меньше, чем ток в цепи потребителя. Так как потери на нагрев проводов в линии электропередачи пропорциональны , уменьшение тока в проводах линии электропередачи позволяет уменьшить потери энергии.

Один и тот же трансформатор, в зависимости от того к которой обмотке прикладывается, а с какой снимается напряжение, может быть как повышающим, так и понижающим.

Рис 2. Повышающий трансформатор (k < 1)

Рис 3. Понижающий трансформатор (k > 1)

При U2>>U1, U2>>U3 и, соответственно, I2<<I1, I2<<I3 потери электроэнергии на нагрев проводов значительно уменьшаются.

Но и трансформаторы не идеальные устройства. Реальные трансформаторы, работающие в системе передачи электроэнергии достаточно сложны и внутри их помимо полезного, возникают и вредные токи, снижающие эффективность передачи.

Поэтому не прекращаются поиски усовершенствования выработки и передачи электроэнергии.

Рис.4 Устройство трансформатора

Рис.5. Сверхпроводники

Выводы:

  • Передача энергии на расстояние в виде электроэнергии является в настоящее время наиболее удобным и дешевым способом передачи энергии.
  • Использование трансформаторов и увеличение напряжения в проводах линий электропередачи, позволяет существенно снизить потери энергии при передаче электроэнергии.
  • Ученые постоянно работают над проблемой сбережения энергии при ее передаче, например, использование сверхпроводников. Но многие проекты находятся еще на стадии разработки.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Задание 1: Подчеркните правильные ответы: «Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно __________. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из ________ или ее сплавов и достаточно_________».

Варианты ответов: больше, меньше, стали, меди, толстыми, тонкими.

Правильный вариант: Чтобы уменьшить потери сопротивление подводящих проводов стараются сделать как можно меньше. Провода делают из хорошо проводящего материала – в основном из меди или ее сплавов и достаточно толстыми.

Задание 2: Решите кроссворд.

По горизонтали
2
. статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты, называют.

3. обмотка, на которую подается исходное напряжение от какого-либо источника переменного тока.

По вертикали
1.обмотка, которая служит источником питания для потребителя.

Правильный вариант:

Пять шагов к цифровизации энергетики

Цифровизация позволит энергетическим предприятиям увеличить доходы на 3–4% в краткосрочной перспективе. Эксперты A.T. Kearney рассказывают, как компаниям подготовиться к переменам уже сейчас

Три главных тренда в энергетической отрасли заключаются в следующем.

1. Увеличение динамики рынка

  • Как будут изменяться цены на электроэнергию и какая ожидается волатильность?
  • Какая стратегия подойдет с учетом изменяющихся ожиданий потребителей и новой демографической структуры?
  • Какие элементы будущей цепочки создания стоимости в отрасли будут приносить наибольшую выгоду акционерам?
2.  Внедрение новых технологий
  • Каким будет переход от централизованной к децентрализованной структуре отрасли?
  • Какие организационные и культурные изменения обеспечат получение максимального эффекта от новых технологий?
  • Какая стратегия использования новых технологий позволит превзойти конкурентов (например, фокус на возобновляемых источниках энергии или электротранспорте)?
3. Государственное регулирование отрасли
  • Какие стратегии позволят в нужной степени учесть более строгий контроль за качеством состояния активов и надежностью энергосетей?
  • Что делать, чтобы повысить операционную эффективность при снижении тарифов?
  • В чем отличия в подходах к управлению бизнесом при регулируемых и нерегулируемых тарифах?

Что значит цифровизация для энергетического сектора

Энергетический сектор находится на пороге одной из самых значительных технологических трансформаций с 1880 года. Тогда компания Edison Electric Light Company открыла секрет производства практичной и доступной лампочки — с нитью накаливания из обугленной стружки японского бамбука. В течение нескольких лет после этого газовые лампы освещения стали устаревшей технологией.

Бизнес-модели будут выстраиваться вокруг инновационных технологий, в том числе технологий децентрализованной генерации энергии, таких как виртуальные электростанции и хранилища энергии. В условиях повсеместной электрификации и «энергетического перехода» (структурного изменения энергетической отрасли) предприятия энергетического сектора, в том числе традиционные коммунальные предприятия, будут постепенно отказываться от создания масштабной инфраструктуры. В скором времени регулирование отрасли по новым технологиям — субсидирование возобновляемой электроэнергии, требования по интеллектуальным системам учета — должно смягчиться.

Широкая автоматизация и продвинутая аналитика станут основой управления цепочкой создания стоимости. На автоматизированных производствах будут установлены многочисленные сенсоры — от «умных» распределительных сетей до устройств и услуг для конечных пользователей. Лидеры отрасли станут собирать аналитические данные — от системы в целом до конкретного потребителя — и будут скорее «надежными советниками» в области энергетики, чем просто менеджерами активов или внешними поставщиками. Это все позволит обеспечивать целевые показатели надзорных органов и предоставлять качественные услуги.

В краткосрочной перспективе цифровая трансформация может увеличить доходы компании в отрасли на 4% в год. Основной рост доходов — в генерации и распределении — достигается за счет использования не анализируемых в настоящий момент данных, автоматизации процессов и точечного внедрения цифровых решений. К 2025 году цепочка создания стоимости в энергетической отрасли будет децентрализована, а перечень предлагаемых продуктов и услуг расширится. В более долгосрочной перспективе появятся персонализированные решения, а также возможность объединения существующих продуктов и услуг с продуктами и услугами из других отраслей.

Приоритеты цифровой трансформации в энергетике

Из-за сложности и фрагментарности тех систем, которые должны быть выстроены в рамках цифровой трансформации, наиболее продвинутые компании фокусируются на достижении «быстрых побед» — получении ощутимого результата в краткосрочной перспективе. В результате мобилизация всей компании дает необходимый толчок для запуска более долгосрочных инициатив.

При проведении цифровой трансформации в энергетике работа ведется по трем направлениям.

1. Цифровизация текущей операционной модели

Сфокусируйтесь на «быстрых победах», например выявлении процессов, где есть наибольший потенциал для сокращения затрат и улучшения потребительского опыта. Наиболее продвинутые компании переосмысливают или создают с нуля процессы бэк-офиса, чтобы реализовать потенциал роботизации. Приоритетные области могут включать следующие решения:

  • роботизированная автоматизация процессов,
  • цифровизация внутренних интерфейсов («стыков») и взаимодействия с потребителем,
  • повышение доступности данных и их использование при принятии решений,
  • цифровизация инструментов управления персоналом,
  • обновление ИT-инфраструктуры.

Помимо автоматизации текущих процессов или выстраивания многоканальной системы коммуникации с потребителем, цифровизация предполагает глубокую перестройку системы внутренних процессов организации — от сокращения количества шагов и страниц документации до автоматизации принятия решений. В распределении электроэнергии первыми кандидатами для цифровой трансформации выступают процессы, которые предполагают большое число повторяющихся действий: подключение новых потребителей, обслуживание сети, управление инвестициями, данными по оборудованию, потерями.

2. Использование продвинутой аналитики

У компании должен быть план по «очистке» и стандартизации данных, собираемых из множества источников. Источники и модели данных должны быть взаимоувязаны друг с другом, а ответственность за поддержание систем сбора и хранения закреплена внутри организации — с наличием CDO (Chief Data Officer) и ответственными сотрудниками в подразделениях. Кроме того, необходимо наращивать компетенции сотрудников в использовании продвинутой аналитики, потому что внедрение технологий, например «умных» счетчиков, значительно увеличивает количество данных по сравнению с ручным сбором, а глубокий анализ этих данных не может быть проведен с использованием стандартных инструментов (например, Excel-таблицы).

3. Изучение новых технологий

Управляйте обширным портфелем проектов. Запускайте пилотные проекты и отслеживайте развитие технологии, анализируя затраты и выгоды, оценивайте готовность технологических решений и вводите их в промышленную эксплуатацию. Энергетическим компаниям также следует сотрудничать с игроками в сфере финансов, электронной коммерции и телекоммуникаций, чтобы расширять собственный портфель продуктов и источников дохода. Распространение и развитие технологий зависит от конкретного региона, от наличия поддержки со стороны государства и готовности компании инвестировать. В краткосрочной перспективе внедряемые технологии нацелены на повышение эффективности, а в средне- и долгосрочной перспективе — на повышение потребительской ценности и новых предложениях услуг.

Краткосрочные приоритеты:

  • поддерживать существующую систему и добавить мощности по генерации электроэнергии,
  • продолжать стратегию по управлению активами за счет аналитики больших данных и централизовать дистанционное техобслуживание,
  • обеспечивать стабильность системы в режиме реального времени, автоматизировать и оцифровать процессы,
  • внедрять платформы взаимодействия с потребителем и использовать предиктивную аналитику по потребителям,
  • предлагать продукты для «умного» дома и услуги по энергетическому менеджменту.

Долгосрочные приоритеты:

  • обеспечивать оптимальное распределение электроэнергии по сетям с учетом изменения спроса,
  • использовать большие данные и аналитические мощности суперкомпьютеров для принятия решений,
  • внедрять интеллектуальные энергосистемы и обеспечивать возможность обратной связи от потребителей,
  • предлагать персонализированное обслуживание потребителям, стать для них надежным советником в области энергетики,
  • предлагать широкий ассортимент продуктов для «умного» дома и услуг для различных групп потребителей, строить долгосрочные отношения с потребителями.

Решающий фактор успеха в преобразовании энергетической отрасли — готовность организаций и их сотрудников к освоению инструментов цифровизации и получению цифровой ценности — преимуществ, которые предлагают новые технологии.

Пять шагов к цифровой трансформации

1. Сформируйте видение

Процесс цифровой трансформации начинается сверху — с лидеров организации, которые способны объяснить сотрудникам компании, в чем состоит ощутимое преимущество цифровизации для них. Цифровая трансформация требует более глубоких изменений, чем обыкновенная программа по снижению затрат, поэтому она должна быть интегрирована в корпоративную стратегию и получать соответствующее внимание со стороны руководства. Важно определить, какие направления являются ключевыми, сколько ресурсов компания готова потратить на каждое ключевое направления и насколько широкой будет трансформация. Главное — сохранить гибкость и быстро реагировать на новые технологии. Например, технология блокчейн до недавнего времени ассоциировалась с криптовалютами, а сейчас активно используется в торговле энергоносителями, при обмене информацией в микросетях и между электромобилями, гарантирует защищенный доступ к активам и данным компаний.

2. Разработайте цифровую стратегию и план внедрения

При формировании «дорожной карты» реализации помните, что достижение быстрых результатов поможет мобилизовать организацию и сгладить переход от пилотной фазы к полномасштабному внедрению. Закладывайте достаточно времени для перехода к полному развертыванию — от одного до шести месяцев, в зависимости от выбранной технологии. На этом этапе нужно время, чтобы оценить пилотные программы, собрать ноу-хау и узнать мнение партнеров на рынке, разработать новые операционные модели, стандартизировать деятельность и определить, какие инструменты необходимы для контроля реализации и оценки результатов.

3. Назначьте команду исполнителей

Цифровая трансформация затрагивает все уровни иерархии и все типы процессов, поэтому в программу должна вовлекаться вся организация. Пилоты и проекты запускаются одновременно, чтобы увидеть взаимосвязь между технологиями и выявить потенциальные синергии. При этом многопрофильные команды сосредоточены на интерфейсах и устранении неоптимизированных «стыков». Например, межпроектная команда по работе со SCADA в области распределения электроэнергии должна включать представителей всех отделов организации — от диспетчеров, специалистов по управлению активами и учета до экспертов в области эксплуатации сетей и их обслуживания.

Функция информационно-коммуникационных технологий (ИКТ) — постоянная частью цифровой трансформации, которая играет роль стратегического делового партнера. Сильная ИКТ-группа не только определяет темпы развития инноваций в компании, но и предоставляет экспертную информацию о технологиях, которые поддерживают потребности бизнеса.

4. Развивайте новые компетенции и навыки

Полевые работники должны осваивать мобильные инструменты управления персоналом, совместимые с дополненной реальностью, а также инструменты онлайн-обработки данных и принятия решений. В сфере продаж традиционные клиентские базы данных SAP IS-U все чаще становятся инструментами бэк-офиса и хранения данных, а торговые представители учатся работать с системами управления продажами, которые мотивируют продавцов больше фокусироваться на потребителях.

Для управления изменениями и новыми функциями персонала в некоторых компаниях внедряются дополнительные уровни иерархии технически квалифицированных сотрудников. Таким образом, организационная структура состоит из первого уровня — «традиционных» сотрудников, выполняющих стандартизированные и простые задачи, и второго уровня — сотрудников, способных выполнять более сложные технические операции и задачи.

Применение передовых аналитических инструментов требует появления специалистов по управлению и контролю над данными. Инновационный менеджмент предполагает позиции для менеджеров цифровых проектов — сотрудники на подобных позициях будут действовать как проводники инноваций, постепенно призывая остальных к использованию цифровых технологий, а также демонстрируя преимущества цифровизации.

5. Покупайте или создавайте экосистемы

Одни объекты энергоснабжения инвестируют в создание собственных аналитических инструментов и развитие системы «умных» счетчиков, другие передают эти сферы деятельности на аутсорсинг. Во втором случаем предприятиям необходимо критически оценивать цифровые навыки и возможности своих поставщиков (и даже поставщиков своих поставщиков), чтобы определить, соответствуют ли они будущему цифровому видению компании.

Энергетические компании все чаще сотрудничают со стартапами и технологическими компаниями, чтобы объединить свои усилия для разработки новых продуктов и поиска наиболее современных решений. Совместные предприятия становятся способом получения доступа к ноу-хау и навыкам, которые могут отсутствовать в организации на текущем этапе развития. Кроме того, энергетические предприятия также работают с муниципалитетами, чтобы находить решения в области электротранспорта и «умных» городов.

Будущее электроэнергии: состояние и перспективы цифровой трансформации электросетей в России


В проекте Dig(IT)al рассказываем о технологиях, которые помогут вам заработать. Переходите на цифровую сторону бизнеса.


Цифровизация затрагивает все аспекты электрических сетей: от учёта и мониторинга до автоматизации и полного контроля над всеми процессами. В последние несколько лет мы наблюдали за разными пилотными проектами в этой сфере.  

Главным образом они были  направлены на изучение финансового эффекта (возможной экономии) при внедрении цифровой трансформации на электросетях, а также рисков, связанных с инновациями и их поведением в краткосрочной перспективе. Отдельное внимание — изменениям внутренних процессов и правовому регулированию.

Что препятствует ускоренной цифровизации электросетей

Практика показала, что реализация крупных проектов по цифровой трансформации занимает значительно больше времени, чем ожидалось. Во-первых, их объём был сильно недооценён. Планировалось, что массовое тиражирование пройдёт уже после первых установок, но стало понятно, что технологически воплотить это намного сложнее.

Во-вторых, результаты (окупаемость инвестиций — ROI) в таких проектах чаще всего видны только после завершения процесса цифровой трансформации. При этом есть простые и надёжные варианты, которые порой недооценивают, хотя именно они могут принести эффект быстрее. Подробнее о них расскажу во второй части статьи.

Более того, в ближайшие пять лет в связи с развитием технологий промышленного интернета вещей, искусственного интеллекта, Edge AI, блокчейна возникнут новые вызовы. Эти инновации предлагают новые услуги, которые могут сильно подорвать статус-кво. И это в то время, когда в энергетической сфере уже наблюдаются внутренние проблемы: 

  • снижение уровня энергопотребления, вызванных кризисом;
  • децентрализация производства и потребления энергии в плане ориентации в сторону обеспечения сервисных проектов (центры обработки данных, электромобили), потребление энергии которых отличается от промышленных объектов;
  • правовые и рыночные изменения, вызванные внедрением и развитием на территории страны возобновляемых источников энергии. 

Поэтому перед полномасштабной цифровизацией электрических сетей сначала важно восстановить равновесие внутри сектора.

Как продвигается цифровизация электросетевого комплекса

Россия сегодня является одним из лидеров цифровой трансформации. Но всегда полезно изучать опыт других стран, где немного иная структура сети, источники и сами причины, вызвавшие стремительные темпы цифровизации электросетевого комплекса. 

В Европе драйвером для преобразований стали стареющие сети и тотальное влияние возобновляемых источников энергии. Так, Великобритания, чтобы избежать полного коллапса в энергоснабжении, была вынуждена обеспечить трансформацию электросетей с помощью автоматической системы управления сетями во всех регионах страны и даже на межсетевых соединениях.

Что касается SLA(англ. Service Level Agreement – соглашение об уровне сервиса) в области электроэнергетики, то в России уже есть большой прогресс. Как сообщил министр энергетики РФ Александр Новак, внедрение инноваций в электросетевом комплексе позволило достичь положительных результатов с точки зрения показателей надёжности: среднее по стране время обесточивания потребителей снизилось на 30 минут и составляет час.  

Москва уже сейчас является одним из лучших городов в мире по длине и частоте отключения электроэнергии — менее 30 минут в год. Однако и этот порог можно снизить, но потребуются большие инвестиции.

Более того, мы видим, что в большей части столицы эта тенденция ухудшается из-за старения сети, нехватки финансирования и инвестиционных возможностей сетевых операторов и возобновляемых источников энергии. 

В качестве примера эффекта от цифровизации электросетевого комплекса в регионах России отмечу пилотный проект АО «Янтарьэнерго» в Калининграде. Благодаря внедрённым инновациям им удалось рекордно повысить отслеживаемость, управляемость и, как следствие, эффективность работы электрических сетей, которые по основным параметрам превышают многие мировые аналоги. 

Уверен, что реализация подобных проектов на территории всей страны сделает Россию одним из лучших мест в мире по показателям SLA в области электроэнергетики.  

Какие перспективы открывает внедрение «умных» электросетей

В целом пилотные проекты по цифровой трансформации электрических сетей могут быть двух типов.

Одни могут быть направлены на увеличение контроля и автоматизации внутренней критической инфраструктуры с помощью высокоскоростных решений. Учитывая, что стоимость отключений критична, устранение этой проблемы положительно скажется на потребителях электроэнергии.  Пример такого проекта — цифровые подстанции. 

Другие могут быть направлены на повышение видимости данных по некритической инфраструктуре с использованием Lean-технологии (технологии с небольшим объёмом данных и чуть большей задержкой, но более простой и реалистичной). Стоимость автоматизации для некритической инфраструктуры не повлияет на рентабельность инвестиций, но даст необходимый минимум информации (состояние электричества, открытие дверей, температура, влажность, расход запчастей, ресурсы оборудования и т. п.). 

Каждые в отдельности эти данные не имеют большой ценности, но, если их агрегировать на уровне сети (аккумулировать информацию с миллионов устройств), эти сведения помогут лучше управлять ею и выявлять факторы снижения затрат: от сокращения времени реакции в случае инцидента и затрат на техническое обслуживание до оптимизации планирования капитальных вложений для непрофильных видов деятельности и повышения пропускной способности. Например, технология LPWAN позволяет контролировать открытие/закрытие дверей, проводить различные измерения и т.п. 


Такие простые преобразования, если они будут хорошо скоординированы между собой и будет правильно определена стоимость данных, могут принести российскому энергетическому сектору большую экономию. Однако, чтобы выбрать лучший вариант, придётся пойти на компромисс в разных вопросах. Например, будет ли идти речь о внутренних или облачных решениях, о небольших данных или данных, поступающих в режиме реального времени, и т. п. 

В любом случае цифровые технологии в электросетевом комплексе, который обеспечивает государство, общество и бизнес важнейшим ресурсом, уже стали неотъемлемой составляющей и гарантом стабильного будущего.

Фото на обложке: vectorfusionart/Shutterstock.com

Совместная работа. В направлении цифровой трансформации — Энергетика и промышленность России — № 24 (404) декабрь 2020 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 24 (404) декабрь 2020 года

Преобразование энергетической инфраструктуры

«Цифровая трансформация — это не просто глобальный тренд, а условие устойчивого и конкурентного развития в современном мире, — выразил уверенность председатель Комитета по энергетике Госдумы Павел Завальный в ходе расширенного совместного заседания двух секций экспертного совета при Комитете на тему «Ассоциация «Цифровая энергетика» как отраслевой центр компетенций цифровой трансформации электроэнергетики».

Ее цель  — преобразование энергетической инфраструктуры России, системное внедрение цифровых технологий и платформенных решений для повышения эффективности и безопасности ее работы.
Сегодня всем участникам отрасли становится ясно, что драйвером этой трансформации должны быть компании, а роль государства состоит в создании благоприятных условий для развития уже формирующихся бизнес-моделей и поддержке инициатив.

В процессе цифровой трансформации компании осваивают цифровые технологии, и многие преуспевают в этом процессе. Тем не менее все участники отрасли признают, что отсутствие комплексного подхода и межотраслевого диалога тормозит его. Ассоциация «Цифровая энергетика», созданная в июле 2019 года ведущими компаниями отрасли, может стать отраслевым центром компетенций в области цифровой трансформации электроэнергетики. Ее задача — всестороннее содействие в создании среды для развития цифровых технологий и внедрения их в компаниях отрасли».

Отдельная задача — скорейшее и полное внедрение интеллектуальных систем учета энергоресурсов. И конечно, ключевое значение имеют обеспечение информационной безопасности, импортозамещение, предотвращение и отражение кибератак на критическую информационную и энергетическую инфраструктуру. Ассоциация «Цифровая энергетика» — хорошая площадка для внедрения всех этих решений, сотрудничества органов власти и компаний отрасли.

Директор департамента информационного обеспечения и цифровой трансформации ТЭК Минэнерго Даниил Сорокин отметил, что прорыв в повышении эффективности и конкурентоспособности энергетики невозможен без масштабной и комплексной цифровизации. Однако скорость достижения результата и его качество зависят от совместных усилий компаний ТЭКа и государства, в том числе в части разработки нормативных документов. Совместная проработка нормативного регулирования на площадке Ассоциации, объединяющей компании отрасли, позволяет быстро реагировать на развитие технологий, идущее семимильными шагами, устранять административные барьеры к их внедрению, обеспечивая при этом безопасность и защищенность процессов и данных.

Приоритетные направления

Четыре наиболее приоритетных для технологической инфраструктуры электроэнергетики направления в цифровой трансформации отрасли отметил заместитель председателя правления АО «СО ЕЭС» Федор Опадчий.

Первое — это технологии удаленного воздействия: от сбора данных (телеметрия, синхронизированные векторные измерения, регистрация аварийных событий и процессов и др.) до дистанционного управления оборудованием энергообъектов.

Второе направление — управление распределенными ресурсами (например, агрегаторы спроса). Третье — интеллектуальные решения для более эффективного использования существующей энергетической инфраструктуры (система мониторинга запасов устойчивости, система мониторинга переходных режимов, централизованная система противоаварийной автоматики, автоматизированная система мониторинга устройств релейной защиты и автоматики и др.).

Четвертое приоритетное направление связано со стандартизацией. Стандарты дают основу для выработки общих правил и принципов применения цифровых технологий, что позволяет унифицировать подходы к реализации проектов цифровой трансформации.

Федор Опадчий отметил, что для достижения общесистемного эффекта от цифровизации необходима координация деятельности энергокомпаний в этой сфере, а проекты, направленные на цифровизацию, должны быть синхронизированы и взаимоувязаны между собой.

«Ассоциация «Цифровая энергетика» выполняет важную роль координации сквозных процессов цифровой трансформации между различными организациями электроэнергетики», — подчеркнул Федор Опадчий.

Система должна быть гибкой

Быстрая смена технологий сегодня формирует новые сценарии в энергоснабжении, — отметил директор Ассоциации «Цифровая энергетика», генеральный директор АО «НоваВинд» Александр Корчагин. — Поведение потребителей существенно изменяется, пиковые и базовые нагрузки буквально меняются местами, что требует большей гибкости от всей системы энергообеспечения.

«Без цифровизации всех процессов добиться этого невозможно», — уверен Александр Корчагин.

Кроме того, по его мнению, сегодня схожие процессы цифровой трансформации происходят не только в энергетике, но и в других отраслях: транспорте, промышленности. Поэтому необходима гармонизация и взаимоувязка отраслевых стратегий и планов в части цифровой трансформации. Ассоциация призвана стать площадкой для этой работы.

И конечно, одна из важнейших задач, стоящих перед ней, — концептуальное оформление новых бизнес-моделей в энергетике, разработка и предложение опережающих моделей регулирования и саморегулирования отрасли.

Основные задачи

Среди основных задач, стоящих перед компаниями отрасли и Ассоциацией, — развитие цифровой инфраструктуры, достижение технологического лидерства, обеспечение безопасности и надежности на всех этапах производства, транспортировки и сбыта электроэнергии и создание благоприятной среды, в том числе инвестиционной. Так председатель правления Ассоциации «Цифровая энергетика», заместитель генерального директора ПАО «Интер РАО» Тамара Меребашвили представила направления развития Ассоциации, созданные совместными усилиями входящих в нее компаний. По мнению участников Ассоциации, основными ее чертами станут высокая конкурентность, появление новых цифровых услуг, новых бизнес-моделей, снижение гоасударственного регулирования в пользу рыночного и саморегулирования.

Рамочные условия для реализации этих задач должны создавать государство и институты развития. Без сомнения, это потребует совершенствования нормативной базы ТЭКа.

Среди основных инструментов цифровой трансформации электроэнергетики, по мнению Ассоциации: интеллектуализация систем учета электроэнергии, цифровизация взаимодействия с потребителями, создание новых потребительских сервисов. Результатом должны стать повышение качества обслуживания потребителей, уровня безопасности, эффективности и экологичности производства, транспортировки и сбыта электроэнергии, повышение прозрачности ценообразования, снижение коррупции.

Ожидается плавная трансформация электроэнергетического сектора в сторону большей либерализации и диверсификации рынка с одновременным сохранением централизованной системы управления и традиционных источников в энергетическом балансе.

Для текущего состояния электроэнергетики в РФ характерны тарифное регулирование, фокус на базовые продукты (электроэнергия, мощность), запуск пилотных проектов с новыми бизнес-моделями. А также то, что на рынке сбыта электроэнергии представлены в основном гарантирующие поставщики.

Целевое состояние электроэнергетики на 2030 год предполагает высококонкурентный рынок сбыта, когда у потребителей есть большой выбор поставщиков. фокус на развитие новых услуг в электроэнергетике, большое число различных инновационных бизнес-моделей и постепенное снижение уровня тарифного регулирования.

трансформация электрической энергии — это… Что такое трансформация электрической энергии?

трансформация электрической энергии
transformation of electrical energy

Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.

  • трансформация спектральная
  • трансформизм

Смотреть что такое «трансформация электрической энергии» в других словарях:

  • трансформация электрической энергии — — [Я. Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN transformation of electricity …   Справочник технического переводчика

  • Трансформатор — У этого термина существуют и другие значения, см. Трансформатор (значения). Трансформатор силовой ОСМ 0,16 Однофазный сухой многоцелевого назначения мощностью 0.16 кВт …   Википедия

  • Физика — 1) Ф. и ее задачи. 2) Методы Ф. 3) Гипотезы и теории. 4) Роль механики и математики в Ф. 5) Основные гипотезы Ф.; вещество и его строение. 6) Кинетическая теория вещества. 7) Действие на расстоянии. 8) Эфир. 9) Энергия. 10) Механические картины,… …   Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона

  • Биоэнергетика — I Биоэнергетика совокупность процессов превращения энергии, которые происходят в организме и обеспечивают его жизнедеятельность. Изучение биоэнергетических процессов имеет большое значение для медицины, т. к. большинство заболеваний человека так… …   Медицинская энциклопедия

  • Заречный (Пензенская область) — Город Заречный Флаг Герб …   Википедия

  • Импульсный трансформатор — (ИТ) трансформатор, предназначенный для преобразования тока и напряжения импульсных сигналов с минимальным искажением исходной формы импульса на выходе. Содержание 1 Описание 2 Эквивалентные схемы …   Википедия

  • ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ РЕЗОНАНС — явление раскачки колебаний при периодич. изменении параметров тех элементов колебат. системы, в к рых сосредоточивается энергия колебаний (реактивные или энергоёмкие параметры). П. р. возможен в колебат. системах различной физ. природы. Напр., в… …   Физическая энциклопедия

  • Бактерии — Кишечная палочка (Escherichia coli) …   Википедия

  • Эубактерии — ? Бактерии Escherichia coli Научная классификация Надцарство: Прокариоты Царство …   Википедия

  • Устойчивый транспорт — Общественный транспорт, доставка грузов, личный транспорт и пешеходы на улице Лейдсестраат, Амстердам Устойчивый транспорт (или зелёный транспорт)  это любой сп …   Википедия

  • Ходьба человека — Сюда перенаправляется запрос «Прямохождение». На эту тему нужна отдельная статья. Ходьба человека наиболее естественная локомоция человека. Автоматизированный двигательный акт, осуществляющийся в результате сложной координированной деятельности… …   Википедия

Глава Системного оператора представил участникам ПМЭФ-2021 глобальные тренды трансформации энергосистем

4 июня в рамках Петербургского международного экономического форума прошла сессия «Мировая электроэнергетика нового времени: вызовы и возможности», на которой Председатель Правления АО «СО ЕЭС» Федор Опадчий представил доклад о ключевых мировых тенденциях трансформации энергосистем.

В дискуссии приняли участие Министр энергетики Российской Федерации Николай Шульгинов и руководители крупнейших энергетических компаний и профессиональных объединений.

В своем выступлении Федор Опадчий отметил, что в последние годы глобальный энергетический ландшафт переживает фазу глубоких преобразований. Изменения в основном связаны с растущим вниманием к проблемам окружающей среды, целями по декарбонизации всех секторов энергетики, значимыми технологическими изменениями на стороне потребителей в связи с глубокой автоматизацией и цифровизацией их технологических процессов.

Глава российского системного оператора поделился с участниками ПМЭФ-2021 пониманием роли больших энергосистем в новых условиях, сформированным в Ассоциации GO15 – профессиональном сообществе системных операторов, управляющих крупнейшими мировыми энергосистемами. Ассоциация объединяет системных операторов разных стран, управляющих в совокупности 75 % производимой в мире электроэнергии. В 2020 году участниками GO15 проведена совместная работа и подготовлен документ «белая книга», описывающий ви́дение дальнейшего развития крупных энергосистем в изменяющихся условиях.

«Большие энергосистемы продолжат свое развитие. Позиция по вопросу, является ли распределенная генерация альтернативой крупным энергосистемам, однозначна – нет, не является, — подчеркнул Федор Опадчий. – Напротив, развитие распределенной генерации и ВИЭ потребует дальнейшего развития и совершенствования больших энергосистем, поскольку только они способны наиболее эффективно решать ключевые задачи надежности и безопасности энергоснабжения потребителей, поддерживать качество электроэнергии, а также за счет конкурентных рыночных механизмов обеспечивать максимальную экономическую эффективность производства электроэнергии».

Одной из важнейших задач интеграции ВИЭ в энергосистемы, считают участники GO15, является продолжение развития системообразующей сети. Для многих стран необходимость передачи электроэнергии от крупных объектов ВИЭ к центрам питания уже стала основным драйвером развития сетевого комплекса.

Трансформации сетевого комплекса требует и изменение статуса потребителей, которые становятся все более активными участниками энергорынков. Потребители с собственной генерацией, накопителями готовы не только изменять собственное потребление по запросу энергосистемы, но и выдавать электроэнергию в сеть. Обеспечение такой возможности требует масштабной перестройки на уровне распределительных сетей.

Еще одним трендом развития больших энергосистем является участие потребителей в предоставлении дополнительных сервисов, востребованных большой энергосистемой. В частности, ресурсов управления спросом, регулирования напряжения и частоты. «Необходимо развивать организационные и технические инструменты, позволяющие агрегировать в большую энергосистему ресурсы сотен и тысяч конечных потребителей, которые они готовы добровольно  предложить на рыночных условиях», — отметил Федор Опадчий. В качестве примера он привел пилотный проект Системного оператора по внедрению механизма управления спросом на электроэнергию. «К настоящему моменту в балансировании спроса и предложения на оптовом рынке участвует уже более 300 конечных потребителей общим объемом 750 МВт, что сопоставимо с регулировочным диапазоном нескольких крупных блоков ГРЭС. Таким образом, создан новый рыночный механизм, позволяющий потребителям конкурировать с генераций в секторе оптового рынка, ранее являвшегося исключительно сектором конкуренции поставщиков», – подчеркнул Председатель Правления АО «СО ЕЭС».

Важной задачей, стоящей перед отраслевыми регуляторами государств, в энергосистемах которых значимую долю занимает ВИЭ-генерация, имеющая, как известно, условно нулевую стоимость производства киловатт-часа, является корректировка традиционных моделей рынков электроэнергии и мощности. ВИЭ снижает спрос на электроэнергию, вырабатываемую традиционной генерацией и соответственно ее доход на оптовом рынке, при этом востребованность предоставляемых традиционной генерацией ресурсов поддержания надежности – регулирование частоты, напряжения, перетоков мощности не только не снижается, а существенно возрастает с увеличением доли ВИЭ в энергосистеме. Модели рынка должны быть адаптированы для корректной оценки таких ресурсов.

Преобразование энергии — Банк знаний

Диаграмма, показывающая, как разные формы энергии могут быть преобразованы в другую форму энергии.

Преобразование энергии: передача и преобразование

Передача энергии — это перемещение энергии из одного места в другое . Например, когда электричество проходит от сетевой розетки через зарядное устройство к батарее.

Преобразование энергии — это когда энергии переходит из одной формы в другую — как в плотине гидроэлектростанции, которая преобразует кинетическую энергию воды в электрическую.

Хотя энергия может передаваться или преобразовываться, общее количество энергии не изменяется — это называется энергосбережения .

Электрическая энергия передается из настенной розетки по кабелю и накапливается в батарее телефона до тех пор, пока не будет использована.

Что такое передача энергии?

Передача энергии относится к перемещению энергии из одного места в другое. Подумайте об электричестве, которое течет из сетевой розетки, затем проходит через зарядное устройство и попадает в аккумулятор. Энергия передается от розетки к батарее.

Что такое преобразование энергии?

Один вид энергии может превращаться в другой вид энергии.Преобразование энергии означает изменение энергии от одного типа к другому, например от кинетической энергии к электрической энергии или от потенциальной энергии к кинетической энергии.

Какие примеры преобразования энергии?

Вот несколько способов, которыми энергия может изменяться (трансформироваться) из одного типа в другой:

Солнце преобразует ядерную энергию в тепловую и световую энергию

Наши тела преобразуют химическую энергию пищи в механическую энергию, необходимую нам для движения

Электрический вентилятор преобразует электрическую энергию в кинетическую

Lightning преобразует электрическую энергию в световую, тепловую и звуковую

Что такое энергосбережение?

Есть много разных типов энергии, включая кинетическую, потенциальную, гравитационную и электрическую.

Энергия может передаваться (перемещаться из одного места в другое), и она может изменяться (трансформироваться) из одного типа в другой, но общее количество энергии всегда сохраняется, то есть остается неизменным.

Солнце, источник солнечной энергии, передает тепловую (тепловую) и световую энергию людям, животным и растениям.

Передача энергии — это движение энергии из одного места в другое.

Преобразование энергии — это преобразование энергии из одного вида энергии в другой.

Энергосбережение означает, что общее количество энергии всегда остается неизменным.

Энергия никогда не может быть создана или уничтожена — она ​​может только переходить из одной формы в другую.

Когда топливо сгорает, горячий газ вырывается из ракеты из-за большого тепла и давления, создаваемых выделением химической энергии при горении.

Передача энергии — это движение энергии из одного места в другое. Преобразование энергии — это когда энергия переходит от одного типа к другому. Хотя энергия может передаваться или преобразовываться, общая энергия всегда остается неизменной.

Преобразование энергии — Science NetLinks

Назначение

Изучить, как электрическая энергия может быть произведена из различных источников энергии, а затем преобразована почти в любую другую форму энергии.


Контекст

Этот урок является частью проекта «Энергия в мире высоких технологий», который исследует науку, лежащую в основе энергетики. Энергия в мире высоких технологий разрабатывается AAAS и финансируется Американским институтом нефти.Для получения дополнительных уроков, занятий и интерактивных материалов, которые ближе познакомятся с наукой, лежащей в основе энергетики, обязательно посетите страницу проекта «Энергия в мире высоких технологий».

Этот урок познакомит вас с электричеством как потоком электронов. В некоторых случаях электричество может быть потоком положительных зарядов или как положительных, так и отрицательных зарядов. В этом уроке основное внимание будет уделено более типичному определению потока электрического тока, например, потока электронов. Студенты должны иметь некоторые базовые знания об атомах и их структуре.Однако в рамках своих онлайн-чтений студенты будут изучать основы атомной структуры (ядро, протоны, нейтроны, электроны). Таким образом, этот урок дает хорошую возможность прояснить неправильные представления об атомах и убедиться, что все учащиеся понимают основную атомную структуру. Согласно тесту Benchmarks for Science Literacy , учащиеся всех возрастов демонстрируют широкий спектр представлений о природе и поведении частиц. Им не хватает понимания очень маленького размера частиц; приписывать частицам макроскопические свойства; верят, что в пространстве между частицами должно быть что-то; испытывают трудности с пониманием внутреннего движения частиц в твердых телах, жидкостях и газах; и испытывают проблемы с концептуальным представлением сил между частицами.( Benchmarks for Science Literacy , (p. 337).) Это заблуждение важно иметь в виду, говоря об электричестве как потоке электронов. Студенты могут подумать, что электроны находятся в медной проволоке, а не в атомах меди, из которых она состоит. Важно подчеркнуть этот момент среди учащихся, чтобы они развили понимание того, что вещества состоят из атомов, а не из атомов, находящихся в качестве отдельного объекта внутри веществ.

Электричество — это поток заряженных электронов через проводник (например, поперечное сечение провода).Поток этих свободных и движущихся заряженных электронов называется электрическим током.

Электроэнергия вырабатывается за счет преобразования первичных источников энергии, таких как уголь, нефть, природный газ, ядерная энергия и другие природные источники. Сжигание или сжигание этих первичных источников энергии дает энергию в виде тепла, которое преобразуется в электрическую энергию, которая производит ток. Первичные источники энергии, используемые для производства электроэнергии, могут быть возобновляемыми или невозобновляемыми.

Электричество — электрический ток — следует отличать от напряжения и от мощности.Электрический ток — это количество электрического заряда, протекающего по проводнику, и выражается как количество заряда за время. С другой стороны, мощность — это скорость использования энергии или количество затраченной энергии в течение заданной единицы времени. Электроэнергия — это скорость, с которой электрическая энергия преобразуется в другую форму энергии, такую ​​как тепло или свет, или наоборот.

Отношение мощности к току называется напряжением . Напряжение выражает количество энергии, израсходованной на количество электрического заряда.

Затраченная энергия определяется умножением степени на умножения . Таким образом, энергию можно измерить, умножив мощность, израсходованную в киловатт , на время в часа , чтобы получить киловатт-часа . Ваш электросчетчик делает это автоматически.

В средних классах школы учащиеся должны познакомиться с энергией через преобразования энергии. Студенты должны проследить, откуда исходит энергия и откуда она движется, на примерах, которые включают различные формы энергии на пути: тепло, работа, свет, движение объектов, положение объектов, химические и упруго деформированные материалы.Согласно тесту Benchmarks for Science Literacy , в младших классах учащиеся могут не понимать, что такое энергия и ее источники. Еда, бензин и аккумуляторы — все это источники энергии. Когда они используются, содержащаяся в них энергия не исчезает; он превращается в другие формы энергии. Точно так же их материя тоже меняет форму, но не исчезает. С точки зрения того, куда направляется энергия, сложный подход — это подход, при котором учащиеся понимают, что всякий раз, когда какая-то энергия появляется в одном месте, обнаруживается, что она исчезает из другого.На этом этапе студентам не нужно сосредотачиваться на количественном аспекте преобразований энергии. Тем не менее, учащиеся должны уметь отслеживать движение энергии по мере ее преобразования и, таким образом, замечать, что некоторые из них превращаются в тепло и / или работу.

В некоторых ресурсах будет указано, что энергия «теряется» на тепло; однако использование этого термина означает, что мы не знаем, где находится энергия. Яснее говорить об «изменении», чем о «потерях» в преобразованиях энергии.

Работа — сложное понятие.Работа выполняется каждый раз, когда есть движение против некоторой противодействующей силы. Например, когда блок толкают по столу, мы должны работать с блоком, чтобы переместить его, и часть энергии, которую мы вкладываем в усилие, превращается в тепло из-за трения. Работа, которую мы вкладываем, за вычетом энергии, превращенной в тепло, идет на то, чтобы заставить блок двигаться — энергия движения блока.

Подробнее

Мотивация

Начните с демонстрации студентам маятника. Оттяните карабин или груз маятника в сторону так, чтобы он был параллелен столу или земле.Держи это там. Спросите студентов:

  • Здесь, вверху, есть ли у боба запасенная энергия или энергия движения?
    (Имеет запасенную энергию.)
  • Как еще называется эта накопленная энергия?
    (Потенциальная энергия — это еще одно название этой накопленной энергии. Потенциальная энергия исходит от положения боба над землей против земного притяжения.)
  • Почему?
    (Энергия накоплена, и боб еще не двигается.)
  • Что будет с бобом, когда я его отпущу?
    (Боб начнет раскачиваться взад и вперед.)

Освободите боб.

  • Что случилось с потенциальной энергией боба?
    (Он был преобразован в энергию движения.)
  • Как еще называют энергию движения?
    (Кинетическая энергия.)

Снова возьмите боб в сторону и удерживайте.

  • Что случилось с кинетической энергией боба?
    (Он остановился, потому что больше не движется.)
  • Какая энергия сейчас у боба?
    (Обладает потенциальной энергией.)

Удерживайте боб в сторону, но на этот раз в более низком положении (например, под углом 45 градусов). Спросите студентов:

  • Есть ли у боба еще потенциальная энергия?
    (Да)
  • У него меньше или больше потенциальной энергии, чем когда он находится выше?
    (Боб имеет меньшую потенциальную энергию, когда он ниже, чем когда он выше над землей.)

Скажите учащимся, что потенциальная энергия объекта может быть более или менее зависимой от его положения.Предложите им другие примеры, например, американские горки или автомобиль, едущий по инерции с холма. Попросите их подумать, как потенциальная энергия влияет на то, сколько кинетической энергии будет генерироваться, когда объект начнет двигаться. Например, если бы боб был выпущен из более низкой точки, генерируемая кинетическая энергия была бы меньше, поскольку имеется меньшая потенциальная энергия, с которой боб запускается. Это также верно в отношении автомобиля или американских горок на холме. Чем выше положение объекта на холме, тем больше его потенциальная энергия и большая кинетическая энергия будет генерироваться, когда он начнет двигаться.

Повторите студентам, что преобразования энергии могут идти туда и обратно. Потенциальная энергия может стать кинетической, а кинетическая энергия может стать потенциальной.

Теперь попросите учащихся представить себе транспортное средство, например машину или автобус. Спросите их: «Как движется машина?» У студентов могут быть разные ответы, например «ускоритель» или «человек, который им управляет». Поощряйте их, пока они не скажут «бензин». Спросите их:

  • Почему бензин в конечном итоге позволяет машине двигаться?
    (Если вы нажмете на акселератор автомобиля с пустым баком, он не двинется с места.Если человек попытается завести машину без газа, она не заведется. Таким образом, бензин — это в конечном итоге то, что нужно автомобилю.)

Сообщите учащимся, что бензин — это химическое вещество и жидкость. Спросите их: «Как бензин заставляет машину двигаться?» Предложите студентам провести мозговой штурм и направить их к идее о том, что бензин — это форма энергии, которая преобразуется в кинетическую энергию или движение автомобиля.

Когда бензин горит, часть химической энергии в связях, составляющих молекулы бензина, высвобождается, создавая газ под давлением в цилиндрах двигателя.Когда этот газ расширяется, поршни двигаются. Другое название этой энергии — внутренняя энергия. Внутренняя энергия определяется физическим состоянием газа в цилиндрах двигателя.

А теперь спросите студентов:

  • Является ли бензин или движущийся автомобиль примером движущейся энергии?
    (Движущийся автомобиль — пример движущейся энергии.)
  • Как еще называют движущуюся энергию?
    (Кинетическая энергия — другое название.)

Повторите студентам, что внутренняя энергия преобразуется в кинетическую энергию.

Подробнее

Разработка

В этой части урока студенты исследуют, как электрическая энергия может быть произведена из различных источников энергии, а затем преобразована почти в любую другую форму энергии.

Подключите небольшой вентилятор и включите его. Спросите студентов:

  • Движущиеся лопасти этого вентилятора являются примером потенциальной или кинетической энергии?
    (Они являются примером кинетической энергии.)
  • Почему?
    (Лопасти движутся, и энергия движения называется кинетической энергией.)
  • Откуда лезвия получили энергию для движения?
    (Студенты отметят, что вентилятор был включен в розетку.)
  • Какой вид энергии в розетке?
    (Электроэнергия в розетке.)
  • Что происходит с электрической энергией, когда мы включаем вентилятор после того, как он был подключен к розетке?
    (Преобразуется в кинетическую энергию с помощью электродвигателя. Двигатель работает, когда электрический ток проходит через провод в магнитном поле.Проволока поворачивается, и часть электроэнергии превращается в кинетическую энергию.)
  • Что делает вентилятор?
    (Лопасти вентилятора перемещают воздух по комнате. Кинетическая энергия движущихся лопастей действительно способствует перемещению воздуха через лопасти вентилятора.)
  • Вся электрическая энергия, расходуемая в вентиляторе, превращается в работу, которая перемещает воздух? Если нет, что происходит с остальным?
    (Он выделяется в виде тепла. Вентилятор преобразует электрическую энергию в кинетическую энергию, которая действительно работает, и он преобразует часть электрической энергии в тепло.)

Укажите на свет в комнате. Спросите студентов:

  • Какая энергия исходит от лампочки?
    (Студенты должны упомянуть световую энергию. Некоторые могут также упомянуть тепловую энергию из своего прошлого опыта с лампами накаливания.)
  • Лампочка сама по себе не начинает светиться или выделять тепло. Так откуда же берется световая и тепловая энергия?
    (Студенты должны упомянуть, что электричество используется лампочками для выработки световой и тепловой энергии.)
  • Что происходит со световой и тепловой энергией?
    (поглощается лампочкой и молекулами воздуха, в котором она растворяется).

Напишите на доске следующую диаграмму, отражающую энергетические процессы и вентилятора, и света:

Электрическая энергия (электричество) → кинетическая энергия

Электрическая энергия (электричество) → Световая энергия и тепловая энергия

Спросите студентов:

  • Что происходит с электрической энергией в обоих случаях?
    (Преобразуется в другие виды энергии.)
  • Откуда берется электроэнергия?
    (Дайте студентам время поразмышлять над идеями о том, откуда берется электричество. Некоторые могут упомянуть, что электричество вырабатывается или вырабатывается на электростанции.)

Попросите учащихся выполнить первую часть учебной ведомости «Преобразование энергии» с использованием форм энергии. Они могут ответить на вопросы об этом ресурсе в студенческом листе Transforming Energy. Ответы на эти вопросы можно найти в листе учителя «Трансформация энергии».

После того, как ученики проработают материал, еще раз посетите веер и свет, которые были упомянуты в Мотивации. Спросите студентов:

  • Откуда взялась кинетическая энергия лопастей вентилятора?
    (Электричество было преобразовано в кинетическую энергию.)
  • Электроэнергия — вторичный источник энергии. Что это обозначает?
    (Электричество вырабатывается из другого источника энергии и используется для хранения и передачи энергии.)
  • Откуда в США большая часть электроэнергии?
    (Из угля.)
  • Это возобновляемый или невозобновляемый источник энергии?
    (не подлежит возобновлению.)
  • Что значит быть невозобновляемым источником энергии?
    (Источник энергии нельзя заменить, поэтому он доступен в ограниченном количестве.)
  • Мы только что узнали, что электричество — это поток электронов. Что такое электрон?
    (Это одна из основных структур атома, отрицательно заряженная частица, которая движется вокруг ядра.)
  • Какие еще структуры составляют атом?
    (Протоны и нейтроны.)

Попросите учащихся продолжить работу с таблицей «Преобразование энергии». После того, как они заполнили таблицу, покажите учащимся прозрачность производства электроэнергии с помощью обычного сжигания угля. Используя ответы из студенческого листа, просмотрите каждый этап производства электроэнергии на угольных электростанциях. Спросите студентов, какие основные типы энергии используются и какие преобразования энергии происходят на каждом этапе.

Подробнее

Оценка

Чтобы оценить понимание учащимися, попросите их использовать свою учебную таблицу, чтобы прочитать и рассмотреть «Как работает электричество?» интерактивный.Затем они должны ответить на вопросы в своей ученической ведомости.

Задайте студентам эти четыре вопроса, заданные разделом «Тепло, свет и движение» на сайте Технического музея инноваций:

  • Тостер, очевидно, преобразует электрическую энергию в тепловую. Но что заставляет тосты всплывать? (Таймер устанавливается большинством тостеров. Наша энергия толкает хлеб в тостер, обычно с пружинами. Эта энергия преобразуется в потенциальную энергию в пружинах. Когда таймер срабатывает, пружины всплывают, в которых потенциальная энергия преобразуется в кинетическая энергия и звук.)
  • Большинство автомобилей работают на бензине, но у них также есть аккумуляторы. Какой вид энергии имеет автомобильный аккумулятор? Как вы думаете, какие устройства используются для работы в автомобиле от автомобильного аккумулятора? (Батарея представляет собой химическую энергию. Химическая энергия преобразуется в электрическую, а электрическая энергия — в световую и тепловую энергию для фар и звук для радио.)
  • В некоторых печах для приготовления пищи используется электричество, преобразованное в тепловую. Какую энергию используют неэлектрические духовки и плиты? (Неэлектрические плиты и духовки используют энергию газа, химическую энергию.Затем он превращается в тепло.)
  • В какие виды энергии компьютер преобразует электричество? (Свет, звук, движение и тепло.)

Расширения

Урок Science NetLinks «Преобразование энергии» служит отличным введением в этот план урока.


Хорошим продолжением от Science NetLinks является Power Play, в котором студенты исследуют преобразования энергии в процессе создания виртуальных машин.


TESLA for Teachers от PBS предлагает набор из трех уроков по энергии, подходящих для использования в средней школе. Первый вводит потенциальную энергию. Во втором и третьем уроках используются практические методы, чтобы показать, как механическую энергию можно преобразовать в электрическую и наоборот.


Предложите учащимся изучить, как работают электромобили, зайдя в «Руководство для учащихся по автомобилям, работающим на альтернативном топливе». Это даст им понимание того, как различные виды энергии, помимо химической энергии в виде нефти, могут быть использованы для производства кинетической энергии, необходимой для управления транспортным средством.


Студенты могут узнать об основах электрических цепей из Tech Topics: Electricity: Circuits.


Информация о спонсоре
Этот контент был создан при поддержке Американского института нефти.

Отправьте нам отзыв об этом уроке>

Трансформация электроэнергетики: путь к «сетке»

Трансформация электроэнергетики: путь к «сетке»

  • Ричард Стуэби Аффилированный факультет, преподаватель ISE,
    Школа бизнеса Questrom,

Большинство обозревателей электроэнергетической отрасли согласны с тем, что электроэнергетическая компания, как мы узнали, обречена на серьезные изменения, обусловленные требованиями окружающей среды и технологическими достижениями.

Однако, хотя есть определенное согласие относительно того, как будет выглядеть идеальная «полезность будущего», меньше единого мнения относительно темпов или путей перехода от того, что существует сегодня.

Развитие коммунального хозяйства

Через несколько десятилетий в идеальном мире электричество будет в основном, если не полностью, производиться из источников с нулевым выбросом углерода. Чтобы обеспечить устойчивость и компенсировать непостоянство солнечной и ветровой генерации, в электроэнергетическую систему будут добавлены большие объемы накопителей энергии.

Историческая зависимость от электричества, вырабатываемого удаленно на крупных электростанциях и передаваемого на большие расстояния в здания в городах, будет перевернута с ног на голову. Растущая доля электроэнергии будет производиться за счет расширяющегося разнообразия распределенных энергоресурсов (ДЭР), включая фотоэлектрические установки на крышах и другие формы распределенной генерации, а также активы по хранению энергии, в том числе подключенные к сети электромобили, расположенные локально на территории потребителей. Основная энергосистема будет использоваться в основном для межрегионального балансирования.

Реестр Двухдневная программа получения сертификата для руководителей в школе бизнеса Questrom, проводимая Ричардом Стуэби и Питером Фокс-Пеннером: bu.edu/electric

Местное распределительное предприятие перестанет быть простым каналом доставки электроэнергии, вместо этого превратится в координирующую платформу, которая позволяет и поддерживает транзакции между потребителями, некоторые из которых будут продавать избыточную мощность со своих устройств DER в определенное время. В отличие от сегодняшнего дня, когда электричество идет «в одну сторону» — от электростанции по проводам к потребителям, — потоки электроэнергии будут двусторонними и всегда изменяться, что подразумевает растущие потребности в локальном балансировании со стороны оператора распределительной сети.

Для обеспечения устойчивости многие клиенты смогут «изолировать» себя от сети, при необходимости становясь самостоятельными. Это означает, что электрическая распределительная сеть сможет мгновенно разделиться на части и воссоединиться по мере необходимости для устранения сбоев.

Чтобы справиться с этой значительно возросшей степенью операционной и транзакционной сложности, потребуется масштабная реконфигурация систем связи и управления. В дополнение к существующему коллажу устаревших аналоговых подходов к закрытым сетям, оцифровка сети будет происходить путем наложения набора облачных служб оптимизации и управления, некоторые из которых будут основаны на прогнозной аналитике или задействованы с помощью блокчейна, что обеспечит мгновенную бесшовную координацию. между любыми сторонами, подключенными к сети, и между ними.

В целом, это идеальное будущее можно охарактеризовать как «сетку сеток» (GoG). Физически то, что сейчас представляет собой одну объединенную сеть, станет набором более мелких сетей, которые могут работать согласованно или независимо по мере необходимости. Физическая инфраструктура будет сопровождаться виртуальной решеткой, представляющей собой кибербезопасное подмножество Интернета вещей, которое позволяет динамически реконфигурировать как для поддержания надежности, так и для минимизации общих затрат на электроэнергию для потребителей.

Разрыв между настоящим и будущим

«Если (и до тех пор, пока) не будет преобразовано множество институтов, на которых в настоящее время основана электроэнергетическая отрасль, инвестиции, необходимые для финансирования перехода к« Энергетической сети », будут заблокированы.”

Очевидно, что реализация этого видения будущего GoG повлечет за собой огромные инвестиции, вероятно, порядка триллионов долларов только в США, чтобы как (1) добавить необходимые возобновляемые источники энергии и активы хранения энергии для достижения устойчивости к нулевым выбросам углерода, и (2 ) обновить или заменить старое оборудование в существующих передающих и распределительных сетях на современные варианты.

Мобилизация ошеломляющих сумм капитала и построение GoG — устрашающая перспектива, которую нужно осуществить за относительно короткий период времени.Хорошая новость заключается в том, что глобальные финансовые рынки огромны, они жаждут хороших инвестиционных возможностей и могут относительно быстро направлять такое финансирование — при одной очень важной оговорке, что соотношение риска и прибыли является достаточно привлекательным.

И в этом загвоздка. Привлечение триллионов долларов, необходимых для финансирования перехода, потребует реструктуризации игрового поля в электроэнергетической отрасли, в котором генерируются доходы, и переопределения ролей игроков в секторе, чтобы их обязанности и риски были соответствующим образом согласованы.В свою очередь, это означает отказ от статус-кво между длинным списком укоренившихся и осторожных заинтересованных сторон, особенно коммунальных предприятий и регулирующих органов, не склонных к таким серьезным изменениям.

Если (и до тех пор, пока) не будет преобразовано множество институтов, на которых в настоящее время основана электроэнергетическая отрасль, инвестиции, необходимые для финансирования перехода к «Энергетической сети», будут заблокированы.

Экономическое давление приведет к изменениям

«Так же, как телефонная связь за последние три десятилетия перешла от поминутной оплаты к фиксированным ежемесячным контрактам, можно ожидать, что электроэнергетика испытает аналогичную эволюцию при переходе на правительство правительства.”

В то время как политика и личности всегда препятствуют институциональным изменениям такого типа, безличные силы экономики очень сильны. Неравенство и возможности, связанные с несоответствием между ценами и издержками, создадут возможности для арбитража и разочарования для тех, кто платит слишком много и субсидирует тех, кто платит слишком мало. В конце концов, эти экономические несоответствия становятся достаточно сильными, чтобы ослабить сопротивление переменам, особенно по мере того, как они усиливаются и становятся очевидными.

Несмотря на то, что до правительства правительства еще много лет, экономическое давление, стимулирующее переход к нему, уже нарастает.

Обратите внимание, что исторически на электричество устанавливалась значительная «энергетическая» плата за киловатт-час. В случае большинства бытовых потребителей ежемесячный счет за электроэнергию в основном представляет собой прямое умножение количества потребленной электроэнергии на цену электроэнергии.

На протяжении большей части истории отрасли эта философия розничного ценообразования была разумной, потому что переменные затраты на производство электроэнергии были значительно больше нуля: каждый проданный дополнительный киловатт-час требовал сжигания другой доли фунта угля.Соответственно, особенно для небольших бытовых потребителей, наиболее рентабельным было установить недорогие счетчики электроэнергии, которые просто подсчитывали количество потребленных кВтч, а затем выставляли счета клиентам на основе их указанного количества потребления.

Увы, в GoG, основанном на возобновляемой (в основном солнечной) электроэнергии и хранении, переменные затраты на электроэнергию в GoG будут почти нулевыми. Следовательно, логическая основа для установления цены на электроэнергию для потребителей в основном исчезает.

Так же, как телефонная связь за последние три десятилетия перешла от поминутной оплаты к фиксированным ежемесячным контрактам, можно ожидать, что услуги электроснабжения испытают аналогичную эволюцию при переходе на GoG.

Хотя розничные цены на электроэнергию для потребителей еще не перешли на новую парадигму, те стороны, которые в настоящее время владеют или управляют активами по производству электроэнергии, уже испытывают значительный финансовый стресс.

Для многих оптовых рынков электроэнергии, на которых генерирующим активам выплачивается компенсация за их услуги, значительный приток проектов в области возобновляемых источников энергии — как правило, обусловлен политическими предписаниями, такими как стандарты портфеля возобновляемых источников энергии, а в последнее время — корпоративными выборочными закупками энергии из возобновляемых источников — существенно низкие рыночные цены на энергию.Это снижение цен было достаточно большим, чтобы сделать невыгодным продолжать эксплуатацию многих существующих электростанций, особенно угольных и атомных, что привело к их выбытию с рынка.

По сути, оптовые рынки начинают демонстрировать конечный результат для розничных цен на электроэнергию: переменная составляющая резко падает: часто почти до нуля, иногда до нуля, иногда даже ниже нуля. В результате возмещение затрат и возможность возврата инвестиций все чаще должны исходить от фиксированных сборов.

В случае участников оптовых рынков электроэнергии это означает большую зависимость от рынков мощности, а не рынков энергии для получения доходов. И все же, по крайней мере до настоящего времени, рынки мощности в основном производили низкие цены и, следовательно, лишь скромные потенциальные доходы.

Нет четкого пути, но четкое направление

Хотя точный путь к GoG неясен, общий путь однозначен: набор институциональных изменений, включающих новые роли и новые обязанности — и, что наиболее важно, новые структуры ценообразования, вероятно, предполагающие новые определения продуктов и услуг при предоставлении и доставке. электричества.

Поскольку учреждения имеют богатую историю и наследие, они обычно сопротивляются необходимым изменениям. Увы, экономические диспропорции в конечном итоге станут настолько сильными, что потребители электроэнергии будут настаивать на необходимых реформах — в противном случае.

Альтернативой для растущего числа клиентов могло бы стать то, что они «перережут шнур» и станут полагаться на все более экономичные DER, так называемая «смертельная спираль», которой коммунальные предприятия давно опасаются. Это было бы плохим исходом не только для электроэнергетических компаний, но и для общества: в противном случае ценная электросетевая инфраструктура была бы преждевременно заброшена, и потребовались бы чрезмерные капитальные вложения из-за ненужного отключения потребителей от сети.

Ричард Стуэби , старший научный сотрудник Института устойчивой энергетики, не являющийся резидентом, является основателем и президентом Future Energy Advisors (FEA), практики управленческого консультирования, предоставляющей консультационные услуги корпоративным клиентам, преследующим инновационные стратегии роста в области энергетики. До основания FEA Ричард был вице-президентом по стратегии и групповым технологиям США в National Grid.

Посмотреть презентацию Ричарда «Пути к полезности будущего», часть серии докладчиков ISE «Утилита будущего».

Трансформация электроэнергетики: путь к «сетке электрических сетей»

Опубликовано 2 года назад на в Блог

Дорожная карта до 2050 года (издание 2019 г.)

Расширенное использование возобновляемых источников энергии в сочетании с интенсификацией электрификации может оказаться решающим для мира в достижении ключевых климатических целей к 2050 году. Это исследование Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) выделяет незамедлительно развертываемые и экономически эффективные варианты для стран по выполнению климатических требований. обязательств и ограничить рост глобальных температур.Предусмотренная трансформация энергетики также снизит чистые затраты и принесет значительные социально-экономические выгоды, такие как ускорение экономического роста, создание рабочих мест и повышение общего благосостояния.

Отчет — второй под лозунгом «Глобальная трансформация энергетики» — расширяет всеобъемлющую дорожную карту IRENA, в которой исследуются пути развития технологий и политические последствия для обеспечения устойчивого энергетического будущего. Увеличение объема электроэнергии до более чем половины мирового энергобаланса (по сравнению с одной пятой в настоящее время) в сочетании с возобновляемыми источниками энергии приведет к сокращению использования ископаемого топлива, ответственного за большую часть выбросов парниковых газов.

См. Цифровую историю, основанную на этом отчете: Как преобразовать энергетическую систему и сократить выбросы углерода

Возобновляемые источники энергии уже составляют более половины вновь установленных генерирующих мощностей. Тем не менее, их общая доля в структуре энергопотребления (включая электроэнергию, тепло и транспорт) должна расти в шесть раз быстрее, как показывает анализ IRENA.

Национальные обязательства по климату в соответствии с Парижским соглашением в значительной степени зависят от декарбонизации энергии. Историческое соглашение о климате 2015 года, одобренное почти во всем мире, призывает удерживать повышение средних глобальных температур «значительно ниже» двух градусов Цельсия (2 ° C) в течение нынешнего столетия по сравнению с доиндустриальными уровнями.

Однако достижение безопасного для климата будущего зависит от быстрых глобальных действий. Текущие планы и политика, включая определяемые на национальном уровне взносы (NDC), далеко не оправдывают ожиданий. Выбросы, связанные с энергетикой, с 2015 года увеличиваются примерно на 1% в год, в то время как мировой «углеродный бюджет», похоже, исчерпается в течение десятилетия.

Среди других находок:

  • Согласно анализу IRENA, для достижения климатических целей сокращение выбросов углекислого газа (CO 2 ) должно сократиться на 70% к 2050 году по сравнению с текущими уровнями.Масштабный переход на электричество с возобновляемых источников энергии может обеспечить 60% этого сокращения; 75% с учетом возобновляемых источников энергии для отопления и транспорта; и 90% с повышенной энергоэффективностью.
  • Согласно отчету, если электричество станет доминирующим энергоносителем, мировое энергоснабжение может увеличиться более чем вдвое. Возобновляемые источники, в том числе солнечная и ветровая, могут удовлетворить 86% спроса на электроэнергию.
  • Трансформация энергетики увеличит валовой внутренний продукт (ВВП) в 2 раза.5% и общая занятость на 0,2% в мире к 2050 году. Это также принесет более широкие социальные и экологические выгоды. В отчете указывается, что экономия, связанная с здравоохранением, субсидиями и климатом, в совокупности составит 160 триллионов долларов США за 30-летний период. Таким образом, каждый доллар, потраченный на преобразование глобальной энергетической системы, дает выигрыш в размере не менее 3 долларов США и, возможно, более 7 долларов США, в зависимости от того, как оцениваются внешние эффекты.
  • Между тем, возобновляемые источники энергии создадут больше новых рабочих мест, чем те, которые теряются в отраслях ископаемого топлива.Вклад политики может еще больше улучшить социально-экономический след трансформации.

Статус преобразования энергосистемы 2019: Гибкость энергосистемы — Анализ

Существует устоявшаяся и быстро растущая совокупность знаний об успешном управлении современными энергосистемами в переходный период.

За последнее десятилетие в области PST был накоплен значительный объем знаний, опыта и знаний. Большая часть этих знаний задокументирована в глобальных отчетах, в том числе в более ранних отчетах 21CPP и IEA 5; 6.Многие из ранее заявленных основных идей для политиков о поддержке гибкости системы по-прежнему актуальны, в том числе о важности:

  • Снижение требований к гибкости энергосистемы за счет улучшения работы системы и расширения географического охвата энергосистем.
  • Координация и интеграция мероприятий по планированию в различных сегментах рынка электроэнергии и даже в таких секторах экономики, как транспорт и промышленность.
  • Разработка правил развития рынков электроэнергии, которые обеспечивают гибкость системы и поощряют ее.
  • Активное участие общественности, особенно для новых проектов передачи электроэнергии с длительным сроком выполнения.

Множество стратегий, подходов и инструментов могут быть легко применены и адаптированы к энергетическим системам

Существует множество вариантов политических, рыночных и регуляторных инструментов, которые могут повысить гибкость системы — эти варианты можно сгруппировать в несколько категории вмешательств, которые следует рассмотреть политикам, изображены в синих прямоугольниках на Рисунке 4.

Набор мер, доступных на разных уровнях, играет уникальную и часто дополняющую роль в повышении гибкости системы. В конечном итоге институциональный контекст повлияет на набор инструментов, доступных для поддержки гибкости энергосистемы. Эти меры можно разделить на следующие категории:

Энергетические стратегии все более подробно рассматривают гибкость энергосистемы, чтобы обеспечить соответствие требованиям гибкости будущих энергосистем.Например, Китайская Народная Республика («Китай») наметила около 220 ГВт тепловых электростанций для гибкого модернизации и / или повышения производительности в своем 13-м пятилетнем плане (2016–2020 гг.) Для электроэнергетического сектора.

Нормативно-правовая база содержит руководство по ролям и обязанностям в энергетическом секторе, включая степень разделения, конкуренции и приватизации, юридические определения разрешенных участников, типы активов, а также применимые налоги и субсидии. Правовая база также может содержать задачи высокого уровня и руководящие указания для лиц, определяющих политику, и / или устанавливать конкретные цели или задачи.Всеобъемлющие правовые рамки часто требуют модификации, чтобы обеспечить участие агрегированных ресурсов DER и / или накопителей энергии. Например, Чили в настоящее время рассматривает законодательство, обеспечивающее гибкость существующих и новых активов системы и позволяющее участие DER в системных услугах.

Политики и программы обычно создаются для поддержки достижения конкретных целей в установленных энергетических стратегиях, например, «гибкость» парка электростанций с помощью программ стимулирования и / или политических мандатов.Лица, определяющие политику, могут также финансировать конкретные программы для тестирования или апробирования определенных инновационных подходов для более эффективного использования ресурсов хранения или повышения гибкости спроса; Одним из примеров этого является технико-экономическое обоснование «Виртуальной системы хранения» в Италии (обсуждается позже).

Нормативно-правовая база и решения распределяют затраты и риски различных коммунальных предприятий и предприятий частного сектора для эксплуатации и модернизации электроэнергетического сектора. Например, на рынках единого покупателя стандартные условия договоров купли-продажи электроэнергии обычно устанавливаются нормативными актами.Эти структуры также помогают реализовать конкретные юридические требования и цели развития инфраструктуры во время планирования ресурсов коммунального предприятия. Примером этого является принятие Комиссией по коммунальным предприятиям штата Колорадо приказа, требующего от коммунальных предприятий учитывать ресурсы хранения энергии в процессе планирования ресурсов и закупок. Нормативные решения также могут способствовать инновациям и экспериментам по гибкости системы. Например, регулирующий орган Испании издал решение, требующее от производителей провести серию анализов, которые охарактеризовали способность парка ветряных турбин Испании оказывать вспомогательные услуги.Этот первый шаг, мотивированный регулирующим органом, в конечном итоге привел к более широкому участию ветряных турбин на испанском рынке вспомогательных услуг.

Упражнения по планированию энергетического сектора помогают направлять инвестиции в энергосистему, а также обеспечивают доступность и надежность. Упражнения по планированию энергосистемы все чаще включают оценку требований к гибкости и интеграцию по сегментам рынка электроэнергии (например, с одновременным рассмотрением инвестиций в генерацию и передачу) и экономическим секторам (например.г. распределительная сеть и планы транспортировки по развертыванию зарядной инфраструктуры). Эти интегрированные подходы могут помочь найти разумные решения для снижения требований к гибкости, но политикам может потребоваться вмешательство для поощрения таких подходов. Например, министерство энергетики Таиланда недавно начало рассматривать требования гибкости системы при формулировании своего Плана развития энергетики на 2018 год, поручив национальной электроэнергетической компании провести исследования по «модернизации сети», что впоследствии привело к запуску пилотных проектов гибкости.

Розничные цены на электроэнергию определяет, как потребители взимают плату за потребляемую ими электроэнергию и компенсируют любую электроэнергию, возвращаемую в сеть. Изменения в розничных ценах на электроэнергию могут устранить препятствия для распределенных потребителей электроэнергии по участию в схемах агрегирования, которые в противном случае могут привести к увеличению их счетов за электроэнергию. Новые структуры розничных тарифов, если они будут тщательно спроектированы, могут поддерживать гибкость системы, одновременно увеличивая доходы владельцев распределенных сетей.Например, Открытый рынок электроэнергии Сингапура позволяет участвовать в программах реагирования на спрос, позволяя потребителям выбирать своего розничного продавца или покупать напрямую на оптовом рынке по получасовым ценам 7.

Правила и коды рынка электроэнергии 8 определяют, кто может участвовать на оптовых 9 рынках, рынках дополнительных услуг и / или мощности. Они также определяют набор общих правил торговли электроэнергией, включая способы включения технических ограничений на формирование цен.Модификация методологий ценообразования на рынке энергии и дополнительных услуг используется для повышения гибкости вознаграждения и является ключевой стратегией для либерализованных энергосистем в переходный период. Разработка набора рыночных продуктов, чтобы должным образом вознаграждать за гибкость при преобразовании энергосистем, является постоянной задачей, хотя существующие рынки предлагают ряд возможностей для рассмотрения. В большинстве случаев ключевым основополагающим принципом является открытие рынков электроэнергии для всех технологий.Ряд инновационных подходов дает возможность вознаграждать за гибкость: недавняя реформа в Соединенном Королевстве правил расчета цен для дисбалансов электроэнергии является примером улучшения ценовых сигналов для лучшего вознаграждения гибких активов 10.

Протоколы работы системы определяют обе процедуры. и правила эксплуатации энергосистемы. Модификации операционных протоколов являются обычным вмешательством для поддержки гибкости энергосистемы и включают такие меры, как: (а) более быстрая работа энергосистемы; (б) усиление связи и координации между соседними энергосистемами; и (c) использование централизованных систем прогнозирования VRE.Например, в Дании развертывание интеллектуальных счетчиков и создание централизованного DataHub для облегчения всех системных транзакций улучшили способность розничных продавцов прогнозировать нагрузку и VRE, а также упростили процесс расчетов для услуг DER.

Коды подключения определяют различные технические требования для подключения ресурсов и нагрузок энергосистемы к распределительной и передающей инфраструктуре в нормальных и исключительных условиях эксплуатации.Изменения кодов подключения могут помочь гарантировать, что все ресурсы энергосистемы могут подключаться к сети, и обеспечить гибкость услуг. Например, все более распространенными становятся изменения кодов подключения, которые требуют от VRE предоставления услуг краткосрочной гибкости (например, первичной частотной характеристики).

Электроэнергия от источника к месту назначения

По состоянию на 2011 год 68% электроэнергии в США вырабатывается за счет сжигания ископаемого топлива, включая уголь, нефть и природный газ.Уголь составляет около 42% источников, используемых для выработки электроэнергии, в то время как природный газ составляет 25%, ядерная энергия — 19%, гидроэнергетика — 8%, другие возобновляемые источники энергии — 5% и нефть — 1%. Энергия хранится в ископаемом топливе в виде химической энергии. Электричество вырабатывается при сжигании ископаемого топлива. Например, уголь добывают, доставляют на электростанцию, измельчают и сжигают для получения тепловой энергии. Эта тепловая энергия используется для нагрева воды и создания пара, который вращает турбину. Турбина вращает магнит внутри катушки из тяжелой медной проволоки для производства электричества.Электричество передается по системе проводов, называемой электрической сетью. Когда электричество покидает электростанцию, оно сначала проходит через трансформатор, который увеличивает напряжение электричества. Более высокое напряжение позволяет более эффективно передавать электричество на большие расстояния. Когда электричество приближается к домам и предприятиям, оно проходит через другой набор трансформаторов, чтобы снизить напряжение для безопасного использования.

Большая часть энергии, изначально хранящейся в угле, передается из электрической системы, поскольку она преобразуется в электрическую энергию, передается по назначению, а затем преобразуется в другие полезные формы энергии, такие как световая или тепловая энергия.В этом контексте «потеря энергии» относится к энергии, которая выходит из электрической системы. Энергия не исчезает и не разрушается. Напротив, энергия преобразуется в другие виды энергии, такие как тепло, и передается из электрической системы. Поскольку его больше нельзя использовать для питания фонарей, компьютеров и т. Д., Он считается «потерянным» для системы. Потери также возникают, когда электричество производится из возобновляемых источников, таких как энергия ветра или солнца.

Повышение эффективности на всех этапах процесса подачи электричества в наши дома и предприятия может помочь улучшить наши общие перспективы в области энергетики.Некоторые подходы к повышению эффективности включают улучшение того, как энергия преобразуется в электричество, и разработку более эффективных способов хранения энергии. Улучшения электрической сети, такие как использование сверхпроводящих кабелей и модернизация сети, также могут повысить эффективность. Меры по повышению энергоэффективности, принимаемые в домах и на предприятиях, также могут иметь большое влияние на общее потребление энергии. Эти меры могут быть простыми, например выключать свет, когда он не используется, или использовать более энергоэффективные приборы.Они также могут быть более сложными, например повторное использование тепловой энергии, которая обычно расходуется в производственных процессах, для выработки электроэнергии. Все виды мер по повышению эффективности могут помочь сократить количество энергетических ресурсов, необходимых людям.

Преобразования энергии | Texas Gateway

Этот ресурс представляет собой сборник текста, видео и других элементов, призванных создать для учащихся комплексный учебный процесс по 5E. Это предназначено для обучения Уровня I в рамках модели «Реакция на вмешательство» (RtI) для 6-го класса по естественным наукам TEKS (9) (C), в частности, преобразования энергии.

Обязательно проверьте наличие необходимых знаний и навыков, а также потребности в дифференциации, изучив весь ресурс и связанные элементы, прежде чем назначать их своим ученикам или работать над ними.

Этот ресурс можно использовать для обучения по-разному.

• Использование с одним компьютером и проектором; этот ресурс можно преподавать в традиционном классе.
• Используйте с комбинацией индивидуальных компьютеров учеников, компьютера учителя и проектора (в компьютерном классе или в другой среде 1: 1).
• Назначьте ресурс учащимся в качестве работы, которую нужно выполнять вне учебного дня в рамках «перевернутого класса», чтобы можно было подавать заявки, практиковаться и получать дополнительную поддержку в течение учебного дня.
• Используйте со студентами в качестве учебных пособий.
• Поделитесь с родителями, чтобы рассказать им о том, что их ребенок изучает в школе.
• Используется с учащимися, которые не могут участвовать в традиционной учебной среде.


Engage
Engage призван быть веселым и веселым.Иногда достаточно глупого изображения или видео, чтобы заставить учащихся задуматься над одним словом или концепцией. Не каждый урок естествознания должен начинаться с чего-то академического или научного; иногда улыбка — это все, что нужно, чтобы заинтересовать учащихся.

Исследуйте
Студенты просматривают видео с установкой мирового рекорда на машине Руба Голдберга. Это предназначено для того, чтобы учащиеся думали о том, сколько различных типов энергии присутствует, и наблюдали, как энергия изменяется или претерпевает «преображение».»

Классная комната
Если возможно, предложите учащимся выполнить некоторые практические задания, иллюстрирующие преобразования энергии. Например, ручные генераторы являются отличным примером преобразования механической энергии в электрическую, которая может быть преобразована в свет. тепловая, звуковая и / или механическая энергия в зависимости от типа создаваемого контура.

Объяснение
Объяснение обсуждает, что такое преобразования энергии, как некоторые из них происходят в естественном мире без какого-либо вмешательства человека и как другие происходят из-за человеческой изобретательности, позволяющей использовать различные типы энергии для удовлетворения конкретных потребностей.Студенты должны понимать, что во многих ситуациях, таких как фонарики, электростанции и фонари, работающие на солнечной энергии, часто требуется несколько преобразований для достижения желаемого выхода энергии. Студентам часто трудно понять Закон сохранения энергии: энергия не создается и не разрушается; он просто меняет формы. В частности, студенты часто думают, что Солнце создает тепловую и световую энергию, когда на самом деле химическая энергия преобразуется в тепловую и световую энергию.

Классная комната
Продвинутые или одаренные и талантливые учащиеся могут участвовать в обсуждении того, как формы энергии могут быть обозначены как потенциальные или кинетические.

Elaborate
Реальное применение преобразований энергии — это тема Elaborate. Чтобы студенты могли выполнить эту задачу, им нужно будет понять многие формы преобразования энергии. Им нужно будет иметь возможность использовать эту информацию для «преобразования» энергии, чтобы они могли опреснять воду из Мексиканского залива.Для завершения этой части ресурса может потребоваться неделя или больше, потому что учащимся нужно будет создать схемы, сформулировать бюджеты, построить прототип, представить свою идею, настроить свою идею на основе отзывов и поделиться своими улучшениями и общими размышлениями.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.