2021年4月12日,

输电投资可以为美国未来实现碳中和能源铺平道路

由Anthony Allard,Hitachi ABB电网

美国许多州制定了积极的温室气体减排目标,作为应对气候变化努力的一部分。这些目标通常包括到2050年大幅减少碳排放的承诺。许多电力公司也纷纷效仿,执行自己的碳减排目标,以符合州政府的要求。

为了实现这些目标,需要远离化石燃料的转变,朝向更多无碳的能量发电,如太阳能,风和水电。这需要与经济的主要部门的电气化,最符合的运输 - 汽车,卡车等车辆占化石燃料消耗和相关碳排放的重要部分。

因此,在同一时期,电力需求预计将大幅增加。乐动平台美国国家可再生能源实验室(NREL)预测,到2050年,仅向电动汽车的过渡就将导致电力消耗增加20%至38%。乐动平台

这些变化的净影响是电网上的增加负荷,与远离化石燃料的能量产生的60%的同时开关相结合。作为一个行业,电力部门在无碳源资源开发方面取得了重大进展。据美国能源信息管理局介绍,核,水电,风和太阳等碳自由发电目前在美国提供了大约40%的生成。同样重要的是,风险和太阳能等可再生能源越来越具有成本竞争力,与煤炭,天然气和其他化石燃料的一代有利地比较。

目的是,我们拥有技术知识,以取代未来30年需要退休的化石燃料生成来源。然而,今天的传输系统无法从其生成的位置获得可再生能源,在那里可靠且经济地进行。



位置很重要

可再生能源发电的理想地点(通常是人口稀少的农村地区)与传统上由输电网提供服务的地点(特别是人口较多的地区的煤炭、天然气和核电站)之间存在着不匹配。

美国能源信息管理局预测,绝大多数无碳发电将来自风和太阳能。谈到风力发电,几乎所有这些都来自大型公用事业级操作;然而,大多数最好的风力站点都是近海或历史上有很少的能量发电设施,并且通常缺乏传输基础设施。

在发展海上风力发电方面尤其如此。美国东北部的许多州已经计划购买海上风电项目的产出。一家主要的能源信息分析机构进行的一项研究表明,大西洋沿岸计划在2035年前完成的海上风电项目达到2750万千瓦。单是这些项目就需要对该区域的输电系统进行大量投资,包括新的架空或地下输电线路、变电站、海底电缆和监测设备。

虽然我们可以期待看到小规模的“屋顶”太阳能的持续发展,但大多数估计仍预计未来三分之二的太阳能发电将是公用事业规模的。与风能项目相比,为大规模太阳能安装寻找合适地点要容易得多,但太阳能开发最有利的地点仍然是偏远的农村地区,这些地区没有良好的输电基础设施。

这个地理未对准已经很明显。美国委员会关于可再生资源(Acore)的一项研究发现了落基山脉与密西西比河之间的15个州,占美国的88%的风力潜力和全国56%的公用事业规模太阳能潜力。然而,在2020年,这些国家只占电力需求的30%。乐动平台在这些领域产生的移动能量是挑战,主要是出于两个主要原因 - 本地传输网络约束,以及美国在美国的全国范围内缺乏群体。具有在地区之间移动大量电力的能力。

地区电网

北美电网实际上是四个独立的地区性电网:西部电网、东部电网、魁北克的TransÉnergie电网和德克萨斯州电力可靠性委员会(ERCOT)电网。这些大型电网缺乏有效地将大量能源从具有可再生能源有利条件的地区转移到主要负荷中心的能力。

进一步的并发症是风和太阳能以可变速率和时间产生。如果有多余的生成,这些资源可能会被限制,但风和太阳量不被视为可调度,因为它们不需要按需提供。在平衡负载和生成资源时,此限制会创建时间问题;该网格未经过优化,可在区域之间或从区域的一个部分移动到另一个区域以帮助解决定时问题。

时间和地点的影响也会导致饱和效应,即在给定的时间内产生的风能或太阳能超过了所需,然后被浪费掉。储能设施和负载转移计划有助于解决时间问题,但目前两者在容量和可用性方面都受到限制。

此外,增加了风和太阳能的使用减少了网格惯性,这是通常在水电,化石燃料或核电厂中发现的大型旋转发电机中的能量,但不存在于风和太阳阵列中。当生成损失或主要传输线路时,网格惯性的减少导致频率更快。

幸运的是,仍有未开发的机会使用水电设施来提高存储容量。通过在具有主要水电设施的区域之间扩大双向传输能力,以及具有大量可再生发电能力的区域,可以出口过量的风和太阳能电力,以否则将从水力发电机设施提供。水电设施又可以减少输出并储存水坝后的能量,后者可以在风和太阳能条件不太优越时以后方供应载荷。

魁北克省、纽芬兰拉布拉多省、马尼托巴省和不列颠哥伦比亚省现有的水坝,提供了北美地区效率最高、规模最大的存储资源,可以为该地区的大部分地区充当一种巨大的虚拟电池。这种动力已经在欧洲发挥了作用,例如,在NordLink项目中,斯堪的纳维亚现有的水电资源被连接到德国、荷兰和英国等拥有雄心勃勃的风能和太阳能开发计划的南部地区。

传输计划

目前没有美国的总体能源传输计划,更不用说北美。如今,每个县,省,省和能源区都有不同的基础设施,能力和碳自由前景。在宏观层面上记录和分析此信息将使规划人员能够开发旨在解决未来要求的传输系统。例如,比较现有传输资源的位置,其中可以对大规模可再生能源的位置而且将产生的位置可以推动更有效的开发决策。未能开发这样的计划可以导致拼凑而成的拼凑,以重新创建我们今天面临的许多传输问题,例如基于内部瓶颈。

为了解决这一规划上的差距,目前正在进行一些努力,比如核心能源中心的宏观电网计划,该计划旨在“将高可再生资源中心与高电力需求中心连接起来,增强电网的弹性,并大幅减少碳排放。”尽管ACORE认为,一个全国性的高压直流(HVDC)网络对于改善美国的能源传输系统是不可或缺的,但还有其他一些方法在短期内可能是有益的。举例来说,在美国的能源区域之间架起三座“接缝”的高压直流输电系统,可能会消除该系统中的许多瓶颈。

技术方案

HVDC技术已经成为解决地区间能源流动需求的自然选择。在高压直流输电系统中,可以根据功率等级和方向快速、准确地控制潮流。这也将改善已连接的本地交流网络的性能和效率,并解决区域电网之间缺乏同步的问题。作为一个额外的好处,这种HVDC连接还可以帮助降低在发生重大中断的情况下,无法控制的故障传播的风险。

解决许多传输容量问题的另一种方式是升级具有灵活交流传输系统(事实)的区域交流传输系统。事实是可以集成到现有交流系统中的电力基于电子的设备。它们采用串联和分流补偿提高了AC系统的电力传输能力,稳定性和控制。静态补偿器(Statcoms)和串联电容等事实设备旨在帮助电网最大限度地提高吞吐量,同时通过不同的功率流动条件保持稳定。

建立联系

已经进行了重大努力,将可再生富裕的地区与主要负载中心联系起来。一些风化的国家已经成功启动和开发了将太阳能和风力资源连接到其区域传输网络的项目。例如,德克萨斯州(Puct)的公用事业委员会于2008年创造了竞争力的可再生能源区(CREZ),将风能丰富的西德克萨斯州与东德克萨斯州东部的高能源需求联系起来。该项目已于2013年完成,已启用27.7 GW的无碳风发电能力。

在中西部地区,中大陆独立系统运营商(MISO)开发了多价值项目(MVP)计划。该计划包括横跨9个中西部州的17个项目。已建成的项目已将28gw风力发电并网。

海上风力发电

在美国的一个很大程度上未开发的资源,我们希望看到增加的发展是海上风。东海岸的海上风力资源代表着巨大的机会,而且还提供了独特的地点挑战,需要专门的传输投资。

海上风的主要挑战之一是将风发电连接到陆上电网,并确保陆上充分的传输能力。将海上风力资源连接到陆上电网时,有两种选择:'Gen-Ties'和离岸传输网格。Gen-Tie是一种传动连杆,直接将风电场连接到像上电网。相比之下,海上传输网格提供了一种可以将多个风电场连接到内地的传输网络,允许风发电机专注于收集系统和从其风电场到海上传输电网的链接。

海上风电互联系统可以利用从海上风电站点到陆上终端和变电站的交流和高压直流输电线路,从而反过来进行传输

把能量输送到区域电网。对于每个海上风电项目,需要研究陆上电网容量,以确定是否需要额外的输电投资,以避免海上风电在互联时出现拥堵。

福利和挑战

大规模的发展,碳自由发电具有成本。A study by the Brattle Group estimates that to meet state-level carbon-free generation goals, the U.S. will need to invest $12 to $16 billion annually in transmission until 2030. While this is a substantial public infrastructure investment, it would represent a great addition to any economic recovery package and could help offset negative impacts from the COVID-19 pandemic and the associated economic downturn. Not only does it offer direct economic stimulus; it can also lead to the creation of new jobs and generate long-term monetary savings.

就直接刺激经济和创造就业而言,输电项目通常需要10年以上的时间才能完成,并提供高质量、持续的就业。需要进行的大规模项目将在几乎全国各地创造就业机会。

尽管有益于新的传输项目,但在促进可再生能源的转变方面可以提供,并非所有与电气传输相关的挑战都可以解决。在许多情况下,政治动态和监管要求至少在确定给定项目的成功或失败方面的重要作用。

这种动态在美国尤为明显。由于可再生发电在许多情况下远离负荷中心,传输系统经常跨越州(有时是国家)边界,在这个过程中要经过多个司法管辖区。因此,规范这些项目的权力往往掌握在州政府手中,地方社区可以对这一级的决策产生重大影响。

由于担心传播可能对环境和/或健康造成影响,当地社区提出了反对意见,再加上美学方面的反对,造成了障碍,延缓或阻碍了一些大型项目的完成,给开发商带来了巨大的财务风险。通常情况下,由于项目只是经过当地,而没有带来明显的、直接的利益,当地社区缺乏明显的利益,这种反对情绪就变得更加严重。

统一的国家规划过程的发展可以帮助消除一些不确定性。国家计划可以帮助指导选址决策,为开发商提供一些急需的清晰度和信心,以及传输基础设施和可再生的一代项目,以及发展项目所需步骤和可能结果。

通往碳中和未来的道路

为了减少国家的碳足迹并达到温室气体排放目标,我们需要大规模实施无碳发电资源,使我们的主要经济部门电气化,尤其是交通运输。目前,这一发展的最大障碍是对输电网进行现代化改造,以适应可再生能源发电和经济电气化。投资于输电系统技术,扩大从具有可再生能源开发有利条件的地区向主要负荷中心转移能源的能力,并连接区域接缝,对实现这些目标至关重要。尽管有这些挑战和巨大的财政投资,去碳化社会将为国家创造长期的经济、社会和健康效益。如果将战略输电投资与可再生能源开发结合起来,将为经济增长、创造就业机会、促进繁荣,并最终实现碳中性的未来做出强有力的贡献。

安东尼•阿拉德是北美董事总经理,美国和日立ABB电网业务负责人执行副总裁。Allard最近是Becis的首席运营官,是新加坡服务解决方案提供商的领先能源。Having spent most of his career in the power sector at GE and Alstom in the U.S., he held several executive-level positions, including general manager and board member for GE Prolec Transformers in the U.S. He was also general m for the GE-XD High Voltage Products partnership and spent 10 years working for Alstom Grid in both North America and the Americas in strategy and operations management role.