Il modo in cui generiamo, forniamo e usiamo il potere deve cambiare drasticamente se vogliamo soddisfare i bisogni del secolo 21st.
In un dato giorno negli Stati Uniti, circa mezzo milione di persone sono senza energia per due o più ore. Una volta salutato dalla National Academy of Engineering come l'innovazione ingegneristica più influente del secolo 20th, la rete elettrica nordamericana opera con tecnologia principalmente dagli 1960 e dagli 70.
Le principali interruzioni causate dal tempo sono aumentate
Negli ultimi decenni il numero e la frequenza delle principali interruzioni meteorologiche sono aumentate. Tra gli 1950 e gli 80, le interruzioni sono aumentate da due a cinque ogni anno; da 2008 a 2012, interruzioni tra 70 e 130 all'anno. Nel frattempo, il fabbisogno di elettricità sta crescendo rapidamente. Solo Twitter aggiunge più di 2,500 di megawattora di domanda a livello globale all'anno. Si prevede che l'offerta mondiale di energia elettrica dovrà triplicare 2050 per tenere il passo con la domanda. Ciò richiederà un impegno significativo.
Nell'ultimo decennio il rischio di elettricità è aumentato a causa dell'invecchiamento dell'infrastruttura, della mancanza di investimenti e delle politiche favorevoli alla modernizzazione e della minaccia rappresentata dal terrorismo e dai cambiamenti climatici. Mentre il clima cambia, la variabilità degli eventi meteorologici è aumentata. Vedremo più eventi estremi. E li vedremo con maggiore frequenza. L'uragano Sandy sembra essere un esempio di questo.
All'indomani di Sandy, sono state sollevate domande sul ripristino dell'energia in relazione a condizioni meteorologiche estreme e cambiamenti climatici. Bisogna capire che un massiccio attacco fisico alla scala dell'uragano Sandy è destinato a sopraffare l'infrastruttura energetica, almeno temporaneamente. Nessuna quantità di denaro o tecnologia può garantire un servizio elettrico ininterrotto in tali circostanze.
Abbiamo bisogno di una rete più intelligente che soddisfi in modo efficace e sicuro le richieste di una società pervasiva digitale di fronte ai cambiamenti climatici e ad altri eventi estremi garantendo al contempo un'elevata qualità della vita e alimentando la crescita economica. È anche importante ricordare che gli Stati Uniti stanno appena cominciando adattarsi a un più ampio spettro di rischio. Investimenti redditizi per rafforzare la rete e supportare la resilienza variano in base alla regione, all'utilità, alle attrezzature legacy coinvolte e persino alla funzione e all'ubicazione delle apparecchiature all'interno del territorio del servizio di un servizio.
La griglia elettrica deve cambiare drasticamente
La rete elettrica deve cambiare drasticamente. Abbiamo bisogno di una rete più intelligente che soddisfi in modo efficace e sicuro le richieste di una società pervasiva digitale di fronte ai cambiamenti climatici e ad altri eventi estremi, garantendo al tempo stesso un'elevata qualità della vita e alimentando la crescita economica. Tale rete fornirebbe una capacità di trasmissione sufficiente a collegare nuovi impianti di produzione di gas naturale, parchi eolici on-shore o offshore, impianti solari e altre fonti rinnovabili ai clienti. Funzionerebbe anche come un sistema di auto-riparazione, utilizzando componenti digitali e tecnologie di comunicazione in tempo reale per monitorare le sue caratteristiche elettriche in ogni momento e sintonizzarsi costantemente in modo che funzioni in uno stato ottimale, anticipi i problemi e sia in grado di isolare rapidamente le parti della rete in cui si verifica un guasto dal resto del sistema per evitare la diffusione di interruzioni e consentire un ripristino più rapido.
Per trasformare la nostra attuale infrastruttura in una griglia intelligente autoguidante, è necessario implementare e integrare diverse tecnologie. Il sistema di rete intelligente ideale è costituito da microgrids - che sono piccoli sistemi di alimentazione per lo più autosufficienti - e una rete elettrica ad alta tensione più forte e intelligente, che funge da spina dorsale del sistema complessivo e consente di integrare quantità sostanzialmente maggiori di risorse eoliche e rinnovabili. Con una rete più forte e intelligente, il 40 per cento della nostra elettricità negli Stati Uniti può provenire dal vento entro il 2030, che sostituirà in parte i combustibili fossili attualmente utilizzati per l'elettricità e i trasporti.
Sostituire le tradizionali tecnologie analogiche con i componenti digitali
L'aggiornamento dell'infrastruttura di rete per le funzionalità di autoriparazione richiede la sostituzione delle tradizionali tecnologie analogiche con componenti digitali, processori software e tecnologie di elettronica di potenza. Questi devono essere installati in un sistema in modo che possa essere controllato digitalmente, che è l'ingrediente chiave di una griglia che si auto-monitora e auto-guarisce.
Gran parte della tecnologia e dei sistemi pensati dietro le reti energetiche autorigeneranti proviene dal settore dell'aviazione militare, dove ho lavorato per 14 per anni sui sistemi di volo adattativi del danno per gli aerei F-15, ottimizzando la logistica e studiando la sopravvivenza degli squadroni e l'efficacia della missione. A gennaio 1998, quando sono entrato nell'Istituto di ricerca sull'energia elettrica, ho contribuito a portare questi concetti nei sistemi di energia elettrica e in altre reti di infrastrutture critiche, tra cui energia, acqua, telecomunicazioni e finanza. Dopo il settembre 11, 2001, attacchi terroristici, resilienza e sicurezza sono diventati ancora più importanti.
Una rete più intelligente salverebbe miliardi all'anno
Una rete più intelligente ridurrebbe i costi delle interruzioni di circa $ 49 miliardi l'anno e ridurrebbe la CO2 emissioni di 12-18 percent di 2030.
Il costo di una rete più intelligente dipenderà dalla quantità di strumentazione effettivamente inserita, come il backbone delle comunicazioni, una maggiore sicurezza e una maggiore resilienza. Il prezzo totale varia da circa $ 340 miliardi a $ 480 miliardi, che, su un periodo di 20 anni, sarebbe da circa $ 20 miliardi a $ 25 miliardi all'anno. Ma fin dall'inizio, i vantaggi sono 70 miliardi di dollari all'anno in termini di maggiore efficienza e riduzione dei costi dovuti alle interruzioni, e in un anno in cui ci sono molti uragani, tempeste di ghiaccio e altri disturbi, quel vantaggio va anche oltre. Attualmente, le interruzioni da tutte le fonti costano all'economia statunitense da $ 80 a $ 188 miliardi all'anno. Una rete più intelligente ridurrebbe i costi delle interruzioni di circa $ 49 miliardi all'anno e ridurrebbe il CO2 emissioni di 12-18 percent di 2030. Inoltre, aumenterebbe l'efficienza del sistema di oltre il 4 per cento: questo è un altro $ 20.4 miliardi all'anno.
I costi coprono una vasta gamma di miglioramenti per portare il sistema di erogazione di energia ai livelli di prestazioni richiesti per una rete intelligente. Includono l'infrastruttura per integrare le risorse energetiche distribuite e raggiungere la piena connettività dei clienti, ma non includono il costo di generazione, il costo dell'espansione della trasmissione per aggiungere fonti rinnovabili e per far fronte alla crescita del carico, o i costi dei clienti per la smart-grid-ready apparecchi e dispositivi. Nonostante i costi di implementazione, gli investimenti nella rete si ripagherebbero in gran parte. Con l'investimento effettivo, per ogni dollaro, il rendimento è di circa $ 2.80 a $ 6 per l'economia più ampia. E questa cifra è molto prudente.
Ma questo riguarda anche 1) maggiore sicurezza informatica / informatica e sicurezza energetica globale, con la sicurezza integrata nel design come parte di un'architettura di sistemi di difesa a più livelli e 2) creazione di posti di lavoro e vantaggi economici. Effettivamente, a mio avviso, la nostra economia digitale 21st secolo dipende da noi che facciamo questi investimenti, indipendentemente dalla prognosi di un clima più estremo a causa dei cambiamenti climatici.
Sprecato 15 anni discutendo sul ruolo del governo
Abbiamo sprecato 15 anni discutendo sui ruoli dei settori pubblico e privato mentre i nostri concorrenti globali si sono adattati e innovati. Come prova dell'argomento economico, si consideri il finanziamento del piano di stimolo del governo americano 2009 per il recupero e il reinvestimento settore privato nei programmi Smart Grid Investment Grant e Smart Grid Demonstration Project. A partire da marzo 2012, il valore totale investito di $ 2.96 miliardi a sostegno di progetti di reti intelligenti ha generato almeno $ 6.8 miliardi di produzione economica totale. Complessivamente, i lavori equivalenti a tempo pieno di 47,000 sono stati supportati dagli investimenti. Per ogni $ 1 milioni di spesa diretta, il PIL è aumentato di $ 2.5 milioni a $ 2.6 milioni.
Abbiamo sprecato 15 anni discutendo sui ruoli dei settori pubblico e privato mentre i nostri concorrenti globali si sono adattati e innovati. Dobbiamo rinnovare i partenariati pubblico-privato, ridurre la burocrazia e ridurre il clima di incertezza sul ritorno degli investimenti nella modernizzazione delle infrastrutture. Quando la nazione ha assunto tali impegni strategici in passato, i profitti sono stati enormi. Pensa al sistema autostradale interstatale, al progetto di sbarco lunare e a Internet.
L'incontro con ciascuna di queste sfide ha prodotto una crescita economica leader a livello mondiale, consentendo il commercio, lo sviluppo tecnologico e un mix dei due. Nel processo abbiamo sviluppato una forza lavoro altamente addestrata e adattabile. Ora, dobbiamo decidere se costruire l'energia elettrica e le infrastrutture energetiche che supportano la società digitale di 21st secolo, o essere lasciati indietro come una reliquia industriale dell'20 secolo.
Questo articolo è originariamente apparso su Ensia
Circa l'autore
Massoud Amin è la cattedra di HW Sweatt in Leadership tecnologica, dirige il Technological Leadership Institute (TLI) ed è un Professore universitario. Professore universitario e un professore di ingegneria elettrica e informatica all'Università del Minnesota. Lavora per abilitare infrastrutture intelligenti, sicure e resilienti. Conduce ampi progetti in reti intelligenti, è il presidente del IEEE Smart Grided è considerato il padre della rete intelligente.
