未来的电网

编译/曾晓霞

当未来年代的孩子回看已经过去的任何年代，他们多半都会对以往年代孩子消磨时光的方式翻白眼，因为他们是现代世界最伟大的技术变革的受益者。到本世纪中叶，现在的学龄前儿童——那时他们应该已经为人父母——或许会告诉他们的孩子：曾经有这样一段黯淡的日子，电是从肮脏的大型发电站通过电线引入我们家里的，几乎没有人可以自己发电，更不要说自己储存电了，甚至都没有人想过可以使用汽车为洗衣机输电……

需要变革的电网

对于电网，有一点是确定无疑的：它已经老化了。很大一部分北美及欧洲的电网基础设施已经达到或者超过其预期寿命。据说美国的部分电网还是爱迪生时代修建的。电网需要一次彻底的革新。那么，应该怎样结束现在电网的历史使命呢？目前有几个有争议的设想。其中一个大胆的设想是：把能源供应拆开，然后重新布局社区电网。何谓社区电网？指主要依赖本地能源及其储存的电力网络。这听起来有点不可思议，但如果真的做到了，我们可能就站在了21世纪电气革命的起点。

公正地说，一个多世纪以来，旧电网，也即单向电网系统，已经做出了巨大贡献。单是想一想电网的可操作性这一事实，就令人难以置信：你只需轻轻拨动一下开关，电就照亮了你的房间，而这电发送自几十甚至几百千米以外的发电站，只用了不到一秒钟的时间就到达了你的房间，速度仅仅低于光速。电流从大型中心发电站输出，通过传输线和配电线输入成千上万的家庭。高峰和低谷的供需要求通过计算机或由人工手动控制发电站内部储存装置上的阀门得到平稳过渡，这种结构体系使得电网在需求量无论多大的情况下都能保持足够稳定，避免突然停电事故的发生。

可再生能源

总的来说，旧电网运行一切正常。但是，时代变了，为了减少碳排放量，许多国家已经开始计划增加可再生能源（包括风能、太阳能和水力发电等）的发电比例。比如，德国制订的目标是，到2050年，实现可再生能源发电比例达到80%；美国有39个州制订了自己的目标：到2025年，可再生能源发电比例达到10%～33%。

令人高兴的是，美国可再生能源研究室在2012年得出结论：目前美国所拥有的风能、太阳能和水力发电等可再生能源的发电能力，已经达到了上述目标。

当然，这还不能说使用可再生能源就没有问题了。由于自然的原因，美国各地目前还不能用这些可再生能源连续发电。而德国在逐步淘汰核电、推进可再生能源的艰难进程中，也出现了不少问题。在2012年2月的一次寒流中，由于电网不能处理毫秒级的间断，造成了几个工厂临时停电停产。

更糟糕的是，就在许多国家试图鼓励使用可再生能源的同时，世界能源的总需求仍然处于风险的边缘，部分原因在于不断增长的人口和总是在运转的设备和电动车。据预测，英国和美国在本世纪中期需要多生产30%的能源才能满足需求。因此，有专家认为，如何满足能源需求是工业化社会所面临的最大技术挑战之一。

新电网面临的问题

在过去10年里，为满足新的能源需求，政府和研究人员对电网系统的更新进行了尝试。研究人员发现，要想用较容易间断的可再生能源代替大型燃煤发电，最重要的是要精确地预测人们什么时候使用电以及使用多少电。对此，全球有大量的示范项目对智能电网进行了测试。智能电网可以处理两个方向流动的电流，既包括把公用电力公司的电输出给用户，也包括把私人出售的电纳入公用电力公司电网。智能电网上面分布了许多网络化传感器，被叫作“智能电表”。这些智能电表把用户的用电量实时地反馈给公用电力公司。

正在进行的这些示范项目中，最大的电网拥有450万个智能电表，这个项目是2013年4月底在加利福尼亚州开始实施的。在那里，频繁的风暴意味着停电非常普遍。初步数据显示，电力公司用智能电表远程监控家庭用电，使得家庭的平均断电时间减少了两小时，而且人们可以在家里实时观察到能源消耗。

不过，安装智能电表意味着用户必须密切配合，电力公司才有可能远程调控用户家里的高耗能电器——当需求大于供应时，让那些高耗能电器关闭几分钟，以防止电源跳闸。但是，并不是所有人都欢迎电力公司的智能电表进入自己的家庭，而且消费者有权拒绝电力公司关闭电器的命令。对此，专家认为还是有办法可以应对的。比如在加利福尼亚，如果现在你允许电力公司对你的高耗能电器（包括空调、水池水泵和洗衣机等）进行限电控制的话，你就可以降低你的电费。

但还存在其他一些问题。欧盟在2012年警告说，智能电表可能会暴露人们的一些隐私，比如是否离家度假，是否在使用特殊医疗设备或婴儿监控器，等等。而最大的问题是黑客。把整个电网与普通家庭连接起来，意味着打开了彼此的大门。安全专家警告说，智能电表很容易受到“计算机蠕虫”的攻击，并且向电表所能扩散的地方迅速大面积扩散。这些“蠕虫”走到哪里，就关闭哪里的智能电表。专家已经发现，黑客可以通过智能电表使整个电网瘫痪。

完全与电网分开或许是解决这些问题的一种办法，但对于单个用户来说，这是昂贵的、不可靠的，只适用于非常富裕家庭或者一些坚定的环保主义者。还有其他的办法吗？能源研究人员提出了第三种可能性——社区电网。

社区电网

专家认为，社区电网能够完全运行可再生能源，从而减少对主电网的需求量，使其能够更高比例地运行可再生能源。利用社区电网，人们既可以从大型国家电网买电，也可以为国家电站提供可再生能源。

几十年来，一些自给自足的社区已经成功地利用小电网为自己发电。这些社区包括军事基地、大学校园、监狱和遥远的乡村（这些乡村因为边远、输电费用太贵而不能连接到中心电网）。大多数小电网主要使用可以连续发电的电源发电，例如柴油机发电和蓄电池发电。也有一些微电网把一些清洁能源如风能和太阳能并入电网。

我们可以普及这种特殊的微电网，但要做到这一点，必须找到个人在社区储存电能的方式。电动汽车的蓄电池被认为是可再生能源最好的存储介质，潜力很大。最近，有研究人员与电网运营商及电力公司共同开启了一个系统，既可以让电动汽车为电网供电，也可以从电网取电。

除了汽车电池，家庭取暖系统里的电池也可以起到同样的作用。理论上，很多装置都可以做到这一点。如果制造商把储能与空调和电冰箱结合在一起，那你就可以买一台带储能系统和太阳能电池板的电冰箱。你可以拥有安装在各处的几个储能装置。这样，你就不再仅仅是用户，而是一个公用电力公司的微小单元。

许多国家已经设定了雄心勃勃的计划，即到本世纪中叶使用高比例的可再生能源。今天的电网将被彻底更新，以容纳增加的可再生能源及其储存。

为世界重新“布线”

未来的电网将包括数十亿个网络化储存和发电装置——家用电器、建筑、电动机、升降机，等等。有研究人员正在开发一种社区电网系统，它将把家庭里的所有电器设备包括智能传感器、蓄电池等连接在一起，并且实现整个系统操作自动化。为了协调所有这些装置之间的相互作用，有研究人员发明了一种能够自动分配任务的系统，这样用户就不会被打扰。这个系统还可以平衡功率波动引起的电源波动，电源波动的原因可能是汽车电池的损坏或者多云无风的天气。

专家指出，如果将那些由风力发电机、太阳能电池板或其他当地能源提供的产量比较小的电能储存在许多设备装置里，再由个人卖给公司或社区，那么，每个用户实际上都参与了交易，都成为了能源运营商。

但是，对于社区电网可以改变世界也存在一些反对意见。有人指出，就地储能可能比倡导者们所想象的要复杂得多——储能的成本将随规模增大而增加，如果把储能装置放到每个家用电器设备里，那么成本将是惊人的。还有反对者指出，尽管电网需要改进，但大规模电网系统还是应该保有的，大电网是最可靠的，是整个社会用电的基础。还有一些行业内人士对变革的到来感到慌乱，他们警告说，分散式发电的风险可能威胁到行业的利润。

面对这些反对的声音，变革支持者们指出，电网变革是必然趋势，问题只是：变革的程度有多大？什么时候开始变？乐观者认为：“在我的有生之年将看到它的发生。”