Framför den tredje elektriska systemrevolutionen i USA

USAs elektricitet ses som aldrig tidigare, med sina städer anslutna via ett stort nätverk

Kraftbehov som en kraftresurs

Ett svimlande utbud av ny energiteknik når eller närmar sig marknaden. Nyare val för att generera el är bränsleceller, vindkraftverk, solceller och mikroturbiner.

Energilagring närmar sig praktisk, förexempel genom reversibla bränsleceller och svänghjul. Under utveckling är smarta hushållsapparater som kan känna och anpassa sig till gallerförhållanden och kommersiella värme-ventilation-luftkonditioneringssystem som möjliggör fjärrdiagnostik och kontroll.

Praktiskt taget all ny energiteknik levereras med inbyggd elektronisk intelligens som styr deras verksamhet och gör att de kan kopplas till andra enheter, byggnader och det övergripande nätet.

Kanske det viktigaste budskapet omenergiteknikrevolutionen är det, anmärkningsvärt, eftersom varje enskild enhet är ensam, är deras värde helt frigört endast när de är sammanlänkade i sammanhängande system. Informationsteknik representerar bindevävnaden.

Thomas Edison håller glödlampan

Upphovsmannen till den första stora elektriska revolutionen visste att innovativa enheter är viktiga, men nyckeln är att skapa system som gör dem användbara.

Thomas Edisons beslut att skapa en praktiskglödlampa var bara en del av ett större schema. Elektrisk kraft hittade redan nischapplikationer som ljusbågsbelysning på plats. Edisons vision var att leda elektricitet till människors hus för att ersätta gasljusindustrin. Så han mimicked sina system som han utplånade de första elnätet.

När han öppnade de första centrala kraftstationerna och nätet i 1882 ökade Edisons nya kraftsystem kraftigt användbarheten hos elektriska apparater, avstängde en explosion vid användningen.

År 1895 använde George Westinghouse Teslas teknik för att utnyttja Niagara Falls och överföra växelström 22 mil till Buffalo.

Nikola Tesla står bredvid sin svit på Hotel New Yorker - cirka 1934

Tesla-Westinghouse-systemet skapade det andrastor revolution i elens användbarhet genom att multiplicera elproducerande potential. Nuvarande nät, med stora centrala kraftverk och tusen mil överföringsledningar, är mer ett barn av Westinghouse och Tesla än Edison.

Edison har dock någon hämnd på sina stora rivaler. Det smarta energinätet representerar en partiell sväng tillbaka till Edisons ursprungliga idé om lokaliserad likströmsfördelning.

Konceptet för det smarta energinätet är den tredje och största elrevolutionen.

SMART GRID - En realtid dynamisk nätverk av elektrisk efterfrågan, leverans och kontroll (foto kredit till utilityproducts.com)

Infusion av allestädes närvarande informationsteknikgenom hela gallret gör det ett mycket annorlunda och till och med mer användbart djur än Edison eller Teslas skapelser. Var och en av de tidigare näten var orienterad kring centrala kraftverk och central kontroll. Det smarta energinätet kommer att distribuera kontrollen och genereringen av el i hela nätverket, vilket ger ett system som fungerar på fundamentalt olika och aldrig tidigare skådade sätt.

Ett nät som består av relativt få regleradeNätverksmonopol utvecklas till ett nätverk av många konkurrenskraftiga kraftproducenter och andra nya aktörer. Den här trenden var kickstartad av teknik, ökningen av konkurrenskraftig naturgassturbin el. Stora kraftkunder som krävde tillgång till den här billiga kraften ledde till att konkurrensen för grossistmarknaderna öppnades för tio år sedan, och började omstruktureringen.

Omstruktureringen gick in i vägarna efter 2001västkrisens kris. Men trenden mot konkurrenskraftiga kraftmarknader är osannolikt att minska, särskilt med framväxten av ekonomisk, småskalig, distribuerad energiproduktion.

2013 Rapportkort för Amerikas infrastruktur - Energi och det nationella elnätet

Sätt den nya energitekniken och ekonomintillsammans, och bilden som framträder är ett skifte från topp-down-kontroll till bottom-up-hantering. Spontana organisationsmönster som beskrivs som komplexa adaptiva system framträder från botten. I det smarta energinätverket är varje mjukvaruagent en skådespelare som kan optimera kraftverksamheten i sin egen arena.

Det kumulativa resultatet är ett komplext adaptivt system som gemensamt styr energinätverket.

Nätverk av smarta enheter ta komplexitet till "en skala där vi inte kan hantera saker centralt,"Noterar Ron Ambrosio från IBM Research.

Smarta programvaruagenter inom varje enhet måste varakunna bedöma förhållandena i sin arbetsmiljö och svara självständigt. Dessa bedömningar och svar ger en miljö med mycket mer komplexa interaktioner som dagens kraftnät. På det traditionella nätet strömmar energi utåt till kunderna, medan information koncentreras i kommandocentraler och pengaflöden från kunder till faktureringsavdelningar.

Men kommer ett system med miljoner kopplade smartaenheter fungerar utan att skryta på egen komplexitet? Hur kommer traditionella energileverantörer att relatera till alla nya spelare? Situationen liknar ett auditorium med en talare på scenen, men där hela publiken plötsligt vill gå med i konversationen.

Arkitektur av ett smart nät

Resultatet blir pandemonium om inte publikenpå något sätt organiserar sig och sätter upp protokoll för kommunikation. När nätet flyttas från central till distribuerad kontroll är det precis vad som måste utvecklas. Högtalaren på scenen kan fortfarande underlätta diskussionen men mycket av åtgärden kommer att flytta till golvet.

Tal om att flytta från centraliserade till distribuerade system väcker andra problem.

1. Vem kommer att vara ansvarig när nätet löser problem?
2. Kan vi lita på nätet att "driva sig"?
3. Kommer svårigheter att integrera många nya energitekniker förhindra eller fördröja förverkligandet av deras fördelar?
4. Kommer interaktioner och transaktioner med smarta enheter att orsaka instabilitet?
5. Kan systemet bearbetas av prisgaller eller kapat av terrorister?

Sådana frågor visar varför det är absolut nödvändigt att utforska hur den nya tekniken meshas i system.

Att utveckla detta omfattande tillvägagångssätt är punkten i Pacific Northwest National Laboratory - PNNLs arbete relaterat till energisystemomvandling. Laboratories ambitiösa översikt omfattar utveckling av grundläggande arkitektur som gör det möjligt för smarta energianordningar att kommunicera, skapa ett virtuellt rutnät i en superdator för att modellera nya energinätverk och montera fysiska test i fysiska tester för att se hur energienheterna fungerar.

PNNL-forskare syftar till att grunda framkomsten av det smarta energinätet genom att skapa en ram för alla dess aspekter från bränslen och kraftproduktion genom överföring och leverans till slutanvändning.

Referens: Smart Energy Network: Elektricitetens tredje stora revolution av Patrick Mazza