Det sätt som vi genererar, levererar och använder kraft måste förändras drastiskt om vi ska möta behoven i det 21-talet.
På en viss dag i USA är cirka en halv miljon människor utan ström i två eller flera timmar. Någonsin hyllad av National Academy of Engineering som den mest inflytelserika tekniska innovationen från 20th century, arbetar det nordamerikanska nätverket med teknik främst från 1960 och 70.
Väderrelaterade stora avbrott har ökat
Under de senaste årtiondena har antalet och frekvensen av väderrelaterade större utbrott ökat. Mellan 1950 och 80 har utbrott ökat från två till fem varje år. från 2008 till 2012, avbrott ökade till mellan 70 och 130 per år. Samtidigt växer elbehov snabbt. Twitter ensam lägger till mer än 2,500 megawatt-timmar efterfrågan globalt per år. Det förväntas att världens elförsörjning kommer att behöva tredubblas av 2050 för att hålla fast vid efterfrågan. Det kommer att kräva ett betydande åtagande.
Under det senaste decenniet har elrisken ökat på grund av åldrande infrastruktur, brist på investeringar och politik som bidrar till modernisering och hotet som terrorism och klimatförändringar utgör. När klimatet förändras har variationen i väderhändelser ökat. Vi kommer att se mer extrema händelser. Och vi får se dem med större frekvens. Hurricane Sandy verkar vara ett exempel på detta.
I efterdyningarna av Sandy togs frågor om kraftåterställning i förhållande till extremt väder och klimatförändringar. Det måste förstås att en massiv, fysisk övergrepp på orkanen Sandys skala är bunden att överväldiga kraftinfrastrukturen, åtminstone tillfälligt. Inget belopp eller teknik kan garantera oavbruten el service under sådana omständigheter.
Vi behöver ett smartare nät som effektivt och säkert uppfyller krav från ett pervasivt digitalt samhälle inför klimatförändringar och andra extrema händelser samtidigt som vi garanterar en hög livskvalitet och stimulerar ekonomisk tillväxt. Det är också viktigt att komma ihåg att USA bara börjar att anpassa sig till ett bredare spektrum av risker. Kostnadseffektiva investeringar för att stärka rutnätet och stödhållfastheten varierar beroende på region, nyttjandegods, av den berörda äldre utrustningen och till och med av funktionen och placeringen av utrustningen inom ett användningsområde.
Elnätet måste bytas drastiskt
Elnätet måste förändras drastiskt. Vi behöver ett smartare nät som effektivt och säkert uppfyller krav från ett pervasivt digitalt samhälle inför klimatförändringar och andra extrema händelser samtidigt som vi garanterar en hög livskvalitet och stimulerar ekonomisk tillväxt. Ett sådant rutnät skulle ge tillräcklig överföringskapacitet för att koppla nya naturgasgenereringsanläggningar, vindkraftparker, havsanläggningar eller offshore vindkraftverk, solkraftverk och andra förnybara energikällor till kunderna. Det skulle också fungera som ett självhälsningssystem med hjälp av digitala komponenter och realtidskommunikationsteknik för att övervaka dess elektriska egenskaper hela tiden och ställa in sig själv så att den fungerar optimalt, förutser problem och kan snabbt isolera delar av nätverket som upplever misslyckande från resten av systemet för att undvika spridning av störningar och möjliggöra snabbare restaurering.
För att omvandla vår nuvarande infrastruktur till ett självhälsande smartnät måste flera teknologier utnyttjas och integreras. Det ideala smarta nätverket består av microgrids - som är små, mestadels självförsörjande kraftsystem - och ett starkare, smartare högspänningsnät, som fungerar som ryggraden i det totala systemet och gör det möjligt att integrera väsentligt ökade mängder vind och förnybara resurser. Med ett starkare och smarta nät kan 40 procent av vår el i USA komma från vind 2030, vilket delvis kommer att ersätta fossila bränslen som för närvarande används för el och transport.
Byta traditionell analogteknik med digitala komponenter
Uppgradering av nätinfrastrukturen för självläkningskapacitet kräver att traditionell analog teknik ersätts med digitala komponenter, mjukvaruprocessorer och kraftelektroniksteknik. Dessa måste installeras genom ett system så att det kan styras digitalt, vilket är den centrala ingrediensen till ett nät som övervakar och självläker.
Mycket av tekniken och systemtänkandet bakom självhärdande kraftnät kommer från den militära luftfartssektorn, där jag arbetade för 14-år på skada-adaptiva flygsystem för F-15-flygplan, optimerar logistik och studerar överlevnad av skvadroner och uppdragsverkan. I januari 1998, när jag gick med i Elkraftforskningsinstitutet, hjälpte jag till att föra dessa begrepp till elkraftsystem och andra kritiska infrastrukturnätverk, inklusive energi, vatten, telekommunikation och finans. Efter september 11, 2001 har terroristattacker, motståndskraft och säkerhet blivit ännu viktigare.
Smarterare nät skulle spara miljarder per år
Ett smartare nät skulle minska kostnaderna för avbrott med cirka $ 49 miljarder per år och minska CO2 utsläpp av 12-18 procent av 2030.
Kostnaden för ett smartare nät skulle bero på hur mycket instrument du faktiskt sätter i, såsom kommunikationsstommen, förbättrad säkerhet och ökad motståndskraft. Den totala prislappen varierar mellan 340 och 480 miljarder dollar, vilket under en 20-årsperiod skulle vara cirka 20 till 25 miljarder dollar per år. Men direkt från början är fördelarna 70 miljarder dollar per år i ökad effektivitet och minskade kostnader från avbrott, och på ett år där det finns många orkaner, isstormar och andra störningar går den nyttan ännu längre. För närvarande kostar avbrott från alla källor den amerikanska ekonomin 80 till 188 miljarder dollar årligen. Ett smartare nät skulle minska kostnaderna för avbrott med cirka 49 miljarder dollar per år och minska CO2 utsläpp av 12-18 procent av 2030. Dessutom skulle det öka systemets effektivitet med över 4-procent - det är en annan $ 20.4 miljard per år.
Kostnaderna täcker ett brett utbud av förbättringar för att få kraftleveranssystemet till prestandanivåerna som krävs för ett smart nät. De inbegriper infrastrukturen för att integrera distribuerade energiresurser och uppnå full kundanslutning, men inkluderar inte kostnaderna för generering, kostnaden för överföringsexpansion för att lägga till förnybara energikällor och för att möta lasttillväxt eller kundens kostnader för smarta nätberedningar apparater och apparater. Trots kostnaderna för genomförandet skulle investeringar i nätet betala sig i stor utsträckning. Med den faktiska investeringen, för varje dollar är avkastningen cirka $ 2.80 till $ 6 till den bredare ekonomin. Och den här siffran är väldigt konservativ.
Men det handlar också om 1) ökad cyber / IT-säkerhet och övergripande energisäkerhet, med säkerhet inbyggd i designen som en del av en lagrad försvarssystemarkitektur och 2) skapande av jobb och ekonomiska fördelar. Faktum är att vår digitala ekonomi i 21-talet efter min åsikt beror på att vi gör dessa investeringar, oavsett prognosen för det mer extrema vädret som kommer när våra klimatförändringar förändras.
Wasted 15 Years argumenterar om regeringens roll
Vi har slösat bort 15-år med att argumentera för de offentliga och privata sektorns roll medan våra globala konkurrenter anpassar och innoverar. Som bevis för det ekonomiska argumentet, överväga 2009 American Recovery and Reinvestment Act, statligt stimulansprogram finansiering och matchande stöd från verktyg och privat sektor i Smart Grid Investment Grant och Smart Grid Demonstration Project-program. Från och med mars 2012 genererade det totala investerade värdet på $ 2.96 miljarder för att stödja smarta nätprojekt minst $ 6.8 miljarder i den totala ekonomiska produktionen. Sammantaget stöddes om 47,000 heltidsekvivalenta jobb av investeringar. För varje $ 1 miljoner av direkta utgifter ökade BNP med $ 2.5 miljoner till $ 2.6 miljoner.
Vi har slösat bort 15 år med att argumentera för de offentliga och privata sektorns roll medan våra globala konkurrenter anpassar och innoverar. Vi behöver förnya offentlig-privata partnerskap, minska byråkratin och minska osäkerhetsmoln på avkastningen på investeringen av modernisering av infrastrukturen. När nationen har gjort sådana strategiska åtaganden tidigare har utbetalningarna varit enorma. Tänk på interstate highway system, lunar landing projektet och Internet.
Att möta alla dessa utmaningar har skapat världsledande ekonomisk tillväxt genom att möjliggöra handel, teknikutveckling och en blandning av de två. I processen har vi utvecklat en högutbildad, adaptiv personalstyrka. Nu måste vi bestämma huruvida vi ska bygga elkraft och energiinfrastrukturer som stöder ett digitalt samhälle från det 21-talet eller lämnas som en industriell relik på 20-talet.
Denna artikel publicerades ursprungligen på Ensia
Om författaren
Massoud Amin fungerar som HW Sweatt Chair i teknologisk ledarskap, leder Tekniskt ledarskapsinstitut (TLI) och är en Universitets Distinguished Teaching Professor och en professor i elektroteknik och datateknik vid University of Minnesota. Han arbetar med att möjliggöra smart, säker och robust infrastruktur. Han leder omfattande projekt i smarta nät, är ordföranden för IEEE Smart Grid, och betraktas som smart gridfader.
