ロサンゼルス市水道電力局のパインツリー風力発電所と太陽光発電所は、カリフォルニア州テハチャピにあり、LAから115マイルの場所にあります。 ゲッティイメージズによるイルファンカーン/ロサンゼルスタイムズ
ハリケーン、地震、洪水、山火事、極度の暑さ、極度の寒さ、長期にわたる干ばつなど、さまざまな種類の極端なイベントが電力サービスを混乱させる可能性があります。 大規模な災害により、何千人もの人々が暗闇にさらされる可能性があります。 XNUMX月のテキサスの深い凍結はノックアウトされました 州の発電能力の40％.
このようなイベントの間、影響を受けていない地域には余裕があるかもしれません。 たとえば、テキサスでのXNUMX月の停電の間、電力会社は太平洋北西部の水力発電、北東部の天然ガス、北部平原の風力、南西部の太陽光発電から発電していました。
今日、米国の一方の端からもう一方の端に電気をシームレスに移動することは不可能です。 しかし、過去XNUMX年間、国立研究所や大学の研究者は、業界のエンジニアと緊密に協力して、可能な州間電力システムを設計してきました。 そして バイデン大統領のインフラ計画 数十億ドルを割り当てて、「最も安価でクリーンな電力を最も必要な場所に移動できる」高圧送電線を構築することで、この方向に進むでしょう。
My 工学研究 電力システムに焦点を当てています。 アイオワ州立大学では、マクログリッドが米国にもたらすメリットの定量化に取り組んできました。これらの大容量送電システムは、エネルギー資源と、ロードセンターと呼ばれる電力需要の高い地域を地理的に広い地域で相互接続します。
電力網は、人口密集地から遠く離れた場所にあることが多い発電機からエネルギーの顧客に電力を移動します。
電気の国道システム
ドワイト・アイゼンハワーは州間高速道路システムについて考えていました 数十年間 アイゼンハワーは、1953年に大統領に就任する前に、そのようなシステムは「防衛のために必要であり、私たちにとっても必要である」と主張しました。 国民経済と個人の安全に設立された地域オフィスに加えて、さらにローカルカスタマーサポートを提供できるようになります。」
議会は同意し、可決しました 1956年の連邦補助高速道路法、連邦政府がこの90億米ドルのシステムの費用の114％を支払うことを承認し、残りは州が負担しました。
アイゼンハワーは心配していた 都市を避難させる 核戦争の場合。 マクログリッドのセキュリティの議論は、電力網を混乱させる極端なイベントに焦点を当てています。 そして、経済的な議論は、風力、太陽光、水力が豊富な地域から電力需要の高い地域に移動することに集中しています。
今日、北米の送電網は実際には XNUMXつのグリッド、相互接続とも呼ばれます。 48つの大きなグリッドであるEasternとWesternInterconnectは、米国本土XNUMX州のほとんどとカナダの広い範囲をカバーし、XNUMXつの小さなグリッドはテキサス、アラスカ、ケベック北部にサービスを提供しています。 これらの各グリッドは 交流、またはAC、発電機から顧客に電気を移動します。
東部、西部、テキサスの相互接続は、 高電圧直流、またはHVDC、それらの間で電力を伝送することを可能にするライン。 これらの施設は老朽化しており、 少量の電気しか転送できません グリッド間。 マクログリッドを考えるXNUMXつの方法は、既存の米国のグリッドをまとめて、それらの間で電力を移動しやすくするオーバーレイとして考えることです。
東部、西部、テキサスのグリッドを接続し、洋上風力発電所にリンクする潜在的な米国のマクログリッド。 ジェームズ・マッカリー, BY-ND CC
地域間で力を共有する
バイデン大統領は、米国でクリーンエネルギー転換を達成するための抜本的な行動を提案しました。 2035年までに電力をカーボンフリーにする。 これには、今後15年間で多くの新しい再生可能エネルギー発電容量を追加する必要があります。
近年、風力と太陽光のコストは劇的に下がっています。 今日、新しい大規模な風力発電所や太陽光発電所からの電力は、 既存の石炭火力発電所。 しかし、再生可能エネルギーは 米国の電力の約21％.
マクログリッドは、XNUMXつの方法で新しい風力発電所と太陽光発電所からの電力コストを削減します。 第一に、それは高品質の再生可能エネルギー（主に中西部の風力と南部の太陽光、そして潜在的にカナダの水力）が沿岸の負荷センターに供給することを可能にするでしょう。 この電力を長距離にわたって移動できる送電システムを構築する方が、都市に近い低品質で弱い太陽および風力資源から発電するよりも安価です。
第二に、マクログリッドは、地域間でエネルギー生産とグリッドサービスを共有することを可能にします。 この戦略は、タイムゾーンによる時差と電力需要が XNUMX日の特定の時間にピークになります、人々が夕方に家に着くときなど。 また、日中は需要に応じて電気料金が上下します。
たとえば、太平洋時間の午後3時、西海岸の電力需要は比較的低く、これはその電力のコストも低いことを意味します。 過剰な西部電力は、東部標準時の午後3時に発生するこの午後6時の西海岸の「低」と同時にピークに達する東海岸の需要を供給するために使用される可能性があります。 7時間後、西海岸が太平洋時間の毎日午後10時のピークに達すると、東海岸では午後XNUMX時になり、西向きに共有するための追加の世代があります。
年間のピーク電力需要は地域ごとに異なる時期に発生するため、容量共有も機能します。 各地域は、年間のピーク負荷を満たすのに十分な発電容量にアクセスできる必要がありますが、発電の失敗をカバーするためのマージンがあります。 マクログリッドを使用すると、ローカルで必要ない場合に、地域が過剰な発電容量を共有できるようになります。
この戦略は、XNUMXつの地域の年間ピークがわずか数日異なる場合でもメリットをもたらします。 それらが数週間または数ヶ月異なる場合、見返りは大きくなる可能性があります。 たとえば、太平洋岸北西部の電力需要は通常冬にピークに達するため、この地域は夏に需要がピークに達する南西部と中西部から容量を借りることができ、その逆も可能です。
トランスミッションの構築はお金を節約します
私が2020年に学界や業界の同僚と発表した研究では、マクログリッドがないとコストがかかることを示しました $ 2.2兆以上 2024年から2038年にかけて、国の電力システムを開発および運用し、50年に2038％の再生可能エネルギー発電を実現します。これには、ほぼ完全に風力と太陽光である600ギガワットの新しい発電容量を追加するコストが含まれます。 残りの化石および原子力発電所の運用コスト。 新しい発電所を顧客に接続するための新しいAC送電線を建設します。
ただし、米国がマクログリッドの開発に50億ドルを費やした場合、米国の電力システムの開発と運用、および50年に2038％の再生可能電力を達成するための長期的な総コストは50億ドル以上減少すると計算しました。 言い換えれば、地域間で電力を共有し、遠隔地から負荷センターに高品質の再生可能エネルギーを供給することを可能にすることで、マクログリッドはそれ自体でお金を払うだけではありません。
一部のオブザーバーは、全国的に接続されたグリッドが、既存のシステムよりもカスケード停電に対して脆弱になることを心配する場合があります。 実際、HVDCは柔軟な変換所を通じてグリッド制御機能を向上させるため、マクログリッドの方が実際には信頼性が高くなります。
業界のリーダー および クリーンエネルギーの支持者 米国がマクログリッド開発を追求することを求めています。 しかし、北米は 遅れている 低コストのクリーンエネルギー資源を利用するための地域間電力線の開発における世界のほとんど。 そして、50億ドルが大きな投資のように思われる場合は、これを検討してください。 推定最小コスト テキサスの急速な凍結の間の停止とエネルギー価格の急上昇の。
著者について
ジェームズ・D・マッキャリー、電気工学教授、 アイオワ州立大学
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