2003年8月14日下午，纽约市电力中断，使这个大苹果城的八百万居民——以及美国东北部和安大略省的其他四千万人——陷入了紧张的黑暗之夜。在俄亥俄州一家发电厂关闭后，升高的电力负荷使高压线路过热，线路下垂到树木中并短路。就像多米诺骨牌一样，故障在电网中级联，导致265座发电厂离线，24,000平方公里陷入黑暗。
该事件——以及一个月后影响意大利和瑞士5600万人的更大规模停电——引起了人们对现代文明重要性等同于生物循环系统的互联电网的普遍问题的关注。在北美，电网在过去100年中以零敲碎打的方式发展起来。如今，超过1万亿美元的基础设施遍布整个大陆，数百万公里的电线以高达765,000伏的电压运行。尽管它非常重要，但没有哪个单一组织可以控制电网的运行、维护或保护；欧洲也是如此。数十家公用事业公司必须合作，即使它们相互竞争以每秒钟发电和输送与客户需求完全相同的电力——不多也不少。2003年的停电事件引发了人们对加强政府监管的呼吁，并促使该行业通过其智能电网联盟和美国能源部的电网智能化计划，更快地创建电网的自愈系统，这可能会防止某些类型的停电级联。但可靠性并不是电网在未来几十年面临的唯一挑战——甚至可以说不是最重要的挑战。
20世纪电网更根本的局限性在于，它不适合应对21世纪的两个趋势：对电能需求的持续增长，以及即将到来的从化石燃料发电站和车辆向更清洁的电力和运输燃料的过渡。公用事业公司不能简单地通过提高电压和电流来通过现有的高压线路输送更多电力。在大约一百万伏特时，电场会撕裂电线的绝缘层，导致电弧和短路。更高的电流会加热线路，然后线路可能会危险地下垂到靠近树木和建筑物的地方。
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一个充满氢气的超级电网不仅可以作为管道，还可以作为巨大的能量储存库。
此外，目前尚不清楚今天的基础设施能否很好地支持混合动力汽车的快速普及，这些汽车部分动力来自电力或氢气。而且，由于电力系统必须持续匹配电力消耗与发电量，因此它无法轻易接受来自可再生风能、海洋和太阳能资源的不可预测和间歇性能源的大幅增加。
我们是一群不断壮大的工程师和物理学家中的一部分，他们已经开始开发一种新的能源输送系统设计，我们称之为大陆超级电网。我们设想超级电网与现有电网一起逐步发展，增强其容量和可靠性。在几十年内，超级电网将建立不仅能够生产和输送充足、可靠、廉价和“清洁”的电力，而且还能生产和输送用于能量存储和个人交通的氢气的手段。
对该设计的工程研究得出的结论是，实现这一愿景不需要进一步的 фундаментальные 科学发现。现有的核能、氢能和超导技术，辅以精选的可再生能源，提供了创建超级电网所需的所有技术要素。集结社会和国家的决心来创建它可能是一个挑战，一些工程方面也是如此。但好处也将是巨大的。[break]
超导线路以几乎完美的效率传输电力，将允许远程发电机补偿本地停电。它们将允许不同气候区域的发电厂支持那些努力满足峰值需求的发电厂。它们还将允许公用事业公司在远离人口中心的不那么有争议的地点建造新的发电站。
对于在数百公里范围内移动数十吉瓦的功率，完美的导体是完美的选择。
超级电网与这些新发电厂的连接将同时提供氢源和广泛分配氢气的方式，通过环绕和冷却超导线的管道。一个充满氢气的超级电网不仅可以作为管道，还可以作为巨大的能量储存库，建立起必要的缓冲，以便更广泛地使用风能、太阳能和其他可再生能源。它还将构建核心基础设施，如果富裕经济体要摆脱排放温室气体的发电厂和车辆，这是先决条件。
新时代的新电网
大陆超级电网听起来可能像一个未来主义的想法，但这个概念由来已久。1967年，IBM物理学家理查德·L·加温和尤里·马蒂索奥发表了一种由铌锡制成的1000公里传输电缆的设计，铌锡在强电流下具有超导性。当金属被液氦冷却到绝对零度以上几度时，超导体中可以无电阻地通过大量的直流电 (DC)。科学家们提出了一种直流电缆，它具有两根导体（由超导线或带制成），总共可传输100吉瓦的功率——大约相当于50座核电站的输出功率。
加温和马蒂索奥探索的是可能实现的事情，而不是实际的事情。将如此大的功率注入电网的一个点是没有意义的，而且液氦是一种笨重的冷却剂。但他们的想法启发了其他人。在接下来的几十年中，在纽约州布鲁克海文和奥地利格拉茨附近建造和测试了短的超导电缆，以传输交流电 (AC)，后者与当地电网连接运行了几年。
在高温超导性发现十年后，电力研究所 (EPRI) 的一项技术研究得出结论，使用液氮作为冷却剂，一条五吉瓦的直流“电力管道”在传输距离为800公里或更远的情况下，可以在经济上与天然气管道或传统的架空线路竞争。我们中的两人（格兰特和斯塔尔）在论文中进一步发展了这个想法，探讨了超冷的氢气——无论是液态还是超临界气体——如何在洲际规模的系统中冷却超导线并在化学形式下输送能量。在2002年和2004年，第三作者（奥弗拜）组织了研讨会，数十位专家在会上详细制定了一个100米长的试验段计划，这是区域电网之间50公里互连线的前身。
尽快开发原型非常重要，因为现有的电网越来越接近最大负载点——而且，正如停电事件表明的那样，有时会超过它。在过去五年中，美国总发电容量增加了近四分之一，而高压输电网的规模仅增长了3.3%。然而，社会对能源的需求持续快速增长：美国能源信息署预测，到2025年，美国年能源消耗量将达到134万兆焦耳（127千万亿 BTU），比2005年增加四分之一以上。
不断增长的需求带来了两个问题：从哪里获得这种新能量以及如何分配它。化石燃料可能在未来20年内仍然是我们能源的主要来源。但是，全球对有限的石油和天然气资源的竞争非常激烈，即使是轻微的生产短缺也会导致价格飞涨，正如我们在过去几个月中看到的那样。对温室效应的担忧正在导致其他限制。[break]
如果我们有机会摆脱对化石燃料的依赖，显然我们应该抓住这个机会。但是，充分利用非化石能源，包括风能、太阳能、农业生物质，特别是先进的核能，将需要一个新时代的新电网。为了每年分配数万亿千瓦时的额外电力，美国电网必须比今天处理大约400吉瓦的电力。
当前的基础设施只能在一定程度上得到增强。新型碳芯铝线可以比传统的铜线拉得更紧，因此在下垂到安全高度以下之前，可以承载大约三倍的电流。美国公用事业公司将利用2005年能源法案中的规定，该法案使开辟新的输电走廊变得更容易。
但是，高压线路已经接近绝缘子的百万伏极限和控制直流线路的半导体器件的工作极限。交流线路在1200公里左右的距离处变得效率低下，因为它们开始像巨型天线一样辐射它们携带的60赫兹功率。因此，工程师将需要用新技术来增强输电系统，以便将数百吉瓦的功率从远程发电机输送到主要城市。
下一代核能
我们设计超级电网的目标之一是确保它可以接受来自各种发电机的输入，从小型的屋顶太阳能电池板和农家院风力涡轮机到最大的核反应堆组件。然而，最大的设施限制了许多基本设计决策。可再生能源在提供未来20年所需的巨大额外容量方面仍然面临巨大挑战。因此，我们将我们的概念建立在第四代核电的基础之上。
2005年能源法案拨款6000万美元用于开发“第四代”高温气冷反应堆。与大多数目前的水冷核电站（通常建在大型水体附近——通常靠近人口中心）不同，下一代反应堆将其多余的热量直接排放到空气或地球中。
在较新的设计中，核反应随着温度升高到高于正常运行范围而减慢。因此，它们本质上可以抵抗乌克兰切尔诺贝利和宾夕法尼亚州三哩岛发生的冷却剂损失和过热问题[参见詹姆斯·A·莱克、拉尔夫·G·贝内特和约翰·F·科泰克的《下一代核电》；大众科学，2002年1月]。
然而，与所有裂变发电机一样，第四代装置将产生一些放射性废物。因此，在远离城市地区的“核集群”中建造它们将是最便宜且在政治上最容易的。每个集群可以产生大约10吉瓦的功率。
远程选址将使保护反应堆以及建造它们更容易。但我们将需要一种新的输电技术——超级电缆——它可以大大降低长距离输送能源的成本。
超级电缆
对于超级电网的电力部分，我们需要在数百公里范围内移动数十吉瓦的功率，完美的导体是完美的选择。虽然超导材料于1911年被发现，并在几十年前被制成实验装置，但直到最近，保持超低温所需的制冷才变得足够简单，可以用于工业用途。超导体现在正从磁共振成像扫描仪和粒子加速器走向商业电力系统。
例如，美国能源部已与电力设备制造商和公用事业公司合作，生产超导变压器、电机、发电机、故障电流限制器和输电电缆的原型。其他政府——特别是日本、欧盟、中国和韩国——也有类似的开发计划。美国目前正在进行三个试点项目，在纽约州长岛和奥尔巴尼以及俄亥俄州哥伦布市演示超导电缆。[break]
这些电缆使用液氮在77开尔文（-196摄氏度）下冷却的氧化铜基超导带。使用液氢作为冷却剂会将温度降至20开尔文，进入镁二硼等新型化合物的超导范围[参见保罗·C·坎菲尔德和谢尔盖·L·布德科的《低温超导正在升温》；大众科学，2005年4月]。
迄今为止，所有超导电缆的演示都使用了交流电，即使只有直流电才能无电阻地传输。即便如此，在当前电网上使用的频率下，超导体的电阻约为相同温度下铜电阻的二百分之一。
我们设计的超级电缆包括一对直流超导线，一根为正50,000伏，另一根为负50,000伏，两根都承载50,000安培的电流——电流远高于任何传统电线所能承受的电流。这种电缆可以以接近零电阻和线路损耗传输约五吉瓦的功率，传输距离可达数百公里。（如今，发电厂产生的所有电能中约有十分之一在传输过程中损失。）
五吉瓦的超级电缆在技术上当然是可行的。它的规模可以与3.1吉瓦的太平洋互联线相媲美，后者是一条现有的500千伏直流架空线路，用于在俄勒冈州北部和加利福尼亚州南部之间输送电力。仅四根超级电缆就足以传输中国巨型三峡大坝水电站产生的所有电力。
由于超级电缆将使用氢气作为其低温冷却剂，因此它将以化学形式以及电力形式传输能量。下一代核电站可以生产电力或氢气，热效率几乎相同。因此，核集群的运营商可以不断调整他们泵入超级电网的电力和“氢电”的比例，以跟上电力需求，同时保持足够的氢气流量以保持电线超导。
电力和氢电
在替代电力形式之间进行选择以及以化学形式存储电力的能力开辟了一个充满可能性的世界。例如，超级电网可以大幅降低电动和氢动力混合动力汽车的燃料成本。
现有的混合动力汽车依靠汽油或柴油运行，但使用电池来回收否则会被浪费掉的能量。去年首次亮相的“插电式”混合动力汽车也使用电力和天然气[参见约瑟夫·J·罗姆和安德鲁·A·弗兰克的《混合动力汽车》；大众科学，4月]。宝马、马自达和其他公司已经展示了氢混合动力汽车，这些汽车有两个燃料箱和发动机，在有氢气时燃烧氢气，在没有氢气时燃烧汽油。许多汽车制造商也在开发使用车载燃料电池将氢气与氧气结合转化为电力的汽车。
即使是当今最有效的汽车，也只能将其燃料能量的30%到35%转化为运动。氢燃料电池混合动力汽车可以做得更好，相对容易地达到50%的效率，最终实现60%到65%的燃料效率。
即使要取代一小部分石油基运输燃料，也需要大量的氢气和电力，以及普遍而高效的输送基础设施。超级电网提供了一种实现这一愿景的方式。在每个核集群内，一些反应堆可以生产电力，而另一些反应堆可以生产氢气——而不会排放任何温室气体。
通过将两者一起运输，电网将同时充当管道和能量存储器。例如，每段70公里长的超级电缆，其中包含直径40厘米的充满液氢的管道，将存储32吉瓦时的能量。这相当于美国最大的抽水蓄能设施浣熊山水库的容量。[break]
通过将电力转变为一种类似于石油或天然气的、不那么短暂的商品，新电网可以使电力市场比今天更可靠地容忍需求的快速波动。跨越多个时区和天气边界的超级电网连接将允许发电厂利用过剩的夜间容量来满足遥远城市的峰值电力需求。通过平滑需求波动，低损耗电网可以帮助减少对新建发电设施的需求。
超级电网也可以在很大程度上消除大规模使用来自风、潮汐、海浪和阳光的不稳定能源的基本限制之一。可再生能源发电厂可以将氢气泵入电网，而不是出售电力。或者，基线发电机可以监测这些发电厂电力输出的上升和下降，并且可能能够使用电解来调整其电力/氢电混合比例以进行补偿。
加速前进
开始建设超级电网不需要重大的科学进步，电力行业已经通过资助EPRI的超级电网项目表明了对该概念的兴趣，该项目将探索将超级电缆集成到现有电网中所面临的众多工程挑战。其中最大的挑战是如果超级电缆发生故障该怎么办。
即使单个设备（例如高压输电线路）发生故障，今天的电网仍然保持安全。例如，当线路下垂到树木中时，断路器会打开以将线路与电网隔离，并且原来在线路上流动的电力几乎瞬间转移到其他线路。但我们还没有能够切断将流过超级电缆的巨大电流的断路器设计。这项技术将不得不发展。电网管理者可能需要开发新的技术来处理如此巨大的电量损失会在传统电网上造成的重大干扰。超级电缆的断裂会使周围的磁场崩溃，在断裂点产生短暂但强烈的电压尖峰。电缆将需要足够强的绝缘来容纳这种尖峰。
在超级电缆内安全运输大量氢气提出了另一个挑战。石化行业和航天计划在泵送氢气方面拥有丰富的经验，无论是气态氢气还是液态氢气，都在公里级的管道中。液化天然气使用量的增加将进一步加强该技术基础。氢气的爆炸潜力（单位质量的能量含量）约为天然气中甲烷的两倍。但氢气更容易泄漏，并且可以在较低的氧气浓度下点燃，因此氢气分配和储存基础设施需要气密。车辆氢气罐的工作已经生产出可以承受高达每平方厘米700公斤压力的涂层。
可能确保超级电缆安全的最佳方法是将它们穿过地下的隧道。埋设可以大大减少公众和政治上对新建线路的反对。
隧道挖掘的成本很高，但随着地下建筑和微型隧道技术的巨大进步，隧道挖掘的成本一直在下降，纽约市的3号水隧道和芝加哥的巨型雨水下水道证明了这一点。自动化掘进机目前正在尼亚加拉河旁边挖掘一条10.4公里长、直径14.4米的巨型水力隧道，耗资6亿美元。费米实验室最近的研究估计，一条800公里长、3米宽、150米深的隧道的造价不到每米1000美元。
超级电缆将承载现有输电线路数倍的电力，这有助于埋设的经济性。但进一步技术创新的潜力以及地下建设经济性施加的限制需要更多探索。
为了启动超级电网，并明确成本，2004年超级电网研讨会的参与者提议建造一条1公里长的超级电缆，以承载数百兆瓦的功率。第一个部分将简单地测试超导组件，使用液氮来冷却它们。该项目可以由美国能源部赞助，在合适的国家实验室地点建造，并由电力公用事业公司和区域输电运营商组成的联盟监督。该原型的成功应该导致一个30至80公里的示范项目，通过补充相邻区域电网之间长期拥堵的互连线来缓解当今电网的实际瓶颈。[break]
除此之外，价格可能在很大程度上决定任何国家是否会集结政治和社会意愿来建设超级电网。投资无疑将是巨大的：按今天的美元计算可能达到1万亿美元，而且在任何情况下都超出了私人投资具有吸引力的时间尺度。很难估计一项长达数十年、跨越几代人的超级电网努力的成本。但人们可以判断最终的好处：一种无碳、生态友好的国内能源基础设施，可产生经济和物理安全。