FoodPro Preloader

Gir strømnettet noe ryggrad


En stiv vind blåser året rundt i Nord-Dakota. I Arizona slår solen ned nesten hver dag. USA har store mengder fornybare strømkilder som venter på å bli tappet i disse regionene, men det som ikke har det er kraftledninger - store kraftledninger som kan bære den store energien til fjerne byer og næringer hvor det er nødvendig. Det sam

En stiv vind blåser året rundt i Nord-Dakota. I Arizona slår solen ned nesten hver dag. USA har store mengder fornybare strømkilder som venter på å bli tappet i disse regionene, men det som ikke har det er kraftledninger - store kraftledninger som kan bære den store energien til fjerne byer og næringer hvor det er nødvendig.

Det samme er sant utover de vindkastede høydene og den solbagte Mojave-ørkenen: Fornybar forsyning og etterspørsel etter elektrisitet er sjelden på samme sted, og for ofte mangler transmisjonslinjer som kreves for å koble dem. Ulempen eksisterer selv i New England, hvor hundrevis av miles av høyspenningstråd støttet av tusenvis av ståltårn kjører pent gjennom tette områder av bosetning. Når Gordon Van Wiele, administrerende direktør i ISO New England, ansvarlig for overføring i seksstatssamfunnet, unfurls et kart over landet der, viser store ovaler plasseringen av de beste vindstedene: Vermont nær Quebec grensen og østlige Maine spiller over til New Brunswick. Men sikker nok, ingen overføringslinjer trer over dem.

USA har naturressursene, teknologien og hovedstaden til å gjøre et stort skifte til fornybar energi, et skritt som vil redusere utslippene av klimagasser og smogdannende forurensninger fra kullkraftverk, samtidig som det frigjør naturgass til bedre bruk . Mangler er en høyspenningsoverføringsbackbone for å gjøre den fremtiden til virkelighet. På enkelte steder løper vindkraft, fremdeles i sin barndom, allerede opp mot gridets grenser. "Det meste av potensialet for fornybare ressurser pleier å være på steder der vi ikke har robust eksisterende transmisjonsinfrastruktur, sier Van Wiele. I stedet har elektriske selskaper i flere tiår bygget kull-, atomkraft-, naturgass- og oljefyrte generatorer nær kunder.

Denne strategien fungerte ganske bra frem til nylig, da 28 statlige myndigheter fastsatte "fornybare porteføljestandarder" som krever at deres verktøy forsyner en bestemt del av sin elektrisitet ved bruk av fornybare energikilder, for eksempel 20 prosent innen 2020 eller enda før. Men som Kurt E. Yeager, tidligere president for Electric Power Research Institute i Palo Alto, California, påpeker, er slike standarder "ikke verdt papiret de er skrevet på før vi har et maktsystem, et rutenett som er i stand til å assimilere den intermitterende energien uten å måtte bygge store mengder reservekraft, fossilt drivstoff, for å aktivere den. "

I Colorado er verktøyet som serverer det meste av staten, Xcel Energy, nå bygget en megawatt naturgasskapasitet for hver megawatt av vind, slik at den er klar til å komme raskt på nettet for å gi strøm når vinden svinger av. Den planen er en karbonforbedring, men egentlig ikke en karbonløsning. USA trenger en ny overføringsbackbone som krysser landet, strikker sammen mange store vindparker, solenergi felt, geotermiske bassenger, vannkraftverk og andre alternative kilder.

Et verktøy selskap har allerede avduket en storplan for USA, og andre eksperter kartlegger sine egne ryggradsordninger. Men hvilken som helst som helst vil kreve mye penger og mye samordning på tvers av det som nå er uavhengige områder av teknologisk og politisk kontroll.

Flaskehalser vil ha det for mye
Selv før vekten på klimaendringer var det grunner å montere for å gjenopprette nettet. Chief blant dem er flaskehalser som stifle strømmen av kraft.

Nord-Amerika er faktisk dekket av fire regionale nettverk (hvorav tre tjener USA). Den største er den østlige sammenkoblingen, et omfattende kompleks av overføringslinjer som strekker seg fra Halifax til New Orleans, med stasjoner som går ned i høyspenningselektronikken til lavere nivåer, slik at den kan distribueres lokalt langs mindre ledninger. Vest for Rockies er den vestlige sammenkoblingen, fra British Columbia til San Diego og en liten del av Mexico. Texas, i et ekko av sin historie som en selvstendig republikk, består av sitt eget rutenett, nå kalt den elektriske pålitelighetsrådet i Texas. Og Quebec, med sin separatistiske understrøm, har også sitt eget rutenett. Høyspenningsoverføringssystemene i de fire regionene omfatter rundt 200.000 miles kraftledninger fordelt på en svimlende 500 eiere som bærer strøm fra mer enn 10.000 kraftverk som drives av ca 6.000 investor-eide verktøy, offentlige kraft systemer og samarbeid .

De fire sammenkoblingene er koblet sammen med korte høyspenningslinjer, men de gir ikke nok kapasitet til å bevege tilstrekkelig kraft frem og tilbake, mye mindre for å håndtere den ekstra byrden av tusenvis av fornybare kilder med utgang som er intermittent og noen ganger vanskelig å spå. Transmisjonslinjer innenfor sammenkoblingene er likevel utilstrekkelige, anstrengt av den stadig økende etterspørselen etter elektrisitet. Som et resultat er hele rutenettet mer utsatt for blackouts.

"Transmisjonssystemet blir brukt nærmere sine grenser mer enn tidligere, " sier Rick Sergel, president for North American Electric Reliability Corporation, som setter driftsstandarder for systemet i USA og deler av Canada. Omstrukturering av den elektriske industrien har også skapt mange flere spredte kjøpere og selgere, men ledningen for å koble dem har knapt forandret seg.

Transmisjonen går ikke bra, selv innenfor fotavtrykk av et enkelt stort verktøy. Ta American Electric Power (AEP), som serverer en bred snude av nasjonens midseksjon. Gjennom 1980-tallet fungerte en nøkkel høyspenningsforbindelse nær midten av systemet som en okkludert arterie. Flaskhalsen kjørte mellom to steder de fleste elbrukerne aldri har hørt om: Kanawha, Va, og Matt Funk, W.Va. Til tider stod linjen hele systemet, og begrenset overføring av rikelig, billig strøm fra dusinvis av kullplanter i Illinois, Indiana, Kentucky og Ohio til de sultne markeder i østkysten, som måtte stole på lokale generatorer drevet av dyrere naturgass eller olje.

Linjen ble vurdert så høyt som næringen går - en 765 kilovolt leviathan med tårnene 13 fortellingene høy, som strekker seg en rettveis 200 meter bred. Men det var vanligvis begrenset til å bære mindre enn halvparten av sin kapasitet på grunn av rutenettets design. Det elektriske systemet må alltid betjenes slik at ingen enkeltsvikt vil starte en kaskade med feil som vil føre til en blackout. Hvis Kanawha-Matt Funk-linjen trippes ut av drift ved full belastning, kan den sende en bølge av strøm som strømmer til en parallell, men mindre linje vurdert til bare 345 kilovolt. Den linjen ville bli slått ut, og en kaskade kan følge.

Okklusjonen startet på 1980-tallet, da for noen timer hvert år grenser på linjen forhindret interregional overføringer av makt som ville ha spart forbrukerne penger. I stedet måtte nye kraftverk bygges eller eksisterende anlegg som var dyre å kjøre ble holdt på når de økonomisk sett skulle ha vært stengt. I 1990 gikk timene inn i hundrevis, og AEP nådde den åpenbare kur: det bestemte seg å opprette en parallelllinje, også vurdert til 765 kilovolt.

På papir var prosjektet greit. Selskapet hadde allerede flere tiår med erfaring rundt 2.000 miles av slike linjer. Og konstruksjonen tok en beskjeden 30 måneder. Den nye linjen, som koster $ 306 millioner, gikk endelig inn i tjenesten i juni 2006. Men det kom etter 14 års arbeid for å få tillatelsene fra alle jurisdiksjoner som styrte en del av ruten, inkludert to stater og US Forest Service.

Det er enda mer nummerende å vurdere at i dette tilfellet var enheten som ønsket å bygge linjen den samme som ønsket å sende kraft over det. Nå vurderer den mer typiske situasjonen - hvor en kraftprodusent prøver å overtale et annet selskap til å bygge overføring - og prospektet blir enda mer komplisert. I løpet av de siste to tiårene har det vært svært lite overføringskapasitet. 70 prosent av det eksisterende høyspenningssystemet er følgelig 25 år eller mer, ifølge US Department of Energy.

En stor plan
Det elektriske systemet undergår nesten alle aspekter av det moderne livet, fra vannforsyninger og stålverk til trafikklys og Internett. Selv om vi tenker på det som en nasjonal institusjon, er det nesten et feodalt system blant de 500 eierne. Kontroll av kraftstrømmen er også balkanisert blant dusinvis av jurisdiksjoner, en gjenstand for nettets historie; Det vokste sammen fra mange små systemer og lokale regulatorer som fremdeles ikke er meldt til i dag.

Frustrert av interne komplikasjoner som Kanawha-Matt Funk-linjen, samarbeidet AEP i fjor med DOE om å revurdere nettet for hele landet. Resultatet av en del av DOEs utforskning av hvordan man får 20 prosent av USAs elektrisitet fra vind innen 2030 - var en plan for en nasjonal høyspenningsoverføringsbackbone. Systemet på 22 000 kilometer vil være for elektrisitet hva interstate highway-systemet er for transport, noe som gjør det mulig for en annen slags energibesparelse egnet for en karbonbevisst epoke.

Planen ville ikke utvide dagens transmisjonssystem, som ofte opererer ikke høyere enn 345 kilovolt. Snarere ville det være overliggende over det, med ulike på- og avkjørsler. Ryggraden ville flytte kraft over hele kontinentet ved ekstrem høyspenningsvurdering: 765 kilovolt, noe som ville redusere typiske systemtap på 3 til 8 prosent til rundt 1 prosent. Den høyere spenningen vil også kreve færre linjer enn noe lavere spenningsalternativ, noe som betyr mindre fast eiendom for rettigheter.

For ytterligere å redusere tap, ville noen lange strekker bruke likestrøm, i stedet for den vanlige vekselstrømmen at det meste av systemet - og nesten alle husholdninger og bedrifter - kjører på. Selv om likestrømslinjer er svært effektive, er utstyret som konverterer vekselstrøm til likestrøm og tilbake igjen ikke slik at fordelen oppnås på lange spenner, som for eksempel fra de blåsende høydene og den solfylte sørvest. Disse spannene gir bare mening hvis de går gjennom tynt befolkede områder. Hvis linjen skulle fra Wyoming til Chicago, bemerker Michael Heyeck, senioradministrerende direktør for overføring på AEP: "Jeg er sikker på at Iowa eller andre stater ønsker å tappe inn i det." Ellers blir linjen som en utdanningsstat uten utveksling, neppe velkommen hvor som helst.

Høyspenningslinjer av begge varianter har lenge vist seg pålitelige. Og det er nå grunn til å tro at en nasjonal ryggrad kunne kontrolleres effektivt. AEP åpnet nylig et toppmoderne overføringskontrollsenter i New Albany, Ohio, nær Columbus, som kan tjene som modell for landsomfattende drift. Senteret ligger langt tilbake fra en lokal motorvei, omgitt av en vollgrav, med et umarkert gatehus foran. Innvendig viser gigantiske datamaskindrevne gulv-til-tak-displayer alle kraftledninger og strømmen i AEPs hele system. Displayene kan vise detaljer ned til nivået av transformatorer på individuelle stasjoner og kretsbrytere over tusen kvadratkilometer. Veggstørrelsesmonitorene genererer også foglike skyer over store deler av kartene over hele stater for å indikere generell spenningstrender: Hvit er bra, oransje er ikke, og rødt er verre.

AEPs primære motivasjon for senteret, gjennom bedre sanntidsovervåking av hver linje, bedre organisering av alle dataene og bedre presentasjon av diagnostikk til operatørene, er å hindre en annen stor blackout, som for eksempel august 2003. Deretter nærliggende verktøy, Første Energi, mistet oversikt over hva som kjørte og hva som ikke var, som tillot en kaskade å begynne. I løpet av få sekunder kjørte blackout over Ohio, forplantet til Detroit, opp gjennom Ontario og tilbake ned til New York. Men utover å forhindre slike blackouts, vil nivået på sofistikert kontroll som senteret gir, også gjøre det mulig å drive en nasjonal ryggrad.

Politisk muskel nødvendig
Konseptet med et nasjonalt energistyrke er ikke langt hentet. Faktisk har USA allerede en som har stor suksess med å flytte ressurser på store avstander, spesielt fra Mexicogolfen til New York og New England. Men det er for naturgass, ikke elektrisitet. Og det eksisterer fordi i 1940-tallet Kongressen opprettet et system med nasjonal regulering for naturgass. Elektrisitet ble igjen for å være regulert stat etter stat og noen ganger by by.

Som et resultat, sier Andrew Karsner, tidligere assisterende sekretær for energi for fornybar energi og effektivitet, har landet "Btu likviditet", men ikke "elektron likviditet." Skrapping av feudale overføringsregler for lignende nasjonale regler vil kreve kraftig lederskap fra Washington. Det første trinnet, Karsner notater, gjør overføringsreformen en prioritet. "Stopp blah-blah" dithering blant valgte embetsmenn, sier han.

En regulatorstang kan allerede eksistere. Energiloven fra 2005 ga DOE "sikkerhetstilsynet" for å godkjenne nye kraftledninger over statlige innvendinger, ved å utpeke "nasjonale interesse elektriske overføringskorridorer." Men noen verktøyledere tror at avdelingen har vært for tøft å bruke myndigheten. Bureaukratene på DOE beveger seg forsiktig, fordi de på de to stedene de har prøvd, en i nordøst og en i sørvest, har provosert voldsom reaksjon. I det nordøstlige tilfellet, for eksempel, senator Robert P. Casey, Jr., en demokrat fra Pennsylvania, avrundet raskt opp 13 andre senatorer for å be om høringer om hvordan myndigheten ble brukt. Han sa at utøvelsen av slik makt viste "et nivå av arroganse fra den føderale regjeringens side som undergraver tilliten til regjeringen." Oversettelse: Selv om den juridiske myndighet kan eksistere for å opprette overføringslinjer, kan det ikke være politisk enighet.

Et annet problem er selvsagt kostnad. DOEs vindrapport satte prislappen for en nasjonal ryggrad på $ 60 milliarder kroner - en svimlende sum, i hvert fall til forskjellige føderale bailouts begynte å komme sammen sist i høst etter at aksjemarkedet gikk ned. Enten et bedre rutenett ville bli ansett som en infrastrukturinvestering som er verdig til å stimulere utgifter av Obama-administrasjonen, er ikke klart. arbeidet ville ikke produsere legioner av arbeidsplasser og vil bare skape økonomiske fordeler sakte.

Men selv svært store investeringer kan være beskjedne sammenlignet med kostnaden for å bruke dyr lokalproduksjon snarere enn billigere fornybar energi fra fjerntliggende steder. I Connecticut har Northeast Utilities for eksempel nylig fullført en 20 kilometer linje fra Bethel til Norwalk som koster 336 millioner dollar, men i første år sparte det nesten 150 millioner dollar. Linjen vil fungere i flere tiår. Ifølge DOE er den nasjonale elregningen ca 247 milliarder dollar i året, noe som betyr at en liten prosentvis kostnadsnedgang kan finansiere titalls milliarder dollar i investeringer.

Gjennomføring av en slik bredere tenkning vil kreve en sann nasjonal energistrategi, ikke en statlig energistrategi. Et lignende problem gjentas i varierende omfang over hele verden. Lester Brown, president for jordpolitikkinstituttet, sier at verden må erstatte 40 prosent av sin elektrisitet som kommer fra kull med tilsvarende mengde fra vind, med 1, 5 millioner vindturbiner vurdert til to megawatt hver. Men overføring, anerkjenner han, er en "knust situasjon".

Det er klart at en konstruksjon av et nasjonalt transmisjonssystem ligger innenfor Amerikas evner. "Interstate Highway System ble ikke designet av enkelte stater og limt sammen, " peker Brown ut. "En eller annen måte, hvis det ble viktig nok, ville vi gjøre det."

Merk: Denne artikkelen ble opprinnelig skrevet ut med tittelen "Giver rutenettet noe ryggrad".

Denne artikkelen ble opprinnelig utgitt med tittelen "Giving the Grid Some Backbone" i SA Special Editions 19, 1s, 52-57 (mars 2009)

OM AUTOREN (S)

Matthew L. Wald er reporter ved New York Times . Han skrev om en mulig renessanse for atomkraft i det forrige utgaven av Scientifc American Earth 3.0 .

Siste nytt

I motsetning til Sylvester og Tweety får katter vanligvis sine fugler - opptil 3,7 milliarder av demNy sesong på den røde planetenSpørsmål & Svar: Lawrence Krauss på den største historien noensinne fortaltRing meg på MetaphoneVarmere hav knyttet til østkysten orkanutbruddVenter på reformer kan gi det vitenskapelige fellesskapet lindring fra Storbritannias farliggjørende skadereglerItalias oliventre måtte ikke dø6 Supercool Tech Toy Standouts på 2016 International Toy Fair [Slide Show]