Сегодня, как минимум, одна пятая часть мировой электроэнергии вырабатывается за счет возобновляемых источников энергии, что обусловлено беспрецедентным снижением производственных затрат и развитием технологий, таких как производство эластичных аккумуляторных батарей большой емкости. Между тем, инновационные подходы к инфраструктуре возобновляемых источников энергии, такие как выращивание сельскохозяйственных культур под солнечными батареями для производства продуктов питания, создают дополнительные стимулы для перехода на возобновляемые источники энергии.
Но как энергия из этих солнечных ферм поступает в наши дома? Как электроэнергия от возобновляемых источников выделяется от электроэнргии, получаемой от традиционных источников, таких как ископаемое топливо или ядерная энергия? Чтобы ответить на эти вопросы, нужно поближе взглянуть на вездесущие линии электропередач, опоры и генераторы, которые мы называем сетью.

Функционально энергосистему можно разделить на четыре подкатегории: производство, передача, распределение и использование электроэнергии. Первый шаг - это производство. Исторически электроэнергия производилась на крупных углеводородных (угольных, нефтяных и газовых) электростанциях или атомных электростанциях, хотя в последние годы ее производство было расшиено за счет ветряных и солнечными электростанций. На этапе передачи электричество передается, зачастую на огромные расстояния, от генераторов к потребителям. В зависимости от того, как настроен энергорынок, дистрибуция и розничная торговля могут идти рука об руку. Но по своей сути, распределение связано с перемещением электроэнергии из передающих сетей в потребительские сети, в то время как розничная торговля занимается выставлением счетов и взаимодействием с самими потребителями. Поэтому в рамках этой статьи речь пойдет, в основном, о передаче и распространении электроэнергии.

Электропередача

По разным причинам электростанции, как правило, находятся за пределами городов. Таким образом, электроэнергия, вырабатываемая этими станциями, обычно должна преодолевать огромные расстояния для удовлетворения спроса. Наиболее распространенный способ доставки этой энергии - через трехфазные и однофазные линии электропередач переменного тока (AC). Поскольку традиционные генераторы не являются наиболее эффективными для преобразования топлива природных ископаемых в электричество (эффектвность угольных электростанций составляет около 33%), необходимо тщательно соблюдать меры по минимизации потерь энергии при транспортировке. Тщательное внимание уделяется минимизации потерь энергии при транспортировке. Одним из способов снижения потерь энергии является передача электроэнергии на высоком напряжении - от 115 кВ или выше. Это минимум 100 000 вольт! Для сравнения, большинство домов в Северной Америке подключены на 120 вольт. Обоснование этого заключается в формуле P = VI, где P - мощность, V - напряжение, а I - ток. Увеличение напряжения приводит к пропорциональному уменьшению тока, и наоборот. Это важно, потому что согласно закону Джоуля потери энергии прямо пропорциональны квадрату тока. Пример того, как более высокое напряжение минимизирует потери энергии, выглядит следующим образом: если напряжение увеличивается на 2, ток уменьшается вдвое. Это означает, что потери энергии снижаются к минимуму в 4 раза! Электрические подстанции выполняют такие функции по преобразованию напряжения. Трансформаторы, расположенные на платформах рядом с электрогенераторами, помогают увеличить напряжение притранспортировкеэлектроэнергии. Подстанции, расположенные ближе к потребительским сетям, помогают снизить напряжение до необходимого уровня. Однако не все подстанции имеют трансформаторы. Это объясняется тем, что некоторые поставщики передают свою энергию постоянным током высокого напряжения или HVDC (high-voltagedirectcurrent– постоянный токвысокогонапряжения). Трансформаторы  переменного тока не влияют на электричество постоянного тока. Вместо них необходимы специальные автоматические выключатели для обеспечения аналогичной функциональности. Хотя это приводит к дополнительной сложности, зато компенсируется тем фактом, что HVDC более эффективны на дальних расстояниях и для подводной передачи электроэнергии - линия HVDC на тысячи миль, несущая тысячи мегаватт, может потерять от 6 до 8 процентов своей мощности по сравнению с 12 до 25 процентами для аналогичной линии переменного тока. Вне зависимости от конкретных используемых электрических устройств общая архитектура линий передачи переменного тока и технологии HVDC остаются относительно одинаковыми. На последнем этапе цепочки поставок высоковольтное электричество снижается и передается в линии низкого напряжения, по которым электроэнергия доставляется конечному потребителю.

Распределение

Поскольку электричество, полученное из угля, ядерной энергии, нефти, природного газа, ветра и солнечной энергии, проходит через одни и те же линии энергосети, в конечном счете, нет никакого различия в том, где производится определенное количество электроэнергии. К счастью, меры по отслеживанию «чистой» энергии релизуют другими способами. В США Агентство по охране окружающей среды создало сертификаты возобновляемой энергии (REC),  для ЕС это«Гарантии происхождения», для Великобритании эквивалентом являются «Гарантии происхождения возобновляемой энергии». Они предоставляют потребителям электроэнергии информацию об источнике их энергии. Эти сертификаты генерируются на указанную единицу электроэнергии и могут быть проданы через различные рынки. Это позволяет домовладельцам и предприятиям поддерживать чистую энергию. Например, в 2017 году Google смог ежегодно покупать такое же количество мегаватт-часов (МВтч) возобновляемой энергии, что и количество МВтч электроэнергии, которое они потребляли по всему миру.
Между тем, прямой доступ к возобновляемым источникам может быть достигнут благодаря близости к генератору чистой энергии (например, установке солнечных панелей в вашем доме). Поскольку заводы по производству природного газа по-прежнему являются основным источником энергии для некоторых стран, электрические сети еще не полностью, так сказать, «чисты». Но чистая энергия, особенно энергия ветра, становится дешевле, чем когда-либо, и даже конкурирует с  электростанциями, работающие на природном газе, в то время как проблемы, которые раньше мешали производителям возобновляемой энергии, теперь решаются с помощью технологических достижений. Кроме того, на поставщиков и корпораций и частных лиц оказывается давление, чтобы последние рассмотрели эти альтернативные варианты - ускорение инфраструктурных и культурных изменений, необходимых для модернизированной, релевантной и экологически ответственной сети. 
P.S. Это первая из серии публикаций в блоге на данную тему. Далее вниманию читателей будут предствалены новые захватывающие разработки в сфере возобновляемой энергии, а также ключевые концепции, имеющие отношение к энергетическому сектору.