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美国特高压:超级大国并没有超级电网

北极星输配电网  来源:电新深度观察    2018/9/13 11:16:06  我要投稿  

北极星输配电网讯:为您解读美国特高压:超级大国并没有超级电网

摘要能源结构决定中美电网差异化形态。①东部电网地区因靠近美国主要煤、气供应地而以煤炭和天然气发电为主。②西部电网地区则因靠近科罗拉多山系和河流,分布有落基山脉等地势落差很大的山体,主要以水电装机为主。山脉地形客观上也阻碍了西部电网对外联结的发展。③南部的德克萨斯电网处于页岩气盆地所在地,天然气发电一家独大,形成了区域内的独立小电网。

(来源:微信公众号 电新深度观察 ID:dlsbxny 作者:国君电新徐云飞/王浩团队)

美国电网在建设之初便是分散破碎的。美国的电力产业结构非常复杂,尤其是电网的产权结构支离破碎,分散掌握在超过五百家的公司与组织手中。再加上电力产业的自然垄断性质,每一家电力公司都是当地的行业垄断者。而美国宪法高度重视对私有财产权的保护,不能随意干涉电力公司的经营。而在中国,国家电网公司和中国南方电网公司已经在特高压技术上形成了壁垒。目前,中国已投运的特高压线路共13条,其中国家电网已投运的特高压线路超过10条,南网投运2条。通过特高压建设将使中国电网连成“一张网”。

美国输变电主网投资在20世纪70年代至90年代处于停滞状态。美国输电网投资自20世纪70年代以来一直处于停滞状态,且长期滞后于电力需求和发电装机容量的增长。原因在于:①美国联邦制下跨州输电项目建设需要多个州的监管部门同意,多个联邦政府部门之间的协调难度较大,且行政审批程序复杂、耗时长,最终获准门槛高。②输电网项目相较于其他投资项目,具有回报率低,建设周期长等特点,因而比较缺乏投资吸引力,所能筹集的输电项目建设资金规模有限。③美国已经完成了工业化、城镇化,经济发展速度趋缓,电力需求也增长缓慢,使得电网建设驱动力不足,因而在20世纪中期完成迅速扩张后开始停滞。美国电网投资在1975-1999年逐年下降,平均每年下降8600万美元,直到2005年才恢复到1975年的投资水平。

美国没有特高压输电线路,未来是否建设尚不明确。山地地形决定美国电网区域分布特点,相互各自独立,电网联结需求较小,建设难度较大,美国也曾尝试特高压建设,但联邦制下美国各自为政的区域化电网结构很难做到全局统筹兼顾,因此美国特高压远距离输电网建设的阻力较大。出于电网升级的需求,和来自中国特高压技术成功实践的影响,美国政府高层对特高压建设持支持态度,未来有可能建设特高压。

  1. 特斯拉不仅是汽车,更是电网先驱

1.1马斯克将公司命名特斯拉

20世纪特斯拉是电力商业化的鼻祖。尼古拉·特斯拉(1856/7/10-1943/1/7,塞尔维亚裔美国人)是交流电、无线电等的重要创造者和推动者,公认为是电力商业化的鼻祖。特斯拉发现了无线传输电能的理论,以空气作为能量的导体。他的理论与社会工业资本对立,具备颠覆所有电力公司的能力,受到爱迪生排挤,没有得到实践空间而被扼杀。

马斯克将公司命名为特斯拉是为了向科学家和工程师致敬。据《在火星上退休:伊隆·马斯克传》,作者呈现了很多马斯克不为人知的秘闻,其中包括为什么要以“特斯拉”作为公司的名字。2004年2月,五位创始人用尼古拉·特斯拉的名字,命名为特斯拉电动汽车公司,纪念他们眼中伟大的物理学家尼古拉·特斯拉,特斯拉的颠覆性意义隐藏在“特斯拉”这个名字中,即伊隆·马斯克的终极梦想:用电动车结束人类对石油的依赖。马斯克说,将公司命名为特斯拉,是为了向伟大的科学家和工程师致敬,这比马斯克汽车的名字酷多了,我永远也不会拿我的名字命名任何公司。

1.2交直流大战确立特斯拉交流电的主导地位

美国“交直流大战”确立了特斯拉交流电的主导地位。由于具备远距离传输损耗更小等优势,他的交流电体系打败爱迪生的直流电,在西屋电气公司的资助下成为了美国的供电标准。特斯拉的交流电最终成为各个国家最通用的电流形式。虽然特斯拉和他的交流电最终赢下这场战争,却因为和爱迪生之间无止境的消耗战,让特斯拉和他的赞助商濒临破产,但特斯拉为了让全人类享用成果,没有选择申请专利,最终欠下JP摩根巨额债务。

爱迪生与特斯拉交直大战不可避免。19世纪80年代初期,爱迪生因将电引入人们的生活而在美国家喻户晓,他建成的输电系统使用的均是直流电(DC)。1884年,28岁的塞尔维亚人特斯拉手握巴切罗写给爱迪生的推荐信,飘洋过海来到美国纽约顺利见到了爱迪生。在他为爱迪生的公司工作期间,爱迪生曾口头许诺:如果特斯拉能够改进公司涡轮机的设计,将为他提供五万美元的报酬。而当特斯拉出色地完成任务后,爱迪生却食言了,并声称之前只是玩笑之言,“特斯拉,你不懂我们的美国式幽默。”特斯拉便离开了爱迪生的公司,就此种下了交直流大战的种子。

19世纪末特斯拉独自将交流电技术尝试商业化。在特斯拉离开爱迪生之后,便开始针对交流电的产生、输配和使用进行了一系列的发明和技术革命,1887年,特斯拉注册了交流电的专利,1888年,交流电(AC)技术投入市场。与直流电相比,交流电系统具有可高伏输送的优点,电流输送范围更广,输送效率更高,所使用的导线更细,减少了铜的消耗。远距离传输也减少了电站的数量,建设成本也更低。彼时,交流电与直流电大战也拉开帷幕。

特斯拉交流电最终赢得胜利,最终成为各个国家最通用的电流形式。在交流电与直流电之争热烈上演的历史中,有两个事件可以称为特斯拉对爱迪生的漂亮反击:

① 特斯拉亲身试电

1893年,历史上第一次电气交易会哥伦比亚博览会进行招标,这对于爱迪生和特斯拉来说,是交直流大战中的重要一役。最初以爱迪生为代表的通用电气报价180万美元,使用直流电发电系统,但很快就被主办方驳回,因为这一报价远远超出其预算。于是爱迪生狠下心把报价压缩到55.4万美元,正当他胸有成竹、势在必得之时,威斯汀豪斯带领的西屋电气以39.9万美元的超低价格成功中标,而他使用的是特斯拉发明的交流电系统。在展会上,特斯拉为了反驳爱迪生散播的交流电有致命危险的言论,一手高举磷光灯泡,另一只手摸向电门,以自己的身体为导体,点亮了手中的灯泡。对手的诽谤不攻自破,参会者都为之叹服。

② 攻克交流远距离输电难题

1897年,第一座位于尼亚加拉瀑布的水力发电站建成,成为了35公里外纽约州水牛城的主要供电来源。爱迪生的直流电系统面临远距离传输败下阵来,而特斯拉专门设计的交流电发电机运用交流电输电技术,用高压实现了远距离供电,彻底解决了尼亚加拉水电站远距离供电的难题。如今的尼亚加拉大瀑布的公园中还竖立着一座特斯拉的铜像。经此一役,也确立了交流电的主导地位,在与直流电的大战中赢得胜利,并一直保持到今天。

2.能源结构决定中美电网差异化形态

2.1中国能源资源禀赋形成大一统电网

多煤贫油少气决定了中国以火电装机为主。①中国的煤炭资源丰富,据《世界能源统计回顾2015》数据显示,中国能源消费结构中煤炭占比高达66%,约为天然气和石油消费总量的两倍。②依托于中国丰富的煤炭资源,发电装机结构中火电占据主导地位。

能源资源分布不均,形成特高压西电东送、北电南送的电网格局。我国电力供应以煤电为主,煤炭资源集中分布在华北、西北地区,而我国主要用电负荷中心集中分布在华东及东部沿海的人口密集区,供给与需求的空间错配客观上要求建设跨区域特高压电网,为全国统一电网的建设创造条件。

2.2美国依托区域资源形成分布式电网

美国能源结构主导者由煤炭变为天然气。美国拥有世界上最大的煤炭储量,是世界第二大煤炭生产国,回顾美国能源发展历史,直到20世纪80年代煤炭装机量占比维持在较高的水平。自2000年以来,随着美国页岩气革命的成功和向全世界蔓延,天然气逐渐在美国能源结构中占据绝对主导地位。

三大电网能源结构迥异,各成一体。依托于各自区域内的优势能源资源,美国形成了东部、西部和德克萨斯(ERCOT)三大电网体系。东部电网地区因靠近美国主要煤、气供应地而以煤炭和天然气发电为主。‚西部电网地区则因靠近科罗拉多山系和河流,分布有落基山脉等地势落差很大的山体,主要以水电装机为主。山脉地形客观上也阻碍了西部电网对外联结的发展。ƒ南部的德克萨斯电网处于页岩气盆地所在地,天然气发电一家独大,形成了区域内的独立小电网。

2.3中美电网结构形态的路径依赖

美国电网建设之初便是分散破碎的。①美国作为世界上最先广泛使用电力的国家,在资本主义私有制的经济体制下,其电力产业在自由市场中从无到有逐渐发展起来。基于这样的历史背景,美国的电力产业结构非常复杂,尤其是电网的产权结构支离破碎,分散掌握在超过五百家的公司与组织手中。再加上电力产业的自然垄断性质,每一家电力公司都是当地的行业垄断者。②而美国宪法高度重视对私有财产权的保护,不能随意干涉电力公司的经营,因此只能协商、呼吁邻近区域的电力公司联合成立电网调度组织RTO(Regional Transmission Organization)或者ISO(IndependentSystem Operator)。


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