Quando si abbassano, si verificano interruzioni di corrente e blackout, è frustrante essere senza potere. L'immagazzinamento dell'energia lungo la rete degli Stati Uniti potrebbe aiutare a mantenere la corrente. © iStockphoto.com/TebNad L'interruzione è iniziata in Ohio, traffico incasinato nel Michigan, spegni le luci in Canada, poi portò l'oscurità a New York City, la città che non dorme mai. Entro la fine del blackout del nord-est del 2003, la regione ha perso circa $ 6 miliardi.
Cosa pensi abbia causato un blackout così grande, qualcosa di straordinario? Qualcuno ha sabotato la rete? C'è stato un terremoto? No, non c'erano piani sinistri o disastri naturali, solo alcuni intoppi standard. La rete elettrica degli Stati Uniti funzionava come al solito, ma poi i suoi difetti si sono sommati, aiutato da guasti del computer e alcuni alberi fastidiosi e voilà - circa 50 milioni di persone erano senza potere.
Secondo Imre Gyuk, che gestisce l'Energy Storage Research Program presso il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, possiamo evitare blackout massicci come quello del 2003 immagazzinando energia nella rete elettrica. L'energia potrebbe essere immagazzinata in unità presso le centrali elettriche, lungo le linee di trasmissione, nelle sottostazioni, e in località vicine ai clienti. Quel modo, quando accadono piccoli disastri, l'energia immagazzinata potrebbe fornire elettricità ovunque lungo la linea.
Sembra un grande progetto, e questo è. Ma praticamente ogni sistema che riesce a servire con successo molti clienti mantiene una riserva. Pensaci. Le banche mantengono una riserva. Negozi di grandi dimensioni come Target e Wal-Mart mantengono una riserva. McDonald's avrebbe potuto servire miliardi senza avere dispense e congelatori perennemente riforniti? Poiché la rete elettrica degli Stati Uniti funziona in scrambling, non riserve, è predisposto per guai. Scopri cosa intendiamo nella pagina successiva.
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In un giorno qualunque, le compagnie elettriche pianificano la quantità di elettricità da generare il giorno successivo. Cercano di prevedere cosa faranno i clienti, principalmente leggendo i record storici di utilizzo nello stesso giorno dell'anno precedente. Quindi adattano queste cifre alle previsioni meteorologiche attuali per il giorno successivo.
"È impossibile prevedere con esattezza quale sarà la domanda di potere in un dato momento, "dice John Boyes, che gestisce l'Energy Storage Program presso i Laboratori Nazionali Sandia. Questo scenario imposta le utenze in modo da produrre più o meno elettricità di quella utilizzata dai clienti. La mancata corrispondenza invia increspature attraverso la griglia, comprese le variazioni di frequenza AC, quale, se non controllato, può danneggiare l'elettronica. Direttori Elettrici Regionali, o operatori di sistema indipendenti (ISO), piombare e cercare di colmare il divario chiedendo ad alcune centrali elettriche di modificare la quantità di elettricità che generano. Ma gli impianti nucleari e di combustibili fossili non possono farlo rapidamente. La loro lentezza aggrava il disallineamento tra domanda e offerta di energia elettrica.
Ora, considera cosa succede in una giornata afosa a Los Angeles quando le persone in tutta la città usano i loro condizionatori d'aria. Questi sono picco di domanda condizioni, quando la maggior parte dei clienti consuma più elettricità, che accade per poche ore da cinque a dieci giorni all'anno. In questi giorni, strutture conosciute come piante di picco sono chiamati in causa. Questi costosi impianti di combustibili fossili rimangono inattivi tutto l'anno e possono emettere più inquinamento atmosferico di un grande impianto a carbone. "Non vorremmo farlo in una città [smog] come Los Angeles, ma lo facciamo lo stesso, " dice Imre Gyuk. Se le piante di picco non sono all'altezza, le utility pagano i grandi clienti come le fonderie di alluminio per utilizzare meno elettricità. "Se niente funziona, hai interruzioni di corrente e rollio, " dice Giuk.
Nel frattempo, le vecchie sottostazioni sono in sovraccarico. Stanno trasportando più corrente di quella che dovrebbero gestire, e le strutture metalliche riscaldano. "Non è una pratica raccomandata, "dice Boyes.
Se la rete elettrica sembra stressata, non hai ancora visto niente. Continuare a leggere.
Forse non è un giorno qualunque. Forse un albero cade su una linea elettrica o lo colpisce un fulmine. Queste interruzioni abbatteranno la tensione della linea rispetto alla quantità prevista. Le variazioni di tensione ripristinano i computer. Ora la tua sveglia lampeggia 12:00. O peggio:"Per tutti i processi di produzione automatizzata, se il computer si ripristina, interrompe il processo. Se sei un produttore di materie plastiche, e le tue macchine si raffreddano, la plastica si solidifica nelle vostre macchine, "dice Boyes.
E se gli eventi di una giornata superassero gli sforzi delle utility per compensare? Sì, hai indovinato:stai affrontando un blackout. Sicuramente è successo in tutto il Nordest nel 2003.
Con la griglia già rimescolando, è difficile immaginare di aggiungere più rinnovabili, come l'energia eolica e solare, perché sono fonti di energia intermittenti. Sappiamo che i clienti sono imprevedibili, ma ora, così è l'elettricità. Quando il vento muore inaspettatamente, un parco eolico può perdere 1, 000 megawatt in pochi minuti e deve quindi acquistare e importare rapidamente energia elettrica per i suoi clienti.
L'alternativa è quindi utilizzare un impianto a combustibile fossile in stile peaker, ma questo aggiunge inquinamento atmosferico all'elettricità pulita. Oppure la natura può regnare. Sui parchi eolici in Texas, il vento soffia quasi esclusivamente di notte mentre la domanda è bassa, e il prezzo dell'elettricità diventa negativo. "Ciò significa che devi pagare la rete per metterci l'elettricità, " dice Gyuk. "Ho parlato con qualcuno che fa funzionare l'aria condizionata tutta la notte per rinfrescare la casa perché la riceve gratuitamente. Poi chiude le finestre».
Secondo Gyuk, questi problemi peggioreranno man mano che utilizzeremo più elettronica e più elettricità. Quindi quale potrebbe essere la risposta a questi problemi? Accumulo di energia in rete.
Prima di addentrarci nell'argomento, è importante capire cosa significa immagazzinare energia. Il compito della rete è fornire elettricità a ogni cliente a 120 volt e 60 hertz. Ciò si ottiene aggiungendo o rimuovendo corrente dalla rete. Un dispositivo di archiviazione aiuta aggiungendo o rimuovendo la corrente esattamente quando necessario.
Continua a leggere per scoprire come lo stoccaggio di energia può rafforzare la rete.
Idroelettrico pompato le stazioni utilizzano l'acqua che cade per produrre elettricità. Un esempio di questo può essere visto a Raccoon Mountain nel Tennessee. Ai piedi della montagna, la Tennessee Valley Authority (TVA) ha creato un lago sifonando parte del fiume Tennessee.
Quando i clienti non utilizzano molta elettricità, TVA devia l'elettricità da altre centrali elettriche a una centrale elettrica all'interno della montagna. L'elettricità fa girare le turbine della casa all'indietro, spingendo l'acqua del lago su per un tunnel nella montagna fino in cima. Dopo 28 ore, il bacino superiore è pieno. Per produrre elettricità, TVA apre uno scarico nella vasca superiore. L'acqua cade dritta attraverso il centro della montagna e fa girare le turbine in avanti, generazione di energia elettrica. Cade per 22 ore, emettendo costantemente 1, 600 megawatt di elettricità, corrispondente alla produzione di un grande impianto a carbone. TVA aggiunge questa elettricità al contributo degli altri suoi impianti nei giorni di forte domanda [fonte:TVA].
Le centrali idroelettriche di pompaggio sono operative in tutto il mondo, potenza tra 200 megawatt e 2, 000 megawatt di potenza nei giorni di picco della domanda [fonte:Cole]. Non emettono inquinamento atmosferico, e una volta caricato, sono online in 15 minuti, più veloce e più verde di una pianta di picco. L'unico problema è "stiamo esaurendo i buoni siti per questo, "dice Giuk.
Accumulo di energia ad aria compressa ( CAES ) è lo stoccaggio di centrali elettriche a gas naturale. Normalmente, questi impianti bruciano gas naturale per riscaldare l'aria, che spinge una turbina in un generatore. Quando gli impianti di gas naturale si trovano vicino a un pozzo sotterraneo, come una caverna o una vecchia miniera, possono usare CAES. Nei giorni lenti, l'impianto può produrre energia elettrica per far funzionare un compressore che comprime l'aria esterna e la spinge nel foro sotterraneo. Nei giorni in cui i clienti hanno bisogno della massima elettricità, la centrale può far fuoriuscire l'aria compressa contro la turbina, spingendolo, insieme alla normale aria riscaldata. Questa aria compressa può aiutare per ore, aggiungendo costantemente 25 megawatt a 2, 700 megawatt di elettricità alla produzione dell'impianto nei giorni di picco della domanda [fonte:Cole].
Continua a leggere per sapere dove altro possiamo immagazzinare energia sulla rete.
pompaloI dispositivi di archiviazione producono e utilizzano la corrente in modo intelligente, per un processo che può essere invertito per restituire la corrente. Per esempio, accumulo idroelettrico pompato usa la corrente per pompare l'acqua ad un'altezza. Quando abbiamo bisogno della corrente indietro, lasciamo cadere l'acqua sul sistema di azionamento di un generatore. Dov'è l'energia in questa immagine? è lì tutto il tempo, essere trasferito come denaro tra conti bancari. L'energia inizia come energia elettrica nella rete, cambia in energia potenziale gravitazionale quando l'acqua è in alto, e mentre l'acqua cade per azionare il generatore, ridiventa energia elettrica in rete.
Cerca inversioni e trasferimento di energia in ogni metodo di stoccaggio che descriviamo in questo articolo.
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Ora è il momento di guardare allo stoccaggio che fornisce una grande esplosione di grande elettricità o meno più a lungo. Questi sistemi non possono inviare grande elettricità ai clienti tutto il giorno, come l'idroelettrico pompato e la lattina CAES.
Volani immagazzinare energia ruotando. I più veloci sono costituiti da un motore, un magnete levitante, un vuoto per eliminare l'attrito e un guscio per la sicurezza. Quando c'è elettricità extra disponibile sulla rete, può far funzionare il motore, che fa girare il magnete. Quando è necessaria l'elettricità, i volani possono farla girare in pochi minuti o ore, come la situazione richiede.
Sulla rete elettrica, i volani sono controller di buona qualità. Sono bravi a stabilizzare la frequenza, quale, come abbiamo accennato, oscilla sopra e sotto i 60 hertz negli Stati Uniti oggi. Aumenta quando le utenze producono più elettricità di quella utilizzata dai clienti e diminuisce quando le utenze ne producono di meno. I volani cambiano la situazione perché gli ISO possono controllarli direttamente - alla fine, saranno automatici, in modo che nessuno debba chiamare Jane alla centrale elettrica A e aspettare che aumenti o diminuisca la generazione per correggere il problema della frequenza. Con risposta rapida, la frequenza può essere livellata prima che il cliente lo senta. Infatti, diversi I.S.O. statunitensi stanno testando i cuscinetti del volano [fonte:Beacon Power 1, Potenza faro 2, Potere faro 3].
Un altro uso per i volani è stabilizzare la tensione sulla rete. Cosa potrebbe cambiare la tensione su quelle robuste linee ad alta tensione? Prova gli effetti domino da interruzioni di corrente, alberi abbattuti e treni elettrici. Quando i treni della metropolitana o della metropolitana leggera frenano, generano elettricità, aumentando la tensione e facendo sovracorrente localmente. Quando i treni escono dalla stazione accelerano, attingono elettricità, facendo calare la tensione e aspirando corrente da qualche altra parte. I volani possono assorbire e rilasciare la corrente, lasciando indisturbato il resto della griglia. Infatti, sono stati testati sui treni della metropolitana di New York City [fonte:Kennedy].
I volani sono ottimi anche per i parchi eolici, dove possono produrre elettricità extra durante le raffiche e sputarla fuori durante gli affievolimenti, così i clienti non subiscono le fluttuazioni.
Supercondensatori , ancora più veloce dei volani, immagazzinare energia separando le cariche. Sono "super" perché immagazzinano più energia dei condensatori tradizionali, ma funzionano allo stesso modo. Quando c'è elettricità extra, può essere utilizzato per spingere le cariche da alcune piastre metalliche e su altre, lasciando alcuni positivamente e altri caricati negativamente. Quando è necessaria l'elettricità, le piastre neutralizzano, e flussi di carica, fare una corrente. A Madrid, Pechino e altre città, armadi pieni di supercondensatori buffer treni elettrici [fonte:Siemens].
Accumulo di energia magnetica superconduttiva, o PMI, è un altro modo per sbarazzarsi di cali di tensione e picchi sulla rete. Durante i picchi, spire di filo assorbono corrente extra, e durante i tuffi, i loop restituiscono la corrente alla rete. Poiché il filo non ha quasi resistenza, immagazzina corrente quasi senza perdita.
Avanti:i sistemi di accumulo di energia che molti di noi usano quotidianamente:le batterie.
Le batterie sono perfette per il backup dell'alimentazione e l'accumulo di energia. Certo, quelli utilizzati per lo stoccaggio dell'energia in rete sono un pochino più grandi. Tim Boyle/Getty Images
batterie sono come i set Lego per la griglia. Ne esistono di tanti tipi, può essere impilato o ingrandito per immagazzinare più energia e può guidare l'elettricità per pochi secondi o ore. Alla fine della longevità, troverai delle dimensioni di un rimorchio batterie di flusso Come ossidoriduzione del vanadio e zinco-bromuro e batterie ad alta temperatura Come sodio-zolfo . Questi possono fornire fino a 20 megawatt di potenza per ore [fonte:Gyuk]. Alla fine dell'esplosione di potenza, batterie al piombo sono comunemente usati oggi. Altre batterie includono metallo-aria , agli ioni di litio , nichel-cadmio e piombo-carbonio . Tutte le batterie utilizzano e rilasciano energia attraverso reazioni chimiche.
Le batterie sono in tutta la rete elettrica degli Stati Uniti, di solito dal lato del cliente, dove le fabbriche, e forse i computer del tuo ufficio, usa un gruppo di continuità , o UPS per far funzionare l'elettronica durante le interruzioni.
Ma le batterie supportano anche le viscere della rete. A Charleston, W. Va., una sottostazione si surriscaldava ogni volta che troppi clienti vi aspiravano corrente. Quindi American Electric Power ha installato una batteria per fornire elettricità nei giorni di picco della domanda, e la sottostazione ha smesso di surriscaldarsi. Gli abitanti dell'Alaska subivano interruzioni per ogni problema tecnico sulla linea elettrica tra Anchorage e Fairbanks fino a quando non installarono una batteria delle dimensioni di un campo da calcio per coprire la linea durante il guasto e la riparazione.
Le batterie possono anche aiutare i parchi eolici in luoghi in cui il vento soffia solo di notte e i clienti utilizzano energia durante il giorno.
Si parla di un giorno utilizzando auto elettriche ibride plug-in, o PHEV , con batterie che si caricano collegandole alla presa a muro, per l'elettricità commerciale. Con il cablaggio giusto in casa, la tua auto parcheggiata potrebbe far funzionare la tua lavastoviglie. In un lontano futuro, molte auto collegate a molti garage potrebbero inviare elettricità ovunque sia necessaria sulla rete in un'applicazione chiamata veicolo alla griglia , o V2G . Ma sono passati molti anni, poiché la presa a muro non può prendere elettricità dalla batteria, e le auto non sono commerciali.
Questo suona pratico? Continua a leggere per scoprire quanto costa il tutto.
"Quando si tratta di costi effettivi, lo stoccaggio di energia non è economico, "dice Imre Gyuk.
Possiamo vedere dove stanno i costi oggi, ma diminuiranno man mano che più spazio di archiviazione viene inserito nella griglia. Iniziamo con lo stoccaggio nelle centrali elettriche. Come abbiamo appreso in precedenza, un'azienda elettrica può immagazzinare energia in una centrale elettrica per fornire energia nei giorni di forte richiesta. La pianta avrà bisogno di grande potenza tutto il giorno, e solo l'aria compressa e l'idroelettrico pompato possono fornirlo. Per ogni 700 dollari si paga un sistema di aria compressa, l'utenza riceve 1 kilowatt di elettricità, fornito per più di 20 ore, abbastanza per far funzionare una caffettiera tutto il giorno [fonte:EAC, NSTAR]. L'idroelettrico pompato costa di più -- $2, 250 per chilowatt.
Per una potenza che dura da minuti a ore, le batterie agli ioni di litio costano $ 1, 100 per kilowatt (o caffettiera), i volani costano $ 1, 250 per kilowatt, le batterie a flusso costano $ 2, 500 per kilowatt, e le batterie ad alta temperatura come il sodio-zolfo costano $ 3, 100 per kilowatt [fonte:EAC]. E lo stoccaggio nei supercondensatori costa ancora di più.
Ma, secondo Gyuk, otteniamo molto per il nostro investimento nello stoccaggio. Otteniamo una rete in grado di gestire più impianti eolici e solari, senza rifornimenti incubi. Otteniamo meno piante di picco, il che significa meno emissioni di anidride carbonica e inquinamento atmosferico. E otteniamo protezione contro le interruzioni, quale, secondo Gyuk, costa 33 centesimi per ogni dollaro che spendiamo in elettricità [fonte:Gyuk 2008].
Le compagnie elettriche e le ISO pagheranno per lo stoccaggio, se decidono di installarlo. "Il prezzo dell'archiviazione sta diminuendo. Il prezzo per risolvere i problemi in altri modi sta salendo. Molto presto, questi prezzi si incroceranno, " nota Boyes, suggerendo il costo potrebbe stimolare l'aggiunta di storage alla rete.
Le tariffe elettriche dei consumatori alla fine diminuiranno? Forse. Con abbastanza spazio di archiviazione, le utenze saranno in grado di generare elettricità in modo più controllato. Faranno meglio a usare l'hardware nella griglia, come linee di trasmissione e sottostazioni, invece di sostituirli o ingrandirli.
Anche se le tariffe elettriche dei consumatori aumentano, "Avremo un sistema migliore, "dice Giuk.
Regolazione della frequenzaPer vedere un'animazione su come la rete elettrica degli Stati Uniti regola la frequenza oggi e come potrebbe essere fatto in futuro con i volani, clicca qui, quindi selezionare "Volani e regolazione della frequenza". (Attenzione:l'interessante animazione è avvolta attorno a un annuncio pubblicitario per il sistema di archiviazione.)
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