211service.com
Livlina för förnybar kraft
Tryck in genom en skottsäker karuselldörr i en obeskrivlig byggnad i en trist del av det forna Östberlin och du kommer in i kontrollcentret för Vattenfall Europe Transmission, företaget som kontrollerar nordöstra Tysklands elnät. En bildskärm som visar ett diagram över det rutnätet tar upp det mesta av en vägg. En serie mindre skärmar visar realtidseffekten från regionala vindkraftverk och produktionen som hade förutspåtts föregående dag. Tyskland är världens största användare av vindenergi, med tillräckligt många turbiner för att producera 22 250 megawatt el. Det motsvarar ungefär produktionen från 22 kolanläggningar – tillräckligt för att tillgodose cirka 6 procent av Tysklands behov. Och eftersom Vattenfalls serviceområde producerar 41 procent av tysk vindenergi är kontrollrummet en kritisk provningsplats för nätets förmåga att hantera förnybar kraft.
Gröna linjer: Att utnyttja energi från avlägsna vind- och solkraftsparker kommer att kräva fler högspänningsledningar som dessa, nära Yermo, CA, som förbinder södra Nevada med Los Angeles.
Liksom alla elnät måste det som Vattenfall förvaltar kontinuerligt matcha elproduktionen med efterfrågan från bostäder, kontor och fabriker. Utmaningen är att upprätthålla en stabil strömförsörjning samtidigt som elektricitet från en källa så oregelbunden som vind. Om det finns för lite vindkraft kan företagets ingenjörer behöva starta fossildrivna kraftverk med kort varsel, en ineffektiv process. Om det är för mycket kan det överbelasta systemet, orsaka strömavbrott eller tvinga anläggningar att stängas av.
Ingenjörerna har dock få alternativ. Nätet har en begränsad förmåga att shunta extra kraft till andra regioner, och det har ingen energilagringskapacitet utöver en handfull små anläggningar som pumpar vatten in i uppförsbackar och sedan släpper ut det genom turbiner under perioder med hög efterfrågan. Så varje morgon, när kontor och fabriker slår på strömmen, måste ingenjörerna använda vindförutsägelser för att bestämma hur mycket el som konventionella anläggningar ska börja producera.
Men de förutsägelserna är långt ifrån perfekta. I takt med att fler och fler vindkraftverk dyker upp i Tyskland, ökar också överbelastningar och brister orsakade av oväntade förändringar i vindnivån. 2007 var Vattenfalls ingenjörer tvungna att lägga ner sina dagliga schemaläggningsplaner ungefär varannan dag för att omkonfigurera elförsörjningen i farten; i början av 2008 blev sådana förändringar nödvändiga varje dag. Kraftverk var tvungna att cykla på och av ineffektivt, och företaget fick göra akuta elköp till höga priser. Dagar med mycket hög vind och låg efterfrågan tvingade till och med Vattenfalls arbetare att snabbt stänga vindkraftsparkerna.
Reporterns anteckningsbok : David TalbotVattenfalls problem är en förhandstitt på de enorma utmaningar som ligger framför oss när kraft från förnybara källor, främst vind och sol, börjar spela en större roll runt om i världen. För att använda denna rena energi kommer vi att behöva fler överföringsledningar som kan transportera kraft från en region till en annan och koppla samman energihungriga städer med de avlägsna områdena där mycket av vår förnybara energi sannolikt kommer att genereras. Vi kommer också att behöva mycket smartare kontroller genom hela distributionssystemet – teknik som kan lagra extra el från vindkraftsparker i batterierna i plug-in hybridbilar, till exempel, eller fjärraktivera och stänga av energikrävande apparater när energitillförseln ökar och faller.
Om dessa nätuppgraderingar inte sker kan nya projekt för förnybar energi stoppas, eftersom de skulle lägga oacceptabel påfrestning på befintliga elsystem. Enligt en nyligen genomförd studie finansierad av EU-kommissionen kan en växande elproduktion från vindkraft (nya anläggningar planerade för Nord- och Östersjön kan lägga till ytterligare 25 000 megawatt till Tysklands elnät till 2030) ibland orsaka massiva överbelastningar. I USA gav North American Electric Reliability Corporation, en icke-statlig organisation som bildades för att reglera branschen efter ett enormt strömavbrott 1965, en liknande varning i november. Vi driver redan systemet närmare kanten än tidigare, säger koncernens VD, Rick Sergel. Vi har helt enkelt inte överföringskapaciteten tillgänglig för att korrekt integrera nya förnybara resurser.
Multimedia
Se diagram och infografik om amerikanska elkällor, krav och förnyelse av nätet.
Tillbaka till grunderna: Att öka förnybar energi i USA kommer inte att kräva ny teknik så mycket som grundläggande infrastruktur – som denna transformatorstation nära Santa Clarita, CA – för att hjälpa till att få ut den energin på marknaden.
Utmaningen som USA står inför är särskilt slående. Medan Tyskland redan får 14 procent av sin el från förnybara källor, får USA bara cirka 1 procent av sin el från vind-, sol- och geotermisk kraft tillsammans. Men mer än hälften av delstaterna har satt upp ambitiösa mål för att öka användningen av förnybar energi, och tillträdande president Barack Obama vill att 10 procent av landets el ska komma från förnybara källor i slutet av hans första mandatperiod, vilket ska stiga till 25 procent till 2025. Men till skillnad från Tyskland, som har börjat planera för nya transmissionsledningar och anta nya lagar för att påskynda byggandet av dem, har USA inga nationella ansträngningar på gång för att modernisera sitt system. Ett misslyckande med att förbättra vårt elnät kommer att vara en betydande börda för utvecklingen av ny förnybar teknik, säger Vinod Khosla, grundare av Khosla Ventures, ett riskkapitalföretag i Menlo Park, Kalifornien, som har investerat mycket i energiteknik.
Totalstopp
När konstruktionen började i slutet av 1800-talet var det amerikanska elnätet tänkt att ge den billigaste kraften till de flesta människor. Under det senaste århundradet har regionala monopol och statliga myndigheter byggt kraftverk – mestadels fossildrivna – så nära befolkningscentra som möjligt. De har också byggt överförings- och distributionsnätverk utformade för att betjäna varje regions elkonsumenter. Ett lapptäckessystem har utvecklats och vilka kopplingar som finns mellan lokala nätverk är främst avsedda som backstop mot strömavbrott. Idag omfattar USA:s nät 164 000 miles av högspänningsledningar - de välbekanta raderna av ståltorn som transporterar elektricitet från kraftverk till transformatorstationer - och mer än 5 000 lokala distributionsnätverk. Men även om dess storlek och komplexitet har vuxit oerhört, har nätets grundläggande struktur förändrats lite sedan Thomas Edison slog på ett distributionssystem som betjänade 59 kunder på nedre Manhattan 1882. Om Edison skulle vakna upp idag, och han tittade på nätet, skulle han säg: 'Det var där jag lämnade det', säger Guido Bartels, general manager för IBM Global Energy and Utilities Industry-gruppen.
Även om denna struktur har fungerat anmärkningsvärt bra för att leverera billig kraft till en bred befolkning, är den inte särskilt väl lämpad för fluktuerande kraftkällor som sol och vind. Först och främst är överföringsledningarna inte på rätt ställen. De byiga slätterna i Mellanvästern och de solbrända öknarna i sydväst – områden som teoretiskt skulle kunna förse hela nationen med vind- och solkraft – ligger i ändarna av nätet, isolerade från de feta artärerna som förser ström till, säg, Chicago eller Los Angeles. För det andra saknar nätet lagringskapacitet för att hantera variabilitet – att förvandla en källa som solenergi, som inte genererar någon energi på natten och lite under molniga dagar, till en konsekvent elkälla. Och slutligen, nätet är för det mesta ett dumt envägssystem. Tänk på att när strömmen försvinner på din gata, kommer företaget förmodligen inte att veta om det om du eller en av dina grannar inte tar telefonen. Det är inte den typen av system som kan övervaka och hantera den fluktuerande produktionen från taksolpaneler eller distribuerade vindkraftverk.
Det amerikanska nätets reglerande struktur är lika föråldrad. Medan Federal Energy Regulatory Commission (FERC) kan godkänna företagens förfrågningar om elpriser och licensöverföring över statliga linjer, behåller enskilda stater kontrollen över huruvida och var större transmissionsledningar faktiskt byggs. På 1990-talet reviderade många stater sina regler i ett försök att införa konkurrens på energimarknaden. Försörjningsföretagen var tvungna att öppna upp sina transmissionsledningar för andra kraftproducenter. En effekt av dessa regelverk var att företagen hade mindre incitament att investera i nätet än i nya kraftverk, och ingen hade ett tydligt ansvar för att bygga ut transmissionsinfrastrukturen. Samtidigt innebar den öppnare marknaden att producenter började försöka sälja kraft till regioner längre bort, vilket lade nya bördor på befintliga förbindelser mellan näten. Resultatet har blivit en nationell överföringsbrist.
Dessa problem kan nu vara det största hindret för en bredare användning av förnybar energi, som annars ser allt mer lönsam ut. Forskare vid National Renewable Energy Laboratory i Golden, CO, har kommit fram till att det inte finns någon teknisk eller ekonomisk anledning till varför USA inte kunde få 20 procent av sin elektricitet från vindkraftverk år 2030. Forskarna beräknar dock att uppnå detta mål skulle kräva en investering på 60 miljarder dollar i 12 650 miles av nya transmissionsledningar för att koppla in vindkraftsparker till nätet och hjälpa till att balansera sin produktion med den från andra elkällor och med konsumenternas efterfrågan. Den otillräckliga nätinfrastrukturen är överlägset nummer ett när det gäller expanderande vindkraft, säger Steve Specker, ordförande för Electric Power Research Institute (EPRI) i Palo Alto, Kalifornien, industrins forskningsanläggning. Det har redan börjat begränsa en del av den potentiella vindtillväxten i vissa delar av väst.
Midwest Independent Transmission System Operator, som hanterar nätet i en region som täcker delar av 15 delstater från Pennsylvania till Montana, har fått hundratals ansökningar om nätanslutningar från blivande energiutvecklare vars föreslagna vindprojekt tillsammans skulle generera 67 000 megawatt kraft. Det är mer än 14 gånger så mycket vindkraft som regionen producerar nu, och mycket mer än den skulle kunna förbruka på egen hand; det skulle representera cirka 6 procent av den totala amerikanska elförbrukningen. Men det befintliga transmissionssystemet har inte kapacitet att få så mycket el till de delar av landet som behöver det. I många av delstaterna i regionen är det ingen särskild brådska att flytta på saker, eftersom var och en har all kraft den behöver. Så de flesta ansökningar om nätanslutningar står helt enkelt i kö, en del hindras av bristen på infrastruktur och andra av byråkratiska och regulatoriska förseningar.
Lisa Daniels, till exempel, väntade tre år på en nätanslutning för en planerad utveckling av 9 till 12 turbiner på hennes mark i Kenyon, MN, 60 miles söder om Minneapolis. Installationen skulle kunna producera 18 megawatt effekt. Dess plats - bara en och en halv mil från en transformatorstation - är redo för bulldozer, säger Daniels, som också är verkställande direktör för en regional ideell organisation som syftar till att uppmuntra lokala vindprojekt. Systemet borde vara plug-and-play, men det är det inte, säger hon.
Allmännyttiga företag är dock ovilliga att bygga ny överföringskapacitet tills de vet att kraftuttaget från avlägsna vind- och solkraftsparker kommer att motivera det. Samtidigt är investerare i förnybar energi ovilliga att bygga nya vind- eller solkraftsparker tills de vet att de kan få ut sin kraft på marknaden. Oftast väljer de att vänta på ny överföringskapacitet innan de bryr sig om att lägga fram förslag, säger Suedeen Kelly, en FERC-kommissionär. Det är en typ av kyckling och ägg, säger hon.
Mer intelligens
Det fönsterlösa laboratoriet vid GE Global Research i Niskayuna, NY, är fyllt med köksmaskiner och kantas av väggskärmar som de i kontrollcentralerna för ett elnät. I labbet beskriver Juan de Bedout, chef för Electric Power and Propulsion Systems Laboratory, hur ett smart nät kan hjälpa till att göra förnybara energikällor praktiska. Föreställ dig, säger han, att vindhastigheten plötsligt sjunker vid en vindkraftspark, eller att en molnbank rör sig över en solcellsanläggning. Befintliga transmissionskontrollsystem – som de hos Vattenfall – kommer att upptäcka minskat utbud och orderökningar i kraftproduktion från andra källor, särskilt naturgasanläggningar, som snabbt kan eldas upp.
Men i ett smart nät kan styrenheten skicka ett meddelande ner till ett regionalt distributionssystem för att försöka minska efterfrågan. Omedelbart skulle en signal gå ut till mätare i hem eller kontor hos kunder som i utbyte mot prissänkningar hade kommit överens om att låta kraftverket rigga några av deras apparater för att minska strömförbrukningen under leveransavbrott. Inom några sekunder skulle elektriska varmvattenberedare stängas av i några minuter, och elektroniska termostater skulle automatiskt justeras med två eller tre grader. Det skulle inte finnas något behov av att slå på naturgasanläggningen.
Vindblåsning: Befintliga vindkraftsparker i södra Kalifornien, som den här norr om Santa Clarita, utökas med större parker eftersom nya kraftledningar förbinder området med större Los Angeles.
I ett av de mer avancerade pilotprojekten som testar ett sådant system, investerar det Minneapolis-baserade verktyget Xcel Energy och flera leverantörer 100 miljoner dollar för att installera en infrastruktur för smarta nät i Boulder, CO. I dagarna är en 115-personers Xcel-besättning ute. heltid, installera tvåvägs elmätare vid 50 000 hus. Husägare får programvara som låter dem se och hantera sin energiförbrukning på webben, och en del av deras apparater förses med strömbrytare som gör att bolaget kan stänga av dem på distans under perioder med stor efterfrågan.
Smart-grid-teknologier kan minska den totala elförbrukningen med 6 procent och toppefterfrågan med så mycket som 27 procent. Enbart minskningen av toppefterfrågan skulle spara mellan 175 miljarder och 332 miljarder dollar under 20 år, enligt Brattle Group, ett konsultföretag i Cambridge, MA. Inte bara skulle lägre efterfrågan frigöra överföringskapacitet, utan de kapitalinvesteringar som annars skulle behövas för nya konventionella kraftverk skulle kunna omdirigeras till förnybar energi. Det beror på att smart-grid-teknik skulle göra små installationer av vindkraftverk och solcellspaneler mycket mer praktiska. De kommer att göra det möjligt för mycket större mängder förnybar energi att integreras på nätet och sänka den effektiva totala kostnaden för dessa förnybara energikällor, säger Peter Fox-Penner från Brattle Group.
I Boulder, till exempel, uppmuntrar Xcel konsumenter att installera solpaneler på sina tak och batterier i sina källare – en del av en plan för att demonstrera hur den variabla kraften som produceras av tusentals eller miljoner soltak kan lagras i enskilda hem och matas in i nätet vid behov. Under de senaste månaderna har Xcel till och med köpt några plug-in hybridbilar och kopplat dem till nätet, för att testa mjukvara som skulle låta fordonen fungera som energilagringsenheter.
Och Xcel är inte ensam. Nystartade företag och stora företag perfektar och kommersialiserar takmaterial för solenergi, energilagringsenheter i källaren, batterier för plug-in hybrider och smart programvara för att optimera elanvändningen. Men precis som storskalig produktion av förnybar kraft beror på att överföringsinfrastrukturen förbättras, är många av dessa framsteg värdelösa utan bättre nätkontroll. Du kan inte använda ett plugin-batteri för nätlagring om nätet inte på ett intelligent sätt kan hämta ström från bilen.
Den goda nyheten är att många verktyg har börjat installera de nödvändiga mätarna – sådana som intelligent övervakar strömflödet ut ur ett hus såväl som in i det. Frågan är nu hur man kan ta sig bortom snöstormen av pilotprojekt, installera smartare teknik över nätet och börja integrera mer förnybar kraft i den nya infrastrukturen. Smart-grid-visionen är trevlig; vi har alla våra PowerPoint-bilder i färg, säger Don Von Dollen, som leder forskning om intelligenta nät vid EPRI. Jag tror att folk har fått visionen vid det här laget. Nu är det dags att göra saker.
Ond cirkel
Förra sommaren började tidigare vicepresidenten Al Gore argumentera för att landet behövde implementera ett helt kolfritt elsystem inom ett decennium för att avvärja faran med global uppvärmning. Som en del av sin vision efterlyste Gore ett enhetligt nationellt smart elnät som skulle flytta kraft som genereras från förnybara källor till städer, öka effektiviteten i elanvändningen och möjliggöra större kontroll över förnybara resurser. Han uppskattade att nätöversynen skulle kosta 400 miljarder dollar under 10 år.
Gores plan anger inte exakt hur ett så stort projekt skulle genomföras. Om det går snabbare att ha en heltäckande lagstiftning som får stater att samarbeta och får privat kapital att flöda in, så är det fantastiskt, säger Cathy Zoi, VD för Alliance for Climate Protection, den ideella organisationen som Gore grundade i Menlo Park, Kalifornien, för att pressa på för brådskande åtgärder mot klimatförändringar. Om det är snabbare och enklare att allokera federala pengar och göra detta som ett projekt för offentliga arbeten, är det också bra. Vi är inte gifta med ett politiskt instrument.
Just nu har naturligtvis ingen av strategierna antagits. Även om pilotprojekt som det i Boulder är värt besväret som ett sätt att demonstrera ny teknik, har de implementerats på hodgepodge-sätt, med olika verktyg som använder olika teknologier i olika stater. Transmissionsprojekt avancerar stegvis, men de kompliceras ofta av konflikter mellan staterna. Det vi har idag är detta lapptäcke av regler och förordningar som varierar från stat till stat, säger Peter Corsell, VD för GridPoint, en startup i Arlington, VA, som tillverkar mjukvara för smarta nät och som deltar i Boulder-projektet. Vi är alla förankrade i detta trasiga system, och det finns ingen överenskommelse om hur det ska fixas. Det är en ond cirkel.
Vissa tror att svaret är att ge FERC mer auktoritet. Idag kan byrån åsidosätta staters beslut om var transmissionsledningar ska placeras, men bara i regioner som det amerikanska energidepartementet har utsett som kritiska för elförsörjningens säkerhet. Hittills har endast två sådana korridorer utsetts: en i mitten av Atlanten och en annan i sydväst. Även i dessa regioner fortsätter förseningarna. Södra Kalifornien Edison har föreslagit en större överföringsledning i den sydvästra korridoren; sträcker sig från utanför Los Angeles till nära Phoenix, AZ, skulle det kunna hantera kraft som genereras av framtida solcells- och solvärmekraftverk. Men Arizona avvisade idén, så verktyget förbereder sig för att ta sina planer till FERC.
Andra tror att lösningen är en ny federal politik som skulle göra marknaden för förnybar kraft mer lukrativ, kanske genom att reglera koldioxidutsläppen, som den cap-and-trade-policy som Obama föreslagit skulle göra. Enligt en sådan politik skulle vindenergi och andra kolfria elkällor bli mycket mer värdefulla, vilket skulle ge ett incitament för företag att utöka sin kapacitet att hantera dem (se Frågor och svar, s. 28) . Det kan allt förändras väldigt snabbt, säger Will Kaul, vicepresident för överföring vid Great River Energy i Minnesota, som leder en gemensam överföringsplaneringssatsning som inkluderar 11 kraftverk i Mellanvästern. Om det fanns en koldioxidpolitik, eller en nationell standard för förnybar energi, skulle vindkraftsproduktionens omfattning explodera.
Som Gore och andra miljöexperter varnar – och som ingenjörerna på Vattenfall skulle vittna om – kommer en explosion i användningen av förnybar energi att vara starkt beroende av att uppgradera nätet. Det kommer inte att vara billigt, men det kan vara värt det. Vi bör tänka på detta på samma sätt som vi tänker på det federala motorvägssystemets roll, säger Ernest Moniz, fysikprofessor vid MIT som leder skolans energiforskningsinitiativ. Det är nyckeln som möjliggör för oss att modernisera hela vårt elproduktionssystem. Och förnybar energi är en särskilt viktig mottagare. Det finns inget tekniskt skäl till varför vi inte kan gå vidare på detta aggressivt.
David Talbot är Teknikgranskning chefskorrespondent.