为实现可再生能源目标，各国正在跨境共享能源

在排放出最后一缕煤烟后的几十年里，里奇伯勒发电站的冷却塔一直耸立在英格兰东南部肯特郡的低地上，引导渔船驶入英吉利海峡。这一切都在 2012 年 3 月 11 日上午结束了，当时一场控制爆破将 30 层高的冷却塔夷为平地，为更清洁的未来清理了场地。

在更名后的里奇伯勒能源园区，取代它们位置的建筑非常高大，漆成三层绿色和灰色，仿佛决心要消失在天空中。它发出 1,000 兆瓦的电力——足以为 100 万户家庭供电——但不排放任何废气，也不需要塔或烟囱。它的能源不是在这里生产的，只是通过一种名为 Nemo Link 的新基础设施传输。它是一个“互连器”，连接着英国和比利时的电网，就像电子的英吉利海峡隧道。它最显着的特征是埋在人们视线之外的一对铜缆，每根都和 2 升汽水瓶一样粗，横跨英吉利海峡，从里奇伯勒延伸 87 英里，到达比利时布鲁日市附近的泽布吕赫港。

Nemo 为两国提供可再生和可靠的能源——这两个词通常不在一起。我们希望我们的电力供应稳定，但风能和太阳能就像微风和太阳一样不稳定。有了这种高压连接，当英国缺电时，比利时可以输送电力；反之亦然。

目标是让 Nemo 的运营成为两国电网结构的一部分，让电力在 60 分钟的时间段内按需流动。这样做有经济原因：英国国家电网和比利时 Elia 这两家公用事业公司可以通过出售多余的电力来节省（并赚钱）。这样做也有技术原因：在需求激增或停电的情况下，两国可以快速共享电力。但最重要的是环境原因：可再生能源的消耗量必须与发电量相等，因为我们还没有电网规模的电池。时间是固定的。但多亏了 Nemo 这样的连接器，空间现在变得灵活了。

尼莫项目是欧盟总体战略的一部分，也是英国大力建设输电线路的过程中第一个竣工的部分。具有讽刺意味的是，就在英国因政治原因与欧洲脱钩之际，英国的基础设施却在不断向欧洲靠拢。到 2023 年，英国电网将通过两条现有线路和四条新建线路与法国、荷兰、比利时、挪威和丹麦电网相连。它们都服务于欧洲的脱碳目标。2016 年，欧盟消耗的电力中有 17% 来自可再生能源。到 2030 年，欧盟希望这一比例达到 32%，即在 2050 年实现气候中和，这意味着剩下的任何排放都将通过从大气中去除等量的碳来抵消。最近的研究表明，要实现这一目标，欧盟国家之间的互联互通容量需要扩大 400% 至 900%。输电线路建设热潮才刚刚开始。

美国总有一天会面临同样的问题。尽管风能和太阳能发电量增长迅速，去年增长了 10%，但我们的发电厂仍然排放大量碳。但它们满足的是本地化、区域性需求。这种情况在未来十年可能会发生变化。特别是，东海岸沿线海上风电项目的兴起可能会迫使我们重新考虑我们的网络，并将 Nemo 这样的互连器引入美国海岸。

“另一边才是奇迹发生的地方，”斯科特·威廉姆斯 (Scott Williams) 穿着霓虹绿色安全夹克，在一个灰色的冬日里，我们透过厚厚的安全玻璃向外望去，他这样说道。我们正对着一个像溜冰场一样大的大厅，里面堆满了四层楼高的设备塔。每个小高塔周围都环绕着一圈圈的管子，整个大厅看起来像是小巨人的攀爬架。

该装置是一个换流站，英国的交流电 (AC) 可以沿电线双向流动，在此被转换为直流电 (DC)，直流电是单向流动的，更适合长距离传输；在比利时的一个类似换流站，直流电又被转换回交流电。尼莫的装置有一个重要的优势：使用直流电进行传输意味着两国的交流电网络不需要同步即可工作。在过去的一年里，威廉姆斯负责西门子的整个建设和调试，西门子是一家德国工业集团，设计了这两个设施并制造了里面的设备。

威廉姆斯称，这个“魔法”是大规模进行的常规过程。一个草莓大小的 iPhone 充电器可以将墙上插座的交流电转换为 5 瓦的直流电。Nemo 可以将 1,000 兆瓦的电力从交流电转换为直流电，然后再转换为交流电。这一壮举需要 2,304 个西门子模块，每个模块大约有一个高尔夫球袋大小。这些模块被安装成“六块”，堆叠成类似丛林健身器的塔。它们周围的管道环泵送冷却的去离子水，以消散交流电和直流电转换过程中产生的热量。两名技术人员在附近的控制室操作整个系统——但一旦解决了问题，系统也可以远程运行。

最近，每周都有里程碑出现：转换器的初始充电、第一股电流流过转换器，然后是 1,000 兆瓦的测试，威廉姆斯用控制器屏幕的快照标记了这一点，就像展示婴儿照片一样。启动这台机器（技术术语为高压直流链路）是一个重要时刻。但“一旦你连续三天这样做，他们甚至都不再注意了，”威廉姆斯谈到控制室工作人员时说。下周，他将正式将该项目从西门子移交给国家电网和 Elia 共同拥有的合资企业。

只有当 Williams 带我们进入相邻的大厅时，我们才意识到即将流经大楼的电力之强大。一个路灯大小的臂（称为断路器）会降低和升高，从而物理断开转换器模块和海底电缆。这是一项安全功能，让技术人员在接触巨型电源线之前 100% 确定它已从另一端断开。（带有物理锁和钥匙的控制箱使这一点更加清晰。）“当你在旁边工作时，你不会希望比利时人打开开关，”Williams 说。这并不是在讽刺比利时人——只是连接两个电力系统存在固有风险。

在俯瞰伦敦特拉法加广场的会议室里，英国国家电网公司的奈杰尔·威廉姆斯解释说，他以前在英国公用事业公司的工作是仔细调整国内电力供应以满足需求——就像指挥管弦乐队一样指挥不同类型能源的生产。但在他的新职位上，他负责管理北海连接线（一条通往挪威的互连线，其规模将是尼莫线的三倍）的建设，他正在思考如何在几十年内而不是几分钟内准备好该国的能源基础设施。

“我认为每个人都开始意识到，在没有互联互通的情况下，把自己的国家当成封地来管理是一件疯狂的事情，”威廉姆斯说。在光鲜亮丽的公司会议室里，他穿着格子衬衫、牛仔裤和结实的靴子。他的手机在桌上震动着，是来自挪威的电话，他昨晚刚从挪威回来，又一次出差去推动他的公用事业公司下一个大型互联互通项目的实施。

“如果你擅长生产某种产品，那么就需要出口，这是有道理的，”他说。特别是，英国在利用风力发电方面做得越来越好。在过去十年里，英国北海的风力涡轮机从几乎不发电到发电量达到 8 千兆瓦。去年 11 月的一个大风天，英国产生的风能足以为该国三分之一的地区供电——这一事件成为了头条新闻。随着尼莫号今年的开通，任何剩余电力都可以运往比利时。但风平浪静的日子怎么办呢？

为了保证电力供应，发电厂必须灵活应对。“供应和需求必须分秒必争，”威廉姆斯说。燃煤电厂灵活，其发电涡轮机可以根据需求轻松加速或减速，但它们很脏。核电是清洁的——或者至少是低碳的——但“你无法改变它”，威廉姆斯说，这意味着根据需求增加或减少其发电量。

互连器提供了一系列新选择，例如从比利时进口额外的核电、从挪威进口水电或从丹麦进口风电。它们将电力从发电地输送到需要的地方。它们允许公用事业公司订购额外的电力，或者在可再生能源发电量高时卸载多余的电力——无论是季节性的，例如挪威的积雪融化时，还是每天的，当北海风暴来临时。或者，正如威廉姆斯所说，“互连器允许电力以与可乐罐头完全相同的方式进行交易和处理。”

但仅靠这些连接并不能解决将电网转向可再生能源的挑战。它们只是权宜之计，为每个相关国家争取时间来建造更多自己的涡轮机并开发新技术。挪威 Rystad Energy 的分析师 Iben Fürst Frimann-Dahl 跟踪全球可再生能源市场。她表示：“目前我们依赖于备用电源，特别是现在各国正在逐步淘汰煤炭和核能。”今天，这意味着发电厂的设计要快速提高产量以满足峰值需求——但由于通常依赖煤炭或天然气，这些“峰值电厂”违背了低碳目标。未来它将意味着储存。“当我们开发出这些电池时，可再生能源的大多数问题都会消失，”Frimann-Dahl 说。在此之前，互连器不仅是电网之间的桥梁，也是通向完全可再生能源未来的桥梁。

1961 年，约翰·F·肯尼迪总统委托实施一项名为太平洋联络线的大型基础设施项目，这是一项更为庞大的公共工程中的一颗明珠。在过去的 30 年里，联邦政府在太平洋西北部的哥伦比亚河流域修建了一系列水电站。这些水电站总共生产了 29 千兆瓦的电力，占美国目前水力发电量的 44%。为了将这些能源从农村输送到城市客户，太平洋联络线提供了一条高压直流线路，从俄勒冈州和华盛顿州边界的哥伦比亚河边缘一直延伸到 800 多英里外的洛杉矶都会区边缘。

联络线于 1970 年完工，但此后美国再没有修建过如此规模的联络线。哈佛大学肯尼迪学院研究电网工程和经济学的博士后研究员杰西·詹金斯 (Jesse Jenkins) 表示：“作为一个国家，我们并没有处于国家建设模式。我们不做长距离、大规模、全国性的基础设施项目。”

为了回答如果我们真的要建设的话应该建设什么的问题，詹金斯和他的同事最近发表了他们对来自世界各地的 40 项“深度脱碳”研究的分析。深度脱碳的定义是将发电产生的排放量减少 80% 到 100%。他们发现，这些战略需要结合能源生产和储存、减少消耗和增加输电。令人惊讶的是，美国没有针对这三件事制定连贯的计划。

但已经取得了进展。风能和太阳能发电技术已经成熟，成本可与化石燃料发电相媲美，但储存仍然是最大的症结所在。减轻电网必须即时匹配供需的负担，将在很大程度上帮助电网度过无风或无太阳时不可避免的低谷，但这项技术尚不存在。尽管伊隆·马斯克的房屋大小的电池备受关注，但业内每个人都认识到，目前的储存选择非常有限。

欧洲对存储问题的临时解决方案是互连器，它可以让一个国家有效地利用另一个国家的风能。美国对改进电网的需求也同样重要。詹金斯说：“我们的输电系统越大越强大，我们越能将天气模式的变化分散到全国。”根据美国国家可再生能源实验室的一项研究，要在美国实现 80% 的可再生电力（其中 50% 来自风能和太阳能），长距离输电容量需要增加 56% 到 105%。我们需要一个与旧电网一样大的新电网。尚未解答的政治问题是，这样一个耗资数十亿美元的项目最终是否能比碳排放造成的灾难性后果节省更多的资金。

尽管如此，即使没有改造电网，美国的可再生能源使用速度也非常快，过去十年来，风能和太阳能发电量从不到 5% 增长到 10% 以上。到 2020 年，它们预计将占美国总发电量的 13%，超过水力发电。最终，我们别无选择，只能想办法适应其间歇性。

2016 年，五座风力涡轮机从布洛克岛附近的大西洋蔚蓝海域中拔地而起，它们的 600 英尺高的桅杆由四脚钢制底座支撑，漆成亮黄色，闪烁着导航灯。它们是第一批风力涡轮机，之后还会有更多风力涡轮机。去年，马萨诸塞州授予了一份重要的海上风力发电合同，允许建造 84 座风力涡轮机，发电量为 800 兆瓦。

该项目名为 Vineyard Wind，是东海岸大规模建设的开端，其中一些项目由经验丰富的欧洲风电运营商管理（在某些情况下还由其提供资金）。根据花旗银行的一项分析，未来十年，东海岸可能会建造 2,000 台风力涡轮机，海上发电能力达到 22 千兆瓦。

这是一个惊人的数字。丹麦于 1991 年安装了世界上第一个海上风电场，但随后用了近 30 年的时间，全球海上风电总容量才在 2017 年达到 18.8 千兆瓦。

向美国更广泛的电网注入 22 千兆瓦的电力（间歇性电力）将是一个挑战。Anbaric Development Partners 设计和建造了 Nemo 等大型电力传输系统，其首席执行官 Edward Krapels 正在为东海岸蓬勃发展的风力发电场建造海上电网。按照正在讨论的发展规模，它必须非常强大，容量要远远超过国家电网的新互连线。但原则是一样的：电力必须流向人民。很快，美国将需要像 Nemo 这样的基础设施，将所有风能输送到高压输电线中，高效灵活地将其输送到岸上。技术已经准备就绪。现在我们只需要意愿。

本文最初发表于《大众科学》杂志 2019 年夏季刊《Make It Last》上。