Livline til vedvarende energi

Skub gennem en skudsikker svingdør i en ubestemmelig bygning i et trist område af det tidligere Østberlin, og du kommer ind i kontrolcentret for Vattenfall Europe Transmission, virksomheden, der kontrollerer det nordøstlige Tysklands elnet. En skærm, der viser et diagram over det gitter, fylder det meste af en væg. En række mindre skærme viser real-time output fra regionale vindmøller og output, der var blevet forudsagt dagen før. Tyskland er verdens største bruger af vindenergi med nok turbiner til at producere 22.250 megawatt elektricitet. Det svarer nogenlunde til produktionen fra 22 kulværker - nok til at dække omkring 6 procent af Tysklands behov. Og fordi Vattenfalls serviceområde producerer 41 procent af tysk vindenergi, er kontrolrummet en kritisk prøveplads for nettets evne til at håndtere vedvarende energi.

Grønne linjer: Udnyttelse af energi fra fjerntliggende vind- og solfarme vil kræve flere højspændingstransmissionsledninger som disse nær Yermo, CA, som forbinder det sydlige Nevada med Los Angeles.

Som alle andre elektriske net skal det, som Vattenfall administrerer, konstant matche elproduktionen med efterspørgslen fra boliger, kontorer og fabrikker. Udfordringen er at opretholde en stabil strømforsyning og samtidig inkorporere elektricitet fra en kilde så uberegnelig som vind. Hvis der er for lidt vindkraft, kan virksomhedens ingeniører blive nødt til at starte fossile kraftværker op med kort varsel, en ineffektiv proces. Hvis der er for meget, kan det overbelaste systemet, forårsage strømafbrydelser eller tvinge anlæg til at lukke ned.

Ingeniørerne har dog få muligheder. Nettet har en begrænset evne til at shunte ekstra strøm til andre regioner, og det har ingen energilagringskapacitet ud over en håndfuld små anlæg, der pumper vand ind i op ad bakke reservoirer og derefter frigiver det gennem turbiner i perioder med spidsbelastning. Så hver morgen, når kontorer og fabrikker tænder for deres strøm, skal ingeniørerne bruge vindforudsigelser til at hjælpe med at beslutte, hvor meget elektricitet konventionelle anlæg skal begynde at producere.

Men disse forudsigelser er langt fra perfekte. I takt med at flere og flere vindmøller dukker op i Tyskland, kommer overbelastninger og mangel på grund af uventede ændringer i vindniveau også. I 2007 måtte Vattenfalls ingeniører skrotte deres daglige planlægningsplaner nogenlunde hver anden dag for at omkonfigurere elforsyningen i farten; i begyndelsen af ​​2008 blev sådanne ændringer nødvendige hver dag. Kraftværker skulle tænde og slukke ineffektivt, og virksomheden måtte foretage nødstrømsindkøb til høje priser. Dage med meget høj vind og lav efterspørgsel tvang endda Vattenfall-arbejderne til hurtigt at lukke vindmølleparkerne.

Journalistens notesbog : David Talbot

Vattenfalls problemer er en forsmag på de enorme udfordringer, der venter, efterhånden som strøm fra vedvarende kilder, hovedsageligt vind og sol, begynder at spille en større rolle rundt om i verden. For at gøre brug af denne rene energi har vi brug for flere transmissionslinjer, der kan transportere strøm fra en region til en anden og forbinde energihungrende byer med de fjerntliggende områder, hvor meget af vores vedvarende energi sandsynligvis vil blive genereret. Vi får også brug for langt smartere styringer i hele distributionssystemet – teknologier, der kan lagre ekstra elektricitet fra vindmølleparker i batterierne i plug-in hybridbiler, for eksempel eller fjerntænde og slukke strømkrævende apparater, efterhånden som energiforsyningen stiger og falder.

Hvis disse netopgraderinger ikke sker, kan nye projekter med vedvarende energi blive stoppet, fordi de ville lægge uacceptabel belastning på eksisterende elektriske systemer. Ifølge en nylig undersøgelse finansieret af Europa-Kommissionen kan en voksende elproduktion fra vind (nye faciliteter beregnet til Nord- og Østersøen kan tilføje yderligere 25.000 megawatt til Tysklands net i 2030) til tider forårsage massive overbelastninger. I USA fremsatte North American Electric Reliability Corporation, en ikke-statslig organisation oprettet for at regulere industrien efter et enormt blackout i 1965, en lignende advarsel i november. Vi driver allerede systemet tættere på kanten end tidligere, siger koncernens præsident, Rick Sergel. Vi har simpelthen ikke den tilgængelige transmissionskapacitet til at integrere nye vedvarende ressourcer korrekt.

Multimedier

• Se diagrammer og infografik om amerikanske elkilder, krav og fornyelse af nettet.

Tilbage til det basale: At øge vedvarende energi i USA vil ikke kræve ny teknologi så meget som grundlæggende infrastruktur – såsom denne transformerstation nær Santa Clarita, CA – for at hjælpe med at bringe denne energi på markedet.

Udfordringen, som USA står over for, er særlig slående. Mens Tyskland allerede får 14 procent af sin elektricitet fra vedvarende kilder, får USA kun omkring 1 procent af sin elektricitet fra vind-, sol- og geotermisk energi tilsammen. Men mere end halvdelen af ​​staterne har sat ambitiøse mål for at øge brugen af ​​vedvarende energi, og den nyvalgte præsident Barack Obama ønsker, at 10 procent af landets elektricitet skal komme fra vedvarende kilder ved udgangen af ​​hans første valgperiode, hvilket stiger til 25 procent i 2025. Men i modsætning til Tyskland, som er begyndt at planlægge nye transmissionslinjer og vedtager nye love, der skal fremskynde deres konstruktion, har USA ingen national indsats på vej for at modernisere sit system. En fejl i at forbedre vores net vil være en betydelig byrde for udviklingen af ​​nye vedvarende teknologier, siger Vinod Khosla, grundlægger af Khosla Ventures, et venturekapitalfirma i Menlo Park, Californien, som har investeret kraftigt i energiteknologier.

Gridlock
Da dets konstruktion begyndte i slutningen af ​​det 19. århundrede, var det amerikanske elnet beregnet til at bringe den billigste strøm til de fleste mennesker. I løbet af det sidste århundrede har regionale monopoler og statslige myndigheder bygget kraftværker – for det meste fossilt brændstof – så tæt på befolkningscentre som muligt. De har også bygget transmissions- og distributionsnetværk designet til at betjene hver regions elforbrugere. Der er udviklet et patchwork-system, og hvilke forbindelser der findes mellem lokale netværk, er hovedsageligt ment som backstop mod strømafbrydelser. I dag omfatter USA's net 164.000 miles af højspændingstransmissionsledninger - de velkendte rækker af ståltårne, der transporterer elektricitet fra kraftværker til transformerstationer - og mere end 5.000 lokale distributionsnetværk. Men selvom dets størrelse og kompleksitet er vokset enormt, har nettets grundlæggende struktur ændret sig lidt, siden Thomas Edison tændte for et distributionssystem, der betjener 59 kunder på det nedre Manhattan i 1882. Hvis Edison ville vågne op i dag, og han så på nettet, ville han sige: 'Det var der, jeg forlod det,' siger Guido Bartels, general manager for IBM Global Energy and Utilities Industry-gruppen.

Selvom denne struktur har tjent bemærkelsesværdigt godt til at levere billig strøm til en bred befolkning, er den ikke særlig velegnet til fluktuerende strømkilder som sol og vind. Først og fremmest er transmissionslinjerne ikke de rigtige steder. Midtvestens vindstødsletter og de solbagte ørkener i det sydvestlige område – områder, der teoretisk kunne forsyne hele nationen med vind- og solenergi – er ved ende ender af nettet, isoleret fra de fede arterier, der leverer strøm til f.eks. Chicago eller Los Angeles. For det andet mangler nettet lagerkapaciteten til at håndtere variabilitet - for at gøre en kilde som solenergi, der ikke genererer energi om natten og lidt på overskyede dage, til en konsekvent kilde til elektricitet. Og endelig er nettet for det meste et dumt envejssystem. Overvej, at når strømmen går ud på din gade, vil forsyningen sandsynligvis ikke vide om det, medmindre du eller en af ​​dine naboer tager telefonen. Det er ikke den slags system, der kunne overvåge og styre den fluktuerende produktion fra tagsolpaneler eller distribuerede vindmøller.

Det amerikanske nets reguleringsstruktur er lige så forældet. Mens Federal Energy Regulatory Commission (FERC) kan godkende forsyningsselskabers anmodninger om elektricitetspriser og licenstransmission på tværs af statslinjer, bevarer de enkelte stater kontrollen over, om og hvor større transmissionslinjer rent faktisk bliver bygget. I 1990'erne reviderede mange stater deres regler i et forsøg på at indføre konkurrence på energimarkedet. Forsyningsselskaber var nødt til at åbne deres transmissionsledninger for andre elproducenter. En effekt af disse reguleringstiltag var, at virksomhederne havde mindre incitament til at investere i nettet end i nye kraftværker, og ingen havde et klart ansvar for at udbygge transmissionsinfrastrukturen. Samtidig betød det mere åbne marked, at producenter begyndte at forsøge at sælge strøm til regioner længere væk, hvilket lagde nye byrder på eksisterende forbindelser mellem netværk. Resultatet har været en national transmissionsmangel.

Disse problemer kan nu være den største hindring for en bredere anvendelse af vedvarende energi, som ellers ser stadig mere levedygtig ud. Forskere ved National Renewable Energy Laboratory i Golden, CO, har konkluderet, at der ikke er nogen teknisk eller økonomisk grund til, at USA ikke kunne få 20 procent af sin elektricitet fra vindmøller i 2030. Forskerne beregner dog, at nå dette mål ville kræve en investering på 60 milliarder dollars i 12.650 miles af nye transmissionsledninger for at tilslutte vindmølleparker til nettet og hjælpe med at balancere deres produktion med andre elkilders og forbrugernes efterspørgsel. Den utilstrækkelige netinfrastruktur er langt det største problem med hensyn til at udvide vind, siger Steve Specker, formand for Electric Power Research Institute (EPRI) i Palo Alto, Californien, industriens forskningsfacilitet. Det er allerede begyndt at begrænse noget af den potentielle vækst af vind i nogle dele af Vesten.

Midwest Independent Transmission System Operator, som administrerer nettet i en region, der dækker dele af 15 stater fra Pennsylvania til Montana, har modtaget hundredvis af ansøgninger om netforbindelser fra potentielle energiudviklere, hvis foreslåede vindprojekter tilsammen ville generere 67.000 megawatt strøm. Det er mere end 14 gange så meget vindkraft, som regionen producerer nu, og meget mere, end den kunne forbruge på egen hånd; det ville repræsentere omkring 6 procent af det samlede amerikanske elforbrug. Men det eksisterende transmissionssystem har ikke kapacitet til at få så meget strøm til de dele af landet, der har brug for det. I mange af staterne i regionen er det ikke nødvendigt at flytte tingene videre, da hver enkelt har al den magt, den har brug for. Så de fleste af ansøgningerne om netforbindelser står simpelthen i kø, nogle hindret af manglen på infrastruktur og andre af bureaukratiske og lovgivningsmæssige forsinkelser.

Lisa Daniels ventede for eksempel tre år på en netforbindelse til en planlagt udvikling af 9 til 12 møller på hendes jord i Kenyon, MN, 60 miles syd for Minneapolis. Installationen ville være i stand til at producere 18 megawatt strøm. Dens plads – kun halvanden kilometer fra en transformerstation – er klar til bulldozer, siger Daniels, som også er administrerende direktør for en regional nonprofitorganisation, der har til formål at tilskynde til lokale vindprojekter. Systemet skal være plug-and-play, men det er det ikke, siger hun.

Forsyningsselskaber er dog tilbageholdende med at bygge ny transmissionskapacitet, før de ved, at strømudtaget fra fjerntliggende vind- og solparker vil retfærdiggøre det. Samtidig er investorer i vedvarende energi tilbageholdende med at bygge nye vind- eller solparker, indtil de ved, at de kan få deres strøm på markedet. Oftest vælger de at vente på ny transmissionskapacitet, før de gider komme med forslag, siger Suedeen Kelly, en FERC-kommissær. Det er en kylling-og-æg-type ting, siger hun.

Mere intelligens
Det vinduesløse laboratorium hos GE Global Research i Niskayuna, NY, er fyldt med køkkenmaskiner og foret med vægskærme som dem i kontrolcentrene til et elektrisk net. I laboratoriet beskriver Juan de Bedout, leder af Electric Power and Propulsion Systems Laboratory, hvordan et smart grid kan hjælpe med at gøre vedvarende energi praktisk. Forestil dig, siger han, at vindhastigheden pludselig falder ved en vindmøllepark, eller at en skybank bevæger sig hen over et solcelleanlæg. Eksisterende transmissionskontrolsystemer – som dem hos Vattenfall – vil registrere faldet i udbuddet og ordrestigninger i elproduktionen fra andre kilder, især naturgasanlæg, som hurtigt kan fyres op.

Men i et smart grid kunne controlleren sende en besked ned til et regionalt distributionssystem for at søge at reducere efterspørgslen. Øjeblikkeligt ville der gå et signal ud til målere i hjemmene eller kontorerne hos kunder, der havde aftalt, i bytte for satsnedsættelser, at lade forsyningen rigge nogle af deres apparater til for at reducere strømforbruget under forsyningsfald. Inden for sekunder ville elektriske vandvarmere slukke i et par minutter, og elektroniske termostater ville automatisk blive justeret med to eller tre grader. Der ville ikke være behov for at tænde for naturgasanlægget.

Vindstød: Eksisterende vindmølleparker i det sydlige Californien, som denne nord for Santa Clarita, bliver udvidet med større farme, da nye transmissionslinjer forbinder området med Los Angeles.

I et af de mere avancerede pilotprojekter, der tester et sådant system, investerer det Minneapolis-baserede forsyningsselskab Xcel Energy og flere leverandører $100 millioner for at installere en smart-grid-infrastruktur i Boulder, CO. I disse dage er et 115-personers Xcel-hold ude. fuld tid, installation af to-vejs elmålere ved 50.000 huse. Boligejere får software, der lader dem se og styre deres energiforbrug på nettet, og nogle af deres apparater er udstyret med kontakter, der vil lade forsyningen slukke dem på afstand i perioder med stor efterspørgsel.

Smart-grid-teknologier kan reducere det samlede elforbrug med 6 procent og peak-efterspørgslen med så meget som 27 procent. Alene peak-efterspørgselsreduktionerne ville spare mellem $175 milliarder og $332 milliarder over 20 år, ifølge Brattle Group, et konsulentfirma i Cambridge, MA. Ikke alene ville lavere efterspørgsel frigøre transmissionskapacitet, men de kapitalinvesteringer, der ellers ville være nødvendige for nye konventionelle kraftværker, kunne omdirigeres til vedvarende energi. Det skyldes, at smart-grid-teknologier ville gøre små installationer af vindmøller og solcellepaneler meget mere praktiske. De vil gøre det muligt at integrere meget større mængder vedvarende energi på nettet og sænke de effektive samlede systemomfattende omkostninger for disse vedvarende energikilder, siger Brattle Groups Peter Fox-Penner.

I Boulder, for eksempel, opfordrer Xcel forbrugerne til at installere solpaneler på deres tage og batterier i deres kældre – en del af en plan for at demonstrere, hvordan den variable strøm produceret af tusinder eller millioner af solcelletage kan opbevares i individuelle hjem og føres ind i nettet efter behov. I de seneste måneder har Xcel endda købt et par plug-in hybridbiler og tilsluttet dem til nettet for at teste software, der ville lade køretøjerne fungere som energilagringsenheder.

Og Xcel er ikke alene. Både startups og store virksomheder perfektionerer og kommercialiserer solcelletagmaterialer, kælderenergilagringsenheder, batterier til plug-in hybrider og smart software til at optimere elforbruget. Men ligesom storstilet vedvarende energiproduktion afhænger af at forbedre transmissionsinfrastrukturen, er mange af disse fremskridt ubrugelige uden bedre netkontrol. Du kan ikke bruge et plug-ins batteri til netopbevaring, hvis nettet ikke intelligent kan hente strøm fra bilen.

Den gode nyhed er, at mange forsyningsselskaber er begyndt at installere de nødvendige målere – dem, der intelligent overvåger strømstrømmen ud af et hus såvel som ind i det. Spørgsmålet er nu, hvordan man kan bevæge sig ud over snestormen af ​​pilotprojekter, installere smartere teknologier på tværs af nettet og begynde at integrere mere vedvarende energi i den nye infrastruktur. Smart-grid-visionen er fin; vi har alle vores PowerPoint-lysbilleder i farver, siger Don Von Dollen, der leder forskning i intelligente gitter hos EPRI. Jeg tror, ​​folk har fået visionen nu. Nu er det tid til at få tingene gjort.

Ond cirkel
Sidste sommer begyndte tidligere vicepræsident Al Gore at argumentere for, at landet var nødt til at implementere et fuldstændigt kulstoffrit elsystem inden for et årti for at afværge faren for global opvarmning. Som en del af sin vision opfordrede Gore til et samlet nationalt smart net, der ville flytte strøm genereret fra vedvarende kilder til byer, øge effektiviteten af ​​elforbruget og give mulighed for større kontrol over vedvarende ressourcer. Han vurderede, at neteftersynet ville koste 400 milliarder dollars over 10 år.

Gores plan præciserer ikke præcis, hvordan et så massivt projekt ville blive udført. Hvis det går hurtigere at have omfattende lovgivning, der får stater til at arbejde sammen og får privat kapital til at strømme ind, så er det fantastisk, siger Cathy Zoi, administrerende direktør for Alliance for Climate Protection, nonprofitorganisationen, som Gore grundlagde i Menlo Park, Californien, til at presse på for, at det haster. indsats mod klimaændringer. Hvis det er hurtigere og nemmere at allokere føderale penge og gøre dette som et offentligt projekt, er det også fint. Vi er ikke gift med ét politisk instrument.

Lige nu er ingen af ​​strategierne naturligvis vedtaget. Mens pilotprojekter som det i Boulder er umagen værd som en måde at demonstrere nye teknologier på, er de blevet implementeret på hodgepodge-måde, med forskellige hjælpeprogrammer, der implementerer forskellige teknologier i forskellige stater. Transmissionsprojekter skrider frem gradvist, men de kompliceres ofte af konflikter mellem staterne. Det, vi har i dag, er dette kludetæppe af regler og forskrifter, der varierer fra stat til stat, siger Peter Corsell, CEO for GridPoint, en startup i Arlington, VA, der laver smart-grid-software og deltager i Boulder-projektet. Vi er alle forankret i dette ødelagte system, og der er ingen enighed om, hvordan det skal rettes. Det er en ond cirkel.

Nogle mener, at svaret er at give FERC mere autoritet. I dag kan agenturet tilsidesætte staters beslutninger om, hvor transmissionslinjer skal placeres, men kun i regioner, som det amerikanske energiministerium har udpeget som kritiske for elforsyningssikkerheden. Indtil videre er kun to sådanne korridorer blevet udpeget: en i de midtatlantiske stater og en anden i sydvest. Selv i disse regioner fortsætter forsinkelserne. Det sydlige Californien Edison har foreslået en større transmissionsledning i den sydvestlige korridor; strækker sig fra uden for Los Angeles til nær Phoenix, AZ, ville det være i stand til at håndtere strøm genereret af fremtidige solcelle- og solvarmekraftværker. Men Arizona afviste ideen, så forsyningen forbereder sig på at tage sine planer til FERC.

Andre mener, at løsningen er en ny føderal politik, der ville gøre markedet for vedvarende energi mere lukrativt, måske ved at regulere kuldioxidemissioner, som den cap-and-trade-politik, som Obama har foreslået, ville gøre. Under en sådan politik ville vindenergi og andre kulstoffrie elektricitetskilder blive meget mere værdifulde og give et incitament for forsyningsselskaber til at udvide deres kapacitet til at håndtere dem (se Q&A, s. 28) . Det hele kan ændre sig meget hurtigt, siger Will Kaul, vicepræsident for transmission hos Great River Energy i Minnesota, som leder en fælles transmissionsplanlægningsindsats, der omfatter 11 forsyningsselskaber i Midtvesten. Hvis der var en kulstofpolitik eller en national standard for vedvarende energi, ville omfanget af vindproduktion eksplodere.

Som Gore og andre miljøeksperter advarer – og som ingeniørerne hos Vattenfall ville vidne om – vil en eksplosion i brugen af ​​vedvarende energi i høj grad afhænge af en opgradering af nettet. Det kommer ikke billigt, men udbyttet kan være det værd. Vi bør tænke over dette på samme måde, som vi tænker på det føderale motorvejssystems rolle, siger Ernest Moniz, en fysikprofessor ved MIT, som leder skolens energiforskningsinitiativ. Det er nøglen til at give os mulighed for at modernisere hele vores elproduktionssystem. Og vedvarende energi er en særlig vigtig modtager. Der er ingen teknologisk grund til, at vi ikke kan gå aggressivt videre.

David Talbot er Teknologigennemgang 's chefkorrespondent.

skjule