电网是一个由电线和发电厂组成的庞大而复杂的系统，对我们的经济和工业实力至关重要。目前，我们面临着一个严峻的挑战：由于人工智能计算、重型化和 “电气化 “等因素，我们的电力需求预计到 2040 年将增加近一倍，但我们的电网基础设施和运营却难以跟上步伐。
要抓住能源丰富的未来，我们必须简化发电、输电和用电过程；这就需要分散电网。大型发电厂和漫长的输电线是建设的负担，但太阳能、电池和先进的核反应堆等技术带来了新的可能性。正是这些技术和其他更 “本地化 “的技术，可以避开昂贵的长途线路，直接在现场安装，这将有助于支持未来几十年负荷的大幅增长。
历史上的工业扩张依赖于大型集中式发电厂，而 21 世纪则标志着向分散式和间歇性能源的转变，从 “枢纽和辐条 “模式过渡到更多的分布式网络。当然，这种演变会带来新的挑战，我们需要创新来弥补差距。

成长的烦恼
美国电网由三大互联系统组成： 东部、西部和德克萨斯州由 17 个 NERC 协调员管理，ISO（独立系统运营商）和 RTO（区域输电运营商）负责监督区域经济和基础设施。然而，实际的发电和电力输送则由当地的公用事业公司或合作社负责。这种结构在负荷增长较低的时代发挥了作用，但扩大电网基础设施以满足当今的需求正变得越来越具有挑战性和昂贵。

连接问题
电网运营商使用并网队列来管理新资产的并网，评估电网是否能够在不失衡的情况下支持该地点新增的电力，并确定必要升级的成本。目前，有超过 2000 千兆瓦（GW）的电力等待并网，仅 2022 年就有超过 700 千兆瓦的项目进入并网队列。这是一个很大的数字：整个美国电网的发电装机容量只有 1200 千兆瓦。

然而，在现实中，许多项目在面临并网成本后就退出了。从历史上看，只有 10%-20%的排队项目实现了并网发电，通常需要在申请后 5 年以上的时间才能最终并网发电，而且时间只会越来越长。开发商经常提交多个投机性建议，以确定最便宜的并网点，然后在成本确定后撤回不利的建议，从而使可行性研究复杂化。由于申请数量激增，加州电网运营商 CAISO 被迫在 2022 年停止接受任何新的申请，并计划在 2024 年再次这样做。
在我们的能源转型过程中，这是一个关键的限制因素和成本驱动因素。能源部最近的一份报告指出，要满足 2035 年的高负荷增长，整合新资产的区域内输电必须增加 128%，区域间输电必须增加 412%。即使是更为乐观的预测，预计也将分别增长 64% 和 34%。

有人提议进行改革，以帮助缓解开发工作的积压。联邦能源管理委员会（FERC）正在推行 “先准备好，先服务 “的政策，增加费用以过滤提案并加快审查。德克萨斯州电力可靠性委员会（ERCOT）采用 “连接和管理 “方法，允许快速连接，但如果项目威胁到电网可靠性，则将其断开–这在快速增加新电网资产方面取得了显著成功。虽然这些政策标志着进步，但简化其他法规（如《国家环境影响评估法》）对于加快建设也至关重要。
但是，即使获得批准，电网建设仍面临供应链障碍，包括超过 12 个月的交付周期，以及大型电力变压器价格飙升 400%，再加上特种钢材短缺。要实现发展变压器制造业的联邦目标，还有赖于对电力钢铁行业的支持，尤其是即将出台的 2027 年能效标准。所有这一切都发生在电网停电（主要与天气有关）创 20 年新高、需要更换硬件之际。

不包括交付
最终，电网基础设施建设成本的增加会导致消费者支付更高的电价。消费者支付的 “零售价 “是批发价（发电成本）和输送费（将电力输送到您手中所需的基础设施成本）的组合。重要的是，虽然发电价格随着廉价的可再生能源和天然气而下降，但输送电力的价格却大幅上涨。
原因有很多。公用事业公司使用配电费来抵消用户发电的损失，旨在确保固定回报的基础设施投资收入（类似于成本加成国防合同）。可再生能源的开发需要将输电线路延伸到偏远地区，而这些线路由于间歇性而减少了使用。此外，随着电气化和自发电程度的提高，负荷变得更加不稳定，为高峰需求而设计的基础设施变得效率低下、成本高昂。
政策和市场调整正在应对这些不断上涨的输送成本，加利福尼亚州大量采用屋顶太阳能等分布式发电系统就是一个显著的例子。

加州的净能源计量（NEM）计划最初是让业主以零售价将多余的太阳能电力卖回电网，而不考虑电力公司的配电成本。最近的变化实质上是以可变的批发价格回购电力，减少了太阳能电池板所有者在发电高峰期的收益，而高峰期往往是电价最低的时候。这一调整延长了太阳能设备的投资回收期，促使业主和企业投资储能设备，以便在更有利可图的时候出售能源。
加州公用事业公司还提出了一种计费模式，即固定费用取决于收入水平，而使用费用取决于消耗量。这样做的目的是让较富裕的客户承担更多的电网基础设施成本，保护低收入者免受零售电价上涨的影响。虽然这一具体政策最近被搁置，但类似的想法可能会导致富裕用户完全脱离电网。脱离电网可能导致剩余用户的成本上升，并引发 “死亡螺旋”。有人认为，这种情况已经在夏威夷的电力市场和快速转向使用电热泵的地区发生了。

维持电力供应
电力并不神奇，电网运行也很复杂。在任何时候，发电量都必须与电力需求或 “负荷 “相匹配；这就是人们所说的 “平衡电网”。在高层次上，电网的稳定性依赖于保持恒定的频率–在美国为 60 赫兹。
电力线容量过大造成的拥堵会导致电力削减（倾倒电力）和当地价格差异。任何频率偏差都可能造成发电机和电动机的设备损坏。风能、太阳能和电池–缺乏惯性的反向资源–也会随着它们的增加而使频率稳定变得复杂。在极端情况下，频率偏差可能导致停电，甚至毁坏并网设备。
由于电网固有的脆弱性，必须仔细考虑与电网相连的资产，使可靠的供应与预测的需求保持一致。间歇性电源的增长（不可靠的供应）与 “电气化 “的兴起（激增的需求）同时带来了严峻的挑战。

何时才算足够？
约三分之二的负荷由批发市场通过（大部分）日前拍卖来平衡，拍卖价格由所需电力的最后单位成本决定。可再生能源没有边际成本，在活跃时通常出价高于其他能源，从而导致价格波动–在可再生能源满足需求时价格极低，而在需要成本更高的能源时价格飙升（注：投标价格不同于平准化能源成本（LCOE））。

太阳能和风能的不可预测性，加上老化化石燃料发电厂的关闭，给电网的稳定性带来了压力。这导致了停电（生产不足）和削减（生产过剩），如加州在 2022 年造成的 2400 亿千瓦时的浪费。要解决这一问题，需要投资储能和改善输电（下文将讨论）。
此外，随着电力供应变得更加不可预测，天然气因其成本效益和灵活性而发挥着越来越重要的作用。天然气通常通过 “调峰电厂 “来支持可再生能源，只有在需要时才会启动。一般来说，由于太阳能和风能的间歇性，天然气发电厂和其他类型的发电厂只能间歇性盈利，有时甚至由于技术原因连续亏损运行。因此，当 “调峰电厂 “在可再生能源离线时确定批发价格，就会导致成本上升，从而给消费者带来波动。

对电力的需求也在不断变化。热泵等技术虽然节能，但在冬季可再生能源输出较低时，会造成负荷高峰。这就要求电网运营商保持电力资产的缓冲，并在资源充足性规划中经常忽略可再生能源。电网运营商通常遵守 “十分之一 “规则，即每十年接受一次电力短缺，但实际计算更为复杂。在 ERCOT，由于没有传统的容量市场，而是采用了价格激增激励措施，我们已经看到，随着可再生能源进入电网，”应急储备 “也在增加。
高太阳能渗透率地区，如加利福尼亚州，也面临着 “鸭子曲线”，要求电网运营商在日光逐渐暗淡、需求上升时迅速增加超过 20 GW 的电力。这在技术上和经济上都对用于恒定输出的发电厂提出了挑战。

可再生能源的间歇性会产生隐性成本，迫使电网运营商承担风险或投资新资产。虽然平准化能源成本评估了项目的经济可行性，但它过分简化了资产对更广泛电网的真正价值。不过，平准化能源成本确实凸显了建造核电站等新资产所面临的经济挑战。尽管目前核电的成本高于天然气，但核电为可靠电力的去碳化提供了一条令人信服的道路。我们只需要扩大反应堆的建设规模。
但我们不能仅仅依赖核电。仅仅依靠单一能源是有风险的，法国在俄罗斯能源制裁期间面临的核挑战和美国南部在寒冷天气下的天然气问题都表明了这一点，更不用说大宗商品价格的波动了。像加利福尼亚这样拥有大量可再生能源的地区，也会因为经常依赖进口而面临不确定性。即使是像冰岛或斯堪的纳维亚这样几乎 100% 使用清洁能源的地区，也会在危机期间保持可靠的备用或进口选择。

智能化
随着电力需求的增长，电网正努力应对分散化和间歇性可再生能源带来的日益复杂的问题。我们无法强行实现这一转变；如果要做到这一点，我们真的需要变得智能。
目前的电网老化且 “笨拙”，依赖于发电厂根据预测需求调整生产，同时进行小规模的实时调整，以确保稳定性。电网最初是为大型发电厂的单向流动而设计的，但现在却面临着多个小电源向不同方向供电的挑战，比如您的屋顶太阳能为邻居的电动汽车充电。此外，由于缺乏对实时电力流的真正可视性，特别是在配电层面，电网面临着迫在眉睫的问题。
住宅太阳能、电池、先进核能和地热（可能）可提供分散式电力，从而减少对基础设施建设的需求。然而，与不断发展、变化无常的电网整合仍然需要创新的解决方案。此外，即使是公用事业规模的电力系统，也可以通过本地存储和需求侧响应（如在电网紧张时调低恒温器）来显著提高其使用效率，从而减少对仅在短暂高峰期在线的未充分利用资产的建设需求。

智能电网 “的目标是实现上述所有目标和更多目标，可分为三大技术组：

• 表前技术
  • 动态线路额定值、固态变压器、电压管理和功率流系统、更好的导体、基础设施监控、电网规模发电、电网规模储能等。
• 表后
  • 热泵、电器、住宅太阳能、家庭储能、电动汽车充电器、智能恒温器、智能电表、微反应器和小型模块化反应器、微电网等。
• 电网软件
  • 虚拟电厂、更好的预测、设备管理、能源数据基础设施、网络安全、ADMS、互联规划、电力金融工具、双边协议自动化等。

具体来说，有两大趋势对 “智能电网 “的未来至关重要。

首先，我们需要建造大量的储能设备，以缓解局部的高峰负荷，并稳定整个电网的间歇性供电。电池对于小规模的电力供应已经至关重要，随着价格的不断下降，甚至可以覆盖更长的时间段。但是，数百兆瓦时的电池规模还需要扩大供应链。幸运的是，强劲的经济性可能会继续加速部署；企业家们应设法在任何可能的地方连接电池。
其次，我们需要加快分布式能源资产网络的部署和整合。任何可以电气化的东西都将电气化。让这些系统与家庭和电网规模的能源系统互动将需要各种新的解决方案。电动汽车或恒温器等 “智能 “设备的聚集甚至可以形成虚拟发电厂，模仿更大的能源资产的行为。

下一步是什么？
电网扩展的核心挑战是在考虑经济性和可靠性的同时，谨慎平衡集中式系统和分散式系统之间的转变。集中式电网虽然简单明了且（通常）可靠，但却面临着复杂的需求波动和高昂的固定成本等问题，例如，全球大多数大型核电站都是由政府资助的，中国可以建造大量大型电力资产，但效率却很低。分散式电网虽然仍处于早期部署阶段，但成本低廉，但并不能自动确保可靠供电，印度一些农村社区的偏好就表明了这一点。
需要明确的是，我们今天拥有的集中式电网肯定不会消失–事实上，它的规模还需要扩大–但它将被周围不断扩大的分散式资产网络所消耗。纳税人将越来越多地采用自发电和储能方式，这将对传统的电力垄断提出挑战，并促使监管和市场改革。这种自发电趋势将在能源密集型行业中达到极致，这些行业尤其重视可靠性–亚马逊和微软已经在寻求核动力数据中心，我们应该尽一切可能加快新反应堆的开发和部署。

更广泛地说，纳税人需要的是可靠、经济和清洁的电力，通常是按照这个顺序排列的。ERCOT 拥有得天独厚的地理条件、乐于创新的 “纯能源 “市场以及宽松的互联政策，将成为观察分散式电网是否、何时以及如何实现这一目标的关键。毫无疑问，成功驾驭这一转变将带来显著的经济增长。
至关重要的是，建设这种分散式电网需要我们最有才华的企业家和工程师： 我们需要一个 “智能电网”，在电表前、电表后和电网软件技术方面进行重大创新。政策和经济利好将加速电力行业的发展，但确保分散式电网比旧电网运行得更好，则需要私营部门的努力。
美国电网的未来在于利用新技术和自由市场来克服我们国家所面临的挑战，为一个更高效、更有活力的能源环境铺平道路。这是 21 世纪的伟大事业之一，但我们必须迎接挑战。
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