造物

国家电网的发展史:如何为全纽约州的人送电

当打开电灯或者给手机充电的时候,从插座中涌出的电流很可能已经沿着覆盖了几乎整个北美的电网跑了数百公里:这个系统是世界上最大的机器,也是世界上最任性的机器之一。

电力也许来自尼亚加拉瀑布,或者由一艘漂浮于布鲁克林湾上的驳船搭载的天然气电站供应。但距离仅一个街区的驳船电站的电可能会比前者的成本更高。

此外,在每年最热的几天,已经遇到瓶颈的输电线路会达到它们的物理极限,而在其他时候,这个系统相当大的部分处于闲置状态。

纽约所谓的能源大王、正领导着重新设计输电网计划的理查德·考夫曼(Richard L. Kauffman)说:“这个系统不够节能,因为它从一开始就没想到要节能。”

考夫曼补充到,(现有系统)就好像是云计算时代的一台台式主机。在全球变暖的大背景下,纽约必须“重新考虑系统的基本构架”。

现在这个工作的进度如何呢?

粗放式发电

1882 年,大量的煤通过马车被送到爱迪生电力照明公司(Edison Electric Illuminating Company)位于纽约曼哈顿下城区珍珠街上的发电站,在这里,被称为“金宝”(Jumbo,根据巴纳姆旗下马戏团的明星大象命名,Jumbo 也有巨大之意,译注)的蒸汽引擎带动发电机转动发电。产生的电力被输送到方圆一平方英里左右的住户和商业场所里,史上第一次不用火柴而点亮了一间间客厅。没几年后,尼亚加拉河上建起了一座由尼古拉·特斯拉(Nikola Tesla)设计、乔治·威斯汀豪斯(George Westinghouse,西屋电气公司创始人)提供设备的水力发电站,把水牛城变成了工业基地。

如今的数百座电站大部分由私人所有,供应着纽约州的电力。每一座建造和运营的成本都不一样,产能也不同,传输的速度和效率也有差异。不像美国其他没有这么多电力来源的州,纽约州有着大把的选择。

煤这种最初的能源正在逐渐退出。纽约州已经宣布了关停燃煤电站、或者将其改造成燃气电站的计划,因为天然气如今既便宜量又足。运营纽约州电网和能源市场的非营利机构纽约独立电网运营公司(New York Independent System Operator)称,2015 年,64 燃气电站生产了纽约州近一半的电量。

四座核电站提供了约三分之一的电量。尽管处理核废料依然是个问题,纽约州却想要补助州北部的核电站,因为它们提供了稳定且不会带来碳排放的电力。但纽约州州长安德鲁·科莫(Andrew M. Cuomo)最近强制关闭韦斯切斯特(Westchester County)郊区印第安角(Indian Point)电站的决定,让人开始质疑纽约州达成清洁能源目标的能力,以及州政府要如何弥补电站被关带来的电力缺口

在纽约州共有 180 座水利发电设施,供应了全州 19% 的电力,对于清洁能源的生产至关重要。

到 2030 年,州长科莫希望全州一半的电力来自州内再生能源,或者从加拿大及新英格兰地区引进。根据最新数据,纽约州不超过四分之一的电力来自可再生能源。

尽管已经有了成千上万的住家和商业太阳能电力系统,但仅仅有一家达到实用水平的光伏电站的产能被纽约独立电网运营公司统计进了太阳能发电量里。

大规模的风电要更成功一点,纽约州也在鼓励更多的风电,在州北部建造了约 30 个风电站。州政府最近还批准了全美国最大的海上风电站,到 2022 年将能为长岛上的 50000 户家庭供电。另一个位于皇后区洛克威半岛附近的项目正在建设中,很多年后才能投入运营。

建造风力和太阳能电站的成本已经降低了,但这些能源是间歇性的。除非有更多的电力储备能并网,比如蓄电池或者通过水库蓄水以备后用的蓄水水力电站,否则还需要随时可动用的发电机来补充太阳能和风能发电。

电力资源库的一个标准组成部分是被称作“峰值电机”的发电机,这些设备用来让电网保持稳定,但每年可能只需要工作几天。纽约市有 16 座这样的电站,大部分分布在海滨,在每年最热的时候、或者当北部输电线路或者电站发生故障时启用。有些电站位于驳船上,都被设计成能够快速启动的样式。但快速反应的代价往往是更高的成本和排放。

能源大王考夫曼说,这些电站存在的结果就是,消费者们需要为“大部分时候用不上”的设备和线路付费。因为整个系统是为应对极端需求和最坏的情况而设计的。

平衡电网的精密艺术

在纽约州首府奥尔巴尼市附近一间价值 3800 万美元的控制室里,七名纽约独立电网运营公司工作人员组成的小组随时待命,监控着州内电网上流动的电流,以及在邻近电网上进进出出的电流。

纽约独立电网运营公司是 36 家负责东部互联电网(the Eastern Interconnection)的公司之一,它是全美三家主要电网之一,这三家电网从美国的落基山脉延伸到东海岸,又从加拿大萨斯克彻温省延伸到新斯科舍省。

和水不同,电力无法被储存在水桶里。尽管电池技术还在不断进步,但大部分电力在产生的瞬间就被使用了。

工作人员小组会不间断计算着所需电量,以及哪些电站能用最低的成本生产这些电力。每隔五分钟,计算机系统会指挥电站增加或者减少发电量,确保有足够的电力点亮灯泡、且不会给输电线造成过大压力。如果系统不平衡,或者电流不稳定,则有可能损坏设备或者导致停电。

操作人员们会接受心理评估,确保他们能够应对压力,每年他们还会花费数周时间在模拟实验室为飓风或者网络袭击做准备。然而格蕾琴·巴克(Gretchen Bakke)在她的著作《电网》中指出,他们最大的敌人依然是树枝。

2003 年,全美国最严重的一次停电从俄亥俄州一根因下垂接触到树枝而短路的电线开始。随着一系列的人为失误和电脑问题,此次停电让从纽约到多伦多的 5000 万居民陷入了黑暗,给美国经济造成了约 60 亿美元的损失

纽约独立电网运营公司主任乔恩·索耶(Jon Sawyer)告诉记者,如今电脑系统每 6 秒钟就能收到 50000 组数据,操作人员们则在约 214 平方米的监视器墙前观测地区的电力情况。它们还在数千家涉及全国电力系统的公司推行了强制的可靠性标准

每天最大的变数是天气。风暴可能导致设备被水淹,阳光明媚的炎热天气则可能导致变压器过热,同时也让用户们猛吹空调(提升电力负荷)。

倾向太阳能和风能意味着要更多地依赖天气,而天气却已经变得更难以预测。索耶主任介绍到,纽约独立电网运营公司开发了精密的工具,通过气候数据来预测风力发电能够生产的电力,从而在风力突然减弱的时候找到平衡系统的方法。纽约独立电网运营公司还在研究追踪云层以及其他可能影响太阳能板的因素。

高效输送电

整个系统的主心骨是跨越天空或者穿行地下的 17900 公里高压电线,是它们把电力输送到各个地方。和水管不同,输电线不是空心的,如果过大的电流通过电线,它们可能过热或者短路。

因为大部分电力都是在人口稀疏的地区生产,所以将电力输送到市区的特定线路在用电高峰期就有可能拥塞。

纽约州将近 60% 的电力是被纽约市区消耗的,而该地区只生产了 40% 的电力。

“纽约市是拥塞的典范,”美国能源信息管理局的高级顾问比尔·布斯(Bill Booth)说道。

为了突破瓶颈限制,电网操作人员们需要开启高需求地区附近成本更高、效率更低的发电机。就好像花更高的价格从隔壁的商店买牛奶,而不是到 12 个街区外的超级市场去买。

纽约州正在优先促进能给州南部带来更多电力的风力和水力发电站。随着要在 2021 年关闭印第安角电站的计划,上述需求变得更加紧急,因为要被关闭的电站供应着纽约市和韦斯特切斯特四分之一的电力。

但架设新的输电线路非常不受欢迎。居民们不愿意高压线路出现在自己的后院里,当地的发电站也不喜欢那些来自远方的低成本电力。哪怕线路被埋在地下(比如穿过哈德逊河的淤泥),但铺设从新泽西往曼哈顿输电的线路的项目获得联邦和州政府的批准也要花费数年时间。

一个从魁北克向纽约市输送水电、穿越尚普兰湖和哈德逊河的项目从 2008 年就动工了。

尽管有过升级,但电网一直在老化。超过 80%的线路是 1980 年以前架设的。纽约独立电网运营公司预计,未来 30 需要更换将近 8000 公里的高压输电线,花费约 250 亿美金。

输电到家

爱迪生的系统最初可以覆盖曼哈顿下城大约一平方英里的区域,经过改进之后,目前覆盖范围已经超过 660 平方英里,并且已经扩展到了城区内以及韦斯切斯特地区。

共有大约 200 个供电网络独立运行,保证人口密集地区电流的平稳输送。曼哈顿地区就有 39 个供电网络;再比如洛克菲勒中心还拥有自己的供电网络。

总体上看,埋在地下与架在地上的电缆总长度有 129935 英里,相当于地球到月球距离的一半。

这个州六家电力公司中最大的 Con Ed 公司每年花费数百万美元开凿穿墙洞,在布满煤气总管的街道上开挖,对庞大的地下网络进行修补和改善,街道地下还有无数的光纤电缆、蒸汽管线和地铁线。这也是其用户缴纳的电费居全国之首的一部分原因。

Con Ed 公司拒绝透露其电力控制中心的地址,操作人员们在那里保障了超过 900 万人的供电需求,即便是在天气炎热的情况下,也能保证用户的正常供电。

一年中的大部分时候,用电高峰出现在下午的 5 点钟左右。这个时候是晚高峰,人们回家都要坐地铁、乘电梯,小孩子这个时候会打电子游戏,一家人打开冰箱开始准备晚饭。夏天的用电高峰出现在下午三点左右,这个时间是使用空调的高峰时段。

Con Ed 公司是全美最可靠的供电网络之一。公司无法解决松鼠啃咬电线和变压器的问题。但公司对于灾难性天气有应急预案。2012 年飓风桑迪来袭之后,公司花费近 10 亿美元对低层建筑内设备周围的围墙进行加高、防水或重建,划分配电网络,因此在洪水上涨的时候就可以远程关闭某一区域的供电网

随着民用和商用太阳能设备的不断推广,用户们现在还可以反过来向供电网络输送电力

罗伯特·史门蒂(Robert Schimmenti)是 Con Ed 公司电力运营的负责人,他说公司正在做系统开发,对用户中不断增加的这类设备(例如燃料电池和太阳能电池)进行整合,有时这些设备会与微型电网相连,而他的公司对这些电网并无控制权。

五月,Con Ed 将开始在城市中的商业区域安装“智能电表”,七月,将针对斯塔腾岛上的用户普及详细的用电指南,操作人员不需要派发检修车,就可以对电路问题进行诊断。

为了保证这一 13 亿美元的配电网络改进项目的正常进行,Con Ed 公司将会提高电费,提高电费的申请已于一月获得了州政府的同意。近五年内的电费一直保持恒定,在未来的三年中,电费将增长 2.3%到 2.4%,这也就意味着,每月用电 300 度的城市居民缴纳的电费将从 78.52 美元增加至 80.30 美元。

下一步是什么?

本地发电和电力输送将越来越普及,而不是从大型中央发电站向外输送电力,中央发电站的电力为单向流动,在输送的过程中将有 5%的损耗(高峰时段的损耗会更多)。

考夫曼说,与云计算和智能手机革命性改变人们获取和存储信息方式异曲同工,整个电网中小规模的发电与存储设备将会提高整个系统的效率和恢复能力。

据纽约独立系统运营商称,虽然预计未来十余年中能源使用量将与现状持平或有所下降,其中一部分原因是设备效率和建筑绝缘性的提高,但高峰时段用电将持续增长。

考夫曼表示,把重点放在降低系统需求、特别是用电高峰时段的需求上,对纽约实现清洁能源的目标至关重要。纽约州运用财政手段并引入竞争机制激励私营企业开发传感器和软件,从而降低变电过程中的能源损耗,能源电池将更高效地利用再生能源,“智能家电”也可以更合理地利用能源,智能家电是指在用电高峰之后启动的洗衣机和洗碗机等家用电器,它们可以自动在夜里运转。

这项转变的关键是彻底修改管控电力公司的规章制度。考夫曼将电力公司与酒店产业相比,酒店产业受到创业企业 Airbnb 的强烈冲击。在过去,电力公司并不会在意用户的用电量,公司会收到一个固定数额(2016 年是 9%)的回报,用以补贴建造基础设施和升级维护电网的开销。

纽约州正在积极与企业和用户进行合作,企图通过安装软件控制用电量,或是在增加太阳能电池板的基础上尽可能地降低成本,而不是花费数十亿美元建分站,以此增加电力公司的盈利渠道。

最后,用户在何处发电、发电方式和如何用电方面将有更多的选择。

随着越来越多的人开始自行发电,越来越少地依靠电力公司的供电,电费的收缴是分层式的,一小部分用户缴纳的电费将更多地用于输电线路和设备的维护。

即将离任的纽约公共服务委员会主席奥黛丽·泽贝曼(Audrey Zibelman)负责制定用户的用电费用,她表示,转向碳排放量更少的体系并不意味着更高昂的开销,“只要我们找到了正确的方法,实际上是可以节约成本的”。

州政府承诺,最贫困的纽约居民缴纳的电费将不超过家庭收入的 6%,政府还计拨款 10 亿美元,使屋顶和社区的太阳能装置更易使用、价格更合理

纽约吸取了加州、德国和其他清洁能源先行者的教训

纽约州州长库默(Cuomo)说:“建造现代化、清洁耐用的能源基础设施,对于吸引新投资、在纽约发展绿色经济、对抗气候变化、保持空气质量以及保持社区健康发展都非常关键。”

尽管总统特朗普对气候变化持怀疑态度,并且支持煤炭工业,纽约州表示不会动摇

考夫曼说,纽约正在“通过本州政府推出新政策来支持清洁能源计划,并不依靠联邦政府。”

他还说,重新改建有超过百年历史的电力系统还需要时间,他表示:“并不仅仅是拨动开关那么简单而已。”

问与答

纽约人要付多少电费?

据美国能源信息管理局称,纽约州十月的居民用电金额列全美第七位,价格为每度 18.28 美分。Con Ed 公司的对纽约市民征收电费的价格是每度 24.736 美分,仅低于夏威夷州的价格,夏威夷的电价位于全美之首(27.54 美分)。路易斯安娜州(9.33 美分)、乔治亚州(11.07 美分)和加州(13.94 美分)的电价都相对较低。

每月到底要付多少电费?

要充分理解 Con Ed 公司的电费单,你大概需要拿下一个博士学位,但电费单上主要有三个部分:

供电:大约三分之一或二分之一(取决于用电量)是电力供给方在批发市场上买入的价格,批发市场受到纽约州独立系统运营商的管理。如所有的商品一样,价格也会随需求而有所变化。晚间电价更低,夏季电价会提高。其他的一些因素也会影响电价,比如天气状况、能源价格以及发电站的运转费用与地理位置。

变压与输送:用户还需要缴纳线路和变电所分站维护和升级的费用。

税费:据 Con Ed 公司称,税金和费用占到账单的 30%左右,其中包括财产税、消费税和附加税,此外还有用于纽约州发展清洁能源计划和改造的费用。

电力公司对用电量和输送收取的费用取决于公共服务委员会的定价,该委员会负责管理电力公司,委员会成员由州长任命。他们将根据消费者的意见、环境和产业组织、政府部门以及电力公司进行决策。

谁为我供电?

你在农夫集市或是家门口一定碰到过向你推销电力的人员。大约有 200 家电力服务公司(ESCOs),他们会在批发市场上购买电力,并通过当地的供电公司进行电力输送。

理论上讲,让用户有更多的选择可以降低成本,纽约州检察官办公室表示,一直有用户投诉遭到了电力服务公司的欺诈,称服务公司提出折扣价格后将收取比电力公司更高的费用。

公共服务委员会叫停了数家电力服务公司在纽约的业务,其中包括几家目标客户群为低收入和非英语人群的公司。委员会方面表示正在考虑采取其他措施对市场进行管理以保护消费者的权益。

泽贝曼说:“我们刚刚开始做消费常识的普及,希望人们不会因此上当受骗。”

翻译 熊猫译社 Harry 孙一

题图来自 Wikimedia CommonsPublic Domain Pictures

© 2016 THE NEW YORK TIMES

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