将电力从发电厂输送到各地的输电网是美国基础设施的重要组成部分。它也很善于隐藏自身的缺陷。人们可能会注意到横跨地面的铁塔和电线，或者将电压降低以便将电力分配到家庭和企业的当地变电站，但输电网不像高速公路那样显示拥堵，也不像爆裂的水管那样显示洪水。尽管如此，电网仍需进行重大升级。如果美国要从肮脏的化石燃料转向更清洁、更可再生的风能和太阳能——甚至核能——就必须大幅扩展输电系统，以到达阳光最充足、风力最强劲的偏远沙漠和高原。此外，如果美国想要保护自己免受日益严重的停电的影响（停电每年造成的损失达数百亿美元甚至更多），它还需要对电网进行现代化改造。
那么，我们如何建设这个超级电网呢？经过多年的争论，大多数工程师都认为，应该在老旧、零散、负担过重的系统之上增加一个现代化的覆盖层，创建一个主干网，通过使用更高的电压并延伸到更偏远的地区来提高容量。奥巴马政府 2009 年的刺激计划拨款 65 亿美元信贷，供联邦机构建设输电线路，并提供 20 亿美元的贷款担保给私营公司，因此已经有资金可以启动。建设超级电网将需要几个重大的技术步骤，以及一个政治步骤。
建设，宝贝，建设
第一步就是简单地架设更多的输电线路，特别是从潜在的可再生能源热点地区延伸到目前依靠燃煤电厂满足需求的不断增长的城市。新的线路还将帮助区域公用事业公司在有盈余电力时将其出售给远方的公用事业公司。
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大规模建设早就应该进行了。正如美国“首席投资官”巴拉克·奥巴马在 2009 年 10 月谈到当前系统时所说的那样：“试想一下，在州际公路系统建成之前，20 世纪 20 年代和 30 年代这个国家的交通状况。那是一个由维护不善的乡间小路组成的迷宫，这些小路很少是往返于 A 点和 B 点之间最快或最有效的方式。”
在过去的十年里，每年只建成了 1000 多英里的高压输电线路。但美国国家可再生能源实验室 1 月份发布的一项研究得出结论，用风能供应全国 20% 的电力将需要 22700 英里的新州际电气高速公路，这还不包括现有的 16 万多英里的高压线路。工人竖立电线的景象将比工程队修路的景象更为常见。
除了连接可再生能源外，更多的线路还将解决一个棘手的盈余问题。在当今越来越多的市场中，即使电力需求很低，某些发电厂也必须运行，以保持整个系统的电压稳定，但它们实际生产的电力却没有需求。在夜间，当风力通常很大时，可能没有地方可以输送它们产生的电力。在这些情况下，一些输电管理者（如加州独立系统运营商）被迫向风电场等发电企业付费以削减其产量。如果这仍然超过需求，“你就得花钱请人来接收[电力]”，加州运营商首席执行官亚库特·曼苏尔 lament 抱怨道。
这种不平衡会使清洁、可再生的能源变得异常昂贵。当风力强劲时，迫使风力涡轮机停止发电会很快使其变得不经济。电气高速公路可以稀释盈余，将其输送到确实需要电力但地处偏远的客户。更多的线路还可以帮助将电压浪涌和骤降分散到更大的供应商和消费者区域，从而可以在不产生危险的电压尖峰或恼人的停电或电压骤降的情况下吸收波动。
更多的线路也将使大规模能源存储设施更具可行性。夜间多余的风能可以通过许多技术存储起来，这些技术可以在第二天需要时发电：大型电池、飞轮、压缩空气室、抽到高处的水（以后可以从涡轮机落下）、加热到以后驱动蒸汽涡轮机的熔盐罐等等。但电力首先需要到达这些设施。
抽上来
更多的输电线路将更好地连接发电机和用户。但是，以更高的电压传输电力（超级电网的第二步）将减少沿线路的损耗，从而节省资金并减少跨越山丘和山谷的电力线的占地面积。
电力在线路上传输时主要以热量的形式损失，但随着电压升高，损耗会显着下降。东北公用事业公司输电部门经理詹姆斯·A·蒙茨希望从加拿大进口更多电力，他计算了 800 兆瓦 (MW) 负载的 100 英里线路的大幅损耗降低量，这大约相当于一个大型燃煤电厂的输出功率。如果线路以 345 千伏 (kV) 的电压运行（当今许多主干线路使用的电压等级），则会损失 19.8 兆瓦的电力。在 765 千伏电压下（美国运行的最高电压，但未广泛使用），仅损失 3.45 兆瓦，约为 345 千伏电压下损耗的六分之一。对于 1100 千伏电压线路，损耗仅为 1.91 兆瓦。苏联曾经运行过一条 1150 千伏电压线路，日本也有一条类似的线路，中国正在建设几条。
除了每天为公用事业公司节省资金外，更高的电压还可以帮助区域规划人员减少电力线所需的土地和建设成本。美国电力公司输电主管迈克尔·海耶克表示，一条 765 千伏电压线路可以输送的能量相当于六条 345 千伏电压线路，美国电力公司是美国最大的此类线路运营商。一条 765 千伏电压线路沿地面的占地宽度为 200 英尺，但六条 345 千伏电压线路需要 900 英尺。然而，标准的 765 千伏电压电力线塔高 135 到 150 英尺，明显高于通常高 110 到 125 英尺的 345 千伏电压塔。随着电压升高，线路需要更高的离地间隙，但公众普遍认为更高的塔更具视觉侵扰性。
2008 年 1 月，美国电力公司和美国能源部公布了一项可能的计划，即在现有输电系统上铺设全国性的 765 千伏电压主干网（就像州际公路覆盖当地道路一样），以大大扩展电网的容量并降低其损耗。主干网将需要 22000 英里的 765 千伏电压线路，其中 3000 英里已经存在。该网络将耗资约 600 亿美元。但由于损耗显着降低，并且昂贵的当地电力可以更容易地被电网目前无法到达的地方的廉价电力取代，因此每年可以节省数十亿美元。
采用直流电
为了进一步减少损耗，工程师建议，在最繁忙的走廊上，线路应使用直流电，而不是几乎所有家庭和企业都使用的标准交流电。蒙茨计算得出，相同的 100 英里线路负载相同的 800 兆瓦，但以 500 千伏直流电运行，将损失 3.82 兆瓦，不到相同电压下交流电损耗的一半。将线路电压提高到 800 千伏，损耗将降至 1.5 兆瓦，也低于 765 千伏交流电线路的一半。
直流电适用于点对点传输，中间没有停靠站。它已经用于魁北克北部的水电站和新英格兰之间，以及俄勒冈州哥伦比亚河上的水坝和南加州之间。在这些情况下，选择直流电是因为它效率高且可控。交流电沿着阻力最小的路径流动，像山顶上的水一样沿着各种溪流滴落到山脚下的水池中。直流电线路就像从顶部到底部的管道，带有一个可以实时调节的泵。
控制很重要，因为电网的巴尔干化性质，它由数百个拥有不同所有者的本地网络组成。当卖方将电力发送给远方的买方时，电力将沿着它选择的任何线路流动，这可能会导致终点之间各个地方的过载，而这些地方与交易没有任何商业关系。
过去几年，新泽西州海岸和纽约长岛南侧之间以及横跨长岛海峡到康涅狄格州之间开通了直流电缆。在这两种情况下，找到一条可接受的水下路线都比在高度拥挤的大都市区更容易，而且这些线路提供了快速的电力流。53 英里长的跨海湾电缆最近在旧金山湾底部开通，可传输 400 兆瓦电力。控制非常平稳，以至于公用事业官员关闭了旧金山相对较脏的发电站，这些发电站以前是为了提高该地区交流电网络的电压和频率稳定性而运行的。
尽管直流电线路具有优势，但只有在长距离安装时才值得。这是因为每端都需要特殊的换流站，以将交流电转换为直流电，然后再转换回来。转换需要大量的电子设备，每端会消耗约 1% 的电力。电力研究所输电主管安德鲁·菲利普斯表示，随着成本下降，盈亏平衡点已降至约 300 至 350 英里，而 15 年前为 500 英里。
如果配置得当，长距离直流电线路可以形成一个横跨大陆的主干网，这将不同于美国电力公司采用直流电较少的 765 千伏电压计划。美国国家可再生能源实验室的研究呼吁从平原各州到大西洋沿岸建立 10 条大型 800 千伏东西向直流电连接线，尽管该研究没有具体说明路线。在中西部风电场为东海岸供电的会议上，中西部独立系统运营商输电技术主管戴尔·奥斯本表示，直流电是唯一能保证电力准确到达所需地点的技术。复杂之处在于，在中间点接入线路（相当于高速公路立交桥）极其昂贵。
将全国编织在一起
更多长距离输电线路，无论采用交流电还是直流电，电压更高，都可以形成一个超级电网，加强和扩展现有的输电系统。然而，这些线路的建设规模必须大于传统的规划实践。对于直流电线来说，挑战尤其严峻：交流电线路可以分段延长，就像一次延长几英里的道路一样，但直流电线路就像一座桥梁，有固定的起点和终点。
输电几乎总是在一个公用事业公司或两个相邻公用事业公司的管辖范围内零散建设的。新线路的选址和获得通行权始终面临官僚障碍，并且通常会遭到公众的反对。第三个挑战在全国范围内出现，因为美国本土 48 个州分为三个巨大的电网：从落基山脉向东延伸的东部互联电网、从落基山脉向西延伸的西部互联电网和得克萨斯州。几十年来，这三个电网在很大程度上一直作为独立的岛屿运行，而东部网络也像拼图游戏一样细分为各个区域。
为了实现现代化，东部互联电网的区域运营商在 2009 年公布了一项全系统升级计划，该计划将使风力发电能够满足电网到 2024 年 20% 的能源需求。该计划呼吁铺设 15000 英里的覆盖输电线路，其中一半将是直流电。地图没有具体说明路线，但线路可以沿着现有的公用事业通行权或沿着铁路线甚至高速公路运行。
该计划部分因成本如何分摊而受阻。一种选择是“商业”线路，相当于私营公司建造的收费公路，今天已经存在一些。但这种安排仅在买方和卖方可以精确链接时才有效，这意味着，仅适用于直流电。交流电线路的一种选择是在将要服务的发电机和消费者之间分摊成本；然而，一些尝试过这种方案的区域输电组织在公式上存在长期争论。西南电力池提出了一项成本分摊系统，该系统于 6 月获得联邦能源监管委员会的批准，根据该系统，较高电压的线路被视为高速公路，成本在该地区所有公用事业公司之间分摊。较低电压的线路被视为旁路；像当地街道一样，它们的成本由当地承担。中等电压线路的成本将分摊。
但这种安排不适用于直流电，因为这些线路对任何不在两端的人都没有好处。一条从达科他州开始到芝加哥结束的线路对明尼苏达州、威斯康星州和艾奥瓦州来说毫无用处。对于这样一条线路，输电成本可能会计入电费，魁北克水电公司正在一条将为新英格兰供电的新线路中尝试这种技术。
当纽约州和新英格兰州声称该计划偏向于开发大平原上的风能并将其输送到东海岸时，陷入困境的东部互联电网计划最终破裂。东部各州表示，该计划将排除开发大西洋沿岸风力资源的可能性，因此退出了。
在新墨西哥州，在三个大型互联电网交汇处附近的一个地点，正在进行一项不同的尝试，以整合这三个大型电网。
这三个系统现在没有连接，因为它们的交流电没有同步。在每个电网中，电子每秒交替方向 60 次，在完全相同的时刻，就像火箭女郎在合唱队中跳舞一样。但这三组电流没有一起跳舞；它们的定时器不同。
在它们之间交换能量需要将一个地区的交流电转换为直流电，将其连接到相邻地区，然后再以正确的同步性将其转换为交流电。三个互联电网之间存在八个直流电连接，但它们只能传输 1500 兆瓦的电力，相当于两个大型燃煤电厂。
一家名为 Tres Amigas 的私营企业提议在新墨西哥州克洛维斯建立一个单一的传输站，该站将在更大范围内在这三个互联电网之间转移电力。硅基电力电子设备——不是计算机中指甲大小的芯片，而是像一叠餐盘大小的半导体块——会将交流电的流动切成小块，并将其重新组装成直流电。然后电流将通过损耗极低的超导电缆移动到另一个终端，在那里，更多的半导体将电力重新组装成交流电。据估计耗资 10 亿美元的传输站可以处理 5000 兆瓦的电力流量，如果设计出更强大的电力电子设备，则可以扩展到 30000 兆瓦。巨大的连接将充当这三个系统的锚点，传输电力并抵消电压不稳定性。
Tres Amigas 将通过收取电力传输费用以及可能通过促进电力买卖市场（如纽约证券交易所对股票所做的那样）来赚钱。它还可以将其电压和频率稳定性作为服务出售。
不过，障碍依然存在。例如，得克萨斯州目前不受联邦能源监管委员会的监管，那里的公司也不想受到监管。然而，该州可能会受益。“得克萨斯州已经建设了所有这些风力发电，但却陷入了困境”，因为没有足够的当地客户购买它，Tres Amigas 首席执行官兼全国最大的独立系统运营商 PJM 前总裁菲利普·G·哈里斯说。其他可再生能源丰富的地区也将有办法输送电力。
行动还是阻碍
真正国家超级电网面临的最大障碍之一是地理和财务规模。为了让联邦政府像组织和资助州际公路一样组织和资助它，可能需要一项强有力的国家可再生能源授权。另一条途径是为碳基燃料或二氧化碳排放设定可靠的价格，这既可以创造一笔资金，也可以为可再生能源提供优势，从而刺激私营部门为输送可再生能源的超级电网提供资金。
然而，目前的前景尚不确定。输电规划仍然是一项州级工作，因为州通常控制土地使用决策。卡内基梅隆大学电力行业中心执行主任杰伊·阿普特总结道，如果没有可再生能源授权或碳费的强力推动，“似乎没有多少人愿意制定国家输电计划”。
事实上，今年 3 月，一个新成立的公平输电政策联盟（由大型投资者拥有的公用事业公司、公共电力合作社、国会民主党人和共和党人以及州能源官员组成）表示反对建立一个强大的、集中规划和广泛融资的国家电网，以促进可再生能源的发展。该组织正试图阻止联邦能源监管委员会批准一系列从大陆中部风力丰富的地区到全国负荷中心的主要输电通道。其他批评人士质疑委员会是否有权批准此类线路。俄勒冈州参议员罗恩·怀登是该联盟的成员，他将拟议的输电线路比作天然气管道，这些管道将在纽约和北加州之间输送燃料，但可能会经过俄勒冈州，“而我的州的人民却没有直接受益”。然而，现代化的网络可以通过为各地互联的电网带来更高效、更便宜的电力并降低停电的可能性，使所有州的人民受益。