רשת קווי מתח חשמלי, להובלת חשמל לצרכנים, פותחה רק בסוף המאה ה 19. בתחילה היו שתי הצעות להעברת חשמל ללקוחות:
- רשת זרם חילופין – שהוצעה על ידי ניקולא טסלה.
- רשת זרם ישר – שהוצעה על ידי תומס אדיסון.
רשת החשמל הנפוצה בעולם בתחילת המאה ה 21, היא רשת המבוססת על זרם (מתח) חילופין.
עד סוף המאה העשרים, שימשה רשת החשמל להולכת חשמל בכיוון אחד, מהמקור המייצר חשמל, לצרכן.
גם תעריף התשלום עבור החשמל, היה אחיד, או במקרים מסוימים 2 תעריפים: אחד ליום ואחד ללילה (בלילה, צריכת החשמל נמוכה יותר והתעריף הנמוך יותר בלילה, נועד לעודד צרכנים להשתמש בחשמל בשעות אלו).
החל מסוף המאה העשרים, ליצרנים רבים יש יכולת לייצר חשמל באופן פרטי (כמו למשל, באמצעות תאי שמש), ולספק אותו למערכת החשמל המרכזית, תוך שימוש במונה חשמל דו כיווני.
ייצור זה, שאינו אחיד, ומשתנה כל הזמן, ביחד עם הגידול במספר הצרכנים, ובצריכת החשמל של כל צרכן, גרמו לבעיות במערכות אספקת החשמל המרכזיות.
לצורך כך, החל משנת 2000 החלה להתפתח: "רשת חשמל חכמה", המבוססת על תקשורת ממוחשבת, קריאת מונים מרחוק, חישת צריכת החשמל בכל רגע נתון בכל נקודה, חישת ייצור החשמל ובקרתו.
מהי "רשת חשמל חכמה"?
ידועים המקרים, בהם תקלה באחת מתחנות אספקת החשמל, גרמה לקריסה כוללת של כל רשת החשמל (עלטה = Blackout), כתוצאה מעומס שנוצר על קווי ההולכה.
"רשת חשמל חכמה" (Smart Grid) היא רשת חשמל, עם חיישנים בנקודות מפתח בה, ועם מערכות בקרה, המאזנות בכל רגע נתון בין הביקוש לחשמל לייצורו.
ככול שגדלה המורכבות (Complexity) של האיזון בין כמות החשמל הנדרשת לצרכן (עומס = Load), לבין כמות החשמל המיוצרת, חייבות להיות יותר מערכות "חכמות", המנתרות את הפרמטרים, ומעבירות משוב מיידי למערכות בקרה, שמאזנות בין הייצור לדרישה.
הדרישות ממערכת ייצור חשמל, הן:
- יציבות (Stability).
- אמינות (Reliability), אותה ניתן לבסס באמצעות נתיבי העברה חלופיים.
- יעילות (Efficiency).
- כושר ייצור (Capacity) גבוה מהדרישה המכסימלית – למניעת מחסור שמתבטא בהפסקות חשמל.
- עלויות כלכליות נמוכות.
- גמישות (Flexibility) והתאמה לצרכים.
קיימות מערכות ייצור מרכזיות גדולות, ובמקביל להן, מתפתחות מערכות ייצור חשמל מקומיות, קטנות, מבוזרות.
רשת חשמל חכמה, חייבת לאזן בין הייצור המבוזר לייצור המרכזי.
הבעיה מחריפה, ככול שגדל השימוש במקורות אנרגיה חלופיים, כגון שמש ורוח, שאספקת החשמל באמצעותן אינה אמינה (עננים, יום ולילה, ושינויי מזג אוויר ואקלים).
במקרה זה, לא רק הצריכה של הצרכנים (לקוחות) משתנה עם הזמן, אלא גם כושר ייצור החשמל (יצרנים), אינו נשלט בלעדית על ידי יצרן מרכזי.
כאשר מחברים מקורות אנרגיה אלטרנטיביים אלו לרשת חשמל מרכזית, חייבים להקפיד להשתמש בהם כל זמן שהם מייצרים חשמל, ולספק חלופות, כאשר כמות החשמל שהם מייצרים משתנה.
נושא "רשת החשמל החכמה" מופעל בהצלחה בסין, שמגדילה בהדרגה את השימוש במקורות אנרגיה חלופיים, ורוצה להקטין עד שנת 2020, את ייצור גזי החממה ב 40% לעומת שנת 2005.
מהן הפתרונות המוצעים ל"רשת חשמל חכמה"?
ככול שרשת החשמל תהיה יותר מבוזרת, ותתבסס על רשתו חשמל חכמות קטנות, תגדל היכולת למנוע בעיות של ניתוק חשמל כללי.
כל רשת מקומית, חייבת להסתמך קודם כול על ייצור החשמל המקומי, ולהיעזר ברשת הראשית, רק כאשר כושר הייצור המקומי אינו מספק את הדרישה.
מערכת מקומית קטנה, יכולה לחזור במהירות לפעולה סדירה, במקרה של תקלה, לעומת מערכת חשמל מרכזית גדולה.
אחד היתרונות הגדולים של רשת חשמל חכמה מקומית, הוא השימוש ב"טכנולוגיית סגירת פולסים" (Pulse Closing Technology), המאפשרת בדיקת המערכת לאחר נפילה, באמצעות שליחת פולס יחיד של זרם נמוך דרכה, ובדיקה האם התקלה עדיין קיימת, לפני שמחברים את המערכת מחדש.
רשת חשמל חכמה, יכולה לתת עדיפות לייצור חשמל בצורה נקייה, ורק כאשר הביקוש גדל מעבר ליכולת הייצור הנקייה, להשתמש באמצעי ייצור מזהמים יותר.
בארצות רבות, גדֵלה כמות מוני החשמל החכמים (דו כיווניים), המותקנים אצל צרכנים שיש להם יכולת ייצור חשמל באמצעים חלופיים (שמש, רוח). רשת חשמל חכמה חייבת להתייחס לצרכנים אלו.
רשת חשמל חכמה (Smart Grid) מהווה אתגר הנדסי גדול, גם בקנה מידה ארצי של כל מדינה, וגם בקנה מידה עולמי, לאיזון הייצור והצריכה של חשמל.
הכוונה היא לרשת חשמל בפריסה גדולה, לדוגמה, על פני כל ארצות הברית, או על פני כל אירופה.
בעתיד, כאשר ייבנו מתקנים מרכזיים של קליטת אנרגיית שמש, כמו לדוגמה במדבר הסהרה, הם יוכלו לספק את צריכת החשמל של אירופה.
"רשת חשמל חכמה" בנויה לספק את הכמות הנכונה של חשמל לכל אחד מהצרכנים, תוך איזון המקורות והמשאבים בתיאום.
"רשת חשמל חכמה", חייבת להיפרס לאורך קילומטרים רבים, ולכן חייבת להיות עם איבודי אנרגיה קטנים ככול הניתן, בקווי ההולכה.
