简单的修复更好的建模是可靠的能源供应的关键

2019-08-05 09:41:46

每个曾经被电线坠落的树枝或者与电话线相撞的醉酒驾驶员感到不便的人都知道我们所依赖的配电系统能够多么容易地暂时崩溃。即使像松鼠爬进公用事业公司变压器那样平凡的事情也可能使整个街区变黑数小时。

但那些只是滋扰。

美国伊利诺伊州西北大学的物理学家阿迪尔森莫特说,一年有几次,世界各地的电力故障都不仅仅是不方便。

在北美,有记录以来最大的是2003年8月,当时加拿大和美国东北部的5500万人失去了两天的电力,估计经济影响在1000亿美元到1000亿美元之间。

这绝不是世界纪录。1999年,巴西有9700万人失去了权力 - 据报道,其中有6万人被困在里约热内卢地铁上。而在2012年,印度北部经历了高达6.2亿人的熄灯。

在2003年北美停电之后,当时的总统乔治·W·布什发誓要修复美国的电网,以便这样的事件永远不会再发生。

在最近向美国物理学会年会发表的一次演讲中,Motter及其同事提出了调查结果,以解释为什么总统的善意注定要失败。

研究人员解释说,找不到实用的解决方案,因为电网是复杂的系统。例如,在美国,有超过100,000条互连传输线,拥有数百万个独立组件。

“这是生活中的一个事实,无论你如何设计这些组件,有些都会失败,”莫特说。

他补充说,需要解决的问题不是单个组件,而是“级联故障”,其中一个位置的故障会导致另一个位置的设备耗尽,影响迅速蔓延,直到整个系统的很大一部分。系统崩溃了。

为了解决这个问题,他的团队创建了整个北美网络的模型,他们可以使用这个模型来模拟成千上万的本地故障,以确定哪些条件可能触发这种级联。

事实证明,大多数系统并不是特别脆弱。

但在某些地区,局部故障可能引发更大的级联,特别是如果几个故障发生在附近,如果该地区受到极端天气(如飓风,龙卷风或大暴雨)的袭击可能会发生。

该模型的价值在于它可用于显示哪条100,000多条电力线最容易出现级联故障。这将允许资源用于升级它们,因此即使在这种压力下,它们也不会失败。

但这只是一个开始,因为升级本身改变了系统,改变了它的弱点。“其他线路变得脆弱,”莫特说。

为了解决这个问题,有必要重新运行模型来考虑每一代新修补程序,对流程进行微调,直到所有漏洞都被淘汰出局。

“我们称之为'以失败为基础的资源分配',”莫特说。

他补充说,所有这一切的挑战都是通过向可再生能源的转变而增加的,可再生能源在风和天气变幻莫测的情况下导致发电更加间歇性。

“你现在有一层新的干扰,不容易预测,”他指出。

也就是说,他明确表示这对升级电网是一个挑战,而不是绿色电力的失败。

“对于每一个问题,都有一个解决方案,”他说。

例如,传统的发电方法是调整能源产量以满足需求。但是当你的生产波动时,就有可能扭转范式并努力调整消费 - 这可以通过创造经济激励措施(如实时电价)来实现。

在同一次会议的另一场演讲中,美国科罗拉多州落基山研究所的联合创始人Amory Lovins建议,另一种缓解电网压力的方法可能是通过“设计激进的能源效率”来降低电力需求。

并不是说他直接解决了Motter的问题。相反,他正在研究通过减少总体能源使用来减少碳排放的方法,他说,用已知的实用方法估计可以避免85%的碳排放。

例如,管道和空气管道效率更高 - 能量消耗大大减少 - 如果它们“胖,短,直”,而不是“瘦,长,弯曲”。

他说,Pipefitters倾向于选择后者,但他们不会支付抽水设备或电费。如果所有管道和管道的摩擦力减少80%至90%,它们可以节省一半的世界燃煤电力。“

他解释说,这只是众多简单方法中的一种,我们可以通过改进规划来节省比实现更多的能源。

“这是一种设计方法,而不是[新]技术,”他说。

“在经济的各个领域,大多数能源使用,基本的物理原则提供了惊人的机会,使世界更丰富,更公平,更凉爽,更清洁,更健康,更安全。”

他认为,这种方法不仅可以大大缩小碳排放,还可以大幅缩小一个国家的整体“能源需求” - 暗示,这也将减少莫特所解决的电网压力。