За последние два десятилетия в энергетической системе США произошли радикальные изменения. Природный газ заменил уголь в качестве основного источника выработки электроэнергии, а энергия ветра и солнца в настоящее время составляет примерно 9% всей выработанной электроэнергии в стране, по сравнению с тем, что было почти 20 лет назад. Из-за таких изменений на единицу произведенной электроэнергии выделяется меньше углекислого газа. Что бы там ни было, но начался переход к низкоуглеродному энергетическому сектору.
Но если США будут использовать меньше ископаемого топлива для производства электроэнергии, это означает, что для этого потребуются новые источники энергии, а также обновленная энергосистема, которая может доставить «чистую» энергию потребителям и промышленности. Исследователи из Отдела инженерии и общественной политики (EPP) Университета Карнеги-Меллона недавно изучили, как может выглядеть новая энергосистема и почему.
Использование энергии ветра и солнца в настоящее время является самыми дешевыми способами производства энергии во многих частях страны, и ожидается, что расходы на реализацию таких систем будут продолжать падать. Однако места, где эта энергия пользуется большим спросом, такие как крупные города и тяжелые промышленные объекты, далеки от хороших мест для ветряных и солнечных электростанций. Чтобы максимально использовать возобновляемую энергию, уже облагаемая налогом сеть должна быть расширена.
Один из способов расширения пропускной способности энергосистемы — увеличить сечение провода, но это дорого. Линии электропередачи достаточно тяжелые, и увеличение сечения проводов потребовало бы строительства дополнительных опор и приобретения земли, на которой можно построить эти опоры.
Простая передача большего тока по существующим проводам для увеличения пропускной способности энергосистемы также не может быть привлекательным способом увеличения пропускной способности. Увеличение тока вызывает дополнительный нагрев внутри проводов, что может привести к их слишком низкому провисанию, создавая потенциальную опасность возгорания, поскольку они опускаются ближе к земле или верхушкам деревьев.
Строительство новых линий электропередач с нуля также увеличило бы общую пропускную способность энергосистемы, но для этого потребовались бы новые земли, опоры и провода, которые все являются дорогостоящими. Для проектов, охватывающих сотни миль, это также задача, сопряженная с политическими трудностями. Для многих людей линии электропередачи неприглядны и требуют размещения структур на частной собственности. Крупные проекты по передаче электроэнергии, такие как линия Равнины и Востока (Plains & Eastern line), которая была разработана для перемещения тысяч мегаватт электричества, генерируемого ветром, из Оклахомы в юго-восточную сеть, в последние годы остановились из-за политической оппозиции и конфликтов с землевладельцами.
Исследователи также изучили возможность расширения пропускной способности с помощью технологии, переключаясь с преимущественно используемого переменного тока (AC) на постоянный ток (DC). Основной вывод их работы заключается в том, что для многих линий переход от системы высокого напряжения переменного тока (HVAC) к системе высокого напряжения постоянного тока (HVDC) может быть наиболее экономически эффективным способом доставки большего количества электроэнергии. Этот вариант обычно не рассматривается коммунальными компаниями.
Одним из преимуществ варианта HVDC является то, что он использует те же провода и большую часть той же инфраструктуры при увеличении пропускной способности линии.
Переключение тока с переменного тока на постоянный позволяет данной линии работать при более высоком напряжении без увеличения тока, что позволяет избежать проблемы провисания линии от дополнительного нагрева.
Высоковольтное постоянное напряжение традиционно считалось жизнеспособным вариантом для очень длинных линий, но работа ученых показывает, что преобразование является самым дешевым способом увеличения пропускной способности на многих расстояниях — даже на расстоянии 200 миль (322 км) — бросает вызов общепринятому мнению о HVDC.
Но есть затраты, связанные с переходом от HVAC к HVDC. Дополнительное инверторное оборудование требуется для преобразования электрического тока от постоянного к переменному, прежде чем он будет доставлен конечным потребителям, что требует значительных дополнительных капитальных затрат. Ученые ожидают, что в ближайшие годы это оборудование будет стоить дешевле, что делает аргумент в пользу передачи электроэнергии постоянным током высокого напряжения еще более убедительным, чем текущие оценки.
