211service.com
Supraledare för att koppla ett smartare nät
En föreslagen knutpunkt för att ansluta de tre oberoende elnäten som sträcker sig över det kontinentala USA kan göra det lättare att öka produktionen av förnybar el.
Cool kraft : Dessa supraledande ledningar utgör grunden för kraftkablar som bär mycket mer kraft än konventionella kopparkablar.
Projektet, kallat Tres Amigas Superstation, skulle använda supraledande rörledningar och omvandlarstationer för att ansluta tre nät: Western, Eastern och Texas Interconnections. Anslutningarna mellan näten har begränsats eftersom näten inte är synkroniserade – växelströmmen är ur fas. Speciella stationer som omvandlar växelström till likström och sedan tillbaka till växelström i rätt fas behövs för att flytta ström från ett nät till ett annat.
Endast en bråkdel av 1 procent av den el som genereras i USA kan för närvarande överföras mellan elnäten, och det finns ingen direkt koppling mellan Texas och det västerländska nätet. Tres Amigas-stationen, som kommer att koppla samman alla tre näten på ett ställe för första gången, kommer initialt att mer än fördubbla förmågan att överföra ström mellan dem, vilket ger fem gigawatts kapacitet. Så småningom förväntas stationen överföra så mycket som 30 gigawatt effekt.
Stationen kommer att lösa en mängd problem relaterade till förnybar energi, säger Phil Harris, VD för företaget Tres Amigas, baserat i Santa Fe, NM. I första hand kommer det att hjälpa till att ta itu med ett nyckelproblem med förnybara energikällor – deras intermittens. Eftersom vind kommer och går och moln blockerar solen då och då, kan vind- och solkraft destabilisera elnätet.
Ett sätt att kompensera är att se till att ingen förnyelsebar källa står för för mycket av den totala kraftmixen – så att andra källor enkelt kan fylla i när det blir effektfall. I Texas skulle dock denna strategi snabbt begränsa storleken på vindkraftsparker, eftersom nätet där är relativt litet. Genom att ansluta till resten av landet tar Tres Amigas bort gränsen för storleken på dessa gårdar.
Intermittens kan också åtgärdas genom att samla förnybar energi över ett stort område. På så sätt kan en minskning av solenergin på grund av en molnig dag i en region kompenseras av vind eller sol någon annanstans. Att koppla samman de tre näten gör det möjligt att dra nytta av ett bredare utbud av förnybara källor, särskilt i sydväst, som delas av gränserna mellan dem. Stationen kommer också att tillhandahålla mellan 50 och 150 megawatt batterilagring för att jämna ut strömfluktuationer på nätet för att förhindra avbrott.
Projektet kan också vara en värdefull testplats för supraledande transmissionsledningar för likström, vilket kan ha betydande fördelar jämfört med konventionella kraftledningar för att leverera stora mängder kraft över långa avstånd, säger Steven Eckroad, projektledare på Palo Alto, CA-baserade. Electric Power Research Institute (EPRI), som studerar supraledares potential för långdistansöverföring. Sådana transmissionsledningar skulle kunna samla vindkraft från Mellanvästern, där det finns rikligt, och överföra det till söder, som har färre förnybara resurser.
Kraftväxling : Ström kommer in till Tres Amigas-stationen från tre elnät och cirkulerar inuti en supraledare-pipeline som alla tre näten kan dra från.
För att ansluta alla tre näten krävdes en plats där de var geografiskt nära varandra – i fallet med Tres Amigas, en 60 kvadratkilometer stor mark nära Clovis, NM. Som med konventionella anslutningar mellan näten, omvandlar systemet AC till DC. Men till skillnad från konventionella tvåvägsanslutningar, på Tres Amigas kommer den likströmmen då att cirkulera i supraledande kablar som bildar en triangulär elektrisk rörledning. Vilket som helst av de tre näten kan hämta ström från detta efter behov.
Att tillhandahålla fem gigawatt, och så småningom 30 gigawatt, överföringskapacitet mellan alla tre näten krävde användningen av supraledande likströmsledningar, vilket kraftigt minskade antalet kablar som behövs för att bära strömmen - en enda supraledande kabel kan bära samma effekt som nio eller 10 uppsättningar av konventionella kopparkablar. Om de konventionella kablarna var upphängda ovanför skulle de, tillsammans med de inkommande och utgående transmissionsledningarna, ha skapat ett råttbo som var sårbart för väder och sabotage, säger Jack McCall, chef för affärsutveckling på Devens, MA-baserade amerikanska Superconductor, som levererar de supraledande kablarna.
Att gräva ner konventionella kablar skulle öka komplexiteten och storleken på projektet, eftersom kablarna skulle behöva hållas flera meter från varandra för att undvika överhettning. Till en början skulle bara en supraledande kabel behövas – vilket avsevärt förenklar systemet jämfört med att använda konventionella kablar. I takt med att Tres Amigas byggs ut kommer fler kablar att behövas, men dessa kan grävas ner nära varandra.
Förutom att ansluta de tre näten kommer Tres Amigas att fungera som en demonstration av den typ av likströmssupraledande ledningar och AC-till-DC-omvandlare som skulle behövas för högeffekts, långdistanstransmissionsledningar – supraledarrörledningen EPRI har studerat. Ett sådant system kan vara lättare att placera än konventionella högeffektsledningar: de supraledande kablarna kan grävas ner längs befintliga ledningsrätter, till exempel längs mellanstatliga motorvägar. Att övertyga markägare att tillåta stora överliggande överföringstorn är ett av de största hindren för att installera konventionella överföringsledningar, och det kan hindra ansträngningarna att utveckla ett system för att distribuera vindkraft från Mellanvästern. Supraledande transmissionsledningar kan också vara lättare att integrera med det befintliga nätet, eftersom mängden effekt som omvandlas från DC- till AC-kraft vid stationer längs linjen kunde kontrolleras exakt.
Enligt EPRI-analysen skulle en supraledarledning kosta ungefär lika mycket som en konventionell transmissionsledning, om supraledarsystemet konstruerades för att överföra stora mängder kraft (större än fem gigawatt) över långa avstånd (cirka 1 000 miles). Detta beror delvis på att kostnaden för att kyla supraledande ledningar (som krävs för att behålla sina supraledande egenskaper) blir en liten del av de totala systemkostnaderna. På långa avstånd är den högre effektiviteten hos supraledande system också viktig – ungefär hälften så mycket energi slösas bort som med konventionella högeffekts, långväga kraftledningar.
Men det är en teknik som företag inte är bekanta med, och därför kan de vara ovilliga att rulla ut den i den skala som krävs för att den ska vara kostnadskonkurrenskraftig, säger Eckroad. Tres Amigas-projektet kan vara viktigt för att visa att tekniken fungerar, säger han.
McCall säger att Tres Amigas planerar att lämna in en ansökan till Federal Energy Regulatory Commission under de kommande veckorna – för att klargöra att regleringshinder är nästa steg för företaget. Om det går bra kan det inledande systemet på fem gigawatt vara klart i slutet av 2014.