为什么使用氢能作为备用电源的微电网将为消费者和公用事业公司带来显著效益？
美国著名撰稿人里纳尔多·S·布鲁托科（Rinaldo S. Brutoco）近日发布文章，认为氢能微电网，是支持 21 世纪的能源系统。
电网已经不堪重负
美国电网，尤其是在加州、德克萨斯州和东北部等地区，已经不堪重负，越来越难以满足现代能源需求。随着电动汽车（EV）销量的增加以及高温天气持续导致空调使用量激增，加州电网正面临前所未有的压力。
电动汽车目前占美国新车销量的9%。随着全球变暖，空调的运行频率和强度也越来越高，运行时间也越来越长。在高峰时段气温日益升高的全球背景下，电动汽车充电和空调使用量的同步增长，给本已脆弱的电网带来了难以承受的负担。
不幸的是，电动汽车和空调并非加剧电网压力的唯一因素。加州雄心勃勃的气候政策正在逐步淘汰天然气设备，转而使用电动设备。在洛杉矶县，自2022年5月起，新建住宅将不再配备燃气灶、热水器、暖气炉或干衣机。这项旨在减少甲烷排放的规定被全美其他地区效仿。
更多的电动汽车、更多的空调、电器乃至整个行业的电气化，多种因素的共同作用，让电力需求持续增长。
与此同时，加州老旧的输电基础设施，尤其是穿越内陆地区的高压线路，野火风险隐患凸显。研究表明，加州历史上超过85%的野火是由电力线路故障引起的，通常是在强风天气下，输电线产生火花并点燃下方的干灌木丛。
显然，加州的集中式电网模式——建立在19世纪关于电力生产和输送的设计——与现代需求越来越不相容。除非我们采用更具弹性、本地化和可持续性的能源模式，否则我们负担过重的电网所带来的问题只会更加恶化。
当今电网：有缺陷的遗产
当今电网效率低下的根源可以追溯到19世纪末尼古拉·特斯拉和托马斯·爱迪生之间的争论。在乔治·威斯汀豪斯的支持下，特斯拉倡导通过高压交流电（AC）输电线路进行集中式电力生产。爱迪生则主张使用直流电（DC）进行分散式发电，这种发电方式在短距离传输中效率提高 50%，并且无需依赖脆弱的长距离配电网络。
特斯拉的交流电模式之所以盛行，主要是因为它允许电力进行长距离传输。虽然在当时以及整个 20 世纪的大部分时间里，这种集中式电网模式都值得称道，但它的局限性显而易见。
对长距离输电线的依赖不仅降低了效率，还增加了野火、停电以及向终端用户供电延迟的风险。如今，我们正在努力应对相关后果，电网容易出现故障，系统也无法满足日益增长的清洁电力需求。
在加州，这种老化系统的弊端显而易见。输电线引发的野火已经导致全州大面积停电。随着气候变化在未来十年加剧这些脆弱性，居民和企业将面临停电频率越来越高、持续时间越来越长的局面。
目前，数千亿美元正被考虑用于更换、延伸和埋设地下公共设施线路，却没有考虑到，电网系统赖以存在的近 150 年历史的概念本身需要基于21世纪的技术进行重新构想。
为了应对这些挑战，我们必须重新构想我们的能源生产和输送方式。与其加倍依赖过去的技术，不如通过微电网——一种既能独立运行又能与主电网协同运行的小型能源系统——将本地发电与现有基础设施相结合。
微电网：一种具有弹性的替代方案
微电网为困扰集中式电力系统的问题提供了一种现代化、可扩展且具有弹性的解决方案。通过在本地发电并通过现有变电站进行分配，微电网可以消除对长距离输电线路的需求，并降低电网过载和持续停电的风险。
在加州，微电网可以显著提高可靠性和安全性。例如，圣巴巴拉县依赖一条老化的“延长线”输电线路，该线路从文图拉穿过易受火灾侵袭的偏远地区，最终到达戈利塔。这条线路为文图拉-戈利塔“负荷区”输送了68%的电力。
尽管南加州爱迪生公司公开警告称，一旦这条线路发生故障——无论是地震、野火还是恶劣天气——都可能导致该地区停电数月，但居住在该地区的约 25 万居民中的大多数人却对自己面临的风险浑然不觉。
通过安装微电网，这些风险可以立即显著降低。这些微电网由可再生能源供电，例如圣巴巴拉的太阳能，以及洛姆波克的风能和太阳能相结合的微电网，在输电线路发生故障时，也可以作为备用电源。类似的策略可以推广到全州，以提高电网的弹性和可靠性，同时满足不断增长的电力需求。
氢燃料电池增强型微电网：弥补缺失一环
虽然由可再生能源供电的微电网可以减少对集中式电网的依赖，但它们面临着一个关键的限制：能源供应的间歇性。太阳能仅在阳光充足时可用，而风能则受天气条件影响。为了确保持续供电，微电网需要可靠的储能解决方案。
电池可以提供几分钟到几小时的供电，但氢气是提供更长期备用的最佳选择。在可靠性和稳定供电方面，没有什么能比得上氢燃料电池，它不会在系统中产生电涌或“噪音”。这就是为什么所有现代服务器场都选择安装氢燃料电池的原因。
同样，氢燃料电池是微电网系统中可再生能源的完美补充。与其在不需要时削减电力，不如利用多余的太阳能和风能通过电解生产氢气，为微电网提供储存的能源以备后用。根据需要，储存的氢气可以为燃料电池供电，并提供可立即调度的零排放发电。
以圣巴巴拉县为例，将氢燃料电池和储能设施与变电站共建，可以提供可靠的备用电源。此外，还可以根据需要补充氢气，确保即使在可再生能源发电量长期较低的情况下也能不间断地供电。
这种方法的另一个优势是微电网能够使用直流电（DC）。与上述传统电网系统使用的交流电（AC）不同，直流电在短距离传输方面效率更高，也更适合现代能源应用，例如电动汽车充电、电池储能和数据中心运营供电。
通过在微电网中采用直流电，我们可以减少能源损耗并提高整体系统效率。这种方法与爱迪生最初的分散式发电愿景相一致，将更具弹性，最终降低成本，并更能适应现代能源需求。
分布式能源：未来的赢家
向基于微电网和氢气作为备用电源的综合能源系统转型，将为消费者和天然气公用事业公司带来显著效益。
微电网提供可靠的本地发电，降低停电风险，并增强自然灾害或电网故障期间的恢复能力。此外，由于微电网无需长距离输电线路，可以将电力从一个微电网无限期地传输到相邻的微电网，从而降低了能源输送的相关成本。建设微电网还有利于减少对高压输电线路的需求（而不是将其埋入地下），从而降低火灾风险。随着时间的推移，这些节省下来的能源将以降低电费的形式惠及消费者。
这种方法也为公用事业公司——尤其是像南加州天然气公司（SoCalGas）这样的天然气输送公司——提供了一个在清洁能源未来中重塑自我的机会。
通过摆脱20世纪通过干线和本地配送输送天然气的商业模式，这些公司可以重新利用其控制的现有通行权，通过升级的管道输送氢气，为位于变电站的燃料电池供电。这样一来，本地电力线，而不是老化的天然气配送管道，就可以将氢气输送到消费者的家庭和企业。
南加州天然气公司还可以通过集中式氢气配送系统，将氢气直接输送到水泥和钢铁制造等“难以减排”行业的大用户。
政府和业界是时候意识到，19世纪的集中式电网模式已不足以满足21世纪的能源需求。随着电力消耗的增加以及长距离输电线路相关风险的增加，我们必须采用新的能源生产和输送方式。
通过将微电网与可再生能源、氢燃料电池和直流电相结合，我们可以创建一个更具弹性、更高效、更可持续的能源系统，并开辟一条在清洁能源未来蓬勃发展的道路，同时确保社会为子孙后代提供可靠、可持续的能源系统。
关于 Rinaldo S. Brutoco
里纳尔多·S·布鲁托科（Rinaldo S. Brutoco）是美国加州圣巴巴拉的世界商业学院的创始院长兼首席执行官，同时是 JUST Capital 的联合创始人，也是 H2 Clipper Inc. 的创始人兼首席执行官。