奥巴马总统计划斥资数十亿美元建设它。通用电气已经投放了精美的广告，宣传其背后的技术。绿色和平组织宣称这是一个很棒的主意。但“智能电网”到底是什么？根据一项宏观描述，它与当今的电网大相径庭，而且如果美国要用太阳能和风能产生的可再生能源取代排放碳的燃煤发电，它就必须成为更多这样的一种东西。
今天的电网是为本地输电设计的，将某个城市或地区的客户连接到附近相对较近的发电厂。但本地电网不适合分配未来的替代能源。北美最强劲的风、最强烈的阳光和最热的地热泉主要集中在偏远地区，距离最需要电力的主要城市数百甚至数千英里。“美国一半人口居住在距离海岸100英里以内，但大部分风能资源位于北达科他州和西德克萨斯州之间，”公用事业巨头美国电力公司输电高级副总裁迈克尔·海耶克说。更糟糕的是，这些风力不断减弱和增强，导致供应不稳定。
电力工程师们已经在勾勒下一代电网的轮廓，它将利用清洁——但波动的——可再生能源让我们的家庭和工厂轰鸣。这个想法是通过增加数千英里的强大新输电线路来自上而下地扩展电网，同时通过电子设备自下而上地增强通信，使数百万家庭和企业能够优化其能源使用。
我们现有的电网今天，当电力离开发电厂时，它通过高压线在各地输送，这些电缆架设在钢制电塔上，横跨景观，几乎不间断地从海岸延伸到海岸。在到达您的家或办公室之前，电压会通过一个或多个中间点（称为变电站）逐步降低。变电站处理电力，直到它能以110伏的安全水平流向家庭和企业的插座。
输送电力的庞大电网可能相互连接，但以现有技术将电力从一侧海岸输送到另一侧海岸是不可想象的。这是因为该网络是由当地系统聚合而成，这些系统拼凑在一起以交换相对适量的剩余电力。事实上，这些系统在美国形成了三个不同的电网：东部、西部和德克萨斯州互联电网。只有少数几个换流站可以在不同电网之间输送电力。
这些换流站的局限性显而易见。东部、西部和德克萨斯州电网都采用交流电 (AC)，每秒在电线中抖动 60 次。但这些抖动的电流彼此不同步。换流站通过将交流电转换为直流电 (DC)，然后再转换回来，从而在不同电网之间输送电力。（直流电很像手机或笔记本电脑的电源。事实上，所有电子设备最终都使用直流电。）连接到某个电网的转换器使用其部分交流电来产生直流电。然后，第二个转换器反转此过程，使用直流电产生新的交流电流，该电流与第二个电网上的交流电同步。
这个过程造成的瓶颈，加上电网拼凑而成的设计，使得在地区之间大量输送电力变得不可能。然而，这正是太阳能、风能和其他可再生电力来源分配所必需的。奥巴马已要求国会到2025年将可再生能源在美国家庭供电中的比例提高到四分之一，但只有改造后的电网才能应对如此大的负荷。美国风能和太阳能行业协会在2月份总结道：“如果没有对我们的输电基础设施进行大量新投资，这是无法实现的。”
我们需要的电网海耶克说，现有的电网类似于20世纪50年代国家拥挤不堪的道路网络。艾森豪威尔总统的州际公路系统解决了这个问题；现在海耶克是越来越多呼吁建立同等电力系统的人之一——一个横跨大陆的电力“超级高速公路”网络。它将叠加在现有高压电网上，就像艾森豪威尔的蓝图在现有的小型道路网络上铺设了现代高速公路网络一样。
新州际电网的设计利用了两种特高压技术。长距离输电效率最高的是高压直流电 (HVDC)，它采用的换流站类似于当今美国东部、西部和德克萨斯州电网之间电力流动的换流站。不同之处在于，在 HVDC 中，换流站之间的距离可以更远——数百甚至数千英里。在一个站点将交流电转换为直流电后，通过电缆输送，然后在线路末端的另一个站点再转换为交流电。所有这些转换对于长距离输电来说都是值得的，因为直流电的电阻小于交流电。因此，浪费在加热电缆上的能量更少，更多能量到达目的地。
利用高压直流输电输送可再生能源绝非新想法。世界各地的偏远水坝已经通过高压直流输电线路输送水力发电，其中包括自1990年以来将魁北克北部詹姆斯湾的能源输送到新英格兰的1480公里（920英里）线路。但这项技术正在变得更好、更便宜，使得其在跨大陆电网中的应用看起来更加现实。
这项新技术的亮点之一是中国正在建设的特高压直流输电线路，用于将电力从其西部水电大项目之一的向家坝输送到上海。据项目负责人称，这条800千伏的输电线路将输送魁北克线路三倍的电力，足以满足中国东部沿海约3100万人口的需求。（如果采用1990年的旧技术，输电损耗将使服务人口减少约100万。）类似的电网升级可以将美国北部平原和德克萨斯州的风能输送到大西洋和太平洋沿岸。这种方法的缺点在于需要换流站来向线路增减电力。交流-直流转换背后的工业级电子开关价格昂贵。这种成本限制了高压直流网络中可以安装的节点数量，从而造成了相当于州际公路的输电系统，其上下匝道间隔数百英里。
海耶克认为，还有一种方法可以使电力高速公路更加灵活，同时仍然使用老式交流电，尽管电压高达765千伏。这样的线路将以美国和欧洲大多数线路最高电压的两倍以上运行，并传输多达六倍的电力，因为线路的容量大致与电压的平方成正比。（中国刚刚建成了超高压1000千伏交流线路，将这一优势进一步扩大。）这项技术最大限度地减少了在交流电和直流电之间来回转换的需要。此外，一个新的具有大量匝道的特高压交流线路网络将使长距离电力传输能够与现有交流电网上的能源传输并行。
高压交流电的概念如此吸引人，以至于美国电力公司（AEP）和美国风能协会的工程师们已经勾勒出一个足够强大的模型，仅通过风能就能提供美国20%的电力（参见下面的地图）。他们的计划采用了19000英里的765千伏线路，这些线路将纵横交错全国。600亿美元的价格看起来很高，但对于全国范围来说，平均每月电费只会增加几美元。
海耶克说，最终，州际电力网络可能会融合这两种技术，在输送距离最长的主干线路上偏爱高压直流电，而在灵活性最重要的地区则偏爱765千伏交流电。
博尔德实验
州际输电可以将可再生能源输送到消费者手中，但这只解决了一半问题。一旦电力到达现场，必须高效利用才能使电网蓬勃发展。在本地端，可再生能源和更传统的能源形式之间的区别在于可变性：乌云遮蔽了太阳能电池板上方的天空，风速甚至每分钟都在波动。智能电网必须允许客户在能源到达时充分利用能源，同时回收多余的能源并为不时之需储存起来。（我们可能还需要用稳定的电源来补充可再生能源；参见“新技术可能使核能成为应对气候变化的最佳武器”。）
美国能源部太平洋西北国家实验室（位于华盛顿州里奇兰）智能电网项目负责人、机械工程师罗布·普拉特说，这一切都归结为供需平衡。“电网几乎没有储能，因此它必须在不到一分钟的时间内，几乎是瞬间产生正在消耗的电力，”他解释说。如果落后太多，电网就会停电。“这就像你的车在坡上熄火一样。电网会迅速减速，如果减速太多，它就会崩溃。”
目前的操作模式——自19世纪末电网发明以来基本未变——通过测量总消费者需求并根据需要提高或降低发电厂的电力供应来防止停电。它确实有效，但与可再生能源不匹配。如果天气变化，太阳能电池板和风力涡轮机随时可能停止供电。因此，即使可再生能源强劲，常规发电厂也必须时刻准备好介入并承担负荷。
智能电网将通过颠覆电力系统最基本的运行规则来做得更好。它们将不再根据不断变化的需求调整电力输出，而是帮助消费者控制他们的电力使用，使其与电网最清洁和最便宜的电力来源的可用性相吻合。“有了智能电网，我们可以调整负荷，以适应风能和太阳能的下降，”普拉特说。
这种“狗摇尾巴”的方案正在科罗拉多州博尔德进行一项关键测试，明尼阿波利斯公用事业公司Xcel Energy正在那里推出首批全系统智能电网安装项目之一。主要目标：不仅通过存储，还通过技术辅助的消费者参与来管理风能和太阳能资源。
“当风停时，我们的客户不会改变他们的消费，”Xcel智能电网战略负责人迈克·卡尔森解释说。“所以我们需要建立或采购备用资源，以在风停时保持电力水平。”他指出，让Xcel的客户参与进来是智能电网实验的全部目的。关键是当可再生能源可用时，向客户提供提示，并使他们易于相应地改变消费模式。“零星地，我们的客户说，‘如果你给我工具，当风停时我会帮你，这样你就不必在后台继续燃烧化石燃料了，’”卡尔森说。
智能电表
到今年夏天，博尔德的25,000户家庭和企业应该拥有他们所需的关键工具：对全国地下室测量电力消耗的普通电磁电表的21世纪升级。这些旧电表是当今电网的缩影，其中稳定但基本上是盲目的电力流和抄表员偶尔的访问是连接发电厂和配电系统与消费者的唯一纽带。相比之下，Xcel的新型智能电表属于Twitter一代。
智能电表将通过电力线本身发送信号，每隔几秒钟向 Xcel 中央办公室进行一次检查，从而创建双向数字对话。公用事业公司将立即知道特定客户正在使用多少电力，甚至可能知道她计划稍后消耗多少电力。
几个月后，博尔德安装智能电表的客户应该能够实时查看他们的能源使用情况。到明年初，他们应该能够通过互联网查看电网状况并控制使用情况——例如，通过激活度假模式，在离家期间减少消耗。
在此首次实施中，智能电网的反馈机制是手动的：消费者必须在线获取当前电网状况的更新，然后主动更改其用电方式。例如，预测将为 Xcel 在科罗拉多州东部电网上的近 1,100 兆瓦风力涡轮机提供动力的风力可能是推迟运行洗碗机直到就寝时间的提示。“我不在乎我的碗碟何时洗好，”卡尔森说。“我只希望它们在明天早上洗好。”
卡尔森说，最终，这个过程将实现自动化，由计算机进行许多电力调度，根据不断变化的电网状况和消费者的预设偏好，控制从泳池泵和冰箱到空气过滤系统的一切。所有这些通过电线或无线网关连接到系统的负载，都可以关闭几分钟或几个小时，而大多数客户甚至都不会注意到。
对电网的影响可能相当大。2007年，普拉特的团队与IBM合作，为华盛顿州奥林匹克半岛的112户家庭配备了智能电表和无线开关，以控制他们的恒温器和热水器。这些开关可以编程为在电网电力需求（以及电价）达到峰值时关闭。普通房主转移了足够的消耗，使其峰值用电量减少了15%。
对于那些将汽车插入智能电网的博尔德地区居民来说，影响可能更大。Xcel希望将该县、博尔德市和科罗拉多大学拥有的多达500辆混合动力汽车通过增加可从电网充电的更大电池来改造为插电式混合动力汽车。其中几辆，包括大学校长的福特翼虎，已经上路。像卡尔森的洗碗机一样，混合动力汽车将在电力需求低或风力充足时充电。
博尔德的插电式汽车也可以介入帮助电网。例如，当一个炎热的夏日午后，电力线路因支撑整个城市的空调而紧张时，公用事业公司的信号可以要求车辆返还部分储存的电量。“它们可以充当电网的储能电池，吸收过剩的容量，”普拉特说。“这将真正帮助我们解决可再生能源的间歇性问题。”华盛顿特区联邦能源管理委员会主席乔恩·韦林霍夫认为插电式汽车对电网非常有益，以至于他称它们为“返现混合动力车”。韦林霍夫的赌注是，公用事业公司很快就会向车主支付费用，让他们将移动电池连接到电网，而不是向他们收取消耗的电力费用。
通向未来的路线图
能源专家预计，奥巴马的刺激资金将巩固对下一代电网的政治支持和行业投资。“智能电网设备制造商将获得巨大的启动资金，”普拉特说。“我们将看到一个20年以上的转型变成10年或更短。”卡尔森表示，Xcel将在2010年末获得智能电网价值的硬数据后，才会扩大博尔德以外的业务。但他说，如果收益符合Xcel的预期，预计智能电网将在五年内在全国范围内推广。
就电力线路的州际扩张而言，总统的刺激计划和他的可再生能源税收抵免将加速一个已经进行中的进程。海耶克认为，真正的挑战在于各州和地区机构的混杂，它们重叠的权限和相互冲突的利益使得州际输电规划成为一个官僚主义的泥潭。州监管机构在决定建造什么以及由谁支付账单方面拥有大部分权力。大多数都受州法律的约束，这些法律要求他们只考虑新线路的州内效益，因此州际电网的更广泛效益可能会被忽视。
诉讼不可避免地进一步阻碍了规划过程，因为没有人希望自家后院出现输电塔——即使它输送的是可再生能源。例如，塞拉俱乐部正在反对一条旨在将太阳能、风能和地热能输送到圣地亚哥的新线路。这条线路将横穿一片国家森林，并且（像任何电网扩建一样）也可能促进燃煤电力的新输送。这些障碍使得奥巴马总统增加3000英里新输电线路的适度目标看起来都像是痴心妄想。
海耶克说，电力公司真正需要的是联邦法律，建立一个设计州际电网、选择每段路径并分配建设和维护成本的国家流程——最好是通过向全国消费者收费。有了这种授权，海耶克誓言AEP这样的公司将完成这项工作。“实施这项支持并告诉我们建造哪些项目，”他说，“私人投资就会到来。”
