绿色电网

内容摘要:起初，交流电和变压器被我们坚定地视为输电和用电的理想选择。然而，世界正在发生变化。随着科学技术的高度发展，直流有可能重返舞台。激增的电力需求使科学家们能够重新审视其价值，并下定决心在整个大陆和海洋上建设一个超级电网。......

托马斯·爱迪生可能会欣然接受这种讽刺。正当他最著名的传统白炽灯面临灭绝的时候，他的另一项发明，DC，倾注了巨大的热情，开始蓬勃发展。主导照明行业一个多世纪的灯泡，在这个气候变化的时代已经被社会抛弃，并在许多国家被禁止使用。同时，在19世纪90年代电力市场竞争中输给交流电的直流电可以帮助我们抑制全球变暖。

随着电力需求的激增，公用事业公司正争相安装可再生能源发电机。显然，现有的输电系统不能满足需求。欧洲和美国的工程师都意识到他们需要改善传输网络，并宣布他们将在这方面进行巨额投资。然而，仅仅增加旧系统的功率可能不是最好的解决方案。只有创新旧技术才能改变传输模式。

虽然在早期的电力使用中，直流电被交流电所取代，但是高压直流(HVDC)并没有失去它的用途——它可以远距离传输大量的电力，因为它比传统的交流线路更有效。如今，它正成为越来越多的可再生能源发电机中的一个重要环节，尤其是海上风电场。这使得能源行业的许多人能够重新审视DC的电力。

一些科学家甚至更有野心。他们的计算表明，在整个欧洲建立一个高压DC超高压电网有助于解决许多广泛分布的可再生能源发电机产生的不平等能源水平的问题，从而提供一个完全可靠的电力供应。支持者表示，这将意味着煤炭、天然气和核能将在几年内最终被废弃，并被可再生能源所取代。

这个超高压电网的一些部件将很快在欧洲投入建设。预计将有12亿欧元(相当于15亿美元)的赠款用于连接整个地区的电网。与此同时，在美国，奥巴马总统的1500亿美元能源计划包括到2050年可再生能源占25%的目标，这意味着对高压线路的巨大投资，其中许多可能是高压直流电。与此同时，在新型超导高压DC电缆上的实验表明，采用这种技术的传输网络可以充当巨大的能量仓库，以缓冲用户和设备面临的不可预测的天气变化(见“过冷电网”)。“无论从哪个方面来看，高压直流时代无疑已经到来。”英国电网咨询公司TNEI的技术总监格雷姆·巴瑟斯特说。

爱迪生在与尼古拉·特斯拉和西屋电气的“电流战争”中失败了，因为交流电在当时是一个更实际的命题。简而言之，有效的远距离传输应该通过更高的电压来实现，而公众需要的是更安全的低电压。变压器应该由交流电网而不是直流电产生。

除了这一胜利之外，直流电流也更有效率:在相同的电压下，它比交流电流具有更小的传输损耗，因为直流电路中电流的方向是恒定的，而交流电路中电流的方向每秒钟变化100或120次。这在传输线的绝缘材料中引起小电流，并且能量以热能的形式耗散。由于这一优势，高压直流长期以来在大量能量的长距离有效传输中享有一席之地。最早的主要项目之一是1965年在新西兰建立了一条600千瓦的线路，连接北岛和南岛，后来增加到1200千瓦。

在过去10年里，新的高压直流项目在距离和电力方面都有了迅速改善，尤其是在中国，中国已经修建了将水力发电从大陆输送到沿海用户的线路。总部位于瑞士的工程公司ABB已被任命建造一条从向家坝到上海的2000公里长的线路，这条线路可以输送640亿瓦的电力，相当于三个大型发电站的发电量。

当这条线路在2011年投入使用时，将会带来巨大的环境效益。ABB高压直流的研发经理Gunnar Asplund说，可以与三排交流极并联传输的大量能量只需要一排高压直流极。如果水电不能长距离输送，上海附近将需要建设更多的燃煤发电站。Asplund估计，每年还会有4000万公吨的二氧化碳排放到大气中。

高压直流电的另一个主要优点是，它比交流电能在地下或水下传输更长的距离。这是因为当埋在地下或浸没在水中时，交流电会产生一个强交流电场，这将导致额外的大量能量损失。对于直流电流，这种电容效应可以忽略不计。通过这种方式，连接挪威和荷兰的600公里标准电缆的海底内部连接需要高压直流电，该电缆于去年开通。它也适用于远离海岸的风力发电场。

宏伟的目标

那些长途电缆和德斯特克的计划相比简直是小巫见大巫。Desertec是由罗马俱乐部、瑞士可持续发展智库和约旦安曼国际能源研究中心建立的组织。自2003年以来，沙漠技术公司主要在北非和中东通过收集太阳能来演示远程发电。收集太阳能的成本相对较高，但有一个巨大的优势:白天收集的一些热量可以储存在熔盐中，在晚上发电。Desertec表示，到2050年，仅这项技术就能提供欧洲17%的能源，并能通过20至40条长距离高压直流线路输送电力。然而，这一想法的其他一些支持者认为，高压直流电甚至可以提供更多——它将是一种完全可再生的电源。

高压DC供电的基础设施可能是最费力的计划:目前在欧洲和北美赢得支持的超高压电网概念。这个概念本身并不新奇——它是由巴克明斯特·富勒(19世纪60年代的建筑师和设计师)首次提出的——但由于高压直流技术的发展，它现在才成为可能。可再生电力的问题是，在你建造可再生能源发电机的地方，并不总是有风或阳光。然而，总有风在某处吹着，就像地球的一半是晴朗的。因此，如果有足够大的输电网络，就可以稳定生产波动并提供可靠的电力供应。

能源系统咨询公司Gregor Czisch已经证明了这一巨大的潜力，他是第一个定量研究如何为欧洲及其邻国建立经济上可行和完全可再生的电力供应的人(见地图)。为此，Czisch应用了一种称为线性优化的技术，这种技术最初是为了解决工业和商业中的计算问题而开发的。

Czisch花了很长时间收集一些必要的信息，包括整个地区详细的气象和电力消耗数据，以及主要的可再生能源技术投资成本。

然后，Czisch将这些数据代入程序，设计出最便宜的供电系统，该系统可以完全依赖可再生资源来满足需求。他让它决定生产的形式和地点，设计高压直流电线的路线和功率。结果是惊人的。10亿多人的年供电量不仅可以完全由可再生能源提供，而且成本也不会太高。

这些数字看起来令人恐惧:该项目将耗资超过1.5万亿欧元，其中1280亿欧元将用于建设超高压输电网络自身的线路和设备，约1.4万亿欧元将用于可再生能源发电能力。考虑到这些因素，国际能源署估计，到2030年，全球能源行业将依靠化石燃料投资13.6万亿欧元用于能源生产。根据捷克的计划，清洁技术的投资将与肮脏技术的投资相同，因此成本不会增加。

UHV电网的优势之一是发电机可以位于风和阳光最适合发电的地方，这将同时带来经济效益和电力效益。更重要的是，超高压电网本身仅占总输入的一小部分，因此输电网的额外成本对整体电价没有影响。Czisch估计，该系统能以每千瓦时不到4.7欧元的价格输送电力——大约相当于德国2005年的批发价格。

在捷克的主要研究中，大部分能源来自陆上风力发电，这是最便宜的可再生资源生产形式，来自摩洛哥和埃及的强夏季风，加上北海周围的强冬季风，其余大部分将来自现有的北日耳曼国家和高山水电，只有在其他资源不能满足需求时才会使用。另一方面，Czisch发现欧洲的需求完全可以通过可再生能源来满足，不需要从非洲进口，但成本稍高。

超高压输电网络的建立将需要数万公里的新高压直流电线，这将导致欧洲长期的规划差异。另一方面，Czisch指出，这将只是一个小的增加从现有的一个:例如，德国只需要增加8000公里的新的高压直流输电线到现有的网络超过10万公里。“如果我们增加不到10%的线路，我们可以有一个完全可再生的电源。这不是一个困难的问题，而是一件令人向往的事情。”

然而，公众的反对可能会推高成本。一条横跨比利牛斯山脉、连接法国和西班牙的高压直流线路直到去年开发商同意将电缆埋在地下才被允许通过。估计价格现在已经翻了两番，达到大约5亿欧元。

欧洲高压DC超高压电网的前景或许很难，但潜在线路已经在开发中。瑞典、德国和丹麦正在考虑在波罗的海的一个叫克里格斯岛(Kriegers Flak)的地方建立一个三向内部连接，这三个国家计划在那里建立海上风力发电厂。因为风力发电场彼此非常接近，而且每个风力发电场都与自己的国家相连，所以用短的高压直流电线连接它们成为一种廉价的跨境电力交易方式。与此同时，欧盟委员会任命了一名协调员，鼓励北欧国家在海上风力发电方面进行合作，并开始绘制北海风力图，以协助设计高压直流线路。

海底电网

英国主流可再生能源公司计划在北海建立一个名为“超级节点”的项目。它由两个海上风力发电厂组成，一个属于英国，另一个属于德国，并与挪威的一个备用水电站相连，预计2015年完工。这将作为一个示范项目，并扩展到波罗的海、爱尔兰海、比斯基湾和地中海的类似项目，以形成欧洲周围的海洋超高压电网。

主流公司的联合创始人埃迪·奥康纳(Eddie OConnor)认为，在陆地上安装新线路的困难，以及海上风力发电产生的大量电力，将共同导致海上大多数超高压电网的建设。“我们基本上可以在海上建造一个超高压电网，”他说，“鱼不会反对。”他认为他的计划将在30年内取代欧洲能源生产中的煤和天然气。

无论是在海上还是在陆地上，超高压电网都依赖于高压直流电线，但是对于高压直流电线能够以多快的速度传输传输网络的全部好处，仍然存在意见分歧。几乎所有现有的高压直流线路都是“点对点”的，由电线或电缆组成，两端各有一个交流换流站。然而，超高压电网需要更复杂的“多点”连接设置。每条线路都有几个换流站，每个换流站都可以输入和输出能量。复杂的控制系统也是必不可少的。Czisch坚持认为他的项目可以用已经建立的技术来实现。他引用了欧盟2000年发布的一项研究，研究结果显示，一个连接俄罗斯、立陶宛、波兰和德国的多点网络“在技术上是可行的”。有了这个基础和几个退休的高压直流输电专家的支持，Czisch声称剩下的障碍不是问题。

其他人应该更加谨慎。巴瑟斯特说:“该设备的技术可行性不同于商业可行性。”。"研发成熟还需要几年时间."

Asplund说，为了实现超高压电网的全部好处，需要一个“网状”网络，使一条线路能够自动改变能量方向，并在发生故障时通过其他线路到达目的地。这需要进一步的技术发展，比如更好的DC断路器，但他预计这些突破很快就会到来。

然而，德国电子电气工程公司西门子传输公司的彼得·门克警告说，时间不多了。他表示，确保新线路获得批准需要几年时间。“在欧洲，提高传输网络的功率非常重要，因此我们现在必须开始建设一个高压DC枢纽。”

巴瑟斯特认为，在高压直流电方面做了这么多努力，剩下的技术问题很快就会被突破。“现在真正的问题不是我们是否能做到——我们能做到——而是我们是否愿意去做？”

以英国国家电网为例，我们有理由相信超高压电网将很快向我们开放:从1925年开始，英国电网的建设仅用了10年，电力成本降低了四分之一。如果政策能够开放，已故的爱迪生似乎很快就能东山再起。

过冷网格

理论上，超导电缆在传输电流方面比传统的铜导体有更大的优势。一旦冷却到非常低的温度，超导电缆实际上没有电阻，这可以消耗较少的能量沿他们传输，并携带更高的功率密度。经过10年的发展，电缆终于可以连接到最初的传输网络:几个短的部分已经在韩国、中国和纽约附近运行。尽管直到现在，所有的电缆都被设计用来传输交流电。

然而，日本*大学的工程师们正在试验一种20米长的高压DC电缆，他们相信这将最终带来配电的革命。由工程师山口聪(Satarou Yamaguchi)领导的团队提出了一种新的电缆设计，这种电缆可以更有效地冷却，每公里可以储存高达4兆焦耳的磁能。山口建议使用像几个千千电表这样的电缆作为高压DC电线，这将像一个巨大的电池一样平稳地输出从太阳能或风能转换而来的电能。超导高压DC电缆被提议用于连接美国东海岸和西海岸的电网，并将加拿大阿尔伯塔塔尔油田生产的电力输送到加州。