Vecchia scuola: gran parte della centrale elettrica e della rete di trasmissione su cui facciamo affidamento esiste da decenni. andrewfhart / flickr, CC BY-SA

La rete elettrica è un fantastico sistema integrato di macchine che copre un intero continente. La National Academy of Engineering l'ha definita una delle maggiori risultati di ingegneria del secolo 20th.

Ma è anche costoso. Secondo la mia analisi, l'attuale valore (deprezzato) della rete elettrica americana, che comprende centrali elettriche, fili, trasformatori e poli, è approssimativamente da $ 1.5 a $ 2 da trilioni di dollari. Sostituirlo costerebbe quasi $ 5 trilioni.

Ciò significa che l'infrastruttura elettrica degli Stati Uniti, che contiene già migliaia di miliardi di dollari di capitale sommerso, avrà presto bisogno di investimenti significativi per mantenere le cose come sono. Una centrale elettrica costruita durante la rapida espansione del settore energetico nei decenni successivi alla seconda guerra mondiale ha ormai 40 anni o più, è stata pagata a lungo e probabilmente deve essere sostituita. In effetti, l'American Society of Civil Engineers ha appena fornito l'intera infrastruttura energetica a appena superando il grado di D +.

L'attuale amministrazione ha promesso di investire pesantemente in infrastrutture, il che solleva una serie di domande riguardo al sistema elettrico: come dovrebbe essere la rete energetica del futuro? Come possiamo ottenere un approvvigionamento energetico a basse emissioni di carbonio? Quanto costerà?

L'infrastruttura sembra essere un problema che può raccogliere supporto da entrambi i lati del corridoio. Ma per prendere buone decisioni sulla spesa, dobbiamo prima capire il valore della griglia esistente.

Stato attuale di transizione

La rete elettrica è destinata a durare decenni, ma poche persone si rendono conto che l'intero sistema deve bilanciare con precisione domanda e offerta in tempi brevi come un secondo. Ogni watt di energia elettrica per l'illuminazione di case, computer portatili o condizionatori d'aria viene generato contemporaneamente in luoghi diversi, principalmente bruciando combustibili che fanno girare magneti nei generatori. Non esiste essenzialmente alcun accumulo di elettricità sulla rete; invece la maggior parte dell'energia viene immagazzinata nei combustibili: carbone, gas naturale, prodotti nucleari e acqua dietro le dighe, in attesa che il comando venga convertito in elettricità in tempo reale.

Posizione e stato ammortizzato di tutte le centrali elettriche statunitensi. Joshua Rhodes, EIA Form 860 data.

Negli ultimi anni, dove otteniamo il nostro potere è cambiato radicalmente. I generatori più vecchi sono grandi centrali elettriche, molte delle quali situate nella parte orientale degli Stati Uniti. Le aggiunte più recenti sono state più piccole e più diffuse - pensate ai pannelli solari sul tetto o ai parchi eolici. Alcuni esperti hanno persino affermato che questo modello di generazione più distribuita più vicino a dove viene consumata energia - lungo il bordo della rete, piuttosto che centrali elettriche - è il nuova norma.

In futuro, possiamo o ricostruire la griglia come abbiamo fatto prima oppure possiamo investire in nuove tecnologie che possono offrire lo stesso servizio ma a un prezzo costo più basso.

E come potremmo renderlo più pulito? Alcune persone pensano che la griglia possa farlo funziona completamente con fonti di energia rinnovabili. Altri affermano che il modo migliore per "decarbonizzare" o ridurre le emissioni di carbonio, per il sistema energetico nel suo insieme elettrificazione diffusa della settori industriali e dei trasporti.

Ma per rispondere a quanto costerebbero tali transizioni, dobbiamo sapere: quanto costa la rete attuale? Quanto vale attualmente tutto il calcestruzzo, l'acciaio, il silicio, ecc. Che abbiamo già installato nel terreno? Per aiutare a informare i responsabili politici e i pianificatori alle prese con la loro visione del futuro, mi sono messo in procinto di rispondere a questa domanda.

Cosa compone la griglia?

Per questo esercizio, ho limitato "la griglia" alle seguenti parti:

1. Centrali elettriche
2. Linee di trasmissione ad alta e bassa tensione, che trasportano energia su lunghe distanze
3. Linee di distribuzione, che portano energia direttamente agli edifici o ad altri punti finali
4. Sottostazioni per il routing della potenza sulla rete di trasmissione
5. Sottostazioni sulla griglia di distribuzione
6. Trasformatori che cambiano le tensioni sulla griglia di distribuzione

Questo calcolo esclude i componenti aggiuntivi e necessari della rete, come il filo elettrico all'interno della casa, i misuratori sui quadri elettrici di case e edifici e i dispositivi di uso finale che consumano l'elettricità.

Combinando una varietà di relazioni pubbliche e utilizzando stime aggiornate per nuove costruzioni e approcci standard per la stima dell'ammortamento, abbiamo quantificato il valore delle attività della nazione per la generazione, la trasmissione e la distribuzione di energia.

La capacità totale di queste centrali è di circa i terawatt 1.15. Questa è la capacità di generazione di circa i reattori nucleari 1,000 (gli Stati Uniti attualmente hanno circa 100). Come puoi immaginare, sarebbe costoso sostituirlo. Solo per le centrali elettriche, il valore di sostituzione è di quasi $ 2.7 trilioni e il valore ammortizzato, o il valore di corrente approssimativo, è di quasi $ 1 trilioni. Nel complesso, la suddivisione del valore è circa la centrale elettrica 56 percento, il sistema di trasmissione 9 percento e il sistema di distribuzione 35 percento.

Ripartizione della sostituzione e del valore ammortizzato delle infrastrutture elettriche statunitensi. Molte delle fonti di dati sottostanti, inclusa la VIA, sono le stesse utilizzate di recente nello studio sul costo dell'elettricità dell'UT-Austin Energy Institute. Abbiamo utilizzato un piano di ammortamento a quote costanti semplificato che termina in un valore di scarto pari al 15 percento del costo iniziale alla fine della sua vita prevista. Joshua Rhodes

Quale percorso da seguire?

Se vogliamo avere un futuro energetico più pulito, ci sono più percorsi per arrivarci. Tuttavia, ipotizzo che il percorso più economico e più probabile sarà quello che sfrutterà meglio, non duplicati, l'infrastruttura di cui già disponiamo. Uno dei percorsi più "plug and play" (e quello che stiamo vedendo oggi) è una conversione da carbone a generazione alimentata a gas in centrali elettriche che possono utilizzare fili, pali e infrastrutture idriche esistenti.

All'altra estremità dello spettro, un'economia dell'idrogeno richiederebbe enormi nuovi investimenti in nuovi tipi di tecnologia, quindi trarrebbe meno vantaggio da ciò che abbiamo attualmente. Ad esempio, avremmo bisogno di costruire luoghi per generare e immagazzinare idrogeno. D'altra parte, ha il potenziale per essere più resiliente e sostenibile.

Mostrando la loro età: l'aggiornamento delle linee di trasmissione potrebbe portare l'energia solare e generata dal vento da parti remote del paese a dove si trovano le persone, il che contribuirebbe a rendere la rete più pulita e potenzialmente abbassare i prezzi. indigoskies / flickr, CC BY-NC-ND

Un'area che sembra promettente per gli investimenti nelle infrastrutture è l'aggiornamento della rete di trasmissione di energia in serie. Questi aggiornamenti potrebbero consentire il flusso di energia tra le regioni degli Stati Uniti e sarebbero simili a come il sistema autostradale interstatale ha ridotto i costi aziendali in tutto il paese riducendo notevolmente il tempo impiegato per il trasporto di merci e servizi nel nostro vasto paese.

Ci sono aree degli Stati Uniti in cui l'energia viene prodotta più a buon mercato e con minori impatti ambientali rispetto ad altre aree. L'ampliamento delle linee di trasmissione in aree del paese che dispongono di buone risorse eoliche e solari può fornire energia a costi molto bassi per gli utenti. Il problema è che queste aree non sono sempre dove si trovano le persone, quindi per portare questo potere alle persone, abbiamo bisogno di una forte rete di trasmissione.

Le reti di distribuzione - la parte della rete che fornisce energia direttamente agli edifici - possono anche integrare più energia solare senza costi aggiuntivi per il funzionamento della rete. Ma una volta che la capacità solare raggiunge una certa percentuale della domanda di energia sulla rete locale, che varia in base alla posizione, allora sono sostenuti più costi.

Alla fine, i consumatori o i contribuenti finiscono sempre per pagare per questi progetti di aggiornamento, ma i vantaggi possono superare i costi. L'espansione del Texas della sua rete elettrica ha permesso molta più energia eolica per raggiungere i centri di carico che, insieme a un calo dei prezzi del gas naturale, ha ridotto i costi del mercato all'ingrosso dell'elettricità. Quei costi più bassi lo sono allora passato ai contribuenti.

Non esiste un percorso che non richieda investimenti - anche solo il mantenimento di ciò che abbiamo costerà centinaia di miliardi, se non trilioni, di dollari nel prossimo decennio. La domanda più grande è: mentre continuiamo a sostituire e ricostruire questa fantastica griglia, su quali tecnologie dovremmo concentrarci?

Circa l'autore

Joshua D. Rhodes, ricercatore postdottorato di energia, Università del Texas a Austin

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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