可再生能源的使用面臨輸電基礎(chǔ)設(shè)施的挑戰(zhàn)

Mitch Leslie

Senior Technology Writer

美國加利福尼亞州計劃到2030年60%的電力將從可再生能源中獲取[1]。但是，該州自身只能生產(chǎn)大約一半的電力，其余的則需要通過進口獲得[2]。相比之下，到2030年，美國中西部地區(qū)的可再生能源發(fā)電量將超過所需電量的兩倍，以至于該地區(qū)的風(fēng)電場必須將其發(fā)電量削減61% [2]。

對于這種不平衡的問題，即如何將中西部地區(qū)的多余電力輸送到加利福尼亞州，當(dāng)前美國電網(wǎng)無法找到合適的解決方案?？偛课挥诿绹A盛頓州的貿(mào)易組織Wires包含電力公司、輸電線路運營商和工程公司[2]，由其委托發(fā)布的一份最新報告指出，為實現(xiàn)各州和各公司設(shè)定的可再生能源目標(biāo)，美國需要建立大量新的輸電線路以在區(qū)域內(nèi)和區(qū)域之間輸送電力。

中國和歐盟面臨著與美國相同的挑戰(zhàn)。他們都試圖將更多的可再生能源納入其能源結(jié)構(gòu)，因為電力需求最高的大城市不一定靠近可再生能源最便宜和最豐富的地區(qū)。但中國和歐盟采用與美國不同的策略來修改電網(wǎng)以分配電力。

在美國，風(fēng)力發(fā)電的主要地帶是該國的中部地區(qū)，即從得克薩斯州到加拿大邊境[3]，而西南部各州則具有最大的太陽能發(fā)電潛力[4]。美國愛荷華州立大學(xué)電力系統(tǒng)工程學(xué)教授James McCalley說，由于建造新的輸電線路要比建設(shè)收集可再生能源的設(shè)施便宜，如果這些設(shè)施位于這些能源豐富的黃金地段，消費者將會獲得最加便宜的電力?！袄硐肭闆r下，我們希望在資源質(zhì)量最好的地方建造設(shè)施，然后將能源輸送到所需要的區(qū)域?！?/p>

美國麻省理工學(xué)院電氣工程學(xué)教授John Kassakian表示，大家普遍認(rèn)為美國電網(wǎng)正在崩潰且跟不上時代，但這種觀點是錯誤的?！昂苊黠@，目前的電網(wǎng)滿足了各處所需?！泵绹テ澅ご髮W(xué)工程學(xué)教授Gregory Reed說，無論如何，美國電網(wǎng)的確需要進行大規(guī)模的升級，才能最佳地分配大量可再生能源。Reed說，一旦可再生能源設(shè)施開始提供千兆瓦的電力，而不是如今常見的兆瓦電力，“我們就沒有充足的電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施來輸送了”。

然而，美國依靠的主要是3個獨立的電力網(wǎng)絡(luò)，而不是一個完整的全國性電網(wǎng)[5]。東部電力互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)覆蓋該國東部和中部大部分地區(qū)。西部電力互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為幾乎整個大平原以西的地區(qū)提供電力。第三個電力網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于得克薩斯州的大部分地區(qū)。McCalley說，盡管電力可以在各個電力網(wǎng)絡(luò)中傳輸，但是只有少量、低容量的連接將這3個系統(tǒng)連接在一起，并且它們幾乎不共享電力。因此，內(nèi)布拉斯加州的風(fēng)能無法到達(dá)洛杉磯，而亞利桑那州的太陽能也無法被用于紐約。

Reed說，升級美國電網(wǎng)以優(yōu)化可再生能源的分配“需要對高壓直流輸電進行大規(guī)模投資”。與在美國占主導(dǎo)地位的交流電（AC）相比，高壓直流（HVDC）輸電線路通過相同的路線可以傳輸8倍的電力，而且每公里損耗的功率更少[6,7]。Reed說，高壓直流輸電線路的建造成本也更低。但是，由于高壓直流輸電線路兩端的地區(qū)都需要昂貴的換流站來與交流電進行電力轉(zhuǎn)換[8]，除非它們的長度大于300 km，否則它們并不具有成本效益。McCalley說，美國目前有5條高壓直流輸電線路，但只有兩條被用于遠(yuǎn)距離傳輸可再生能源生產(chǎn)的電力。一條500 kV的線路從西北太平洋地區(qū)給加利福尼亞州南部地區(qū)帶來1361 km外的水電，另一條450 kV的線路從魁北克地區(qū)傳送水電到1480 km外的馬薩諸塞州[9]。

許多改造美國電網(wǎng)并增加長距離高壓直流輸電線路的方案已被提出[7]。全球能源互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展合作組織（Global Energy Interconnection Development and Cooperation Organization）在2019年發(fā)布的一項計劃要求，到2035年在北美增加10條新的800 kV超高壓直流輸電線路，以及多條新的高壓交流電線路[10]。美國國家可再生能源實驗室（US National Renewable Energy Laboratory）于2018年進行的一項研究，評估了建立東西部地區(qū)互聯(lián)電網(wǎng)之間更牢固聯(lián)系的3種方法[11]。例如，一項提議建議增加互聯(lián)電網(wǎng)之間現(xiàn)有連接的能力。第二種方案是增加3條高壓直流輸電線路，將中西部和南部地區(qū)連接到西部各州。第三種方案是建設(shè)一條為全國大部分地區(qū)提供電力的高壓直流輸電“宏網(wǎng)絡(luò)”。研究發(fā)現(xiàn)，這3種選擇均優(yōu)于僅增加每個互聯(lián)電網(wǎng)中的交流線路數(shù)量的方法，且節(jié)省的成本在13%～26% [12,13]。如果美國采取碳定價政策，收益將更大。協(xié)助進行這項研究的McCalley說，增強互聯(lián)電網(wǎng)之間的電力交換將會提高電網(wǎng)的可靠性、彈性和適應(yīng)性。

但是，是否建造新的高壓直流輸電線路尚不確定。Reed說，美國沒有升級完善國家電網(wǎng)以容納更多可再生能源的國家戰(zhàn)略。潛在的新線路面臨經(jīng)濟和政治方面的障礙。Kassakian說，由于獲得許可十分困難，因此“建立新的電力輸送渠道是一個真正的挑戰(zhàn)”。任何擬建的輸電線路都需要得到其所在州的政府的批準(zhǔn)，有些州不同意建造高壓直流輸電線路[14]。Kassakian說：“各州對建造線路基本上都是壟斷的。”

圖1. 過去20年，中國積極擴大了高壓輸電能力。圖為新建運行的1100 kV的超高壓直流輸電線路的一部分。該線路是輸送距離最長、電壓最高的線路，連接中國西北部的新疆和東部的安徽，全長3293 km。圖片來源：人民網(wǎng)湖北頻道，2019年9月28日。

而且，并非所有人都認(rèn)為需要建造這些新的運輸線路。美國加州大學(xué)伯克利分校電氣工程和計算機科學(xué)副教授Alexandra von Meier說，一些替代方法，如增加本地電力存儲和更好地控制需求等，可以在不用建造大量新線路的情況下更多地使用可再生能源。她說：“如果建造輸電線路是必須的，我支持，但是在這樣做之前，我們應(yīng)該考慮其他解決方案并權(quán)衡取舍?！?/p>

與美國不同，中國在積極提高其高壓直流輸電線路的輸電能力，目前已有22條超過800 kV的超高壓線路，數(shù)量超過了其他所有國家[15,16]。中國計劃至少再建造11條超高壓線路[15]；巨大的電壓容量使遠(yuǎn)距離傳輸成為可能，因為線路損耗的電力將更少[15]。2019年，中國建成了世界上距離最長、電壓最高的輸電線路，這條超高壓直流輸電線路可輸送1100 kV的電力，覆蓋了從中國西北部的新疆到中國東部的安徽之間的3293 km的距離（圖1）[17]。中國電網(wǎng)現(xiàn)代化的另一個關(guān)鍵部分是超高壓交流電輸電網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)將超高壓直流輸電線路輸送的電力進行分配[16]。

中國升級換代的輸電系統(tǒng)使它能夠更有效地利用其可再生資源。例如，在2017年，新疆不得不削減或阻止其電網(wǎng)發(fā)電量中20%的太陽能發(fā)電和25%的風(fēng)力發(fā)電[17]。新的1100 kV線路使更多的電力可以到達(dá)中國所需電力的地區(qū)。然而，該線路僅能攜帶約50%的可再生能源所產(chǎn)的電力，其余的來自燃煤電廠[17]。

中國的電網(wǎng)現(xiàn)代化確實有一些局限性。它價格昂貴，新疆至安徽的電力運輸線路花費了超過407億元人民幣（約合58億美元）[15]。關(guān)于電路系統(tǒng)中的高壓直流和高壓交流電部分如何配合仍然存在問題（圖2）[15]。

圖2. 圖為新建的1100 kV輸電線路的兩臺巨型變壓器之一，該輸電線路在中國新疆和安徽之間延伸3293 km。變壓器位于運輸線路的終點，長37.5 m、重816 t。變壓器的效率高于99%，可將超高壓線路的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，并分配給城市。圖片來源：Siemens（新聞稿）。

歐盟將可再生能源并入電網(wǎng)的戰(zhàn)略著眼于增加其電力系統(tǒng)之間的整合。與美國類似，歐盟包括具有不同權(quán)力組合和戰(zhàn)略的國家。例如，德國目前有46%的電力來自可再生能源[18]，瑞典有50%以上[19]，而盧森堡則約有10% [20]。歐盟目前的目標(biāo)是要求成員國到2020年將其發(fā)電量的10%進行跨境輸送，而到2030年將其發(fā)電量的15%輸送出去[21]。人們認(rèn)為這樣的傳輸可以更好地實現(xiàn)電力的供需平衡，并將可再生能源轉(zhuǎn)移到需要的地方。

歐盟成員國也在計劃或正在建造新的高壓直流輸電線路，以重新分配可再生能源。例如，在2019年，德國批準(zhǔn)了第一條高壓線路，將北海的風(fēng)能引入該國南部地區(qū)[22]。一條位于北海下面、從挪威通往英國蘇格蘭的高壓直流輸電電纜也在2019年獲得了批準(zhǔn)[23]。Reed說，與中國不同，歐洲高壓線路的建設(shè)并不積極。他說：“就像美國的電網(wǎng)一樣，他們的電網(wǎng)已經(jīng)被很好地建立起來了?！?/p>