Der Pine Tree Windpark und das Solarkraftwerk des Ministeriums für Wasser und Energie in Los Angeles in Tehachapi, Kalifornien, 115 Meilen von LA entfernt. Irfan Khan / Los Angeles Times über Getty Images
Viele Arten von Extremereignissen können die Stromversorgung stören, darunter Hurrikane, Erdbeben, Überschwemmungen, Waldbrände, extreme Hitze, extreme Kälte und ausgedehnte Dürren. Schwere Katastrophen können Tausende von Menschen im Dunkeln lassen. Die Tiefkühlung in Texas im Februar war ausgebrochen 40% der Stromerzeugungskapazität des Staates.
Während solcher Ereignisse können nicht betroffene Regionen Strom sparen. Während der Stromausfälle im Februar in Texas erzeugten die Energieversorger beispielsweise Strom aus Wasserkraft im pazifischen Nordwesten, Erdgas im Nordosten, Wind in den nördlichen Ebenen und Solarenergie im Südwesten.
Heute ist es nicht möglich, Strom nahtlos von einem Ende der USA zum anderen zu transportieren. In den letzten zehn Jahren haben Forscher nationaler Labors und Universitäten eng mit Industrieingenieuren zusammengearbeitet, um ein zwischenstaatliches Elektrizitätssystem zu entwickeln, das dies kann. Und Infrastrukturplan von Präsident Biden würde in diese Richtung gehen, indem Milliarden von Dollar für den Bau von Hochspannungsübertragungsleitungen bereitgestellt werden, die „billigeren, saubereren Strom dorthin bringen können, wo er am dringendsten benötigt wird“.
My technische Forschung konzentriert sich auf elektrische Energiesysteme. An der Iowa State University haben wir daran gearbeitet, die Vorteile von Makronetzen für die USA zu quantifizieren. Diese Hochleistungsübertragungssysteme verbinden Energieressourcen und Gebiete mit hohem Strombedarf, sogenannte Lastzentren, über große geografische Regionen hinweg.
Das Stromnetz überträgt Strom von Generatoren, die sich oft weit entfernt von Ballungszentren befinden, an Energiekunden.
Ein nationales Autobahnsystem für Elektrizität
Dwight Eisenhower hatte über ein nationales Autobahnsystem nachgedacht seit Jahrzehnten bevor er 1953 als Präsident eingesetzt wurde. Eisenhower argumentierte, dass ein solches System „für die Verteidigung genauso notwendig sei wie für unser Volkswirtschaft und persönliche Sicherheit"
Der Kongress stimmte zu und verabschiedete die Federal-Aid Highway Act von 1956, die die Bundesregierung ermächtigte, 90% der Kosten dieses 114-Milliarden-US-Dollar-Systems zu zahlen, während die Staaten den Rest übernehmen.
Eisenhower machte sich Sorgen Städte evakuieren im Falle eines Atomkrieges. Das Sicherheitsargument für ein Makronetz konzentriert sich auf extreme Ereignisse, die das Stromnetz stören. Das wirtschaftliche Argument konzentriert sich darauf, Wind-, Solar- und Wasserkraft aus Gebieten, in denen sie reichlich vorhanden sind, in Gebiete mit hohem Strombedarf zu verlagern.
Heute ist das nordamerikanische Stromnetz tatsächlich fünf Gitter, auch als Verbindungen bekannt. Zwei große Netze, die Eastern und Western Interconnects, decken die meisten der unteren 48 Bundesstaaten und großen Teile Kanadas ab, während drei kleinere Netze Texas, Alaska und Nordquebec bedienen. Jedes dieser Gitter verwendet Wechselstrom oder Wechselstrom, um Strom von Generatoren zu Kunden zu transportieren.
Die Eastern, Western und Texas Interconnects sind durch verbunden Hochspannungsgleichstromoder HGÜ-Leitungen, die es ermöglichen, Strom zwischen ihnen zu übertragen. Diese Einrichtungen altern und kann nur geringe Mengen Strom übertragen zwischen Gittern. Eine Möglichkeit, sich ein Makronetz vorzustellen, ist eine Überlagerung, die die vorhandenen US-Gitter zusammenfasst und es einfacher macht, die Energie zwischen ihnen zu verschieben.
Ein potenzielles US-Makronetz, das das östliche, westliche und texanische Netz mit Offshore-Windparks verbindet. James McCalley, CC BY-ND
Machtverteilung zwischen Regionen
Präsident Biden hat umfassende Maßnahmen vorgeschlagen, um eine saubere Energiewende in den USA zu erreichen, einschließlich Strom bis 2035 kohlenstofffrei machen. Dies erfordert, dass in den nächsten 15 Jahren viele neue Kapazitäten für erneuerbare Energien hinzugefügt werden.
Die Wind- und Solarkosten sind in den letzten Jahren dramatisch gesunken. Heute ist Strom aus neuen, großen Wind- oder Solaranlagen billiger als Strom aus bestehende Kohlekraftwerke. Erneuerbare Energien bieten jedoch nur etwa 21% des US-Stroms.
Ein Makronetz würde die Stromkosten für neue Wind- und Solaranlagen auf zwei Arten senken. Erstens würde es qualitativ hochwertigen erneuerbaren Strom - hauptsächlich Wind aus dem Mittleren Westen und Sonnenenergie aus dem Süden sowie potenziell kanadische Wasserkraft - ermöglichen, Küstenlastzentren zu versorgen. Es ist billiger, Übertragungssysteme zu bauen, die diese Energie über große Entfernungen transportieren können, als sie aus minderwertigen, schwächeren Sonnen- und Windressourcen näher an Städten zu erzeugen.
Zweitens würde ein Makronetz die Aufteilung der Energieerzeugung und der Netzdienste zwischen den Regionen ermöglichen. Diese Strategie nutzt Zeitunterschiede aufgrund von Zeitzonen und der Tatsache, dass der Strombedarf dazu neigt Spitze zu bestimmten Tageszeiten, zum Beispiel wenn Leute abends nach Hause kommen. Und die Strompreise steigen und fallen tagsüber mit der Nachfrage.
Zum Beispiel ist der Strombedarf an der Westküste um 3 Uhr pazifischer Zeit relativ gering, was bedeutet, dass die Kosten für diesen Strom ebenfalls niedrig sind. Überschüssiger westlicher Strom könnte verwendet werden, um die Nachfrage an der Ostküste zu befriedigen, die täglich gleichzeitig mit diesem „Tief“ der Westküste um 3 Uhr, das um 6 Uhr Ostzeit auftritt, ihren Höhepunkt erreicht. Vier Stunden später, wenn die Westküste ihren täglichen Höhepunkt um 7 Uhr pazifischer Zeit erreicht, wäre es 10 Uhr an der Ostküste, die eine zusätzliche Generation hätte, die sie nach Westen teilen könnte.
Die Kapazitätsaufteilung funktioniert auch, weil der jährliche Spitzenstrombedarf für verschiedene Regionen zu unterschiedlichen Jahreszeiten auftritt. Jede Region muss Zugang zu genügend Erzeugungskapazität haben, um ihre jährliche Spitzenlast zu decken, mit einem gewissen Spielraum, um Erzeugungsfehler abzudecken. Ein Makronetz würde es Regionen ermöglichen, überschüssige Erzeugungskapazität zu teilen, wenn sie lokal nicht benötigt wird.
Diese Strategie bietet Vorteile, selbst wenn sich die jährlichen Spitzenwerte in zwei Regionen nur um wenige Tage unterscheiden. Wenn sie sich um Wochen oder Monate unterscheiden, kann die Auszahlung groß sein. Beispielsweise ist der Strombedarf im pazifischen Nordwesten in der Regel im Winter am höchsten, sodass die Region Kapazitäten aus dem Südwesten und dem Mittleren Westen ausleihen kann, wo der Bedarf im Sommer am höchsten ist, und umgekehrt.
Gebäudeübertragung spart Geld
In einer Studie, die ich 2020 mit Kollegen aus Wissenschaft und Industrie veröffentlicht habe, haben wir gezeigt, dass es ohne ein Makronetz kosten würde mehr als $ 2.2 Billion von 2024 bis 2038, um das Stromnetz des Landes zu entwickeln und zu betreiben und 50 eine erneuerbare Stromerzeugung von 2038% zu erreichen. Dies beinhaltet die Kosten für die Hinzufügung von 600 Gigawatt neuer Erzeugungskapazität, die fast ausschließlich aus Wind und Sonne bestehen würde; Betriebskosten für verbleibende fossile und Kernkraftwerke; und Bau neuer Wechselstromübertragungsleitungen, um neue Kraftwerke mit Kunden zu verbinden.
Wir haben jedoch berechnet, dass die langfristigen Gesamtkosten für die Entwicklung und den Betrieb des Stromnetzes des Landes und die Erzielung von 50% erneuerbarem Strom im Jahr 50 um mehr als 2038 Milliarden US-Dollar sinken würden, wenn die USA 50 Milliarden US-Dollar für die Entwicklung eines Makronetzes ausgeben würden. Mit anderen Worten, durch die Möglichkeit, Strom über Regionen hinweg zu teilen und qualitativ hochwertigen erneuerbaren Strom aus abgelegenen Gebieten an Ladezentren zu liefern, würde sich das Makronetz mehr als amortisieren.
Einige Beobachter befürchten möglicherweise, dass ein national angeschlossenes Netz anfälliger für kaskadierende Stromausfälle ist als unser bestehendes System. Tatsächlich wäre ein Makronetz zuverlässiger, da HGÜ durch seine flexiblen Konverterstationen eine verbesserte Netzsteuerungsfähigkeit bietet.
Branchenführer und Befürworter sauberer Energie fordern die USA auf, die Entwicklung des Makronetzes voranzutreiben. Aber Nordamerika ist Entwicklungsrückstand Der größte Teil der Welt entwickelt interregionale Stromleitungen, um kostengünstige saubere Energieressourcen zu erschließen. Und wenn 50 Milliarden Dollar eine große Investition zu sein scheinen, bedenken Sie Folgendes: Es ist auch das geschätzte Mindestkosten von Ausfällen und Energiepreisspitzen während des Tiefkühlens in Texas.
Über den Autor
James D. McCalley, Professor für Elektrotechnik, Iowa State University
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