电网互联举步维艰，能源转型严重受阻

, Emma Hiolski

工程（英文） ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (5) : 3 -5.

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工程（英文） ›› 2024, Vol. 36 ›› Issue (5) : 3 -5. DOI: 10.1016/j.eng.2024.04.007
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电网互联举步维艰，能源转型严重受阻

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Interconnection Gridlock Threatens Transition to Renewable Energy

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Emma Hiolski,Emma Hiolski. 电网互联举步维艰，能源转型严重受阻[J]. 工程（英文）, 2024, 36(5): 3-5 DOI:10.1016/j.eng.2024.04.007

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2023年10月，国际能源机构（IEA）发布了一份报告，指出电网基础设施不足严重阻碍了《巴黎协定》所制定的气候目标的实现[1]。《巴黎协定》是2015签定的一项具有里程碑意义的国际条约，其中196个缔约方达成一致意见，将全球平均气温较工业化前水平上升幅度控制在2 °C以内[2]。根据条约要求，从化石燃料向清洁能源转型所需的资金投入已经加快[3]，最近立法还规定了旨在促进可再生能源发展的大规模政府补贴和其他激励措施，如《通胀削减法案》（Inflation Reduction Act）[4]。然而，对电网的投资并未出现相应的激增之势，相反，在过去十年中，对全球电网的投资一直停滞不前，依旧为每年约3000亿美元[1]。
这个问题相当严重。新建电网基础设施从规划、许可到完工通常需要5~15年的时间，而新建可再生能源项目需要1~5年的时间，新建电动汽车充电基础设施则需要不到两年的时间[1]。
IEA执行主任Fatih Biro在随同报告发布的新闻稿[5]中表示：“现阶段我们必须投资电网，否则未来不久就会面临电网瘫痪。”该报告认为，到2040年，全球必须新增或翻新超过8 × 107 km的电网（相当于现有全球电网的总和）；如果电网基础设施得不到改善，那么向可再生能源的转型将被延迟，全球对化石燃料的依赖期将延长，而将全球升温幅度控制在1.5 °C以内的目标很可能将难以实现[1]。为实现这一目标，联合国政府间气候变化专门委员会于2023年3月发布了最新气候变化综合报告，报告中指出：到2030年碳排放量必须减少近一半，到2050年全球碳排放量必须达到净零[6‒7]。
IEA报告指出，互联队列（即拟建可再生能源项目等待接入电网的队列）是向清洁能源转型的最大瓶颈之一，全球至少有3000 GW的可再生能源项目（后期阶段有1500 GW）在此类队列中饱受煎熬[1]。其中大部分积压项目集中在美国，截至2022年年底，美国约有一万个项目正在寻求互联，这些项目代表着超过2000 GW的零碳能源生产和储存[8]。
在拟建可再生能源项目提交互联申请并进入互联队列后，电网运营商必须启动一系列“互联研究”，认定连接到电网的项目是否需要系统升级，以确保安全。运营商可以对项目展开单独研究，也可以将它与其他同地项目集中进行研究。研究完成后，电网运营商将为每个项目分配互联成本；项目可以在任何时间点退出，也可以继续与电网运营商签订互联协议，并开始商业运营。
该研究中所认定的电网升级范围一般比较广泛，其中包括增加现有输电线路的输电能力或建造全新线路。目前美国的电网基础设施主要由交流线路组成，但将可再生能源从高产地区大规模输送到高需求地区的最佳方式是高压直流线路（HVDC），这种线路处理能力更强，每公里损失的电量更少[9]，并且能够更好地处理风能和太阳能发电场电能输出的变化性[10]。
爱荷华州立大学（美国爱荷华州艾姆斯市）电力系统工程教授James McCalley表示，研究结果的不确定性是造成互联等待时间增长的一个关键因素。开发商通常知晓相对于其拟建地点最近的输电通道在哪里，但不知晓是否需要以及在何处升级和（或）新增输电线路。McCalley说：“你必须等到研究结果出来后才能知晓。”
在美国，升级或新建电网基础设施的费用通常由开发商承担，这就增加了不确定性。这类额外费用会令许多项目退出竞争，结果不得不对集群中的所有剩余项目进行重新分析，从而进一步增加了等待时间[8]。如果预测某些项目会影响邻近电网，这些电网运营商也可能会进行“受影响系统研究”，开发商则可能需要承担进一步升级的费用[11]。
目前，美国的互联研究大约需要三年时间才能完成[8]。鉴于研究结果的不确定性和日益严重的互联延迟，许多开发商提出了多项申请，只为在队列中占得一个位置[11]，并开始寻找互联的最佳地点[12]。得克萨斯大学奥斯汀分校韦伯能源小组（Webber Energy Group）的研究员Joshua Rhodes称，许多项目还利用队列进入门槛低的优势在队列中占得位置，吸引大公司将其收购。以上种种原因导致队列中项目数量不断增加，而互联完成率则不断下降[8]。
为了改革互联流程，美国联邦能源管理委员会（FERC）于2023年7月27日发布了第2023号令[12]。新规则将互联从“先到先服务”的连续研究流程转变为“先备好先服务”的集群模式，其中，可行性较高的项目优先于投机性较强的项目，并且对同一地点的项目进行集中研究，而不是单独进行分析（许多电网运营商已经采用了这种模式）[12]。该指令还力求让负责管理北美地区区域电网的区域输电组织（RTO）在遵守互联研究期限和提高过程透明度方面承担更多责任[12]。
第2023号令还要求RTO评估替代输电技术，如电网增强技术，该技术能够以比传统网络升级更低的成本提供更快的解决方案（图1）[12]。例如，采用动态线路额定功率，利用当地天气条件计算和调整输电线路在不导致过热的前提下可传输的电流量，输电线路在凉爽、多风的日子里可传输更多电力[10,13]。还可采取其他硬件和软件解决方案，将电力从可能过载的输电线路重新输送到其他有效电容量更大的线路上[13]。虽然这些技术可以帮助加速可再生能源的联网及利用现有电网，但它们主要是短期解决方案。McCalley说：“电网增强技术应该提上议程，但对于我们现在正在进行的风能和太阳能转型来说，这并非解决问题的实质性方案。要想将可再生能源的占比从20%提高到60%，就必须考虑大规模输电问题。”
一些国家已经开始投资建设大容量输电线路，以便远距离输送可再生能源。2019年，中国建设了一条全长3293 km的特高压直流输电线路，可以1100 kV的电压将电从西北部输送到东部，这是目前中国安装的22条特高压直流输电线路网络中的一部分[9]。
尽管美国在这一领域的进展落后于中国，但美国清洁能源网协会（Americans for a Clean Energy Grid，总部位于美国华盛顿特区，是一家倡导北美高压电网现代化和扩展的非营利组织）于2023年9月委托撰写的一份报告指出，有36个“准备就绪”的高压输电项目即将破土动工[14]。该报告估计，这些输电项目可实现约187 GW的新建可再生能源的互联。报告还指出，促进跨地区互联可提高电网的韧性，尤其是面对日益极端的天气事件时的恢复能力，如2021年的冬季风暴就曾造成得克萨斯州长时间停电[15]。
一些创新人士建议绕过电网，转而采用独立、自给自足的技术。例如，风能和太阳能塔（Wind & Solar Tower，美国佛罗里达州奥兰多市）是一种风力加太阳能混合发电机，其开发者兼专利持有人Jim Bardia称，该塔可以为偏远地区和城市地区提供离网清洁能源[16‒17]。该塔采用一架垂直轴定向的打蛋器式风车，顶部装有用于发电的太阳能电池板阵列，在其内置电池中可储存1 MW的电力。虽然Bardia的最初设想是用这些塔为乡村农场主提供清洁能源[17]，但他建议也可将其用于给电动汽车充电站供电（图 2），从而有可能缓解电动汽车充电基础设施所面临的一些互联拥堵问题[18]。
虽然向清洁能源转型的过程不断发展变化，但McCalley和Rhodes都对实现气候目标持谨慎乐观态度。McCalley指出，25年前，美国大多数RTO还不存在，而现在它们已经在协调、规划和运营电网方面发挥了巨大作用。他说，要牢记一个关键因素，即输电建设“是许多不同利益相关者之间的复杂社会交互网络，因此要花费大量的时间”。
Rhodes提到，人类的创造力是他持乐观态度的一个重要原因，同时强调还需要相应的政策变革。Rhodes说：“经济和市场的力量有限，因此还需要由政策来推进余下的部分。《通胀削减法案》确实起到了一定推动作用，但我认为人们的能源选择还不足以让我们实现无碳未来。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
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