Hvordan få Wyoming Wind til California, og kutte 80 % av USAs karbonutslipp

Adani

Flere mil sør for Rawlins, Wyoming, på en storfegård øst for Continental Divide, har konstruksjonsmannskaper begynt å legge ned veier og puter som til slutt kan understøtte opptil 1000 vindturbiner. Når prosjektet er fullført, kan Chokecherry og Sierra Madre-prosjektet generere rundt 12 millioner megawattimer elektrisitet årlig, noe som gjør det til landets største vindpark.

Men hvordan får du så mye vindkraft dit det faktisk trengs?

Det Denver-baserte selskapet bak prosjektet håper å bygge en serie overføringstårn i stål som vil strekke en høyspent likestrøms overføringslinje 730 miles over det amerikanske vesten. Den kan frakte så mye som 3000 megawatt vindkraft fra Wyoming til elektrisitetsmarkedene i California, Nevada og Arizona. Med de riktige avtalene på plass, kan overføringslinjen også levere solgenerert elektrisitet tilbake, balansering Wyomings kraftige ettermiddagsvind med Californias klare sol på dagtid.

Hvordan Wyoming-vind (i grønt) kunne balansere solenergien i California (i rødt) gjennom dagen i juni. Kilde: Wind Diversity Enhancement of Wyoming and California Wind Energy Projects, 2015. Jonathan Naughton, Wind Energy Research Center.

TransWest Express Transmission Project på 3 milliarder dollar er blant en håndfull foreslåtte likestrømsoverføringslinjer i USA, og en av de lengst fremme i planleggingsprosessen. Det understreker det enorme løftet til disse høykapasitetslinjene for å frigjøre det fulle potensialet til fornybar energi.

Overføring er ikke sexy (se historien vår ovenfor). Det er grunnleggende infrastruktur. Lange ledninger og høye tårn (se Hvordan Blockchain kunne gi oss et smartere energinett ).

Men en voksende mengde studier konkluderer med at å bygge ut et landsdekkende nettverk av DC-transmisjonslinjer kan bidra til å gjøre det mulig for fornybare kilder å erstatte størstedelen av amerikansk energiproduksjon, og tilby kanskje den raskeste, billigste og mest effektive måten å redusere klimagassutslippene på.

Å utvikle disse overføringslinjene er imidlertid utrolig tidkrevende og dyrt. TransWest-prosjektet ble først foreslått i 2005, men utbyggerne vil være heldige som får sine endelige tillatelser og begynne å flytte skitt i slutten av neste år.

Det er ikke ett enkelt byrå som har ansvaret for å føre tilsyn med eller føre til slike prosjekter, og lar selskaper navigere i et kratt av overlappende føderale, statlige, fylkeskommuner og byjurisdiksjoner – som alle må melde seg av for at et prosjekt skal starte. Som et resultat blir det noen gang bygget få slike overføringslinjer.

Et makronett

Likestrøm, der elektriske ladninger hele tiden flyter i en enkelt retning, er en gammel teknologi. Den og vekselstrøm var gjenstand for en av verdens første teknologistandardkamper, og satte Thomas Edison opp mot sin tidligere protesjé Nikola Tesla i Strømmenes krig starter på 1880-tallet (se Edison's Revenge: The Rise of DC Power ).

AC vant denne tidlige krigen, hovedsakelig fordi, takket være utviklingen av transformatorer, kunne spenningen skrus opp for langdistanseoverføring og trappes ned for hjem og bedrifter.

Men en rekke teknologiske forbedringer har økt funksjonaliteten til DC betydelig, og åpnet for nye måter å designe og koble sammen strømnettet på.

Fra 1950-tallet begynte noen selskaper og land å distribuere neste generasjons høyspent DC-overføringslinjer. Disse systemene kan bære mer kraft mye lenger enn AC-linjer, som lider mye mer tap over større avstander. Det er avgjørende at likestrømslinjer også kan brukes til å overføre kraft mellom asynkrone vekselstrømsystemer som landets tre store regionale nett, som ellers ikke kan dele strøm.

De siste to årene har James McCalley, en ingeniørprofessor ved Iowa State University, studert den beste måten å binde sammen disse massive nettsystemene som en del av Department of Energys $220 millioner Grid Modernization Initiative.

En måte å løse problemet på er å utvide eksisterende rygg-til-rygg konverteringsstasjoner for å gi mer øst-til-vest overføringskapasitet. Disse systemene tillater overføring mellom to nett, ved å konvertere strømmen til DC og deretter tilbake til AC igjen på punktet der de krysser sømmen.

En annen tilnærming legger til tre punkt-til-punkt overføringslinjer, som går øst til vest, og forbinder hjertet av hvert nett med det andre. Enda en løsning er et såkalt makronett av lange likestrømsledninger som dekker store deler av landet. Den løper opp Florida panhandle, over sør, nord til Seattle, øst til Minneapolis, og tilbake ned til Louisiana, med flere ekstra linjer på kryss og tvers i vest.

Relatert historie

Relatert historie Energieksperter mener at blokkjedeteknologi kan løse en labyrint av byråkrati og datahåndteringsproblemer.

McCalley og teamet hans utviklet modeller for å simulere hvert av disse scenariene over en 15-årsperiode. De fant at alle tre viste en sterk økonomisk gevinst, og ga en fordel på minst $2,50 i besparelser for hver $1 investert i overføringssystemet.

Med likestrømslinjer har nettoperatørene flere alternativer for energikilder hele dagen, slik at de kan benytte seg av for eksempel billig vind to stater unna i tider med høy etterspørsel i stedet for å henvende seg til nærliggende, men dyrere naturgassanlegg for en få timer. Det faktum at regioner kan være avhengige av energi fra fjerne stater for sin toppetterspørsel betyr også at de ikke trenger å bygge så mye høykostnadsproduksjon lokalt.

Punkt-til-punkt DC-overføringsscenarioet viste den høyeste umiddelbare økonomiske avkastningen i studien, som vil bli publisert i månedene fremover. Men makronetttilnærmingen gir langt større redundans og motstandskraft, og sikrer at nettet fortsetter å fungere hvis en linje går ned. Det gjør det også mulig å bygge ut langt mer fornybar energiproduksjon.

Makronettet gir deg en motorvei til alle disse lastene og binder alle disse markedene sammen, sier Dale Osborn, teknisk direktør for overføringsplanlegging ved Midcontinent Independent System Operator (MISO), som først designet systemet. Du får den mest effektive og lavest mulige energien.

Gigantiske batterier

Et nasjonalt likestrømsnett kan også bidra til å redusere utslippene til så mye som 80 prosent under 1990-nivået innen 15 år, alt med kommersielt tilgjengelig teknologi og uten å øke kostnadene for elektrisitet, ifølge en tidligere studere i Natur klimaendringer.

Forskerne produserte et idealisert overføringsnettverk som koblet sammen 32 noder over hele nasjonen, og koblet sammen vannkraft i Pacific Northwest, solenergi i California, vindenergi i sørvest og kjernekraft på østkysten, blant andre kilder.

Et nasjonalt høyspent likestrømsoverføringsnett designet av Vibrant Clean Energy.

Enkelt sagt balanserer systemet ut uregelmessigheten til fornybare energikilder over lange avstander, noe som betyr at det alltid er pålitelig produksjon et sted. Å kunne utnytte det fra et hvilket som helst hjørne av nasjonen reduserer kostnadene ved å levere energi ved topp etterspørsel, reduserer mengden produksjon som kreves i et enkelt område, minimerer overskuddsproduksjon og eliminerer behovet for å utvikle dyre lagringssystemer i nettskala ( se Serial Battery Entrepreneur's New Venture takler ren energis største problem).

Vi får i utgangspunktet det store batteriet vi vil ha gratis, sier Christopher Clack, en av hovedforfatterne av studien og administrerende direktør for Vibrant Clean Energy.

Super ledninger

Noen nye teknologier kan øke fordelene med høyspent likestrømsoverføring enda lenger.

Spenningskildeomformere, utviklet på 1990-tallet, gjør det mulig å koble til strøm når som helst langs HVDC-linjer, i stedet for bare ved de to endepunktene. De er ikke utbredt nå, men de kan muliggjøre et enda mer sammenkoblet nett enn det MISO designet, skriver Varun Sivaram, vitenskaps- og teknologistipendiat ved Council on Foreign Relations, i sin kommende bok Å temme solen .

I tillegg utforsker forskere forskjellige typer halvledere for å forbedre kostnadene og ytelsen til effektbrytere og spenningsomformere, sier Sivaram, og jobber med superledende kabler som kan øke strømkapasiteten og kutte energitapene til nesten null.

Kina rykker videre

I mellomtiden har Kina allerede begynt bred distribusjon av såkalte ultra-høyspent DC-overføringslinjer, som er i stand til å overføre rundt en million volt.

Mye av nasjonens overføringsbyggingsboom har blitt drevet av et forsøk på å koble energiproduksjon konsentrert i fjerntliggende nordlige provinser med fjerne befolkningssentre, et geografisk misforhold som har resultert i enorme mengder overflødig sol- og vindenergi. Men det reflekterer selvfølgelig også det faktum at Kinas energiutvikling ikke bremser mye for offentlige kommentarer og miljøkonsekvensrapporter.

Det er allerede en håndfull av DC-overføringslinjer i USA og et økende antall forslag, inkludert New England Clean Power Link, som ville transportere 1000 megawatt fornybar kraft fra Canada til New England. Houstons Clean Line Energy har minst en et halvt dusin forslag i forskjellige stadier, inkludert Plains og Eastern Clean Line som forbinder vestlige Oklahoma med markeder i sørøst, og Grain Belt Express Clean Line som strekker seg fra Kansas til Indiana.

The Eastern Alberta Transmission Line, en høyspent likestrømslinje i Alberta, Canada.

Men alle disse går gjennom godkjenningsprosessen i et forrykende tempo. TransWest-utviklerne har sikret tillatelse langs to tredjedeler av linjens vei som ligger på føderalt land siden de overtok prosjektet i 2008. Men de jobber fortsatt med å fullføre godkjenninger fra stater og private grunneiere.

Clean Lines foreslåtte Grain Belt-linje er godkjent av tre av de fire statene den krysser, men Missouri-regulatorer har avviste det to ganger .

De fleste utviklere og energipolitiske eksperter sier at det som trengs for å akselerere disse prosjektene er en føderal myndighet med større makt til å presse dem gjennom. EN rapportere utgitt av Stanford i oktober fremhevet en rekke muligheter, inkludert å gi Federal Energy Regulatory Commission samme lokaliseringsmyndighet for overføringslinjer som den allerede har over naturgassrørledninger.

Uten klar, forutsigbar lokaliseringsautoritet, vil det bli veldig vanskelig å bygge ut et intelligent, omfattende HVDC-nettverk, sier Dan Reicher, administrerende direktør for Steyer-Taylor Center for Energy Policy and Finance i Stanford, en medforfatter av rapporten.

En annen kritisk utfordring for langdistanseoverføring er at verktøy har lite insentiv til å betale for disse linjene, legger MISOs Osborn til. Reglene må endres for å tillate verktøy å hente inn investeringene sine og oppmuntre dem til å samarbeide på tvers av regioner, sier han.

Uten ytterligere regulatoriske endringer og konsentrert føderal myndighet, vil vi sannsynligvis se mer av det vi har sett: engangsprosjekter der økonomien kan fungere for å koble en bestemt energikilde til ett bestemt marked. Men vi vil sannsynligvis ikke se et integrert nettverk som de som MISO og andre ser for seg.

Og uten disse eller noen nettlagringsgjennombrudd, vil fornybar energi sannsynligvis aldri nå sitt fulle potensial. Anlegg vil noen ganger generere mer vind- eller solenergi enn et enkelt marked kan bruke, og da synker prisen – og insentivet til å legge til mer fornybar produksjon krymper. Og andre ganger vil de ikke generere nok for det markedet, noe som tvinger regionen til å fortsette å støtte seg på fossilt brensel.

Så du ender opp med å avvike fra det som ville være optimalt, og kan ende opp med å skade fornybar energi på sikt, sier Clack.

Relatert historie

Relatert historie I en verden med mer elektronikk og solenergi, er det mindre og mindre behov for vekselstrøm.

En ting som har likestrømslinjer for dem, i det minste i noen tilfeller, er sterk bipartisan støtte. Faktisk la Trumps overgangsteam flere overføringsforslag på det prioriteringsliste av nød- og nasjonalsikkerhetsprosjekter, inkludert TransWest.

Det kan delvis skyldes at linjene i seg selv reduserer kostnadene og knytter sammen markeder selv om de frakter elektrisitet fra kull eller naturgass i stedet for fornybare kilder. Men en annen faktor er nesten helt sikkert at selskapene som foreslår slike linjer noen ganger er det republikanske partiets støttespillere. Spesielt eier milliardæren og den store GOP-giveren Philip Anschutz selskapet bak Wyoming vindpark og TransWest-linjen.

Det kan bety at HVDC-overføring kan representere et av de få områdene – ved siden av avansert atomkraft – der tilhengere av ren energi potensielt kan samarbeide med Trump-administrasjonen om et felles mål.

Det pågår allerede juridiske kamper, men som vil teste hvor mye makt føderale organer har over disse sakene. Flere grupper som representerer Arkansas grunneiere har anmeldt en klage i U.S. District Court som utfordret Department of Energys bruk av en lov fra 2005 for å fremme Clean Lines Plains and Eastern-prosjekt.

Lignende saker vil sannsynligvis dukke opp etter hvert som andre nye tilnærminger prøves. Men Clean Lines president, Michael Skelly, sier at selskapet investerer tungt for å vinne disse kampene og skape de juridiske presedensene som er nødvendige for å fremme andre prosjekter.

Vårt motto er la ingen advokatfirma stå bak, sier han.

gjemme seg