如何降低电力传输成本_技术

有利于太阳能发电场和风力发电场的区域通常距离大城市 500 至 2000 公里，如下面的太阳能图和风图所示。此外，太阳能和风能是“间歇性的”，这意味着它们会随时间变化，并且以无法控制的方式发生变化。出于这两个原因，我们希望能够以低成本传输大量电力、长距离传输。

图1：光伏发电潜力的长期平均值

图2：风平均速度

超级网格

理论上，一个新的输电网络可以将许多遥远的太阳能发电场、风力发电场、水电大坝、核电站和人口稠密地区连接在一起。如果一个地区没有风或晴天，那么另一个产能过剩的地区可能会提供帮助。这通常被称为“超级网格”，并且已经编写了多个提案。例如，美国的一项提案将风能从该国的中心向外转移，如下图所示。欧洲的一项提案从北非转移太阳能，从大西洋转移风力，如下左图所示。

图 3：网格

中国目前在长距离输送大量电力方面处于领先地位，并且安装的超高压电力线数量超过任何其他国家（例如 8 GWe、±800 kVDC 或 1000 kVAC）。

超级电网挑战

超级网格涉及多重挑战：

大陆大小的天气模式偶尔会导致许多太阳能发电场和许多风电场的电力减少。一种补救措施是在太阳能和风能充足的情况下填补闲置的发电量；然而，维护它是昂贵的。另一个补救措施是严重依赖聚光太阳能加熔盐储存加碳基燃料，它可以提供 24 x 365 的电力；然而，这也很昂贵。

我们仍然需要绿色源加传输，成本低于接近消费者的碳选项；否则，社区将继续燃烧附近的廉价煤炭和天然气。

上述挑战令人生畏；然而，随着成本的显着降低，工程师们或许能够让超级电网发挥作用。

100 年来，输电一直承受着降低成本的压力。因此，脱碳工程师能否进一步降低电力行业已经在做的事情之外的传输成本似乎值得怀疑；除非关键部件因产量小而未批量生产，或因太复杂而未开发专用设备。

高压交流与直流

电力可以以高压交流或直流形式传输；每一种都有其优点和缺点。AC 更轻松地支持沿线多个低成本分接头；而 DC 在源和消费者、地下电缆和长距离（即不受线路电容的影响）的不同正弦波情况下效果更好。有人可能会提倡在两端使用转换电子设备运行 2000 公里的直流线路；然而，在许多情况下，电力公司更喜欢交流输电，沿途有多个来源和消费者，他们通过相对低成本的变压器接入。如果想让直流超越交流，就需要降低转换电子的成本，开发低成本的抽头，如下图所示。

图 4：成本

移动异常大量的电力

左下角的两张照片显示了 8 根电缆束，比右下角所示的典型 3 根电缆束大得多。为了传输大功率，人们可能会在两个大束之间放置约 160 万伏特的电压，而每束内电缆之间的电压为约 0 伏特。下图所示的工人在无动力施工期间没有受到伤害。

图 5：工人

支撑重捆的塔需要坚固，支撑非常高电压的塔需要高；因此，传输大量能量的塔很可能很高、很结实、又大又重。

例如，如果将 8 根 5 厘米（2 英寸）直径的 1500 安培铝电缆放在一束中，两束之间的电压为 1，600kVDC （±800kVDC），则可以在 2000 公里的距离内移动 19.2 GWe，例如功率损耗为 5.2%。如果塔每 0.8 公里间隔，它们每个将通过电缆支撑 70 公吨的重量，电缆原料铝的总成本将是 4.6 亿美元，例如 2.62 美元/公斤。如果每座塔重 200 公吨，钢材成本为 500 美元/吨，那么每座塔将需要 10 万美元的原钢。如果非钢塔成本为每塔 40 万美元，而每条线路需要 2，500 个塔，那么每条线路的塔总成本为 1.25B 美元。如果其他成本为每条线路 $2.5B，那么每条传输线的总成本将为 $4.2B，计算为 $0.21/Watt，这是合理的（$4.2B / 19 GWe）。

全球超级网格

我们现在将运行一些数字来了解全球超级电网的成本。正如解决气候变化问题需要知道的 10 件事中所述，世界每年消耗大约 56，000 TWh 的能源，如果使用 40% 的时间，这相当于 16，000 GWe，平均而言（（56，000 * 1e12 / （ 24 小时 * 365 天）） / （1e9 * 40%））。如果在 19 GWe 的大型传输线中移动这种能量，则需要 830 条线路，例如（16，000 GWe / 19 GWe）。如果在全球范围内建设超过 20 年，每年将建设 41 条新线路（832 条线路/20 年）；例如，美国为 7 年（28 亿美元/年），中国为 10 年（42 亿美元/年），欧洲为 6 年（24 亿美元/年）。

下面显示的是全球超级电网的计算，该电网通过 19 GWe 2000 公里的大型输电线路转移当今的能源消耗。要更清楚地看到这一点，请单击图片。如果您想插入自己的数字，请下载我们的电子表格并在工作表“计划”中查看“全球超级网格”。

如果人们对遥远的电力和大电网不满意，那么可以考虑成本降低的核电 ≤ 200km 距离消费者，如美国政府如何以 100B 美元解决气候变化问题中所述。

图 6：成本

开发自动化塔组装系统

为了降低传输成本，工程师可以探索在计算机控制下通过专用设备实现大型塔架的运输和建造自动化。如果新机器在现场进行组装，我们可以使塔更高、更宽、更复杂且成本更低。如果我们走得更高，我们可以在相同数量的土地上做更多的事情，并在更高的电压下工作。

工程师可以查看支持传输 1、2、4、8、16、32、64 和 128 GWe 的模块化塔式系统。更大的容量可能需要相邻的多个塔。通常，8 GWe 被认为非常大；然而，世界脱碳需要更大的尺寸。例如，可以使用 53 条线路，每条线路 19 GWe 将 1000 GWe 的电力移出大沙漠（53 x 19，100% CP，太阳能加储能）。

要了解输电塔是如何组装的，可以观看以下视频：（a）通过起重机垂直组装，（b）水平组装 90 度枢轴到垂直位置，（c）世界上最大的水道交叉塔，以及（d）电缆安装。

机器人在您睡觉时构建超级网格

一个合理的下一步是基金会或政府不为 10 个不同的团队提供 200 万美元的资金，在 2 年内为新一代塔开发粗略的设计和简单的原型，并进行自动化组装。

这是一个示例概念，让人们了解团队可能会做什么：

图 7：超级网格

计算机控制下的推土机和压路机为塔架组装创造平坦的工作台面。

由计算机控制的专用机器通过工业机器人在陆地上水平组装塔，并对多根电缆施加张力，使塔旋转 90 度到垂直位置，如上图所示。在枢转过程中，多个扳机保持塔的形状。

一种类似于平板卡车的补给车，带有塔式组件，将自身定位在装配车附近，并通过计算机进行协调。

带有螺旋钻的车辆（未显示）在计算机控制下为塔架钻孔。此外，它还为锚定锚钻孔，将销钉插入孔中，并用链销钉以锚定。引脚显示在上图中的右下方。

可选地，夹具连接到塔架，以支撑更高和更大的塔架，电缆拉动夹具旋转 90 度。

夹具和支点支点都比卡车长；因此，该系统旨在通过两辆车辆在计算机控制下运输完全组装的设备，每端一辆。例如，如果塔每隔 1 公里间隔，并且一个安装 1000 个塔，那么长设备将被运输大约 1000 次。

带有机械臂的小型塔式机器人，如上图所示，以类似于工人的方式穿越轨道，并帮助组装和维护。塔轨与机器人机械连接。

如果世界要在输电塔上花费数千亿美元，那么花费 2000 万美元探索自动化组装似乎是合理的。

开发下一代直流转换电子设备

高压直流输电需要昂贵的转换电子设备，而且这些设备的制造量相对较低。随后，脱碳工程师可以探索购买 HVDC 转换电子设备的设计（或从头开始设计），建立大规模生产的工厂，免费提供所有技术商品化，并在全球范围内降低价格。人们需要通过在制造时节省更多来证明商品化成本的合理性。除了沿路径接入外，标准化设计还可以支持每一端的发射和接收功率。此外，它可能是模块化的，以支持不同的电压和电流。

的英飞凌＃T2251N70晶闸管（7.5KV，2300Amp，$ 3000），如下图所示，是在高电压DC转换中使用的部件的一个例子。在典型的 2 GWe 系统中，可能在传输线的每一端使用 4，000 个这样的晶闸管组件，总晶闸管组件成本为 2400 万美元（2 端 x 4K x 3000 美元）。工程师可以探索购买高压晶闸管组件的设计，公开商品化，并由代工厂大量生产，以降低成本。