未來的電網

編譯/曾曉霞

當未來年代的孩子回看已經過去的任何年代，他們多半都會對以往年代孩子消磨時光的方式翻白眼，因為他們是現代世界最偉大的技術變革的受益者。到本世紀中葉，現在的學齡前兒童——那時他們應該已經為人父母——或許會告訴他們的孩子：曾經有這樣一段黯淡的日子，電是從骯臟的大型發電站通過電線引入我們家里的，幾乎沒有人可以自己發電，更不要說自己儲存電了，甚至都沒有人想過可以使用汽車為洗衣機輸電……

需要變革的電網

對于電網，有一點是確定無疑的：它已經老化了。很大一部分北美及歐洲的電網基礎設施已經達到或者超過其預期壽命。據說美國的部分電網還是愛迪生時代修建的。電網需要一次徹底的革新。那么，應該怎樣結束現在電網的歷史使命呢？目前有幾個有爭議的設想。其中一個大膽的設想是：把能源供應拆開，然后重新布局社區電網。何謂社區電網？指主要依賴本地能源及其儲存的電力網絡。這聽起來有點不可思議，但如果真的做到了，我們可能就站在了21世紀電氣革命的起點。

公正地說，一個多世紀以來，舊電網，也即單向電網系統，已經做出了巨大貢獻。單是想一想電網的可操作性這一事實，就令人難以置信：你只需輕輕撥動一下開關，電就照亮了你的房間，而這電發送自幾十甚至幾百千米以外的發電站，只用了不到一秒鐘的時間就到達了你的房間，速度僅僅低于光速。電流從大型中心發電站輸出，通過傳輸線和配電線輸入成千上萬的家庭。高峰和低谷的供需要求通過計算機或由人工手動控制發電站內部儲存裝置上的閥門得到平穩過渡，這種結構體系使得電網在需求量無論多大的情況下都能保持足夠穩定，避免突然停電事故的發生。

可再生能源

總的來說，舊電網運行一切正常。但是，時代變了，為了減少碳排放量，許多國家已經開始計劃增加可再生能源（包括風能、太陽能和水力發電等）的發電比例。比如，德國制訂的目標是，到2050年，實現可再生能源發電比例達到80%；美國有39個州制訂了自己的目標：到2025年，可再生能源發電比例達到10%～33%。

令人高興的是，美國可再生能源研究室在2012年得出結論：目前美國所擁有的風能、太陽能和水力發電等可再生能源的發電能力，已經達到了上述目標。

當然，這還不能說使用可再生能源就沒有問題了。由于自然的原因，美國各地目前還不能用這些可再生能源連續發電。而德國在逐步淘汰核電、推進可再生能源的艱難進程中，也出現了不少問題。在2012年2月的一次寒流中，由于電網不能處理毫秒級的間斷，造成了幾個工廠臨時停電停產。

更糟糕的是，就在許多國家試圖鼓勵使用可再生能源的同時，世界能源的總需求仍然處于風險的邊緣，部分原因在于不斷增長的人口和總是在運轉的設備和電動車。據預測，英國和美國在本世紀中期需要多生產30%的能源才能滿足需求。因此，有專家認為，如何滿足能源需求是工業化社會所面臨的最大技術挑戰之一。

新電網面臨的問題

在過去10年里，為滿足新的能源需求，政府和研究人員對電網系統的更新進行了嘗試。研究人員發現，要想用較容易間斷的可再生能源代替大型燃煤發電，最重要的是要精確地預測人們什么時候使用電以及使用多少電。對此，全球有大量的示范項目對智能電網進行了測試。智能電網可以處理兩個方向流動的電流，既包括把公用電力公司的電輸出給用戶，也包括把私人出售的電納入公用電力公司電網。智能電網上面分布了許多網絡化傳感器，被叫作“智能電表”。這些智能電表把用戶的用電量實時地反饋給公用電力公司。

正在進行的這些示范項目中，最大的電網擁有450萬個智能電表，這個項目是2013年4月底在加利福尼亞州開始實施的。在那里，頻繁的風暴意味著停電非常普遍。初步數據顯示，電力公司用智能電表遠程監控家庭用電，使得家庭的平均斷電時間減少了兩小時，而且人們可以在家里實時觀察到能源消耗。

不過，安裝智能電表意味著用戶必須密切配合，電力公司才有可能遠程調控用戶家里的高耗能電器——當需求大于供應時，讓那些高耗能電器關閉幾分鐘，以防止電源跳閘。但是，并不是所有人都歡迎電力公司的智能電表進入自己的家庭，而且消費者有權拒絕電力公司關閉電器的命令。對此，專家認為還是有辦法可以應對的。比如在加利福尼亞，如果現在你允許電力公司對你的高耗能電器（包括空調、水池水泵和洗衣機等）進行限電控制的話，你就可以降低你的電費。

但還存在其他一些問題。歐盟在2012年警告說，智能電表可能會暴露人們的一些隱私，比如是否離家度假，是否在使用特殊醫療設備或嬰兒監控器，等等。而最大的問題是黑客。把整個電網與普通家庭連接起來，意味著打開了彼此的大門。安全專家警告說，智能電表很容易受到“計算機蠕蟲”的攻擊，并且向電表所能擴散的地方迅速大面積擴散。這些“蠕蟲”走到哪里，就關閉哪里的智能電表。專家已經發現，黑客可以通過智能電表使整個電網癱瘓。

完全與電網分開或許是解決這些問題的一種辦法，但對于單個用戶來說，這是昂貴的、不可靠的，只適用于非常富裕家庭或者一些堅定的環保主義者。還有其他的辦法嗎？能源研究人員提出了第三種可能性——社區電網。

社區電網

專家認為，社區電網能夠完全運行可再生能源，從而減少對主電網的需求量，使其能夠更高比例地運行可再生能源。利用社區電網，人們既可以從大型國家電網買電，也可以為國家電站提供可再生能源。

幾十年來，一些自給自足的社區已經成功地利用小電網為自己發電。這些社區包括軍事基地、大學校園、監獄和遙遠的鄉村（這些鄉村因為邊遠、輸電費用太貴而不能連接到中心電網）。大多數小電網主要使用可以連續發電的電源發電，例如柴油機發電和蓄電池發電。也有一些微電網把一些清潔能源如風能和太陽能并入電網。

我們可以普及這種特殊的微電網，但要做到這一點，必須找到個人在社區儲存電能的方式。電動汽車的蓄電池被認為是可再生能源最好的存儲介質，潛力很大。最近，有研究人員與電網運營商及電力公司共同開啟了一個系統，既可以讓電動汽車為電網供電，也可以從電網取電。

除了汽車電池，家庭取暖系統里的電池也可以起到同樣的作用。理論上，很多裝置都可以做到這一點。如果制造商把儲能與空調和電冰箱結合在一起，那你就可以買一臺帶儲能系統和太陽能電池板的電冰箱。你可以擁有安裝在各處的幾個儲能裝置。這樣，你就不再僅僅是用戶，而是一個公用電力公司的微小單元。

許多國家已經設定了雄心勃勃的計劃，即到本世紀中葉使用高比例的可再生能源。今天的電網將被徹底更新，以容納增加的可再生能源及其儲存。

為世界重新“布線”

未來的電網將包括數十億個網絡化儲存和發電裝置——家用電器、建筑、電動機、升降機，等等。有研究人員正在開發一種社區電網系統，它將把家庭里的所有電器設備包括智能傳感器、蓄電池等連接在一起，并且實現整個系統操作自動化。為了協調所有這些裝置之間的相互作用，有研究人員發明了一種能夠自動分配任務的系統，這樣用戶就不會被打擾。這個系統還可以平衡功率波動引起的電源波動，電源波動的原因可能是汽車電池的損壞或者多云無風的天氣。

專家指出，如果將那些由風力發電機、太陽能電池板或其他當地能源提供的產量比較小的電能儲存在許多設備裝置里，再由個人賣給公司或社區，那么，每個用戶實際上都參與了交易，都成為了能源運營商。

但是，對于社區電網可以改變世界也存在一些反對意見。有人指出，就地儲能可能比倡導者們所想象的要復雜得多——儲能的成本將隨規模增大而增加，如果把儲能裝置放到每個家用電器設備里，那么成本將是驚人的。還有反對者指出，盡管電網需要改進，但大規模電網系統還是應該保有的，大電網是最可靠的，是整個社會用電的基礎。還有一些行業內人士對變革的到來感到慌亂，他們警告說，分散式發電的風險可能威脅到行業的利潤。

面對這些反對的聲音，變革支持者們指出，電網變革是必然趨勢，問題只是：變革的程度有多大？什么時候開始變？樂觀者認為：“在我的有生之年將看到它的發生。”