Stara szkoła: znaczna część elektrowni i sieci przesyłowych, na których polegamy, istnieje od dziesięcioleci. andrewfhart/flickr, CC BY-SA
Sieć elektryczna to niesamowity zintegrowany system maszyn obejmujący cały kontynent. National Academy of Engineering nazwała go jednym z największe osiągnięcia inżynierskie z XIX wieku. 
Ale jest też drogi. Z mojej analizy wynika, że aktualna (zamortyzowana) wartość amerykańskiej sieci elektrycznej, składającej się z elektrowni, przewodów, transformatorów i słupów, wynosi w przybliżeniu od 1.5 do 2 bilionów dolarów. Zastąpienie go kosztowałoby prawie 5 bilionów dolarów.
Oznacza to, że infrastruktura elektryczna Stanów Zjednoczonych, która już zawiera biliony dolarów zatopionego kapitału, będzie wkrótce potrzebować znacznych ciągłych inwestycji, aby utrzymać rzeczy tak, jak są. Elektrownia zbudowana podczas gwałtownej ekspansji sektora energetycznego w dziesięcioleciach po II wojnie światowej ma teraz 40 lat lub więcej, od dawna się spłaca i prawdopodobnie wymaga wymiany. W rzeczywistości Amerykańskie Stowarzyszenie Inżynierów Budownictwa po prostu nadało całej infrastrukturze energetycznej ledwo zdając ocenę D+.
Obecna administracja zapowiedziała duże inwestycje w infrastrukturę, co rodzi szereg pytań dotyczących systemu elektroenergetycznego: Jak powinna wyglądać sieć energetyczna przyszłości? Jak osiągnąć niskoemisyjne dostawy energii? Ile to będzie kosztować?
Infrastruktura wydaje się być problemem, który może uzyskać wsparcie od po obu stronach nawy. Aby jednak podejmować dobre decyzje dotyczące wydatków, musimy najpierw zrozumieć wartość istniejącej sieci.
Obecny stan przejścia
Sieć elektryczna ma działać przez dziesięciolecia, ale niewiele osób zdaje sobie sprawę, że cały system musi precyzyjnie równoważyć podaż i popyt w skali czasowej, która trwa zaledwie sekundę. Każdy wat energii elektrycznej do oświetlania domów, obsługi laptopów lub klimatyzacji jest wytwarzany w tym samym czasie w różnych miejscach, głównie przez spalanie paliw, które obracają magnesy w generatorach. Zasadniczo nie ma magazynowania energii elektrycznej w sieci; zamiast tego większość energii jest magazynowana w paliwach – węglu, gazie ziemnym, produktach jądrowych i wodzie za tamami, czekając na przekształcenie polecenia w energię elektryczną w czasie rzeczywistym.
Lokalizacja i stan deprecjacji wszystkich elektrowni w USA. Joshua Rhodes, dane z formularza OOŚ 860.
W ostatnich latach miejsce, w którym czerpiemy nasza moc, zmieniło się dramatycznie. Najstarsze generatory to duże elektrownie, z których wiele znajduje się we wschodniej części Stanów Zjednoczonych. Najnowsze dodawane są mniejsze i bardziej rozproszone – pomyśl o panelach słonecznych na dachach lub farmach wiatrowych. Niektórzy eksperci twierdzą nawet, że ten model bardziej rozproszonej generacji bliższej miejsca zużycia energii – wzdłuż krawędzi sieci, a nie centralnych elektrowni – jest nowa norma.
Idąc dalej, możemy albo odbudować sieć w taki sam sposób, jak robiliśmy to wcześniej, albo zainwestować w nowe technologie, które mogą zapewnić tę samą usługę, ale z niższy koszt.
A jak moglibyśmy zrobić to czyściej? Niektórzy uważają, że siatka może: działają w całości na odnawialnych źródłach energii. Inni twierdzą, że najlepszym sposobem na „dekarbonizację” lub redukcję emisji dwutlenku węgla dla systemu energetycznego jako całości jest: powszechna elektryfikacja ukończenia sektor przemysłowy i transportowy.
Ale aby odpowiedzieć, ile kosztowałyby takie przejścia, musimy wiedzieć: Ile kosztuje obecna sieć? Ile wart jest obecnie cały beton, stal, krzem itp., które już zainstalowaliśmy w ziemi? Aby pomóc w informowaniu decydentów i planistów zmagających się ze swoją wizją przyszłości, postanowiłem odpowiedzieć na to pytanie.
Co tworzy siatkę?
W tym ćwiczeniu ograniczyłem „siatkę” do następujących części:
- Elektrownie
- Linie przesyłowe wysokiego i niskiego napięcia, które przesyłają energię na duże odległości
- Linie dystrybucyjne, które doprowadzają energię bezpośrednio do budynków lub innych punktów końcowych
- Podstacje do kierowania mocą w sieci przesyłowej
- Podstacje w sieci dystrybucyjnej
- Transformatory zmieniające napięcie w sieci dystrybucyjnej
Ta kalkulacja pomija dodatkowe i niezbędne elementy sieci, takie jak przewód elektryczny w domu, liczniki na panelach elektrycznych w domach i budynkach oraz urządzenia końcowe zużywające energię elektryczną.
Przeczesując różne raporty publiczne i wykorzystując zaktualizowane szacunki dotyczące nowych konstrukcji i standardowych podejść do szacowania amortyzacji, obliczyliśmy wartość majątku narodowego do wytwarzania, przesyłu i dystrybucji energii.
Całkowita moc tych elektrowni wynosi około 1.15 terawatów. To moc generacyjna około 1,000 reaktorów jądrowych (obecnie USA mają około 100). Jak możesz sobie wyobrazić, wymiana byłaby kosztowna. W przypadku samych elektrowni wartość odtworzenia wynosi prawie 2.7 biliona dolarów, a zamortyzowana wartość, czyli przybliżona wartość bieżąca, wynosi prawie 1 bilion dolarów. Łącznie w rozbiciu wartości jest około 56 proc. elektrownia, 9 proc. system przesyłowy i 35 proc. system dystrybucyjny.
Podział wymiany i zamortyzowanej wartości amerykańskiej infrastruktury elektrycznej. Wiele podstawowych źródeł danych, w tym pochodzących z EIA, jest takich samych jak te, które zostały ostatnio wykorzystane w badaniu pełnego kosztu energii elektrycznej Instytutu Energetyki UT-Austin. Użyliśmy uproszczonego liniowego harmonogramu amortyzacji, który kończy się wartością złomu w wysokości 15 procent kosztów początkowych pod koniec przewidywanego okresu eksploatacji. Joshua Rodos
Jaka droga naprzód?
Jeśli chcemy mieć przyszłość czystszą energetycznie, istnieje wiele dróg, aby to osiągnąć. Stawiam jednak hipotezę, że najtańszą i najbardziej prawdopodobną ścieżką będzie ta, która najlepiej wykorzystuje, a nie duplikuje, infrastrukturę, którą już posiadamy. Jedną z najbardziej „podłącz i używaj” (i to, co widzimy dzisiaj) jest przejście z generacji węglowej na gazową w elektrowniach, które mogą korzystać z istniejących przewodów, słupów i infrastruktury wodnej.
Na drugim końcu spektrum gospodarka wodorowa wymagałaby ogromnych nowych inwestycji w nowe rodzaje technologii, więc wykorzystałaby mniej tego, co mamy obecnie. Na przykład musielibyśmy budować miejsca do generowania i przechowywania wodoru. Z drugiej strony ma potencjał, aby być bardziej odpornym i zrównoważonym.
Pokazywanie swojego wieku: modernizacja linii przesyłowych może przynieść energię słoneczną i wiatrową z odległych części kraju do miejsc, w których przebywają ludzie, co pomogłoby w czystszej sieci i potencjalnie niższych cenach. indigoskie/flickr, CC BY-NC-ND
Jednym z obszarów, który wygląda obiecująco pod kątem inwestycji w infrastrukturę, jest modernizacja sieci przesyłu energii masowej. Ulepszenia te mogłyby umożliwić przepływ energii między regionami Stanów Zjednoczonych i byłyby podobne do tego, w jaki sposób system autostrad międzystanowych obniżył koszty działalności w całym kraju poprzez znacznie skracając czas transportu towarów i usług na terenie naszego rozległego kraju.
Są obszary w USA, gdzie energia jest produkowana taniej i z mniej wpływów na środowisko niż w innych obszarach. Rozbudowa linii przesyłowych na obszarach kraju o dobrych zasobach wiatrowych i słonecznych może zapewnić użytkownikom bardzo tanią energię. Problem polega na tym, że te obszary nie zawsze znajdują się tam, gdzie przebywają ludzie, więc aby zapewnić ludziom tę moc, potrzebujemy silnej sieci przesyłowej.
Sieci dystrybucyjne – część sieci, która dostarcza energię bezpośrednio do budynków – mogą również zintegrować więcej energii słonecznej bez znacznych dodatkowych kosztów eksploatacji sieci. Ale gdy moc słoneczna osiągnie pewien procent zapotrzebowania na moc w sieci lokalnej, który różni się w zależności od lokalizacji, wtedy ponoszone są większe koszty.
W końcu konsumenci lub podatnicy zawsze płacą za te projekty modernizacji, ale korzyści mogą przewyższać koszty. Rozbudowa sieci elektrycznej Teksasu pozwoliła na znacznie więcej energii wiatru, aby dotrzeć do centrów obciążenia co wraz ze spadkiem cen gazu ziemnego obniżyło koszty hurtowego rynku energii elektrycznej. Te niższe koszty są wtedy przekazywane płatnikom składek.
Nie ma drogi, która nie wymagałaby inwestycji – nawet samo utrzymanie tego, co mamy, będzie kosztować setki miliardów, jeśli nie biliony dolarów w ciągu następnej dekady. Większe pytanie brzmi: ponieważ nadal wymieniamy i odbudowujemy tę niesamowitą sieć, na jakich technologiach powinniśmy się skupić?
O autorze
Joshua D. Rhodes, Postdoctoral Researcher of Energy, University of Texas w Austin
Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.
Powiązane książki
at Rynek wewnętrzny i Amazon
