Älykkäät sähköverkot ovat modernisoituja sähköverkkoja , jotka keräävät tieto- ja viestintäverkkojen ja -tekniikoiden avulla tietoa energian tuotannosta ja energiankulutuksesta, mikä automaattisesti parantaa tehokkuutta, luotettavuutta, taloudellisia hyötyjä sekä sähkön tuotannon ja jakelun kestävyyttä [1 ]
Smart Grid -verkkojen kehittämisen säännöt määritellään Euroopassa Smart Grid European Technology Platformin kautta. [2] Amerikan yhdysvalloissa ne kuvataan usctc 42 152 IX § 17381:ssä.
Älykäs verkkoteknologian kehittäminen tarkoittaa myös sähkövoimapalvelumarkkinoiden perusteellista uudelleenjärjestelyä, vaikka terminologia ensisilmäyksellä viittaa vain teknisen infrastruktuurin kehittämiseen. [3] Älykkäillä sähköverkoilla on kuitenkin haittoja: riippuvuus jatkuvasta virransyötöstä, luvattomien henkilöiden - verkon kehittäjien - läsnäolo, oikeudellisen vastuun epävarmuus.
Ensimmäinen vaihtovirtaverkko asennettiin vuonna 1886 [4] Tuolloin verkko oli keskitetty ja se oli yksisuuntainen sähkönsiirto- ja jakelujärjestelmä. Kysyntä ohjasi tarjontaa.
1900-luvulla lähiverkot kasvoivat ajan myötä ja lopulta liitettiin toisiinsa taloudellisista syistä ja koko järjestelmän luotettavuuden lisäämiseksi. 1960-luvulle mennessä kehittyneiden maiden sähköverkot olivat kasvaneet huomattavasti, kypsyneet ja olleet tiiviisti yhteydessä tuhansiin "keskus"voimaloihin, jotka toimittavat sähköä suurille kulutuskeskuksille suurvoimalinjojen kautta, jotka sitten haarautuivat ja jakautuivat toimittamaan myös pieniä teollisuuslaitoksia. kotitalouskuluttajina kaikkialla maailmassa. 1960-luvun verkkotopologia oli seurausta vahvoista talouksista: suurista hiili-, kaasu- ja öljyvoimaloista, joiden koko vaihtelee 1 GW:n (1 000 MW) ja 3 GW:n välillä, tehtiin kustannustehokkaita optimointeja, jotka hyödyttivät sähkön tuotantoa puhtaasti jättimäinen mittakaava.
Strategisesti voimalaitokset sijaitsivat lähellä fossiilisten polttoaineiden varastoja (kaivoksia tai kaivoja tai lähellä rautateitä, teitä tai satamia). Vuoristoalueiden vesivoimapatojen paikkojen valinta vaikutti myös voimakkaasti muodostuvan verkon rakenteeseen. Ydinvoimaloita sijoitettiin jäähdytysveden saatavuuden mukaan. Lopuksi, fossiiliset polttoaineasemat olivat alun perin melko ympäristön saastuneita ja sijaitsevat niin kaukana asutuista alueista kuin taloudellinen ja tekninen tilanne salli. 1960-luvun loppuun mennessä sähköverkko oli saavuttanut valtaosan kehittyneiden maiden kuluttajista, ja vain harvat syrjäiset alueet jäivät "verkon ulkopuolelle".
Sähkönkulutus lasketaan käyttäjäkohtaisesti siten, että laskutus vastaa eri käyttäjien (erittäin vaihtelevia) kulutustasoja. Sähköverkon kasvun aikaisen rajallisen tiedonkeruu- ja käsittelymahdollisuuksien vuoksi laajalle levinneet ovat kiinteät tariffit sekä kaksoistariffimekanismit, kun yöllä sähkön hinta on paljon halvempi kuin päivällä. Syynä kaksinkertaiseen tariffiin oli vähentynyt sähkön kysyntä yöllä. Kaksoistariffi mahdollisti edullisen yösähkön käyttämisen "lämpösäiliöiden" tuottamiseen, jotka palvelivat päivittäisen kysynnän tasoittamista ja vähentävät turbiinien määrää, jotka muutoin joutuisivat sammuttamaan yöksi. Tämä lisäsi sähkön tuotannon ja siirron kannattavuutta. Mahdollisuus ilmoittaa sähkön todellisista kustannuksista kullakin hetkellä vuoden 1960 mallin verkossa oli rajallinen.
1970-1990-luvulla kasvanut kysyntä johti voimalaitosten määrän kasvuun. Joillakin alueilla virtalähteet, varsinkin ruuhka-aikoina, eivät enää pystyneet vastaamaan kysyntään, mikä heikensi virran laatua , mukaan lukien onnettomuudet , sähkökatkokset ja jännitevaihtelut. Teollisuus, lämmitys, tietoliikenne, valaistus riippuivat yhä enemmän sähkön saannista, joten kuluttajat vaativat yhä korkeampaa luotettavuutta.
1900-luvun loppuun mennessä oli kehitetty sähkön kysyntämallit. Kotien lämmitys ja jäähdytys johtivat päivittäisiin kysyntähuippuihin, joita tasoittivat massiiviset "huippugeneraattorit", jotka käynnistettiin vain lyhyeksi ajaksi joka päivä. Tällaisia "huippugeneraattoreita" (yleensä kaasuturbiinigeneraattoreita ) käytettiin niiden suhteellisen halvan ja nopean käynnistyksen vuoksi. Koska niitä kuitenkin käytettiin vain satunnaisesti ja muun ajan ylijäämää, sähkön kuluttajahinnat nousivat merkittävästi.
2000-luvulla joistakin kehitysmaista, kuten Kiinasta, Intiasta ja Brasiliasta, on tullut älykkäiden verkkojen käyttöönoton edelläkävijöitä [5]
2000-luvun alusta lähtien on syntynyt mahdollisuuksia hyödyntää elektroniikkatekniikan innovaatioita puutteiden poistamiseksi ja sähköverkon kustannusten alentamiseksi. Esimerkiksi teknologiset rajoitukset kulutukselle lähellä huipputehoa vaikuttavat kaikkiin kuluttajiin samalla tavalla. Samanaikaisesti kasvava huoli fossiilisia polttoaineita käyttävien voimalaitosten ympäristövahingoista on johtanut haluun käyttää enemmän uusiutuvia energialähteitä . Lähteet, kuten tuulivoima ja aurinkoenergia , ovat erittäin haihtuvia, ja siksi tarvitaan monimutkaisempia ohjausjärjestelmiä helpottamaan niiden liittämistä (lähteitä) ohjattuun verkkoon. Aurinkopaneelien (ja vähäisemmässä määrin tuuliturbiinien ) tuottama sähkö asettaa kyseenalaiseksi suurten, keskitettyjen voimalaitosten tarpeen. Kustannusten nopea lasku osoittaa siirtymistä keskitetystä verkkotopologiasta erittäin hajautettuun verkkoon, jossa sähkön tuotanto ja kulutus tapahtuu paikallisverkon sisällä. Lopuksi, joissakin maissa kasvava huoli terrorismista on johtanut vaatimuksiin luotettavammasta energiajärjestelmästä, joka on vähemmän riippuvainen keskitetyistä voimalaitoksista, jotka ovat mahdollisia hyökkäyskohteita. [6]
Termi "älykäs verkko" (Smart grid) on tullut tunnetuksi vuodesta 2003, jolloin se ilmestyi Michael T. Burrin artikkelissa "Luotettavuuden kysyntä ohjaa investointeja". [7] . Tässä artikkelissa luetellaan useita älykkään verkon toiminnallisia ja teknologisia määritelmiä sekä joitakin etuja. Useimpien määritelmien yhteinen elementti on digitaalisen tietojenkäsittelyn ja viestinnän soveltaminen sähköverkkoon, mikä tekee tiedonkulun ja tiedonhallinnan avainteknologioista älykkäissä verkoissa. Erilaiset mahdollisuudet digitaalisten teknologioiden laajaan integrointiin sekä uuden tietovirtojen verkoston integrointi prosessien ja järjestelmien ohjaamiseen ovat älykkäiden verkkojen kehittämisen avainteknologioita. Tällä hetkellä sähkövoimateollisuutta muutetaan kolmeen luokkaan: infrastruktuurin parantaminen ("vahva verkko Kiinassa"), digitaalisen kerroksen lisääminen, joka on älykkään verkon ydin, ja liiketoimintaprosessien muuttaminen, jotka tekevät älyverkosta kustannustehokkaita. Suurin osa työstä panostetaan sähköverkkojen modernisointiin, erityisesti sähköasemien jakeluun ja automaatioon, jotka tulevat nyt mukaan älykkäiden sähköverkkojen kokonaiskonseptiin, mutta myös muita lisämahdollisuuksia on kehitteillä.
Älykkäiden verkkojen ydinteknologiat syntyivät varhaisista yrityksistä käyttää elektronista ohjausta, mittausta ja valvontaa. Vuonna 1980 suurasiakkaiden energiankulutusta seurattiin automaattisella mittarinluennolla , joka kehittyi 1990-luvun Smart Meteriksi , joka tallentaa tietoa sähkön käytöstä eri vuorokaudenaikoina. [8] Älymittari on jatkuvassa yhteydessä energiantuottajan kanssa eli sitä valvotaan reaaliajassa ja sitä voidaan käyttää nopean kysynnän reagointilaitteiden ja älypistokkeiden rajapintana. Varhaiset kysynnän hallinnan muodot olivat laitteita, jotka tunsivat passiivisesti sähköjärjestelmän kuormituksen ohjaamalla virransyöttötaajuuden muutoksia. Laitteet, kuten teollisuus- ja kotitalousilmastointilaitteet, jääkaapit ja lämmittimet, voivat säätää käyttöjaksoaan välttääkseen käynnistyksen verkon huippujen aikana. Vuodesta 2000 lähtien italialainen Telelegtore-projekti oli ensimmäinen, joka käytti laajaa taloverkkoa (27 000 000) älykkäillä mittareilla , jotka on yhdistetty digitaaliseen verkkoon itse sähköjohdon avulla . [9] Joissakin tapauksissa käytettiin laajakaistaisten sähkölinjojen pääsytekniikoita, toisissa langattomia teknologioita, kuten verkkotopologiaa , joka mahdollistaa luotettavamman yhteyden talon eri laitteisiin, sekä tukea muiden laitosten, kuten kaasun ja veden, kirjanpitoon.
Maailmanlaajuinen verkonvalvonta- ja synkronointivallankumous tapahtui 1990-luvun alussa, kun yhdysvaltalainen virasto Bonneville Power Administration laajensi älyverkkotutkimusta antureilla, jotka pystyvät analysoimaan erittäin nopeasti sähkönlaadun poikkeavuuksia erittäin laajalla maantieteellisellä mittakaavalla. Tämä työ huipentui ensimmäiseen Wide Area Measurement Systemiin (WAMS) vuonna 2000. [10] Monet maat omaksuivat tämän tekniikan välittömästi, kuten Kiina. [yksitoista]