Vụ Los Angeles về nước và Pine Tree Wind Farm điện và nhà máy điện năng lượng mặt trời ở Tehachapi, Calif., 115 dặm từ LA. Irfan Khan / Los Angeles Times qua Getty Images
Nhiều loại hiện tượng cực đoan có thể làm gián đoạn dịch vụ điện, bao gồm bão, động đất, lũ lụt, cháy rừng, nhiệt độ cực cao, cực lạnh và hạn hán kéo dài. Những thảm họa lớn có thể khiến hàng nghìn người chìm trong bóng tối. Đợt đóng băng sâu ở Texas vào tháng XNUMX đã đánh bật 40% công suất phát điện của bang.
Trong các sự kiện như vậy, các khu vực không bị ảnh hưởng có thể có điện dự phòng. Ví dụ, trong thời gian mất điện vào tháng Hai ở Texas, các công ty tiện ích đang sản xuất điện từ thủy điện ở Tây Bắc Thái Bình Dương, khí đốt tự nhiên ở Đông Bắc, gió ở Đồng bằng phía Bắc và năng lượng mặt trời ở Tây Nam.
Ngày nay, không thể chuyển điện liền mạch từ đầu này sang đầu kia của Hoa Kỳ. Nhưng trong thập kỷ qua, các nhà nghiên cứu tại các phòng thí nghiệm quốc gia và trường đại học đã làm việc chặt chẽ với các kỹ sư trong ngành để thiết kế một hệ thống điện giữa các tiểu bang có thể. Và Kế hoạch cơ sở hạ tầng của Tổng thống Biden sẽ đi theo hướng này bằng cách phân bổ hàng tỷ đô la để xây dựng các đường dây tải điện cao thế có thể “chuyển điện rẻ hơn, sạch hơn đến nơi cần thiết nhất”.
My nghiên cứu kỹ thuật tập trung vào hệ thống điện. Tại Đại học Bang Iowa, chúng tôi đã làm việc để định lượng những lợi ích mà macrogrids có thể mang lại cho Hoa Kỳ Các hệ thống truyền tải công suất cao này kết nối các nguồn năng lượng và các khu vực có nhu cầu điện cao, được gọi là các trung tâm phụ tải, trên các khu vực địa lý rộng lớn.
Lưới điện chuyển điện từ các máy phát điện thường nằm xa trung tâm dân cư đến các khách hàng sử dụng năng lượng.
Hệ thống đường cao tốc quốc gia về điện
Dwight Eisenhower đã suy nghĩ về một hệ thống đường cao tốc liên bang quốc gia trong nhiều thập kỷ trước khi ông nhậm chức tổng thống năm 1953. Eisenhower lập luận rằng một hệ thống như vậy là "cần thiết để phòng thủ cũng như đối với nền kinh tế quốc dân và an toàn cá nhân".
Quốc hội đã đồng ý và thông qua Đạo luật Đường cao tốc Viện trợ Liên bang năm 1956, đã ủy quyền cho chính phủ liên bang trả 90% chi phí của hệ thống trị giá 114 tỷ đô la Mỹ này, với các bang sẽ chi trả phần còn lại.
Eisenhower đã lo lắng về sơ tán các thành phố trong trường hợp xảy ra chiến tranh hạt nhân. Đối số bảo mật cho macrogrid tập trung vào các sự kiện cực đoan làm gián đoạn lưới điện. Và lập luận kinh tế tập trung vào việc di chuyển năng lượng gió, năng lượng mặt trời và thủy điện từ những khu vực dồi dào chúng sang những khu vực có nhu cầu điện năng cao.
Ngày nay, lưới điện Bắc Mỹ thực sự năm lưới, còn được gọi là kết nối. Hai mạng lưới lớn, Đông và Tây liên kết, bao phủ hầu hết 48 tiểu bang thấp hơn và các vùng rộng lớn của Canada, trong khi ba mạng lưới nhỏ hơn phục vụ Texas, Alaska và bắc Quebec. Mỗi lưới này sử dụng dòng điện xoay chiều, hoặc AC, để chuyển điện từ máy phát điện cho khách hàng.
Các kết nối phía Đông, phía Tây và Texas được liên kết bởi dòng điện một chiều điện áp caohoặc HVDC, các đường dây giúp truyền tải điện năng giữa chúng. Các cơ sở này đã cũ và chỉ có thể chuyển một lượng điện nhỏ giữa các lưới. Một cách để nghĩ về macrogrid là như một lớp phủ kéo các lưới điện hiện có của Hoa Kỳ lại với nhau và giúp di chuyển quyền lực giữa chúng dễ dàng hơn.
Một mạng lưới vĩ mô tiềm năng của Hoa Kỳ kết nối các lưới điện miền Đông, miền Tây và Texas và liên kết với các trang trại gió ngoài khơi. James McCalley, CC BY-NĐ
Chia sẻ sức mạnh giữa các khu vực
Tổng thống Biden đã đề xuất hành động sâu rộng để đạt được sự chuyển đổi năng lượng sạch ở Hoa Kỳ, bao gồm tạo ra năng lượng điện không có carbon vào năm 2035. Điều này sẽ đòi hỏi phải bổ sung thêm nhiều công suất phát điện tái tạo mới trong vòng 15 năm tới.
Chi phí năng lượng mặt trời và gió đã giảm đáng kể trong những năm gần đây. Ngày nay, điện từ các nhà máy năng lượng mặt trời hoặc gió mới, quy mô lớn rẻ hơn điện từ các nhà máy than hiện có. Tuy nhiên, năng lượng tái tạo chỉ cung cấp khoảng 21% điện năng của Hoa Kỳ.
Macrogrid sẽ giảm chi phí điện từ các nhà máy năng lượng mặt trời và gió mới theo hai cách. Đầu tiên, nó sẽ cho phép năng lượng tái tạo chất lượng cao - chủ yếu là gió miền Trung Tây và năng lượng mặt trời miền Nam, và thủy điện tiềm năng của Canada - cung cấp cho các trung tâm phụ tải ven biển. Sẽ rẻ hơn nếu xây dựng các hệ thống truyền tải có thể di chuyển năng lượng này qua một khoảng cách xa hơn là tạo ra nó từ các nguồn năng lượng Mặt trời và gió chất lượng thấp hơn, yếu hơn ở gần các thành phố.
Thứ hai, một macrogrid sẽ làm cho nó có thể chia sẻ sản xuất năng lượng và các dịch vụ lưới điện giữa các khu vực. Chiến lược này tận dụng sự khác biệt về thời gian do múi giờ và thực tế là nhu cầu điện có xu hướng cao điểm vào những thời điểm nhất định trong ngày, chẳng hạn như khi mọi người về nhà vào buổi tối. Và giá điện lên xuống trong ngày theo nhu cầu.
Ví dụ, vào lúc 3 giờ chiều Giờ Thái Bình Dương, nhu cầu điện tương đối thấp ở Bờ Tây, có nghĩa là chi phí điện cũng thấp. Lượng điện dư thừa của phương Tây có thể được sử dụng để cung cấp cho nhu cầu ở Bờ Đông, đỉnh điểm hàng ngày đồng thời với mức “thấp” ở bờ biển Tây lúc 3 giờ chiều, xảy ra lúc 6 giờ chiều Giờ miền Đông. Bốn giờ sau, khi Bờ Tây đạt cao điểm hàng ngày theo Giờ Thái Bình Dương là 7 giờ tối, lúc đó sẽ là 10 giờ tối ở Bờ Đông, nơi sẽ có thêm thế hệ để chia sẻ về phía Tây.
Chia sẻ công suất cũng có hiệu quả vì nhu cầu điện năng cao điểm hàng năm xảy ra vào các thời điểm khác nhau trong năm cho các khu vực khác nhau. Mỗi khu vực được yêu cầu có khả năng tiếp cận đủ công suất phát điện để đáp ứng tải cao điểm hàng năm của mình, với một số lợi nhuận để bù đắp các sự cố phát điện. Macrogrid sẽ cho phép các khu vực chia sẻ công suất phát điện dư thừa khi nó không cần thiết tại địa phương.
Chiến lược này mang lại lợi ích ngay cả khi đỉnh hàng năm ở hai khu vực chỉ chênh lệch nhau vài ngày. Khi chúng khác nhau theo tuần hoặc tháng, phần thưởng có thể lớn. Ví dụ, nhu cầu điện ở Tây Bắc Thái Bình Dương thường đạt đỉnh vào mùa đông, vì vậy khu vực này có thể vay công suất từ Tây Nam và Trung Tây, nơi nhu cầu đạt đỉnh vào mùa hè và ngược lại.
Xây dựng đường truyền tiết kiệm tiền
Trong một nghiên cứu mà tôi đã xuất bản vào năm 2020 với các đồng nghiệp trong ngành và học thuật, chúng tôi đã chỉ ra rằng nếu không có macrogrid thì chi phí hơn $ 2.2 nghìn tỷ từ năm 2024 đến năm 2038 để phát triển và vận hành hệ thống điện của quốc gia và đạt được 50% sản lượng điện tái tạo vào năm 2038. Điều này bao gồm chi phí bổ sung 600 gigawatt công suất phát điện mới gần như hoàn toàn là gió và mặt trời; chi phí vận hành cho các nhà máy điện hạt nhân và hóa thạch còn lại; và xây dựng các đường dây tải điện xoay chiều mới để kết nối các nhà máy điện mới với khách hàng.
Tuy nhiên, chúng tôi tính toán rằng nếu Mỹ chi 50 tỷ USD để phát triển hệ thống điện vĩ mô, tổng chi phí dài hạn để phát triển và vận hành hệ thống điện của quốc gia và đạt được 50% điện tái tạo vào năm 2038 sẽ giảm hơn 50 tỷ USD. Nói cách khác, bằng cách cho phép chia sẻ điện năng giữa các khu vực và cung cấp điện năng lượng tái tạo chất lượng cao từ các vùng sâu vùng xa đến các trung tâm phụ tải, macrogrid sẽ không phải trả tiền cho chính nó.
Một số nhà quan sát có thể lo lắng rằng hệ thống lưới điện quốc gia được kết nối sẽ dễ bị mất điện theo tầng hơn so với hệ thống hiện có của chúng tôi. Trên thực tế, một macrogrid thực sự sẽ đáng tin cậy hơn vì HVDC cung cấp khả năng điều khiển lưới điện tăng lên thông qua các trạm chuyển đổi linh hoạt của nó.
Lãnh đạo ngành và những người ủng hộ năng lượng sạch đang kêu gọi Hoa Kỳ theo đuổi phát triển macrogrid. Nhưng Bắc Mỹ là tụt hậu hầu hết thế giới trong việc phát triển đường dây điện liên vùng để khai thác các nguồn năng lượng sạch chi phí thấp. Và nếu 50 tỷ đô la có vẻ là một khoản đầu tư lớn, hãy xem xét điều này: Nó cũng là ước tính chi phí tối thiểu mất điện và giá năng lượng tăng đột biến trong thời kỳ đóng băng sâu ở Texas.
Giới thiệu về Tác giả
James D. McCalley, Giáo sư Kỹ thuật Điện, Đại học bang Iowa
Sách liên quan
Giải ngân: Kế hoạch toàn diện nhất từng được đề xuất để đảo ngược sự nóng lên toàn cầu
của Paul Hawken và Tom Steyer
Trước nỗi sợ hãi và sự thờ ơ lan rộng, một liên minh quốc tế gồm các nhà nghiên cứu, chuyên gia và nhà khoa học đã cùng nhau đưa ra một loạt các giải pháp thực tế và táo bạo cho biến đổi khí hậu. Một trăm kỹ thuật và thực hành được mô tả ở đây, một số người nổi tiếng; một số bạn có thể chưa bao giờ nghe nói Chúng bao gồm từ năng lượng sạch đến giáo dục các cô gái ở các nước thu nhập thấp hơn đến các hoạt động sử dụng đất kéo carbon ra khỏi không khí. Các giải pháp tồn tại, có hiệu quả kinh tế và các cộng đồng trên toàn thế giới hiện đang ban hành chúng với kỹ năng và quyết tâm. Có sẵn trên Amazon
Thiết kế các giải pháp khí hậu: Hướng dẫn chính sách cho năng lượng carbon thấp
của Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Với những tác động của biến đổi khí hậu đã gây ra cho chúng ta, nhu cầu cắt giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trên toàn cầu là không kém phần cấp bách. Đó là một thách thức khó khăn, nhưng các công nghệ và chiến lược để đáp ứng nó vẫn tồn tại ngày nay. Một bộ nhỏ các chính sách năng lượng, được thiết kế và thực hiện tốt, có thể đưa chúng ta vào con đường hướng tới một tương lai các-bon thấp. Hệ thống năng lượng rất lớn và phức tạp, vì vậy chính sách năng lượng phải được chú trọng và tiết kiệm chi phí. Phương pháp tiếp cận một kích thước phù hợp với tất cả đơn giản là sẽ không hoàn thành công việc. Các nhà hoạch định chính sách cần một nguồn lực rõ ràng, toàn diện để vạch ra các chính sách năng lượng sẽ có tác động lớn nhất đến tương lai khí hậu của chúng ta và mô tả cách thiết kế tốt các chính sách này. Có sẵn trên Amazon
Đây Changes Everything: Chủ nghĩa tư bản vs khí hậu
bởi Naomi Klein
In Đây Changes Everything Naomi Klein lập luận rằng biến đổi khí hậu không chỉ là vấn đề khác được nộp gọn gàng giữa thuế và chăm sóc sức khỏe. Đó là một báo động kêu gọi chúng tôi sửa chữa một hệ thống kinh tế đã làm chúng tôi thất bại theo nhiều cách. Klein xây dựng một cách tỉ mỉ trường hợp làm thế nào để giảm lượng khí thải nhà kính một cách ồ ạt là cơ hội tốt nhất của chúng tôi để đồng thời giảm bất bình đẳng, tưởng tượng lại các nền dân chủ bị phá vỡ của chúng tôi và xây dựng lại nền kinh tế địa phương bị cắt đứt. Cô vạch trần sự tuyệt vọng về ý thức hệ của những người từ chối biến đổi khí hậu, những ảo tưởng lộn xộn của những người theo chủ nghĩa địa lý và sự thất bại bi thảm của quá nhiều sáng kiến xanh chính thống. Và cô ấy chứng minh chính xác lý do tại sao thị trường không khắc phục được và không thể khắc phục khủng hoảng khí hậu mà thay vào đó sẽ làm mọi thứ tồi tệ hơn, với các phương pháp khai thác cực kỳ nghiêm trọng và gây tổn hại về mặt sinh thái, kèm theo chủ nghĩa tư bản thảm họa tràn lan. Có sẵn trên Amazon
Từ Nhà xuất bản:
Mua hàng trên Amazon để giảm chi phí mang lại cho bạn InsideSelf.comelf.com, MightyNatural.com, và ClimateImpactNews.com miễn phí và không có nhà quảng cáo theo dõi thói quen duyệt web của bạn. Ngay cả khi bạn nhấp vào một liên kết nhưng không mua các sản phẩm được chọn này, bất kỳ thứ gì khác bạn mua trong cùng một lượt truy cập trên Amazon đều trả cho chúng tôi một khoản hoa hồng nhỏ. Không có chi phí bổ sung cho bạn, vì vậy hãy đóng góp cho nỗ lực. Bạn cũng có thể sử dụng liên kết này sử dụng cho Amazon bất cứ lúc nào để bạn có thể giúp hỗ trợ những nỗ lực của chúng tôi.
Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.
