高压交流和高压直流互联网络的全球意�

高压交流和高压直流
互联网络的全球意义

全球能源网国际公司总裁 Peter Meisen

图1 可再生能源分布

高压交流 (HVAC) 和高压直流 (HVDC) 的互联系统继续在全球发展. 北美联合电力系统和欧洲及北欧的电网 (UCPTE, CENTRAL CIS 和 Nordel) 提供了一个稳定的能源基础结构, 从而节省了电力交易中大量费用, 减少了容量要求和紧急备用. 拉丁美洲, 印度, 中国和东南亚的经济增长, 促使他们需要更多的电力容量和传输这些电力的输电系统.

在过去的几十年中, 绝大多数的电力发展依靠的是化石燃料及核资源. 例如, 中国在今后的20年里, 每月都将有一个大型的火电厂计划投入生产. 开始时人均消耗量还很低, 但在今后的十几年中, 这种能源发展速度对环境所造成的后果如果未引起重视的话, 将来回成为中国大气污染的主要来源. 这里有一个解决方案, 它既可以满足不断上涨的电力需求又能抑制大气污染. 如今我们可以接受跨越政治边界的远距离输电. 通过开发地球上某些遥远地区的丰富的可再生能源, 如图1所示, 我们可以在环境足以支持的情况下, 给予电力必需的发展.

图2 全球人口预测

全球面临的挑战

1996年, 世界资源学会和世界银行预测了资源是今后全球所面临的主要挑战. 预计到2025年, 人口数量将从现有的59亿增长至83亿, 如图2所示, 其中大部分的人口增长发生在发展中国家. 因为90%的人口增长将发生在城市, 超大规模的城市将会出现. 水资源短缺将达到临界状态. 如今, 人类并未充分地满足自己的基本需求. 在发展中国家有20亿以上的人口在没有电力和干净饮水的环境下生活.

世界能源理事会设想发展中国家在人口和经济不断增长的这一段时期具有双倍一次能源的需求. 1997年在京都气象协议对发达国家温室效应的排放, 要求比1990年下降5%. 但即使在此协议承诺之下, 温室气体的排放肯定会随全球经济的发展不断上升. 当我们从总量上来研究这些趋势时, 预期的结果对于几十亿人类和我们的星球是不乐观的. 但是, 为可持续发展提供坚实基础的解决办法是存在的. 高压交流和高压直流系统的发展和更多的可再生能源为电力生产创造了条件.

全球的科学设想

全球能源网国际公司 (GENI) 认为大多数问题是不能被孤立解决的, 因为大多数的问题在我们的社会中是相互作用的. 世界性的问题必需通观全局, 在制定计划时必需预计未来的发展趋势, 寻求既能满足人们的需要, 又能保持环境的解决办法.

在十分详细地归纳出地球蕴含的资源之后, R. Buckmister Fuller 博士设计了一个全球模型叫做World Game™, 给世界的设计者们带来了对全球的设想和解决问题的潜力. 此模型的目的为 “在尽可能短的时间里, 通过自发的合作使世界100%地为人类服务而没有生态破坏和对人类不利.”

从广义的途径寻求对全球问题的解决办法, 可以发现所有社会子系统 (食品﹑住所﹑健康﹑污水﹑运输﹑通讯﹑教育﹑财政) 的通常衡量标准就是电力. 在对电力传输系统进一步的研究中, 早在25年前就有建议全球最经济﹑有效, 可持续的战略是把地区的电力系统相互连接成一个连续的可再生能源的世界电力能源网络. 这是World Game™, 基本的解决法案和对和平及可持续发展的最引人注目的战略.

这个全球性的设想已有几十年了, 地区互联的电力网在经合组织 (OECD) 国家正很好地发展着. 1971年, 联合国自然资源委员会证实了以下发现, 着重指出了在南半球依然潜在着大量尚未使用的可再生能源. 1992年召开了全球高级首脑会议, 在联合国环境计划中认为能源网解决法案是: “对进一步的环境保护和可持续发展提供了最重要的机会之一.”

技术的发展使得电能可以传送得更远更廉价. 在过去的二十年里, 技术的进步使国际和地区间的互联网络不断发展. 仅在五十年前, 电能只能在600km 以内被有效地传输. 60年代, 材料科学有了突破性进展, 改善的合金材料用于导体和很好的绝缘体, 从而把600km的传输距离增加到2500km. 现在, 国际大电网会议 (CIGRE) 研究表明超高压输电可行的和经济的距离为直流7000km, 交流4000km. 这样长的距离可以将电力在南北半球之间传输, 补偿季节变化的需要, 以及东西方跨大陆和时区的相互配合. 现在在所有发达国家购买和销售电力是很平常的, 因为电力部门希望把能源需求的峰谷拉平, 节省成本并增加其可靠性.

解决全球问题的经济办法

电网的发展和互联已被证明是经济可行的. 在发达国家, 相邻公用事业和国家之间的电力买卖和电力转送节省了数十亿美元的资金. 这样的发展甚至可以满足将来的需求. 而且, 无论是基于本地或是邻国, 公用事业的放松管制带来了许多新的选择途径. 节约还反映在当点力生产者在扩展市场是减少了用户的费用. 超高压输电 (UHV) 技术对于地区发展的潜力是非常大的. 一些世界上最丰富的可再生资源蕴藏在拉丁美洲, 非洲和亚洲的发展中国家. 向发达国家出口这些过剩的未开发的能源, 给北方提供廉价, 清洁的能源, 同时给发展中国家提供所需的资金. 历史证明, 平等的贸易促成合作. 这样, 经过互联电网进行远距离输电不仅可以拓展世界贸易, 还能促进世界的和平和安全.

中国的可再生资源

开发偏远地区可再生资源给中国和东南亚地区带来效益. 中国是世界上人口最多经济发展最快的国家.

预计几年后每年的电能需求为15,000MW至20,000MW. 这种基本发展是为满足社会快速发展的需求, 虽然环境暗示这种增长速度将会带来灾难性的后果. 国际大电网会议(CIGRE)1997年夏在巴黎所做的报道, 现在电能可输送几千公里 (直流输电为7000km, 交流输电为4000km).

引用 “中国电力工程字典” (1994, 编辑: Stuart Becker) 上所说: “中国拥有世界上最丰富的水力资源, 潜在发电量为378,000MW, 现仅利用了其中的11%. 中国还蕴藏着世界上最丰富的煤炭资源. 在地理位置上, 中国的煤炭和水力资源的分配颇为不均. 90%以上的水力资源分布在西部地区, 三分之一的煤炭资源则分布在山西, 内蒙和陕西, 经济发展地区主要为沿海地区. 中国需要用互联电网通过采用500kV及更高压的直流和交流输电线路送电. 中国需要用互联电网满足西电东送和北电南送的需求.”

现今, 经济有效的传输距离远远超过了任何的政治边界, 超乎了系统规划者的想象. 如果能源廉价, 甚至传输很远的距离, 可靠性及负载损耗都可接受. 中国可以在确保双方经济和环境利益的前提下, 和邻国进行能源贸易.

中国与朝鲜, 俄罗斯, 蒙古, 哈萨克斯坦, 吉尔吉斯坦, 塔吉克斯坦, 巴基斯坦, 印度, 尼伯尔, 不丹, 缅甸, 老挝, 越南相接壌. 国家和地区间进行电能贸易的潜在利益是巨大的. 由于世界上两个人口大国, 中国和印度有着不同的能源需求高峰, 这些国家之间的互联将提供相当大的日补偿.

至关重要的是在中国周围具有丰富的可再生能源, 并可输送到中部和东部沿海人口集中地区. 近来中国和俄罗斯的贸易合作使鄂毕地区, 叶尼塞河, 利纳和科雷马河系统的水力开发成为可能. 鄂霍次克海的宾茨纳斯卡亚海湾提供了一个世界上主要的潮汐发电地点 (80GW蕴藏量). 蒙古和西藏高原具有大量的太阳能和风力资源. 新型可变速风力涡轮机 (美国Kennetech公司) 可以每千瓦时0.05美元的价格传送电力, 可与燃煤发电基荷相当. 喜马拉雅山可提供足够的可再生能源以满足中国和印度今后几十年的能源需求.

环境的机遇

现今, 82%的能源生产是不可再生的, 导致世界上许多国家出现了环境问题包括温室效应, 酸雨和有毒废料. 然而世界的水力, 潮汐, 太阳能, 风能和地热资源通常都是很丰富的. 这些可再生资源通常都蕴藏在偏远的地区. 现在随着HVAC和HVDC的发展, 这些地区已经在传输范围之内了. 这些可再生能源给世界能源理事会的预测提供了关键的支持即: 在将来的25年中, 随着发展中国家经济的人口的增长, 可以提供人们对一次能源的双倍需求. 世界能源理事会 (WEC) 为2000年设计出了三个不同的前景, 这取决于我们是否保持现有的能源政策或我们是否接受生态保护或经济增长的政策 (如图3).

图3 未来能源方案 (一)

WEC预测在将来的30年中, 可再生能源和不可再生能源之间的比率变化回很小. 全球能源网国际公司 (GENI) 同联合国国际能源署及环境组织讨论, 认为WEC的能源设想按气候变化的国际专门委员会或全球最高首脑会议21世纪议程的规定是不可持续的. 另一个约翰逊, 凯里, 瑞迪和威廉提供的预测, 如在 “可再生能源”中所述, 从水力, 间断可再生能源 (风力和日光) 和生物能之间的粗略比较 (如图4), 到2025年产生电力的可再生能源份额可从20%增长至60%. 由于大多数的可再生能源蕴藏在偏远的地区, 有时是在相邻的国家中, 约翰逊, 凯里, 瑞迪和威廉的意见: “由可再生能源生产的大多数的电能将被输送到大型电网中并由电力公司进行销售”.

发达经济中存在的环境问题关键是在将来的几十年中, 取消现有的污染源, 终止它们的使用寿命. 引进偏远地区的可再生能源及跨越边界的互联电网开辟了新的经济和环境可持续发展的途径.

图4 未来能源方案 (二)

发展中国家所面临的挑战, 是要绕开旧的发展程式是社会转向可持续的繁荣. 对于我们这个行星起决定性作用的是为印度, 中国和东南亚选择恰当的能源途径. 超过世界总人口的半数的59亿人生活在那里, 如果我们打算将来减少大气排放, 很重要的一点就是与可再生能源的结合. 维护人们赖以生存的令人担忧的环境问题是非常重要的. 在发达国家中, 最终利用效率是优先考虑的, 而对于发展中国家在加速需求能源的时代, 考虑能源效率和需求侧管理是困难的. 使用偏远地区的可再生能源, 通过这种方式, 可绕过原来的污染问题以满足电力需求, 但会受到现有的技术和经济因素限制.

提高效率是至关重要的, 但对于发展趋势, 特别是对全世界发展中地区, 仅仅这样是不够的. 我们还必须注意到为20亿无电人口服务的发展战略, 他们今天所需的是小而分散的发电设备, 以满足基本的食品, 饮水和健康需求. 随着需求的增长和电网延伸带农村地区, 使全部人口加入到不断扩大的电网中去.

未来可持续的发展方式

几年前IEEE/PES国际业务委员会(International Practices Committee)举办了一次 “开发偏远地区可再生能源”的专家讨论会. 专家评论对与高压输电相联系的大量的可再生能源的国际开发提出了强有力的论据.

马尼托巴水电公司 (Manitoba Hydro) 的退休董事长Len Bateman说: “有超过100条从低压到765kV的互联线路横跨在加拿大和美国的边界上, 运输着超过8000MW的电力. 电力的出口和其它工业生产成品的出口是等效的. 水力发电的出口, 并未给加拿大带来能源亏损. 世界上没有被开发利用的水力资源实际上是在浪费. 如果这些地方的环境优越, 则可作为提供可持续发展的能源.”

可再生能源的效益

为农村地区带来社会发展和经济增长, 有助于减少贫困及都市的移民.
生物能的增加有利于土地改良和防止腐蚀, 并为野生动植物提供了栖息地.
减少由于运输的电力生产燃烧化石燃料而引起的空气污染.
缓和全球担心的问题, 因为利用可再生能源没有二氧化碳的污染和温室效应的气体.
燃料的供应差异将在地区间建立起更多的能源贸易, 减少了使用者被垄断或供应零乱所承担的风险.
由于新能源的竞争, 建造核电厂的计划将被削减, 降低了核裂变带来的危险

非洲比萨 (Pisa) 大学的Luigi Paris教授做了同样的陈述, “输电是现今得到的最好的再生能源. 在欧洲, 中非, 利用水力生产出的能量可以被传输, 其价格可与石油生产出的能量竞争. Grand Inga 工程的实施将确保给非洲的发展中国家带来很大的社会效益. 水力资源发电的出口并未减少发展中国家所蕴藏的财富, 这与石油和煤炭的出口不一样.

其它大量的可再生的能源存在于世界上潮汐最丰富的地方. Siberian能量研究所在东俄罗斯考察了鄂霍次克海的舍列霍夫海湾, 发现那里有80GW的潜在潮汐资源. 澳大利亚的金佰利地区蕴藏着240GW的潮汐资源, 是这个国家电力需求的8倍. 这些地区都位于远离人口聚居和工业中心, 所以超高压输电 (UHV) 是传输电能的唯一途径.

科学家联合会有关 “充满能量的中西部地区”的报道, 给世界上许多具有风能的地区提供了一个具有代表性的例子. “风能被预言为美国中西部地区最价廉, 最富有的一种电力方面的新能源. 这个地区的风力资源在世界上是无与伦比的. 它足以满足整个地区的电力需求 (虽然这好像很不切实际).” 在这个例子中电力系统已经具备.

三洋电子是致力于开发太阳能PV方面的许多公司中富有竞争性的一家. 当许多小型的PV被应用在乡村时, 三洋就准备在沙漠地区建造与UHV输电系统相连的大型太阳能系统. 他们研究表明800km×800km的沙漠地区 (仅占全球沙漠的4%) 将足以满足整个地球的电力需求.

系统规划者Michael Hesse Wolfe在总结时说: “那儿的能量足以满足所有人的需要. 用一个统计数字就足以说明. 在阿拉伯半岛, 那儿每年都有足够的太阳能, 这些能量相当于他们曾经拥有的石油储量. 所以我们每年都可以得到非常丰富的可再生资源.”

问题在于在环境的前提下, 我们如何能满足世界不断增长的能源需求呢? 全球大量可再生能源的电力互联提供了一个解决能源问题的完美战略法案.

彼特·梅森 (Peter Meisen) 先生:

全球能源网国际公司总裁.

梅森先生1976年毕业于加利福尼亚大学圣地牙哥分校, 获应用机械和工程学学士学位. 1986年他建立了全球能源网国际公司 (GENI), 这是一个非营利的组织, 致力于各国和大陆间互联电网的研究和教育, 重点是开发偏远地区可再生能源. 他是一位可再生资源、输配电、生活质量及其与电的关系、环境的和持续发展等全球性问题的策划者和发言人.

GENI是美国的一个免税的, 非营利性的公司, 致力于为每个人在不损坏我们地球的条件下改善生活质量. 主要集中与在地区和大陆间互联电力系统效益的研究和教育, 重点利用高压输电开发偏远地区的可再生能源.