Elektrik şebekesi, karmaşık ve inanılmaz derecede önemli bir sistemdir ve modern çağın en etkileyici mühendislik özelliklerinden biridir. Çeşitli tesislerde üretilen gücü iletir ve sık sık uzun mesafelerde son kullanıcılara dağıtır. Binalara, endüstriyel tesislere, okullara ve evlere elektrik sağlar. Ve bunu yıl boyunca her günün her dakikasında yapar.
Elektrik şebekesini ne oluşturur?
Ülkemizin elektrik şebekesi, her biri aşağıda ayrıntılandırılmış dört ana bileşenden oluşmaktadır.
Bireysel jeneratörler
Kömür ve doğal gaz yakan enerji santralleri, hidroelektrik barajları, nükleer enerji santralleri, rüzgar türbinleri ve güneş panelleri gibi çeşitli tesisler elektrik üretmektedir. Bu elektrik jeneratörlerinin yeri – ve son kullanıcılardan uzaklığı – büyük ölçüde değişmektedir.
Bu teknolojiler ayrıca fiziksel olarak farklıdır ve sonuç olarak güç şebekesinde farklı şekilde kullanılır ve manipüle edilir. Örneğin, kömür ve nükleer enerji santralleri gibi bazı enerji santralleri, elektrik üretimini ayarlamada kısa vadeli bir esnekliğe sahip değildir; elektrik çıkışlarının yükselmesi veya düşmesi uzun zaman alıyor [ 1 ].
Doğal gazla çalışan bitkiler gibi diğer bitkiler çok hızlı bir şekilde rampalanabilir ve genellikle talep edilen zirveleri karşılamak için kullanılır. Rüzgar ve güneş fotovoltaikleri gibi daha değişken teknolojiler, genellikle ne zaman mümkün olursa, yakıt – güneş ışığı ve rüzgâr – serbest olduğu için kullanılır.
Herhangi bir zamanda, potansiyel tahmin hatalarını veya beklenmedik elektrik santrali kesintilerini telafi etmek için mevcut olan belirli bir miktarda yedek elektrik üretim kapasitesi “yedek marjı” da vardır. Elektrik talebi, arz, rezerv marjları ve elektrik üreten teknolojilerin karışımı, her şeyin sorunsuz çalışmasını sağlamak için şebeke operatörleri tarafından sürekli izlenir ve yönetilir.
Elektrik jeneratörleri, devletin Kamu Hizmet Komisyonu (PUC) veya Kamu Hizmet Komisyonu (PSC) tarafından düzenlenen elektrik şirketlerine veya kamu kuruluşlarına aittir. PUC’ler ve PSC’ler, yasama organı tarafından atanan bağımsız düzenleyici kurumlardır. Jeneratörler, yalnızca PUC veya PSC’den onay alınarak inşa edilebilir ve bu kuruluşlar, devletlerin hizmetlerine uyması gereken halleri dahilinde uygun elektrik oranlarını belirler [ 2 ].
İletim hatları
İletim hatları uzun mesafelerde yüksek voltajlı elektrik taşımak ve elektrik jeneratörlerini elektrik tüketicilerine bağlamak için gereklidir.
İletim hatları ya üstten geçen elektrik hatları ya da yeraltı elektrik kablolarıdır. Havai kablolar yalıtılmamıştır ve havaya karşı savunmasızdır, ancak yer altı elektrik kablolarından daha ucuza monte edilebilir. Hava ve yer altı iletim hatları alüminyum alaşımdan yapılmıştır ve çelikle güçlendirilmiştir; yeraltı hatları tipik olarak yalıtılmıştır [ 3 ].
İletim hatları yüksek gerilimler taşır, çünkü transit olarak kaybedilen elektrik oranını azaltır – ABD’de ortalama% 6 civarındadır [ 4 ]. Elektrik tellerin içinden akarken, bir kısmı direnç denilen bir süreçte ısı olarak dağılır. Gerilim ne kadar yüksek olursa bir iletim hattında ne kadar az elektrik kaybederse. (Elektrik akımının çoğu, iletim hattının yüzeyine yakın akar; daha kalın kablolar kullanıldığında iletim kayıpları üzerinde minimum etkiye sahip olur.)
İletim seviyesi voltajları tipik olarak 110.000 volt veya 110 kV’da veya üzerindedir, bazı iletim hatları 765 kV kadar yüksek gerilimler taşır [ 5 ]. Bununla birlikte, elektrik jeneratörleri düşük voltajlarda elektrik üretir. Yüksek voltajlı elektrik taşımacılığını mümkün kılmak için, önce elektrik transformatörlü daha yüksek voltajlara dönüştürülmelidir.
Bu yüksek voltajlar aynı zamanda evinizde ihtiyacınız olandan önemli ölçüde daha yüksektir, bu nedenle elektrik son kullanıcılara yaklaştığında, bir başka transformatör dağıtım şebekesine girmeden önce daha düşük bir voltaja dönüştürür.
ABD iletim hatlarının bu haritasının gösterdiği gibi, iletim hatları yedeklilik ve daha fazla elektrik arzı güvenilirliği için birbirine bağlıdır . Amerika Birleşik Devletleri’nde üç ana iletim ağı vardır: Batı Arabağlantı, Doğu Arabağlantı ve Teksas Elektrik Güvenilirlik Konseyi (ERCOT).
Elektrik jeneratörleri gibi, iletim hatlarının inşa edilmeden önce devlet tarafından (PUC’ler veya PSC’ler) onaylanması gerekir. Bununla birlikte, bölgesel şebeke operatörleri arasında yapılan toptan elektrik işlemleri, Federal Enerji Düzenleme Komisyonu (FERC) adı verilen ulusal bir ajans tarafından düzenlenmektedir [ 6 ].
FERC, elektrik şebekesini PUC’lerden daha büyük bir ölçekte düzenler ve şebekedeki farklı pazar katılımcıları arasındaki anlaşmazlıkları çözebilir. İletim ağları bazen yardımcı programlar tarafından yönetilir, ancak bazı ağlar Bağımsız Sistem İşletmecileri (ISO’lar) veya Bölgesel İletim Kuruluşları (RTO’lar) olarak bilinen ayrı kuruluşlar tarafından yönetilir. Bu şirketler elektrik tedarikçileri arasındaki rekabeti kolaylaştırmakta ve iletim hatlarının kullanımını planlayarak ve izleyerek iletime erişim sağlamaktadır.
dağıtım
Dağıtım şebekesi, basitçe, iletim hatlarının bıraktığı yerden çıkan tellerden oluşan bir sistemdir. Bu ağlar trafolarda başlar ve evler, okullar ve işletmelerle sona erer. Dağıtım, devlet düzeyinde, her eyalette elektrik için perakende oranlarını belirleyen PUC’ler ve PSC’ler tarafından düzenlenmektedir.
Tüketici kullanımı veya “yükleme”
Elektrik sonunda tüketiciye ulaştığında, ışıkları açmanıza, televizyon izlemenize veya bulaşık makinenizi çalıştırmanıza olanak tanıyan iletim şebekesi sona ermektedir. Hayatımızın desenleri elektrik, saat, gün ve mevsime göre değişen bir talebe katkıda bulunuyor, bu nedenle şebekenin yönetimi günlük hayatlarımız için hem karmaşık hem de hayati önem taşıyor.
Elektrik şebekesinin evrimi
Elektrik şebekesi, enerji sistemlerinin küçük ve lokalize olduğu 1880’lerin başındaki kökeninden beri büyük ölçüde büyüdü ve değişti. Bu süre zarfında iki farklı tipte elektrik sistemleri geliştirildi: DC veya doğru akım , sistem ve AC veya alternatif akım , sistem [ 7, 8 ]. Bu iki sistem arasındaki rekabet şiddetliydi. Rekabet eden elektrik şirketleri şehirlerde aynı sokaklardaki kabloları asarken, kırsal alanlara yönelik elektrik hizmeti ihmal edildi.
Thomas Edison’un doğru akım sistemini destekleme kampanyasına rağmen, işadamı George Westinghouse ve mucit Nikola Tesla, elektrik şirketlerinin, yüksek voltajların uzun mesafelere taşınmasına ve daha sonra uzun mesafelere taşınmasına izin verme avantajına sahip olan alternatif akım sisteminin desteğini kazandı. müşteri kullanımı için daha düşük voltajlar [ 9 ].
Elektrik sistemi büyüdükçe, AC’nin avantajları kamu hizmet şirketlerinin daha geniş alanlara ızgaralar inşa etmelerine ve ölçek ekonomileri yaratmalarına izin verdi. İş ortamını istikrara kavuşturmak için, kamu hizmetleri devlet hükümetlerinden tekel statüsü kazandıran ve müşterilere oranların nasıl belirleneceği konusunda sınırlar koyan bir “düzenleyici kompakt” istedi. Kabaca 1920’den 1980’e kadar bu yaklaşım yerine oturdu. Bu yapı altında, tesisler üretimden müşteriye, elektrik şebekesinin her yönünü kontrol etmiştir.
Bununla birlikte, 1970’lerin [ 10 ] enerji krizi ile Kongre, elektrik üretiminde toptan rekabete izin vermek için bu yapıyı değiştirdi; Daha verimli enerji üreten veya yenilenebilir enerji kullanan tesisler piyasaya girebilirken, iletim operatörleri (ISO’lar ve RTO’lar) şebekenin yönetimi üzerinde bir tekel oluşturdu – “yeniden yapılanma” olarak bilinen bir değişiklik.
Bu, 17 devlet ve buna ek olarak Columbia Bölgesi’nin elektrik şebekesinin yönetimini yeniden yapılandırmalarını sağlayarak müşterilerin rekabetçi perakende tedarikçilerinden elektrik satın almalarını sağladı [ 11 ]. Bununla birlikte, birçok eyalet, elektrik şebekesinin tüm yönlerinin aynı şirket tarafından yönetildiği anlamına gelen “dikey olarak yapılandırılmış” olarak kalmaktadır.
Etkili şebeke iletiminin önemi
Elektrik şebekesinin birbirine bağlı ve karmaşık yapısı , aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli faydalar sağlar [ 12 ]:
Güvenilirlik: Şebeke muazzam bir ağ olduğundan, ülkenin geniş bölgelerinde doğru yerlere elektrik dağıtılabilir. Büyük iletim ağı, şebeke operatörlerinin hala elektrik talebini karşılarken beklenen ve öngörülemeyen zararlarla başa çıkmalarına izin veriyor.
Esneklik: Elektrik şebekesi, bir güç sisteminin, gücün gerekli olduğu yerden uzakta olsalar bile, çeşitli kaynakları kullanmasına izin verir. Örneğin, rüzgar türbinleri, rüzgârın en kuvvetli olduğu yerde inşa edilmelidir; şebeke, bu elektriğin uzak şehirlere aktarılmasını sağlar.
Ekonomik rekabet: Şebeke, birden fazla jeneratörün ve santralin tüketicilere elektrik sağlamasına izin verdiğinden, farklı jeneratörler, en ucuz fiyata elektrik sağlamak için birbirleriyle rekabet eder. Şebeke ayrıca bir sigorta şekli olarak da hizmet eder – şebekedeki rekabet müşterileri yakıt fiyatlarındaki dalgalanmalara karşı korur.
2003’teki tarihi bir kesinti, etkili şebeke iletiminin neden bu kadar önemli olduğunu gösterdi. 14 Ağustos 2003 tarihinde, bir Ohio elektrik şirketi insanlık tarihindeki en büyük karartmayı sadece insan hatası nedeniyle başlattı [13]. Karartma New York, Pennsylvania, Connecticut, Massachusetts, New Jersey, Michigan ve hatta Kanada’nın bazı bölgelerine yayıldı. Ofisler boşaltılmalıydı ve binlerce insan sıcaktan muzdarip olan hastaneleri su bastı [14]. Elektrik şebekemiz 2003 yılından bu yana uzun bir yol kat etti, ancak iyileştirme için daha birçok fırsat var.
Şebekede yeni fırsatlar
Elektrik şebekesi dinamik bir sistemdir. Yeni teknolojileri, elektrik talebindeki artışları ve güvenilir, çeşitli elektrik kaynaklarına artan bir ihtiyacı karşılamak için son yüzyılda hızla değişti ve gelişti. Bir saatlik bazda bile, şebeke değişiyor ve talebi en düşük maliyetle karşılamak için farklı elektrik kaynakları kullanılıyor.
Teknoloji değiştikçe ve daha iyi seçenekler ortaya çıktıkça, elektrik şebekesinde önemli iyileştirmeler yapılabilir.
Örneğin, enerji depolama teknolojileri, elektrik talebi arttığında veya hızla arttığında, verimlilik ve güvenilirliği artırarak elektriğin kullanım için depolanmasına izin verebilir. Kendi kendini programlayan termostatlar gibi daha yeni, daha gelişmiş sayaçlar, daha etkili yönetim ve daha hızlı tepki süreleri için daha iyi veri toplama olanağı sağlar. Akıllı şarj , elektrikli otomobillerin elektrikli ızgarayla etkileşime girmesine izin verebileceğinden , araçlar bile rol oynayabilir .
Bireysel evlerde güneş panelleri gibi dağıtılmış üretim sistemleri, elektriğin kat etmesi gereken mesafeyi azaltır, böylece verimlilik artar ve para tasarrufu sağlanır. Tüketiciler tarafından yapılan yatırımlar – enerji tasarruflu cihazlar satın alma, enerji tasarruflu binalar inşa etmek veya güneş panelleri kurmak gibi – müşterilerden tasarruf sağlar ve aynı zamanda enerjiyi daha verimli kullanır.