Tavan, jolla tuotamme, toimitamme ja käytämme virtaa, on muututtava dramaattisesti, jos haluamme vastata 21st-luvun tarpeisiin.
Tietynä päivänä Yhdysvalloissa noin puoli miljoonaa ihmistä on ilman virtaa vähintään kaksi tuntia. Kun Kansallinen tekniikan akatemia on saanut ilmoituksensa 20-luvun vaikutusvaltaisimmasta tekniikan innovaatiosta, Pohjois-Amerikan sähköverkko toimii pääasiassa 1960- ja '70-tekniikoiden tekniikalla.
Sääolosuhteet ovat lisääntyneet
Viime vuosikymmeninä sääolosuhteisiin liittyvien suurten seisokkien määrä ja tiheys on lisääntynyt. 1950: n ja '80: n välillä seisokit lisääntyivät kahdesta viiteen vuosittain; 2008: stä 2012: iin, seisokit lisääntyivät 70: n ja 130: n välille vuodessa. Samaan aikaan sähkön tarve kasvaa nopeasti. Pelkästään Twitter lisää yli 2,500 megawattituntia kysyntää maailmanlaajuisesti vuodessa. Maailman sähköntuotannon odotetaan kasvavan kolminkertaiseksi 2050: lla kysynnän seuraamiseksi. Se vaatii merkittävää sitoutumista.
Viime vuosikymmenellä sähköriski on kasvanut infrastruktuurien ikääntymisen, investointien ja nykyaikaistamista edistävien politiikkojen puutteen sekä terrorismin ja ilmastonmuutoksen aiheuttaman uhan vuoksi. Ilmastonmuutoksen myötä säätapahtumien vaihtelevuus on lisääntynyt. Aiomme nähdä äärimmäisiä tapahtumia. Ja näemme heidät useammin. Hurrikaani Sandy näyttää olevan esimerkki tästä.
Sandyn jälkimainingeissa herätettiin kysymyksiä energian palauttamisesta suhteessa äärimmäisiin sääolosuhteisiin ja ilmastonmuutokseen. On ymmärrettävä, että massiivinen, fyysinen hyökkäys hirmumyrsky Sandyn mittakaavassa on pakko kaataa energiainfrastruktuuri ainakin väliaikaisesti. Mikään määrä rahaa tai tekniikkaa ei voi taata keskeytymätöntä sähköpalvelua tällaisissa olosuhteissa.
Tarvitsemme älykkäämpää verkkoa, joka vastaa tehokkaasti ja turvallisesti leviävän digitaalisen yhteiskunnan vaatimuksia ilmastonmuutoksen ja muiden ääritapahtumien edessä ja varmistaa samalla korkean elämänlaadun ja ruokkii talouskasvua. On myös tärkeää muistaa, että Yhdysvallat on vasta alkamassa sopeutua laajempaan riskivalikoimaan. Kustannustehokkaat investoinnit verkon vahvistamiseen ja joustavuuden tukemiseen vaihtelevat alueittain, hyödyllisyyden, mukana olevien vanhojen laitteiden ja jopa laitteiden toiminnan ja sijainnin mukaan apuohjelman palvelualueella.
Sähköverkon täytyy muuttua rajusti
Sähköverkon on muututtava rajusti. Tarvitsemme älykkäämpää verkkoa, joka vastaa tehokkaasti ja turvallisesti leviävän digitaalisen yhteiskunnan vaatimuksiin ilmastonmuutoksen ja muiden ääritapahtumien edessä samalla kun varmistetaan korkea elämänlaatu ja ruokitaan talouskasvua. Tällainen verkko tarjoaisi riittävän siirtokapasiteetin uusien maakaasua tuottavien voimalaitosten, maissa tai merellä sijaitsevien tuulipuistojen, aurinkovoimaloiden ja muiden uusiutuvien energialähteiden yhdistämiseksi asiakkaille. Se toimisi myös itsensä parantavana järjestelmänä, joka käyttää digitaalisia komponentteja ja reaaliaikaisia viestintätekniikoita seuraamaan sähköisiä ominaisuuksiaan jatkuvasti ja virittää jatkuvasti niin, että se toimii optimaalisessa tilassa, ennakoi ongelmat ja pystyy nopeasti eristämään osat verkon kohdalla, joka kokee vian muusta järjestelmästä häiriöiden leviämisen välttämiseksi ja nopeamman palauttamisen mahdollistamiseksi.
Nykyisen infrastruktuurimme muuttamiseksi itseparantavaksi älykkääksi verkkoksi on otettava käyttöön ja integroitava useita tekniikoita. Ihanteellinen älykäs verkkojärjestelmä koostuu mikroverkoissa - jotka ovat pieniä, enimmäkseen omavaraisia sähköjärjestelmiä - ja vahvempi, älykkäämpi suurjänniteverkko, joka toimii selkärangana koko järjestelmälle ja mahdollistaa huomattavasti lisääntyneiden tuulien ja uusiutuvien energialähteiden yhdistämisen. Vahvemman ja älykkään verkon avulla 40 prosenttia Yhdysvaltain sähköstämme voi tulla tuulesta vuoteen 2030 mennessä, mikä korvaa osittain sähkön ja liikenteen nykyisin käyttämät fossiiliset polttoaineet.
Perinteisten analogisten tekniikoiden korvaaminen digitaalisilla komponenteilla
Verkkoinfrastruktuurin päivittäminen itsehoitokykyyn edellyttää perinteisten analogisten tekniikoiden korvaamista digitaalisilla komponenteilla, ohjelmistojen prosessoreilla ja tehoelektroniikkatekniikoilla. Ne on asennettava koko järjestelmään, jotta sitä voidaan hallita digitaalisesti, mikä on avaintekijä ruudukkoon, joka on itsevalvonta ja itsensä paraneminen.
Suuri osa itsestään paranevien sähköverkkojen takana ajattelevasta tekniikasta ja järjestelmistä tulee sotilasilmailualalta, jossa työskentelin 14 vuotta F-15 lentokoneiden vahinkoihin mukautuvissa lentojärjestelmissä, optimoimalla logistiikkaa ja tutkimalla laivueiden selviytymistä ja operaation tehokkuutta. Tammikuussa 1998, liittyessään Electric Power Research Institute-instituuttiin, auttoi tuomaan nämä konseptit sähkövoimajärjestelmiin ja muihin kriittisen infrastruktuurin verkkoihin, mukaan lukien energia, vesi, televiestintä ja rahoitus. Syyskuun 11, 2001 jälkeen terroristi-iskut, joustavuus ja turvallisuus ovat entistä tärkeämpiä.
Älykkäämpi verkko säästäisi miljardeja vuodessa
Älykkäämpi verkko vähentäisi seisokkikustannuksia noin 49 miljardilla dollarilla vuodessa ja vähentäisi hiilidioksidipäästöjä2 päästöt 12 – 18 prosentilla 2030.
Älykkäämpän verkon hinta riippuu siitä, kuinka paljon instrumentteja todella laitat, kuten viestintärunko, parannettu turvallisuus ja lisääntynyt joustavuus. Kokonaishintalappu vaihtelee noin 340 miljardista dollarista 480 miljardiin dollariin, mikä 20 vuoden aikana olisi noin 20-25 miljardia dollaria vuodessa. Mutta heti lepakoiden edut ovat 70 miljardia dollaria vuodessa, mikä lisää tehokkuutta ja vähentää seisokkien kustannuksia, ja vuosi, jolloin on paljon hurrikaaneja, jäämyrskyjä ja muita häiriöitä, tämä etu menee vielä pidemmälle. Tällä hetkellä katkokset kaikista lähteistä maksavat Yhdysvaltain taloudelle 80 miljardia dollaria vuodessa 188 miljardia dollaria. Älykkäämpi verkko vähentäisi seisokkien kustannuksia noin 49 miljardilla dollarilla vuodessa ja vähentäisi CO: ta2 päästöt 12 – 18 prosentilla 2030. Lisäksi se lisäisi järjestelmän tehokkuutta yli 4 prosentilla - se on toinen 20.4 miljardia dollaria vuodessa.
Kustannukset kattavat laajan valikoiman parannuksia virranjakelujärjestelmän saattamiseksi älyverkon edellyttämään suorituskykyyn. Ne sisältävät infrastruktuurin hajautettujen energiavarojen integroimiseksi ja täydellisen asiakasyhteyden saavuttamiseksi, mutta ne eivät sisällä tuotantokustannuksia, siirtolaajennuskustannuksia uusiutuvien energialähteiden lisäämiseksi ja kuorman kasvun tyydyttämiseksi tai asiakkaiden kustannuksia älyverkosta valmiina laitteet ja laitteet. Täytäntöönpanokustannuksista huolimatta verkkoon sijoittaminen maksaisi suurelta osin itsensä. Varsinaisella sijoituksella jokaisen dollarin tuotto on noin 2.80 dollarista 6 dollariin laajempaan talouteen. Ja tämä luku on hyvin varovainen.
Mutta tämä koskee myös 1) lisääntynyttä tietoverkko- / IT-tietoturvaa ja yleistä energiaturvallisuutta, kun turvallisuus on sisällytetty suunnitteluun osana kerroksellista puolustusjärjestelmän arkkitehtuuria ja 2) työpaikkojen luomista ja taloudellisia etuja. Todellakin, mielestäni 21st-luvun digitaalitalous riippuu siitä, teemmekö nämä investoinnit, riippumatta ennusteesta, jonka mukaan ilmastomuutemme muuttuu sääolosuhteiksi.
Hukkaan 15-vuotta, jotka väittävät hallituksen roolista
Olemme tuhlanneet 15-vuosia kiistellen julkisen ja yksityisen sektorin roolista samalla kun globaalit kilpailijamme mukautuvat ja tekevät innovaatioita. Todisteeksi taloudellisesta väitteestä harkitse Yhdysvaltain 2009-elvytyssuunnitelman hallituksen elvytysohjelman rahoitusta ja sovittamalla yhteen apuohjelmien ja yksityinen sektori Smart Grid -sijoitusapuraha- ja Smart Grid -demonstraatiohankkeiden ohjelmissa. Maaliskuusta 2012 lähtien älykkäiden verkkojen hankkeiden tukemiseen käytetty 2.96 miljardin dollarin kokonaisarvo tuotti vähintään 6.8 miljardia dollaria kokonaistaloudellisesta tuotosta. Kaiken kaikkiaan investointeilla tuettiin noin 47,000: n kokopäiväisiä työpaikkoja. Jokaista 1 miljoonan dollarin suorien menojen bruttokansantuote kasvoi 2.5 miljoonalla dollarilla 2.6 miljoonaan dollariin.
Olemme tuhlanneet 15-vuosia kiistellen julkisen ja yksityisen sektorin roolista samalla kun globaalit kilpailijamme mukautuvat ja tekevät innovaatioita. Meidän on uusittava julkisen ja yksityisen sektorin kumppanuudet, vähennettävä byrokratiaa ja vähennettävä epävarmuustekijöitä infrastruktuurin nykyaikaistamisen sijoitetun pääoman tuoton suhteen. Kun kansakunta on aiemmin tehnyt tällaisia strategisia sitoumuksia, voitot ovat olleet valtavia. Ajattele valtioiden välistä moottoritiejärjestelmää, kuun laskuprojektia ja Internetiä.
Jokaiselle näistä haasteista vastaaminen on tuottanut maailman johtavaa talouskasvua mahdollistamalla kaupan, teknologian kehittämisen ja näiden kahden yhdistelmän. Prosessissa olemme kehittäneet korkeasti koulutettua, mukautuvaa työvoimaa. Nyt meidän on päätettävä, rakentaako sähkövoima- ja energiainfrastruktuurit, jotka tukevat 21st-luvun digitaalista yhteiskuntaa, vai jätetäänkö ne 20-luvun teollisuusjäännösksi.
Tämä artikkeli on alun perin ilmestynyt Ensia
Author
Massoud Amin toimii HW Sweatt -tuolina teknisen johtamisen alalla, johtaa Teknologisen johtamisen instituutti (TLI) ja on a Yliopiston arvostettu opettajaprofessori ja Minnesotan yliopiston sähkö- ja tietotekniikan professori. Hän työskentelee älykkäiden, turvallisten ja joustavien infrastruktuurien mahdollistamiseksi. Hän johtaa laajoja projekteja älykkäissä verkoissa, on IEEE Smart Grid, ja sitä pidetään älykkään verkon isänä.
