作者：Ryan McEnrush，a16z合夥人；譯：0xjs@金財經
電網是一個由電線和發電廠組成的龐大而複雜的系統，對我們的經濟至關重要，也是我們工業實力的基礎。目前，美國面臨嚴峻的挑戰：由於人工智慧運算、回流和「電氣化」等因素，美國的電力需求預計到2040 年將增加近一倍，但我們的電網基礎設施和營運卻難以跟上步伐。
為了抓住能源豐富的未來，我們必須簡化電力的生產、傳輸和消耗；這需要去中心化電網。大型發電廠和長途輸電線的建設十分繁瑣，但太陽能、電池和先進核反應器等技術卻帶來了新的可能性。正是這些以及其他更「本地」的技術可以避免昂貴的長途佈線並直接部署在現場，這將有助於支持未來幾十年負載的顯著增長。
雖然歷史上的工業擴張依賴大型中心化發電廠，但21世紀標誌著向去中心化和間歇性能源的轉變，從「中心輻射」模式轉變為分散式網路。當然，這種演變會帶來新的挑戰，我們需要創新來彌補差距。
成長的煩惱
美國電網由三個主要互聯網絡組成：東部、西部和德克薩斯州，由17 名NERC 協調員管理，ISO（獨立系統運營商）和RTO（區域輸電運營商）負責監督區域經濟和基礎設施。然而，實際發電和輸送由當地公用事業公司或合作社處理。這種結構在低負載成長的時代發揮了作用，但擴展電網基礎設施以滿足當今的需求變得越來越具有挑戰性和昂貴。
接取問題
電網營運商使用接入佇列來管理新的資產接入，評估電網是否可以在不失衡的情況下支援該位置的新增電力，並確定必要升級的成本。如今，超過2000 GW 正在等待接入電網，光是2022 年就有超過700 吉瓦的項目進入隊列。這是一個 很大的數字：整個美國電網的發電裝置容量只有1200 GW。
但現實中，不少項目因面臨併網成本而退出。從歷史上看，只有10-20% 的排隊項目得以實現，通常需要在申請後5 年以上才能最終連接——而且這些時間只會越來越長。發電商經常提交多個推測性提案來確定最便宜的接入點，然後在已知成本後撤回不利的提案，使可行性研究變得複雜。由於申請數量激增，加州電網營運商CAISO 被迫在2022 年停止接受任何新請求，並計劃在2024 年再次這樣做。
這是我們能源轉型中的關鍵速率限制因素和成本驅動因素。美國能源部最近的報告發現，要滿足到2035 年的高負載成長，整合新資產的區域內輸電必須增加128%，區域間輸電必須增加412%。較樂觀的預測預期成長率分別為64% 和34%。
擬議的改革有助於緩解這種開發積壓。聯邦能源管理委員會(FERC) 正在推行「先準備、先服務」的政策，透過增加費用來過濾提案並加快審查速度。德州電力可靠性委員會(ERCOT) 採用「接入和管理」方法，可以實現更快的接入，但如果專案威脅到電網可靠性，則將其斷開——這正在快速添加新電網資產方面取得了巨大成功。雖然這些政策標誌著進展，但簡化NEPA等其他法規對於加快建設也至關重要。
但即使獲得批准，電網建設仍面臨供應鏈障礙，包括超過12 個月的交貨時間 、大型電力變壓器價格飆升400%，以及特種鋼材的短缺。實現發展變壓器製造的聯邦目標還取決於對電工鋼產業的支持，尤其是即將到來的2027 年能源效率標準。所有這一切都發生在電網停電（主要與天氣有關）達到20 年來最高水平之際，需要更換硬體。
這還不包括輸送
最終，建設電網基礎設施的成本改革表現為消費者的價格上漲。消費者支付的「零售價」是批發價（發電成本）和輸送費（將電力輸送給你所需的基礎設施成本）的組合。至關重要的是，雖然廉價的再生能源和天然氣發電價格有所下降，但輸送電力的價格卻大幅上漲。
這件事情是由很多原因導致的。公用事業公司利用配電費來抵銷客戶發電的損失，旨在確保固定回報基礎設施投資的收入（類似成本加成的國防承包）。再生能源的發展需要將電力線路延伸到偏遠地區，而這些線路由於間歇性而使用較少。此外，隨著電氣化和自發電的提高，負載變得更加不穩定，為高峰需求而設計的基礎設施變得效率低且成本高昂。
政策和市場調整正在應對這些不斷上升的運輸成本，加州大量採用分散式電力系統（例如屋頂太陽能）就是一個顯著的例子。
加州的淨能源計量（NEM）計畫最初允許房主以零售價將多餘的太陽能賣回電網，並忽略公用事業公司的配電成本。最近的變化現在基本上以可變批發價回購電力，從而減少了太陽能電池板所有者在高峰發電時段的收入，而高峰發電時段通常與最低電價一致。這項調整延長了太陽能裝置的投資回收期，促使房主和企業投資電力存儲，以便在更有利可圖的時候出售能源。
加州公用事業公司還提出了一種計費模式，其中固定費用取決於收入水平，使用費取決於消耗量。此舉旨在讓富裕的客戶承擔更多電網基礎設施的成本，保護低收入個人免受零售電價上漲的影響。儘管這項具體政策最近因類似但不那麼極端的版本而被擱置，但這樣的想法可能會導致富裕用戶完全脫離電網。叛離可能會導致剩餘用戶付出更高的成本，並引發「死亡螺旋」。有些人認為，這種情況已經在夏威夷電力市場發生，一些地區迅速轉向電動熱泵。
讓電燈一直亮
電不是魔法；電網運作複雜。在任何時候，產生的電力都必須與電力需求或「負載」相符；這就是人們所說的「平衡電網」的意思。在較高層面上，電網穩定性依賴維持恆定的頻率—在美國為60 Hz。
電力線路容量超出而造成的擁塞（向電網電力傾銷）會導致限電和當地價格差異。任何頻率偏差也會導致發電機和電動機設備損壞。風能、太陽能和電池——缺乏慣性的反向資源——隨著它們的激增，也使頻率穩定變得複雜。在極端情況下，偏差可能會導致停電，甚至損壞併網設備。
由於電網固有的脆弱性，必須仔細考慮與之相連的資產，使可靠的供應與預測的需求保持一致。間歇性電源（供應不可靠）的成長與「電氣化」（需求激增）的興起相結合，正在帶來 嚴峻的挑戰。
什麼時候夠了，夠了？
大約三分之二的負載由批發市場透過（大部分）日前拍賣來平衡，其中價格由所需的最後一個電力單位的成本決定。再生能源沒有邊際成本，在活躍時通常出價高於其他能源，導致價格波動——當再生能源滿足需求時價格極低，當需要更昂貴的能源時價格飆升（註：出價不同於平準化能源成本LCOE。）
太陽能和風能的不可預測性，以及老化化石燃料發電廠的關閉，對電網穩定性帶來壓力。這會導致停電（生產不足）和限電（生產過剩），例如加州2022 年將產生2400 GWh 的浪費。解決這一問題需要對能源儲存和輸電改進進行投資（如下所述）。
此外，隨著電力供應變得更加不可預測，天然氣因其成本效益和靈活性而發揮越來越重要的作用。天然氣通常透過「尖峰發電廠」來支援再生能源，這些發電廠僅在需要時啟動。一般來說，太陽能和風能的間歇性使得天然氣發電廠和其他類型的發電廠間歇性地盈利，有時甚至由於技術原因而連續虧損運作。因此，當「尖峰電廠」在再生能源停電時設定批發價格時，會導致成本上升，進而為消費者帶來波動。
對電力的需求也在改變。熱泵等技術雖然節能，但在再生能源發電量較低時可能會導致冬季負載高峰。這要求電網營運商保留一定的電力資產緩衝，並且在資源充足性規劃中經常忽略再生 能源。電網營運商通常遵循「十分之一」的規則，每十年接受一次電力短缺，但實際計算更為複雜。在ERCOT 中，由於缺乏傳統的容量市場來代替價格上漲激勵措施，我們已經看到隨著再生能源進入電網， 「緊急儲備」不斷增長。
像加州這樣的太陽能高滲透率地區也面臨著“duck曲線”，要求電網營運商隨著日光的減弱和需求的增加而迅速增加超過20 吉瓦的電力。對於旨在持續輸出的工廠來說，這在技術和經濟上都具有挑戰性。
再生能源的間歇性會產生隱性成本，迫使電網營運商承擔風險或投資新資產。雖然能源平準化成本評估了專案的經濟可行性，但它過度簡化了資產對更廣泛電網的真實價值。然而，LCOE 確實凸顯了建造核電廠等新資產所面臨的經濟挑戰。儘管核能比當今的天然氣更昂貴，但核能提供了一條令人信服的可靠電力脫碳途徑。我們只需要擴大反應器建設規模。
但我們不能只依賴核能。僅僅依賴單一能源是有風險的，俄羅斯能源製裁期間法國面臨的核子挑戰以及美國南部寒冷天氣下的天然氣問題就表明了這一點，更不用說大宗商品價格波動了。擁有大量再生能源的地區，如加州，也由於日常依賴進口而面臨不確定性。即使是冰島或斯堪的納維亞半島等幾乎100% 使用清潔能源的地方，也會在危機期間保持可靠的備份或進口選項。
變智能
隨著電力需求的成長，電網難以應對因去中心化和間歇性再生能源而日益複雜的情況。我們不能用蠻力強制這種轉變；如果我們要這麼做，我們真的需要變得聰明。
目前的電網老化且“愚蠢”，依賴發電廠根據預測需求調整生產，同時進行小幅即時調整以確保穩定性。電網最初是為大型發電廠的單向流動而設計的，但它受到了多個小型電源向各個方向提供電力的概念的挑戰，例如你的屋頂太陽能為鄰居的電動車充電。此外，缺乏對即時潮流的真實可見性帶來了迫在眉睫的問題，特別是在配電層面。
住宅太陽能、電池、先進核能和（可能的）地熱能提供分散的電力，減少了基礎設施建設的需求。然而，整合不斷變化、不穩定的電網仍然需要創新的解決方案。此外，透過本地儲存和需求側響應（例如在電網緊張時關閉恆溫器），甚至可以顯著提高公用事業規模電力系統的有效使用，從而減少構建僅短暫在線的未充分利用資產的需要高峰期。
「智慧電網」旨在實現所有這些以及更多目標，並且可以分為三個主要技術組：
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電錶前端
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動態線路額定值、固態變壓器、電壓管理和潮流系統、更好的導體、基礎設施監控、電網規模發電、電網規模儲存等。
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儀表後端
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熱泵、電器、住宅太陽能、家庭儲能、電動車充電器、智慧恆溫器、智慧電錶、微反應器和小型模組化反應器、微電網等。
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電網軟體
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虛擬發電廠、更好的預測、設備管理、能源資料基礎設施、網路安全、ADMS、互連規劃、電力金融工具、雙邊協議自動化等。
具體來說，有兩大趨勢對於「智慧電網」的未來至關重要。
首先，我們需要建造大量儲能設施，以平滑局部高峰負荷，穩定整個電網的間歇性供電。儲能電池對於小規模的電力爆發已經至關重要，並且隨著價格的 持續下降，甚至可以覆蓋更長的時間。但擴大數百吉瓦時的電池規模也需要擴大供應鏈。幸運的是，強勁的經濟狀況可能會繼續加速部署；企業家應該尋求在任何可能的地方接入電池。
二是加快分散式能源資產網路部署和整合。凡是能電力華的東西都會電力化。允許這些系統與家庭和電網規模的能源系統互動將需要各種新的解決方案。電動車或恆溫器等「智慧」設備的集合甚至可以形成模仿更大能源資產行為的虛擬發電廠。
未來是什麼？
電網擴張的一個核心挑戰是仔細平衡中心化和去中心化系統之間的轉變，同時考慮經濟和可靠性問題。中心化電網雖然簡單且（通常）可靠，但也面臨著複雜的需求波動和高固定成本的問題——例如，全球大多數大型核電站都是由政府資助的，去中心化電網雖然仍處於部署的早期階段，但價格便宜，但不能自動確保可靠的電力，正如印度一些農村社區的偏好所顯示的那樣。
需要明確的是，我們今天擁有的中心化電網肯定不會消失——事實上，它還需要擴大規模——但它將被周圍不斷增長的去中心化資產網絡所消耗。納稅人將越來越多地採用自行發電和存儲，挑戰傳統的電力壟斷並推動監管和市場改革。這種自發電趨勢將在特別重視可靠性的能源密集產業中達到極致——亞馬遜和微軟已經在追求核動力資料中心，我們應該盡一切努力加速新反應器的開發和部署。
更廣泛地說，納稅人需要可靠、負擔得起和清潔的電力，通常按這個順序。 ERCOT擁有得天獨厚的地理位置、易於創新的「純能源」市場以及寬鬆的互聯政策，將成為關注的關鍵，以便了解是否、何時以及如何通過去中心化電網實現這一點。毫無疑問，成功駕馭這項轉變將帶來顯著的經濟成長。
至關重要的是，建造這種去中心化電網需要我們最有才華的企業家和工程師：我們需要一個在用戶前、用戶後和電網軟體技術方面進行認真創新的「智慧電網」 。政策和經濟趨勢將加速這一電力發展，但確保這種去中心化電網比舊電網運作得更好的責任將落在私營部門身上。
美國電網的未來在於利用新技術和擁抱自由市場來克服我們國家的挑戰，為更有效率、更有活力的能源格局鋪路。這是21世紀的偉大事業之一，但我們必須迎接挑戰。
世界正在快速變化，電網也必須隨之改變。