华盛顿州里奇兰 -- 在能源部太平洋西北国家实验室（PNNL）的实验控制室内，显示屏上的小光点左右闪烁，每秒30次记录来自西部高压电网关键点的远程信号。如果光点越过显示屏上的安全边界，警报会立即警告电网正处于危险之中。
这种早期警报本可以帮助运营人员避免 1996 年西部电力中断，那次中断导致 30,000 兆瓦的电力瘫痪——相当于使 30 个西雅图规模的城市陷入黑暗。PNNL 电力基础设施运营中心 (EIOC) 的先进监控系统也可能已经避免或至少最大限度地减少了 2003 年东北部停电事件，那次停电影响了 5000 万人，PNNL 电力基础设施经理 Carl Imhoff 说。
他解释说：“在最终的连锁电力损失发生前一个多小时，你就会看到克利夫兰开始脱离系统的其余部分。”
Imhoff 说，风能和太阳能的间歇性使得电网运营商的世界变得更加复杂。电动汽车的兴起以及对更多电力存储方式的需求，以及让电力消费者减少高峰需求的需求，将增加更多的复杂性。 “未来 10 年电网将发生很大变化。我们希望预测到这一点，并在某种程度上引导它。现在，我认为我们有点在倒退着走向未来，”他说。
PNNL 的领导人表示，PNNL 的宏伟目标是通过投资 EIOC 等创新来管理至少一部分未来，然后与其行业合作伙伴一起将技术进步推向市场。
结果是，一个由国会资助的联邦实验室，致力于在气候政策、可再生能源整合和电动汽车领域寻找解决方案——这些领域在华盛顿尚未达成明确的政治共识。
展望政治前景
Imhoff 和其他 PNNL 领导人渴望将 EIOC 作为实验室致力于解决未来问题的例证，即使它必须自行启动。
PNNL 隶属于美国能源部科学办公室，被授权从国会每年 11 亿美元的年度预算中拨出几个百分点——每年约 5000 万美元——用于其实验室定向研究和开发 (LDRD) 计划。这笔资金资助了 EIOC 的开发。
PNNL 能源和环境部门经理 Terry Walton 说：“五年前，这家实验室投入了自己的资金并与工业界合作创建了 EIOC。除了我们之外，没有人知道你需要它，因为我们对此进行了充分的思考，并了解了科学差距在哪里。我们正在从十年挑战的角度来考虑这个实验室。”
EIOC 中的显示由同步相量技术驱动，这是输电系统管理中最热门的前沿技术。去年，能源部根据美国复苏与再投资法案向全国 10 个相量项目授予了 1.47 亿美元的智能电网拨款，拨款接受者也提供了匹配资金，这是政府与工业界北美同步相量计划的一次重大扩展。
相量装置对电力流的瞬间测量通过卫星进行时间戳标记，以同步来自发电机（甚至是数百英里外的发电机组）的读数。然后，必须通过高速计算将海量数据转换为可以指导电网运营人员操作的显示。
PNNL 能源效率项目经理 Suresh Baskaran 说：“在过去 10 年中，实验室选择投资于旨在建立新能力或产生发现的倡议，这些发现将为能源部和国家带来更持久的利益。”
“你们与众不同”
Walton 说，PNNL 的倡议受到了奥巴马政府领导下的能源部的欢迎。能源部的信息是：“你们与众不同。我们喜欢这样。不要失去它。”
Walton 说：“我听起来像是在推销，但我对我们正在做的事情感到非常兴奋。”
在参观 PNNL 期间，这种推销显而易见，PNNL 必须与其他国家实验室争夺能源部的资金，并且非常关注国会对其实验室研究倡议的热烈回应。Walton 说：“我们是一个价值 10 亿美元的实验室。但事实上，没有人给我们这笔钱。我们必须为此竞争。”
该实验室拥有 4,900 名员工，位于华盛顿州东南部里奇兰市中心外。它的根源可以追溯到第二次世界大战期间的曼哈顿计划，当时该实验室是汉福德基地的一部分，哥伦比亚河的水在那里冷却了反应堆，这些反应堆为长崎原子弹生产了钚，后来又为美国的冷战核武库生产了钚。PNNL 于 1965 年与汉福德基地分离，但仍进行相对少量的地质研究，这些研究与毗邻汉福德基地地下储存的放射性废物的污染风险有关。
其在化学方面的专业知识有助于先进储能电池的研究，这是管理风能的关键应用。该实验室的地质学背景促进了对煤电厂分离出的碳以矿物形式进行地下储存的研究。
Imhoff 说，PNNL 对电网控制的兴趣始于 1992 年。1996 年的停电、2000-2001 年的加州能源危机以及 2003 年的停电都增加了这项工作的紧迫性。
“我们说，我们需要一个实验室来进行电网工作。我们想使用相量数据。这非常难以获得，而且当你获得它时，你必须积极地保护它。... 这就是为什么我们需要这个房间，这样我们就可以使用实时新数据集处理完整的系统模型，并处理新的可视化工具。”
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帮助一个行动迟缓的行业发挥领导作用
另一个 EIOC 显示屏显示了电力负荷的集中程度以及输电网络中的薄弱点，在严重停电时，电网会在这些薄弱点断开。Imhoff 说：“你现在买不到任何这些东西。它正在进行 beta 测试。”测试和培训是 EIOC 的主要功能。Imhoff 说，它不用于日常电网管理，但它可以用于日常电网管理。
Imhoff 说：“就像我们生活中的其他方面一样，[电网]上的数据将会爆炸式增长。而且数据本身没有任何价值。你需要的是信息。问题是如何为运营人员提取正确的信息，并在正确的时间以安全和隐私的方式提供给他们。这是我们面临的重大挑战之一。
Imhoff 说：“国会在电网上花费不多。” 最近的布什政府的观点是，“如果它如此重要，工业界就会挺身而出并做到这一点。”” 但他补充说，除了一些值得注意的例外，公用事业行业在发挥领导作用方面一直很迟缓。
Imhoff 说：“当我听到人们诋毁经济刺激资金，说我们从中没有得到任何好处时，他们只是不明白。一场巨大的变革正在发生。” 他说，直到他们得到推动，行业资金才缓慢到位。 “每个人都对这些经济刺激资金感到非常不满，但技术进步实际上是由这些资金加速的。而且它将带来巨大的价值，而大多数人甚至永远不会听说，”Imhoff 说。
PNNL 于 1965 年启动，由位于俄亥俄州哥伦布市的非营利组织巴特尔纪念研究所管理。Walton 说，正是这种与私营部门的联系也使该实验室与众不同。Walton 说：“我们认识到与私营部门合作以提供解决方案的价值和必要性。”
CO2 捕获和大型电池
其中一项合作是与 Babcock and Wilcox、麻省理工学院和电力研究所合作，旨在定义可以显著降低从发电厂排放物中分离 CO2 以及将其安全地储存在地下并以可管理成本储存的概念。
PNNL 能源与环境理事会负责人 Michael Davis 表示，关键可能是修改现有的燃煤电厂排放洗涤器系统，以分离 CO2 以及硫和氮的氧化物。第二步是将 CO2 包含在地下玄武岩地层中，在那里它可以安全地转化为矿物形式，以便安全、持久地储存。PNNL 在实验室中看到了它工作的证据。如果它在实践中也这样做，那么它就可以消除人们对地下高压封存的 CO2 可能意外泄漏到地表并可能造成可怕后果的担忧。
Walton 说：“我们将在五年内投资 5000 万美元，这对我们来说是一笔非常大的投资，用于开发突破性的 CO2 捕获技术。我们正在为此组建合适的团队。”
另一项风险投资将 PNNL 与 OM 集团旗下的 EaglePicher Technologies 联系起来，旨在为公用事业公司生产更便宜的储能电池系统，以帮助支持风能和太阳能发电。EaglePicher 因生产用于美国军事和航天领域的高级电池而闻名。美国能源部高级研究计划署能源部的一笔拨款资助了这项工作。
日本公司 NGK 现在是唯一一家主要的商业钠硫电池制造商，目前正被一些公用事业公司购买。它的装置采用厚管状设计，适合密封危险的挥发性钠。高级研究科学家 Gordon Graff 说，如果电池可以制成更薄、更扁平的形式，电池效率可以提高 30%，制造成本可以大幅降低。
PNNL 的使命是指导研究潜在的突破，这将使国家继续朝着实现 10 年、20 年和 50 年的能源和环境目标迈进——Imhoff 说，这些目标并没有太多疑问。“我几乎听不到有人争论碳浓度的变化是否受人类行为的影响。我很少听到有人争辩说不会发生气候变化，”Imhoff 说。
他补充说：“国家需要问的是，我们想要什么样的电力系统？新技术如何使我们能够以一种既能保持我们的全球竞争力和网络安全，又能实现我们在碳排放和能源进口方面的能源目标的方式来实现这一目标？”
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