โรงเรียนเก่า: โรงไฟฟ้าและเครือข่ายระบบส่งกำลังส่วนใหญ่ที่เราไว้วางใจมีมานานหลายทศวรรษ แอนดรูว์ฮาร์ต/flickr, CC BY-SA

โครงข่ายไฟฟ้าเป็นระบบบูรณาการที่น่าทึ่งของเครื่องจักรที่ครอบคลุมทั่วทั้งทวีป National Academy of Engineering เรียกมันว่าหนึ่งใน ความสำเร็จด้านวิศวกรรมที่ยิ่งใหญ่ที่สุด ของศตวรรษที่ 20

แต่ก็ยังมีราคาแพง จากการวิเคราะห์ของฉัน มูลค่าปัจจุบัน (คิดค่าเสื่อมราคา) ของโครงข่ายไฟฟ้าของสหรัฐ ซึ่งประกอบด้วยโรงไฟฟ้า สายไฟ หม้อแปลงไฟฟ้า และเสา อยู่ที่ประมาณ 1.5 ถึง 2 ล้านล้านเหรียญสหรัฐ การแทนที่จะมีค่าใช้จ่ายเกือบ 5 ล้านล้านดอลลาร์

นั่นหมายความว่าโครงสร้างพื้นฐานด้านไฟฟ้าของสหรัฐฯ ซึ่งมีทุนจมอยู่หลายล้านล้านดอลลาร์ จะต้องลงทุนอย่างต่อเนื่องอย่างมีนัยสำคัญในเร็วๆ นี้ เพื่อรักษาสิ่งต่างๆ ให้คงอยู่ต่อไป โรงไฟฟ้าที่สร้างขึ้นระหว่างการขยายตัวอย่างรวดเร็วของภาคการผลิตพลังงานในช่วงหลายทศวรรษหลังสงครามโลกครั้งที่ 40 ปัจจุบันมีอายุ XNUMX ปีขึ้นไป ได้ผลตอบแทนนาน และมีแนวโน้มว่าจะต้องเปลี่ยนใหม่ อันที่จริง American Society of Civil Engineers เพิ่งมอบโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานทั้งหมดa สอบผ่านเกรดD+แทบไม่ทัน

ฝ่ายบริหารปัจจุบันได้ให้คำมั่นว่าจะลงทุนอย่างหนักในโครงสร้างพื้นฐาน ซึ่งทำให้เกิดคำถามมากมายเกี่ยวกับระบบไฟฟ้า: โครงข่ายพลังงานในอนาคตควรเป็นอย่างไร? เราจะบรรลุการจัดหาพลังงานคาร์บอนต่ำได้อย่างไร ราคาเท่าไหร่?

โครงสร้างพื้นฐานดูเหมือนจะเป็นปัญหาที่สามารถรวบรวมการสนับสนุนจาก ทั้งสองด้านของทางเดิน. แต่เพื่อการตัดสินใจที่ดีในการใช้จ่าย เราต้องเข้าใจคุณค่าของกริดที่มีอยู่ก่อน

สถานะปัจจุบันของการเปลี่ยนแปลง

โครงข่ายไฟฟ้ามีจุดมุ่งหมายในทศวรรษที่ผ่านมา แต่มีเพียงไม่กี่คนที่ตระหนักว่าทั้งระบบต้องสร้างสมดุลระหว่างอุปสงค์และอุปทานอย่างละเอียดในช่วงเวลาสั้น ๆ ในเสี้ยววินาที พลังงานไฟฟ้าทุกวัตต์สำหรับให้แสงสว่างในบ้าน แล็ปท็อปที่ใช้งาน หรือเครื่องปรับอากาศที่ใช้อยู่ ถูกสร้างขึ้นในเวลาเดียวกันในสถานที่ต่างๆ ส่วนใหญ่เกิดจากการเผาเชื้อเพลิงที่หมุนแม่เหล็กในเครื่องกำเนิดไฟฟ้า โดยพื้นฐานแล้วไม่มีการจัดเก็บไฟฟ้าบนกริด แทนที่จะเก็บพลังงานส่วนใหญ่ไว้ในเชื้อเพลิง เช่น ถ่านหิน ก๊าซธรรมชาติ ผลิตภัณฑ์นิวเคลียร์ และน้ำหลังเขื่อน รอคำสั่งให้เปลี่ยนเป็นไฟฟ้าแบบเรียลไทม์

ที่ตั้งและสถานะค่าเสื่อมราคาของโรงไฟฟ้าทั้งหมดในสหรัฐอเมริกา Joshua Rhodes ข้อมูล EIA แบบฟอร์ม 860

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ตำแหน่งที่เราได้รับพลังของเราเปลี่ยนแปลงไปอย่างมาก เครื่องปั่นไฟที่เก่าแก่ที่สุดคือโรงไฟฟ้าขนาดใหญ่ โดยหลายแห่งตั้งอยู่ทางตะวันออกของสหรัฐ ส่วนเพิ่มเติมล่าสุดมีขนาดเล็กกว่าและกระจายออกไปมากกว่า เช่น แผงโซลาร์รูฟท็อปหรือฟาร์มกังหันลม ผู้เชี่ยวชาญบางคนถึงกับกล่าวว่าโมเดลของรุ่นที่กระจายตัวมากกว่าในบริเวณที่มีการใช้พลังงาน – ตามแนวขอบของเครือข่าย มากกว่าโรงไฟฟ้าส่วนกลาง – คือ บรรทัดฐานใหม่.

ต่อจากนี้ไป เราสามารถสร้างกริดกลับแบบเดียวกับที่เราเคยทำมาก่อน หรือเราสามารถลงทุนในเทคโนโลยีใหม่ๆ ที่สามารถให้บริการแบบเดียวกันได้ แต่ที่ ลดต้นทุน.

และเราจะทำให้มันสะอาดขึ้นได้อย่างไร? บางคนคิดว่ากริดสามารถ ใช้แหล่งพลังงานหมุนเวียนอย่างสมบูรณ์. บางคนบอกว่าวิธีที่ดีที่สุดในการ "ลดคาร์บอน" หรือลดการปล่อยคาร์บอนสำหรับระบบพลังงานโดยรวมคือ กระแสไฟฟ้าที่แพร่หลาย ของ ภาคอุตสาหกรรมและการขนส่ง.

แต่เพื่อตอบคำถามว่าการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวจะมีค่าใช้จ่ายเท่าใด เราต้องรู้ว่า: กริดปัจจุบันมีราคาเท่าใด คอนกรีต เหล็ก ซิลิกอน ฯลฯ ที่เราติดตั้งลงดินตอนนี้มีมูลค่าเท่าไร? เพื่อช่วยแจ้งผู้กำหนดนโยบายและนักวางแผนที่ต่อสู้กับวิสัยทัศน์ในอนาคต ฉันได้ตั้งเป้าหมายที่จะตอบคำถามนั้น

อะไรประกอบขึ้นกริด?

สำหรับแบบฝึกหัดนี้ ฉันได้จำกัด "ตาราง" ไว้ในส่วนต่อไปนี้:

1. โรงไฟฟ้า
2. สายส่งไฟฟ้าแรงสูงและแรงต่ำซึ่งส่งกำลังในระยะทางไกล
3. สายส่งไฟฟ้าซึ่งนำไฟฟ้าโดยตรงไปยังอาคารหรือจุดสิ้นสุดอื่นๆ
4. สถานีไฟฟ้าย่อยสำหรับกำหนดเส้นทางพลังงานบนสายส่ง
5. สถานีย่อยบนกริดการจำหน่าย
6. หม้อแปลงไฟฟ้าที่เปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าบนโครงข่ายไฟฟ้า

การคำนวณนี้จะไม่รวมส่วนประกอบเพิ่มเติมและจำเป็นของกริด เช่น สายไฟฟ้าภายในบ้านของคุณ วัดที่แผงไฟฟ้าในบ้านและอาคาร และอุปกรณ์ปลายทางที่ใช้ไฟฟ้า

จากรายงานสาธารณะที่หลากหลายและใช้ประมาณการล่าสุดสำหรับการก่อสร้างใหม่และแนวทางมาตรฐานสำหรับการประมาณค่าเสื่อมราคา เราได้วัดมูลค่าของสินทรัพย์ของประเทศสำหรับการผลิต การส่ง และการจำหน่ายไฟฟ้า

กำลังการผลิตรวมของโรงไฟฟ้าเหล่านี้ประมาณ 1.15 เทราวัตต์ นั่นคือกำลังการผลิตของเครื่องปฏิกรณ์พลังงานนิวเคลียร์ประมาณ 1,000 เครื่อง (ปัจจุบันสหรัฐอเมริกามีประมาณ 100 เครื่อง) อย่างที่คุณสามารถจินตนาการได้ว่าการเปลี่ยนทดแทนนั้นมีค่าใช้จ่ายสูง สำหรับโรงไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว มูลค่าทดแทนเกือบ 2.7 ล้านล้านดอลลาร์ และมูลค่าที่คิดค่าเสื่อมราคาหรือมูลค่าปัจจุบันคร่าวๆ อยู่ที่เกือบ 1 ล้านล้านดอลลาร์ โดยภาพรวมแล้วมูลค่าของโรงไฟฟ้าอยู่ที่ประมาณร้อยละ 56 ระบบส่งกำลังร้อยละ 9 และระบบจำหน่ายไฟฟ้าร้อยละ 35

รายละเอียดของการเปลี่ยนและค่าเสื่อมราคาของโครงสร้างพื้นฐานด้านไฟฟ้าของสหรัฐ แหล่งข้อมูลพื้นฐานจำนวนมาก รวมทั้งจาก EIA เหมือนกับแหล่งข้อมูลที่ใช้ล่าสุดในการศึกษาต้นทุนค่าไฟฟ้าทั้งหมดของสถาบันพลังงาน UT-Austin เราใช้ตารางการคิดค่าเสื่อมราคาแบบเส้นตรงแบบง่ายที่สิ้นสุดด้วยมูลค่าเศษซากที่ 15 เปอร์เซ็นต์ของต้นทุนเริ่มต้นเมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานที่คาดไว้ โจชัวโรดส์

ทางข้างหน้าเป็นอย่างไร?

หากเราต้องการมีอนาคตของพลังงานที่สะอาดกว่า มีหลายเส้นทางที่จะไปถึงที่นั่น อย่างไรก็ตาม ฉันตั้งสมมติฐานว่าเส้นทางที่ถูกที่สุดและมีแนวโน้มมากที่สุดจะเป็นเส้นทางที่ใช้ประโยชน์ได้ดีที่สุด ไม่ใช่ซ้ำซ้อน โครงสร้างพื้นฐานที่เรามีอยู่แล้ว เส้นทาง "แบบพลักแอนด์เพลย์" ที่สุดวิธีหนึ่ง (และสิ่งที่เราเห็นในปัจจุบัน) คือการเปลี่ยนจากถ่านหินเป็นเชื้อเพลิงที่ใช้ก๊าซเป็นเชื้อเพลิงในโรงไฟฟ้าที่สามารถใช้สายไฟ เสา และโครงสร้างพื้นฐานทางน้ำที่มีอยู่ได้

ในอีกด้านของสเปกตรัม เศรษฐกิจไฮโดรเจนจะต้องมีการลงทุนใหม่มหาศาลในเทคโนโลยีชนิดใหม่ ดังนั้นมันจะใช้ประโยชน์จากสิ่งที่เรามีในปัจจุบันน้อยลง ตัวอย่างเช่น เราจำเป็นต้องสร้างสถานที่สำหรับผลิตและเก็บไฮโดรเจน ในทางกลับกัน มีศักยภาพที่จะมีความยืดหยุ่นและยั่งยืนมากขึ้น

แสดงอายุ: การอัพเกรดสายส่งไฟฟ้าสามารถนำพลังงานแสงอาทิตย์และพลังงานลมจากพื้นที่ห่างไกลของประเทศไปยังที่ที่ผู้คนอยู่ ซึ่งจะช่วยให้กริดสะอาดขึ้นและอาจมีราคาที่ต่ำลง indigoskis/flickr, CC BY-NC-ND

ด้านหนึ่งที่มีแนวโน้มว่าจะลงทุนในโครงสร้างพื้นฐานคือการอัพเกรดเครือข่ายระบบส่งไฟฟ้าจำนวนมาก การอัพเกรดเหล่านี้อาจทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านระหว่างภูมิภาคต่างๆ ของสหรัฐฯ และคล้ายกับที่ระบบทางหลวงระหว่างรัฐช่วยลดต้นทุนทางธุรกิจทั่วประเทศโดย ลดเวลาที่ใช้ในการขนส่งสินค้าและบริการทั่วประเทศอันกว้างใหญ่ของเราอย่างมาก.

มีบางพื้นที่ในสหรัฐอเมริกาที่ผลิตไฟฟ้าราคาถูกและมี ผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าในด้านอื่นๆ. การขยายสายส่งไปยังพื้นที่ของประเทศที่มีแหล่งลมและพลังงานแสงอาทิตย์ที่ดี สามารถนำพลังงานที่มีต้นทุนต่ำมาสู่ผู้ใช้ได้ ปัญหาคือพื้นที่เหล่านี้ไม่ได้อยู่ที่ประชาชนเสมอไป ดังนั้นเพื่อนำพลังนี้มาสู่ประชาชน เราจำเป็นต้องมีเครือข่ายการส่งสัญญาณที่แข็งแกร่ง

เครือข่ายการกระจาย - ส่วนหนึ่งของกริดที่ส่งพลังงานโดยตรงไปยังอาคาร - ยังสามารถรวมพลังงานแสงอาทิตย์ได้มากขึ้นโดยไม่มีค่าใช้จ่ายเพิ่มเติมในการดำเนินงานของกริด แต่เมื่อความจุพลังงานแสงอาทิตย์ถึงเปอร์เซ็นต์ของความต้องการพลังงานในเครือข่ายท้องถิ่นซึ่งแตกต่างกันไปตามสถานที่ มีค่าใช้จ่ายเพิ่มขึ้น.

ในท้ายที่สุด ผู้บริโภคหรือผู้เสียภาษีมักจะต้องจ่ายเงินสำหรับโครงการอัปเกรดเหล่านี้เสมอ แต่ผลประโยชน์อาจมีค่ามากกว่าต้นทุน การขยายโครงข่ายไฟฟ้าของเท็กซัสได้อนุญาตให้ พลังงานลมมากขึ้นในการเข้าถึงศูนย์โหลด ประกอบกับราคาก๊าซธรรมชาติที่ลดลง ส่งผลให้ต้นทุนตลาดค้าส่งไฟฟ้าลดลง ต้นทุนที่ต่ำกว่าเหล่านั้นก็คือ ส่งต่อไปยังผู้จ่ายค่าธรรมเนียม.

ไม่มีเส้นทางใดที่ไม่ต้องการการลงทุน แม้แต่การรักษาสิ่งที่เรามีไว้ก็ต้องใช้เงินหลายแสนล้านเหรียญสหรัฐในทศวรรษหน้า คำถามที่ใหญ่กว่าคือ: ในขณะที่เรายังคงเปลี่ยนและสร้างกริดที่น่าทึ่งนี้ต่อไป เราควรให้ความสำคัญกับเทคโนโลยีใด

เกี่ยวกับผู้เขียน

Joshua D. Rhodes นักวิจัยพลังงานหลังปริญญาเอก University of Texas at Austin

บทความนี้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ สนทนา. อ่าน บทความต้นฉบับ.

หนังสือที่เกี่ยวข้อง

at ตลาดภายในและอเมซอน