Hur man får Wyoming Wind till Kalifornien och minskar 80 % av USA:s koldioxidutsläpp

Adani

Flera mil söder om Rawlins, Wyoming, på en boskapsranch öster om Continental Divide, har byggpersonal börjat lägga ut vägar och dynor som så småningom kan stödja upp till 1 000 vindkraftverk. När projektet är klart kan Chokecherry och Sierra Madre-projektet generera cirka 12 miljoner megawattimmar el årligen, vilket gör det till landets största vindkraftspark.

Men hur får man så mycket vindkraft dit det faktiskt behövs?

Det Denver-baserade företaget bakom projektet hoppas kunna uppföra en serie transmissionstorn i stål som skulle sträcka en högspänningslikströmsledning 730 miles över den amerikanska västern. Den skulle kunna transportera så mycket som 3 000 megawatt Wyoming vindkraft till elmarknaderna i Kalifornien, Nevada och Arizona. Med rätt affärer på plats skulle transmissionsledningen också kunna leverera solgenererad el tillbaka, balansering Wyomings kraftfulla sena eftermiddagsvindar med Kaliforniens ljusa sol på dagen.

Hur Wyoming-vinden (i grönt) kunde balansera ut Kaliforniens solenergi (i rött) under hela dagen i juni. Källa: Wind Diversity Enhancement of Wyoming and California Wind Energy Projects, 2015. Jonathan Naughton, Wind Energy Research Center.

TransWest Express Transmission Project på 3 miljarder dollar är bland en handfull föreslagna likströmsledningar i USA, och en av de längst fram i planeringsprocessen. Det understryker det enorma löftet med dessa högkapacitetslinjer att frigöra den fulla potentialen hos förnybar energi.

Överföring är inte sexig (se vår story art ovan). Det är grundläggande infrastruktur. Långa ledningar och höga torn (se Hur Blockchain kunde ge oss ett smartare energinät ).

Men en växande mängd studier drar slutsatsen att att bygga ut ett rikstäckande nätverk av DC-transmissionsledningar kan hjälpa förnybara källor att ersätta majoriteten av USA:s energiproduktion, vilket kanske erbjuder det snabbaste, billigaste och mest effektiva sättet att minska utsläppen av växthusgaser.

Att utveckla dessa transmissionsledningar är dock otroligt tidskrävande och dyrt. TransWest-projektet föreslogs först 2005, men utvecklarna kommer att ha turen att få sina slutgiltiga tillstånd och börja flytta smuts i slutet av nästa år.

Det finns ingen enskild byrå som ansvarar för att övervaka eller inleda sådana projekt, vilket lämnar företag att navigera i ett snår av överlappande federala, statliga, läns- och stadsjurisdiktioner – var och en måste skriva av sig för att ett projekt ska börja. Som ett resultat byggs få sådana transmissionsledningar någonsin.

Ett makronät

Likström, där elektriska laddningar ständigt flyter i en enda riktning, är en gammal teknik. Den och växelström var föremål för en av världens första strider om teknikstandarder, där Thomas Edison ställdes mot sin tidigare skyddsling Nikola Tesla i Strömmarnas krig med start på 1880-talet (se Edison’s Revenge: The Rise of DC Power).

AC vann detta tidiga krig, främst för att tack vare utvecklingen av transformatorer kunde dess spänning höjas för långdistansöverföring och trappas ner för hem och företag.

Men en rad tekniska förbättringar har avsevärt ökat funktionaliteten hos DC, vilket öppnat upp för nya sätt att designa och koppla samman elnätet.

Från och med 1950-talet började vissa företag och länder distribuera nästa generations högspänningsledningar för DC. Dessa system skulle kunna bära mer kraft mycket längre än AC-ledningar, som lider av mycket mer förluster över större avstånd. Av avgörande betydelse kan likströmsledningar också användas för att överföra kraft mellan asynkrona växelströmssystem som landets tre stora regionala elnät, som annars inte kan dela på kraft.

Under de senaste två åren har James McCalley, ingenjörsprofessor vid Iowa State University, studerat det bästa sättet att knyta samman dessa massiva nätsystem som en del av Department of Energys 220 miljoner dollars Grid Modernization Initiative.

Ett sätt att lösa problemet är att bygga ut befintliga back-to-back-konverteringsstationer för att ge mer öst-till-västlig överföringskapacitet. Dessa system tillåter överföring mellan två nät, genom att omvandla strömmen till DC och sedan tillbaka till AC igen vid den punkt där de korsar sömmen.

Ett annat tillvägagångssätt lägger till tre punkt-till-punkt överföringslinjer, som löper öster till väster, och förbinder hjärtat av varje nät med det andra. Ytterligare en lösning är ett så kallat makronät av långa likströmsledningar som täcker stora delar av landet. Den löper uppför Floridas panhandle, tvärs över söder, norrut till Seattle, österut till Minneapolis och tillbaka ner till Louisiana, med flera ytterligare linjer som korsar västerut.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse Energiexperter tror att blockchain-teknik kan lösa en labyrint av byråkrati och datahanteringsproblem.

McCalley och hans team utvecklade modeller för att simulera vart och ett av dessa scenarier under en 15-årsperiod. De fann att alla tre visade en stark ekonomisk utdelning, vilket gav en fördel på minst $2,50 i besparingar för varje $1 som investerades i transmissionssystemet.

Med likströmsledningar har nätoperatörerna fler alternativ för energikällor under hela dagen, vilket gör att de kan utnyttja till exempel billig vind två stater bort under tider med hög efterfrågan istället för att vända sig till närliggande men dyrare naturgasanläggningar för en några timmar. Det faktum att regioner kan vara beroende av energi från avlägsna stater för sin högsta efterfrågan innebär också att de inte behöver bygga lika mycket högkostnadsproduktion lokalt.

Scenariot för DC-överföring från punkt till punkt visade den högsta omedelbara ekonomiska avkastningen i studien, som kommer att publiceras under de kommande månaderna. Men tillvägagångssättet med makronät erbjuder mycket större redundans och motståndskraft, vilket säkerställer att nätet fortsätter att fungera om någon linje går ner. Det gör det också möjligt att bygga ut mycket mer förnybar energiproduktion.

Makronätet ger dig en motorväg till alla dessa laster och binder samman alla dessa marknader, säger Dale Osborn, teknisk chef för transmissionsplanering på Midcontinent Independent System Operator (MISO), som först designade systemet. Du får den mest effektiva och lägsta möjliga energin.

Jättebatterier

Ett nationellt likströmsnät skulle också kunna bidra till att sänka utsläppen till så mycket som 80 procent under 1990 års nivåer inom 15 år, allt med kommersiellt tillgänglig teknik och utan att öka kostnaderna för el, enligt en tidigare studie i Naturens klimatförändringar.

Forskarna producerade ett idealiserat överföringsnätverk som kopplade samman 32 noder över hela landet, kopplade samman vattenkraft i Stilla havets nordvästra, solenergi i Kalifornien, vindenergi i sydväst och kärnenergi på östkusten, bland andra källor.

Ett nationellt högspänningsnät för likströmsöverföring designat av Vibrant Clean Energy.

Enkelt uttryckt balanserar systemet ut intermittenten av förnybara energikällor över långa avstånd, vilket betyder att det alltid finns pålitlig produktion någonstans. Att kunna utnyttja det från vilket hörn av landet som helst sänker kostnaderna för att leverera energi vid toppefterfrågan, minskar mängden produktion som krävs i ett enskilt område, minimerar överskottsproduktion och eliminerar behovet av att utveckla dyra lagringssystem i nätskala ( se Serial Battery Entrepreneur's New Venture tacklar ren energis största problem).

Vi får i princip det stora batteriet vi vill ha gratis, säger Christopher Clack, en av huvudförfattarna till studien och VD för Vibrant Clean Energy.

Superkablar

Vissa framväxande teknologier skulle kunna driva på fördelarna med högspänningslikströmsöverföring ytterligare.

Spänningskällasomvandlare, utvecklade på 1990-talet, gör det möjligt att koppla in ström var som helst längs HVDC-ledningar, snarare än bara vid dess två ändpunkter. De är inte allmänt distribuerade nu, men de skulle kunna möjliggöra ett ännu mer sammankopplat nät än det som MISO designat, skriver Varun Sivaram, vetenskaps- och teknikstipendiat vid Council on Foreign Relations, i sin kommande bok Tämja solen .

Dessutom undersöker forskare olika typer av halvledare för att förbättra kostnaden och prestandan för strömbrytare och spänningsomvandlare, säger Sivaram, och arbetar med supraledande kablar som kan öka kraftkapaciteten och minska energiförlusterna till nästan noll.

Kina går framåt

Samtidigt har Kina redan börjat sprida så kallade ultrahögspännings DC-transmissionslinjer, som kan överföra omkring en miljon volt.

Mycket av landets överföringsbyggnadsboom har drivits av ett försök att koppla samman energiproduktion koncentrerad i avlägsna norra provinser med avlägsna befolkningscentra, en geografisk obalans som har resulterat i enorma mängder överskott av sol- och vindenergi. Men det återspeglar naturligtvis också det faktum att Kinas energiutveckling inte saktar ner mycket för offentliga kommentarer och miljökonsekvensrapporter.

Det finns redan en handfull av DC-överföringsledningar i USA och ett växande antal förslag, inklusive New England Clean Power Link, som skulle transportera 1 000 megawatt förnybar kraft från Kanada till New England. Houstons Clean Line Energy har minst en ett halvdussin förslag i olika etapper, inklusive Plains och Eastern Clean Line som förbinder västra Oklahoma med marknader i sydost, och Grain Belt Express Clean Line som sträcker sig från Kansas till Indiana.

The Eastern Alberta Transmission Line, en högspänningslikströmsledning i Alberta, Kanada.

Men alla dessa går genom godkännandeprocessen i en häpnadsväckande takt. TransWest-utvecklarna har säkrat tillstånd längs de två tredjedelar av linjens väg som ligger på federal mark sedan de tog över projektet 2008. Men de arbetar fortfarande med att slutföra godkännanden från stater och privata markägare.

Clean Lines föreslagna Grain Belt-linje har godkänts av tre av de fyra delstaterna den korsar, men Missouris tillsynsmyndigheter har avvisade det två gånger .

De flesta utvecklare och energipolitiska experter säger att det som behövs för att påskynda dessa projekt är en federal myndighet med större makt att driva igenom dem. A Rapportera släpptes av Stanford i oktober belyste ett antal möjligheter, inklusive att ge Federal Energy Regulatory Commission samma lokaliseringsmyndighet för transmissionsledningar som den redan har över naturgasledningar.

Utan tydlig, förutsägbar lokaliseringsmyndighet kommer det att bli mycket svårt att bygga ut ett intelligent, heltäckande HVDC-nätverk, säger Dan Reicher, verkställande direktör för Steyer-Taylor Center for Energy Policy and Finance i Stanford, medförfattare till rapporten.

En annan kritisk utmaning för långdistansöverföring är att kraftverk har få incitament att betala för dessa linjer, tillägger MISO:s Osborn. Reglerna skulle behöva ändras för att tillåta företag att få tillbaka sina investeringar och uppmuntra dem att samarbeta över regioner, säger han.

Utan ytterligare regulatoriska förändringar och koncentrerad federal myndighet kommer vi sannolikt att se mer av det vi har sett: engångsprojekt där ekonomin kan fungera för att koppla en viss energikälla till en viss marknad. Men vi kommer sannolikt inte att se ett integrerat nätverk som de som MISO och andra föreställer sig.

Och utan dessa eller något nätlagringsgenombrott kommer förnybara energikällor sannolikt aldrig att nå sin fulla potential. Anläggningar kommer ibland att generera mer vind- eller solenergi än en enskild marknad kan använda, då priset sjunker - och incitamentet att lägga till mer förnybar produktion krymper. Och vid andra tillfällen kommer de inte att generera tillräckligt för den marknaden, vilket tvingar regionen att fortsätta att luta sig mot fossilbränsleanläggningar.

Så det slutar med att du avviker från det som skulle vara optimalt, och kan sluta skada förnybara energikällor i det långa loppet, säger Clack.

Relaterad berättelse

Relaterad berättelse I en värld av mer elektronik och solenergi behövs mindre och mindre växelström.

En sak som likströmslinjer har för dem, åtminstone i vissa fall, är starkt bipartisan stöd. Faktum är att Trumps övergångsteam lade flera överföringsförslag på det prioriteringslista av nöd- och nationell säkerhetsprojekt, inklusive TransWest.

Det kan delvis bero på att linjerna själva sänker kostnaderna och länkar marknader även om de transporterar el från kol eller naturgas snarare än förnybara källor. Men en annan faktor är nästan säkert att företagen som föreslår sådana linjer ibland är Republikanska partiets stödjare. Noterbart är att miljardären och den stora GOP-givaren Philip Anschutz äger företaget bakom Wyoming vindkraftpark och TransWest-linjen.

Det kan betyda att HVDC-överföring kan representera ett av de få områdena – vid sidan av avancerad kärnkraft – där förespråkare för ren energi potentiellt skulle kunna arbeta med Trump-administrationen för ett gemensamt mål.

Det pågår redan juridiska strider, men som kommer att testa hur mycket makt federala organ har över dessa frågor. Flera grupper som representerar Arkansas markägare har ansökt ett klagomål i USA:s distriktsdomstol och ifrågasatte Department of Energys användning av en lag från 2005 för att främja Clean Lines Plains and Eastern-projekt.

Liknande fall kommer sannolikt att dyka upp när andra nya tillvägagångssätt prövas. Men Clean Lines president, Michael Skelly, säger att företaget investerar hårt för att vinna dessa slagsmål och skapa de rättsliga prejudikat som krävs för att främja andra projekt.

Vårt motto är lämna ingen advokatbyrå bakom sig, säger han.

Dölj