互动科普

2003年8月14日下午，一场大停电突如其来，降临到美国纽约市，让这个“大苹果”城的800万居民陷入黑暗，令人惴惴不安，不仅如此，生活在美国东北部地区和加拿大安大略省的4,000万人，也成了这场停电事故的受害者。在俄亥俄州的一家电厂停产之后，电力负荷便不断增加，使高压线过热而下垂，触及大树，发生短路。这种故障犹如倾倒的多米诺骨牌，通过电网发生连锁反应，引起265家电厂相继跳闸离网，导致2.4万平方千米的地区一片漆黑。

一个月之后，又一次更严重的断电事故发生在欧洲，影响到意大利和瑞士5,600万人。这两次事故让人们注意到，尽管互连电网在现代文明中不可或缺，与生物循环系统同等重要，但它却存在着一些普遍问题。过去100年间，北美洲的电网渐渐发展成为庞大的基础设施，价值1万亿美元，电力部门架设起数百万千米高压线，电压高达76.5万伏，横跨这片大陆。尽管该电网极其重要，却没有一个单独机构来管理它的运行、维护或保护工作；在欧洲也同样如此。即便数十家电厂相互竞争，但每一秒钟都必须合作发电和送电，按照用户的需要，不断准确地提供电力。2003年的多次断电，引发人们不满，他们要求美国政府对电力工业加强监督和看管，推动其更迅速地采取行动，通过美国智能电网联营企业(IntelliGrid Consortium)和美国能源部聪明电网(GridWise)计划，为电网建立自愈性系统，以防止某些级联式事故性停电。但是，电网的可靠性并非唯一挑战，甚至还可能不是电网在今后数十年所面临的最重要的挑战。

20世纪电网有一个较为基本的限制，那就是它难以适应、把握21世纪的两大发展趋势：电能需求量的持续增长，以及能源方向的转变：从采用矿物燃料的发电站和车辆，转向更清洁的电力和运输燃料——这一转变正在来临。发电厂无法仅仅通过大幅提升电压和电流，让现有高压输电线输送更多电力。在大约100万伏电压条件下所产生的电场非常强大，会撕裂导线的绝缘层，产生电弧和短路。较高的电流将使输电线发热而下垂，极易靠近树木和建筑物，引起短路，非常危险。

此外，当今的能源基础设施，对人们迅速采用复合动力车的支持力度到底能有多大，尚不清楚，复合动力车则利用电力或氢(供燃料电池使用)作为部分动力。因为我们目前所拥有的电力系统，还必须持续不断地平衡发电量与电力消耗量，而由可再生风能、海洋能和太阳能资源所提供的动力，变化无常，且时有时无，因此，现有电力系统不容易接受它们的大幅度增长。

我们这支工程师和物理学家队伍正在不断壮大，已经开始为一种新能源传输系统制定一些设计方案，我们将这种系统称为大陆超级电网(Continental SuperGrid)。我们预计，超级电网将在现有电网基础上逐步演进，增强其输送能力和可靠性。经过数十年的发展，超级电网将不仅适合生产和输送丰富、可靠、便宜和“清洁”的电力，而且还能生产和输送氢燃料，供能量储存和私人交通之用。

研究了超级电网设计方案的一些工程技术之后，我们得出了如下结论：要实现这一方案，无需更多基本的科学探索，现有核能、氢能和超导技术，再辅之以选定的可再生能源，就能提供建造超级电网所需的所有技术成分。但要举国上下万众一心建设超级电网，却可能很棘手，工程技术方面也同样有一些难题需要解决，但是，超级电网带来的好处也相当可观。

超导输电线输送电力的效率近乎完美，可让远处的发电厂供电，弥补一些区域性供电中断所造成的缺口。超导输电线能让一些不同气候地区的发电厂输送电力，支援那些缺电地区，努力满足峰值供电需要。它们还能让电力公司远离人口稠密的地区，在不会引起争议的地点新建发电站。

超级电网与这些新型发电厂相连，既提供了一个氢燃料供应源，又提供了一种广泛配送氢燃料的途径——这种途径可通过环绕和冷却超导输电线的管线来实现。充满氢的超级电网，不仅可用作输送管线，而且还能用作巨大的能源储存装置，建立所需的缓冲装置，让风能、太阳能和其他可再生能源得到更广泛的使用。超级电网还能建立核心基础设施，如果一些经济富裕国家想要远离排放温室气体的发电厂和车辆，那么这种核心基础设施便必不可少。

新时代新电网

大陆超级电网这一概念，听起来似乎极为先进，却已有很长的历史。早在1967年，IBM公司的物理学家理查德·L·加温(Richard L.Garwin)和朱里·马特索(Juri Matisoo)就公布了一种新型输电电缆的设计方案，该电缆长达1,000千米，由铌锡(niobium tin)合金制成，在高强度电流条件下具有超导性。当用液氦(liquid helium)冷却这种合金，使它的温度降低到绝对零度以上若干度时，大量直流电(direct current, DC)便可无阻力地通过这种超导体。他们提出了一条DC电缆和两条输送管线(由超导线或超导带制成)的组合输电方案，该方案一旦实施，便可输电1,000亿瓦，大约等于50家核电厂的输出功率。

当时，加温和马特索还在探索哪些想法可能实现、哪些不切实际。把那样大的功率注入该电网的某一点是不可行的，而且液氦是一种麻烦的冷却剂。尽管如此，他们的想法却启发了其他人。在随后的几十年间，研究人员在美国纽约州布鲁克海文和奥地利格拉茨附近制造了一些短程超导电缆(superconducting cable)，并进行了传输交流电(alternating current, AC)的试验，在格拉茨，电力部门将这种电缆与当地电网连接起来，运行了若干年。

在发现高温超导现象10年之后，美国电力研究所(EPRI)进行的一项技术研究断定，从经济角度来说，如果采用液氮作为冷却剂，一条50亿瓦直流“电力管道”不亚于一条气体输送管线，也不亚于输送距离长达800千米以上的普通架空输电线路。在一些论文中，本文作者格兰特和斯塔尔进一步发展了这一想法，研究了这样的可能性：在一种大陆规模的系统中，将超冷氢(液体或者超冷气体)既用于冷却超导输电线，又用于传输化学能量。2002年和2004年，本文作者奥弗拜伊组织了一些工厂的数十位专家，研究了建造一段100米长的试验导线的详细计划，以后还会在现有地区电网之间建造一个50千米的连锁电网。

重要的是要尽早研制出一些样品，因为现有电网不堪重负，日渐达到最大负荷点，而且，正如一些断电事故所表明的那样，有时还会超过最大负荷点。在过去5年里，美国的总发电能力已增加25％，而高压输电网的规模仅增加了3.3％，但美国社会的能源需求量却一直在激增：据美国能源资料管理局(EIA)预计，到2025年，美国年度能源使用量将达到134万亿千瓦小时，高出2005年25%。

不断增加的能源需求量提出了两个问题：在何处获得这种新能源，如何将它配送出去。在今后20年内，矿物燃料仍将提供我们所需的大部分能源。但是，正如我们在过去几个月里已经看到的那样，全球对有限的石油和天然气资源的争夺急剧升温，甚至轻微的生产量短缺也会导致能源价格飙升。而人们对温室效应使全球气候变暖的担忧，正导致能源使用方面出现其他一些限制。

如果我们有机会摆脱对矿物燃料的依赖，那么就应抓住这种机会。但是，全面利用非矿物能源，包括风能、太阳能、农业生物质能，特别是先进的核能，将需要一种适用于这个新能源时代的新型电网。为了分配每年增加的数万亿千瓦小时的电力，美国电网将不得不比目前多输送大约4,000亿瓦电。

到目前为止，我们只能强化现有的基础设施。新型碳芯铝线能比通常的铜导线绷得更紧，因而在它下垂至安全高度以下之前，可传输的电流大概是铜导线的3倍。美国的电力公司将利用美国《2005年能源法》中的一些条款，以便更易于开辟新的输电途径。

但是，高压输电线正在接近绝缘材料的百万伏电压极限值，同时也在接近控制DC输电线的半导体器件的运行限制。在大约1,200千米距离的条件下，AC输电线效率极低，因为在那种情况下，它们像巨型天线，开始辐射它们输送的60Hz电力。因此工程师们必须采用一些新技术来拓展输电系统，将数千亿瓦功率的电流从遥远的发电厂输送到一些大城市。

下一代核能

我们设计超级电网的目标之一，就是确保它能接收来自各种发电装置的电力输入——从最小的屋顶式太阳能电池板和农家场院的风轮机，到最大的核反应堆装置。然而，最大的设施限制了许多基础设计决策。在提供今后20年所需的巨大额外电量方面，可再生能源仍面临一些巨大挑战。因此，我们便在第四代核电站的基础上构建我们的设计概念。

美国《2005年能源法》将6,000万美元投向开发“第四代”高温气冷式反应堆。与大多数现有核电厂不同——现有核电厂为水冷式，通常建在一些大型水体附近，一般都靠近人口密集的中心地区，而下一代反应堆则将多余的热量直接排放到空中或地面。

在一些较新的设计中，当上升的温度超过正常运行范围时，这些核反应堆的运行速度便会慢下来，于是它们本能地防止了冷却剂耗损和过热——在乌克兰切尔诺贝利和美国宾夕法尼亚州三英里岛核电站，就发生过这样的灾难[参见《科学美国人》2002年1月号詹姆斯·A·莱克、拉尔夫·G·贝内特和约翰·F·科泰克所著《下一代核电站》一文]。

然而，同所有核裂变发电机一样，第四代发电机组将产生一些放射性废料，因而应把它们修建在远离城市地区的“核电站建筑群”(nuclear cluster)中，使其成本降至最低，且在政界也最容易获得通过。每一个核电站建筑群，都能产生100亿瓦数量级的电力。

把核电站设在偏远地区，将更易于保护反应堆的安全，也易于修建。但是，要输送它们产生的电力，我们需要一种新型输电技术——超级电缆，这种超级电缆能大幅度降低远程输送能量的成本。

双管齐下——超级电缆

在我们需要将数百亿瓦电输送数百千米远时，完美的导电体是一种理想的组件。虽然早在1911年就发现了超导材料，而且数十年前就用它制造出一些实验性器件，但是，让超导材料保持在超冷状态所必需的制冷技术，直到最近才简化到足以应用于工业的程度。目前，超导体正突破核磁共振成像扫描装置和粒子加速器应用领域，进入商用电力系统。

美国能源部(DOE)已联合一些电力设备制造商和电力公司，共同生产超导变压器、电动机、发电机、故障电流限制器和输电电缆的样品。其他一些国家的政府，特别是日本、欧盟国家、中国和韩国，也有类似的发展规划。目前，美国有3项超导电缆试验计划，正分别在纽约州长岛和奥尔巴尼、俄亥俄州哥伦布进行。

这些电缆采用基于一氧化铜的超导带，并用液氮把超导带冷却至77开(-196摄氏度)。将液氢用作冷却剂，可将温度降至20开，可进入一些诸如二硼化镁之类的新型化合物的超导范围[参见《科学美国人》2005年4月号保罗·C·坎菲尔德和谢尔盖·L·巴德科所著《低温超导性研究正在升温》一文]。

即使只有使用直流电才能无阻力地进行传输，但迄今为止，所有对超导电缆进行的试验，都一直是使用交流电。即便如此，以现有电网所用的电流频率，在同样温度下，超导体的电阻约为铜的1/200。

我们所设计的超级电缆，包括一对DC超导线，其中一条为正5万伏，另一条为负5万伏，两条超导线都输送5万安培电流，远远高于任何一条常规导线所能承受的电流强度。这类电缆能采用几乎零电阻和零线路损耗的方式，将大约50亿瓦电传送数百千米远。而当今发电厂生产的所有电能，大约有 1/10损耗于传输过程中。

从技术上来讲，一条50亿瓦的超级电缆肯定切实可行，规模堪与31亿瓦的太平洋电力网(Pacific Intertie)相媲美，太平洋电力网是一条现有的500千伏DC架空输电线，在俄勒冈州北部与加利福尼亚州南部之间输送电力。仅仅4条超级电缆，就足以输送巨大的中国三峡大坝水电设施所生产的所有电力。

因为超级电缆将使用氢来作为低温冷却剂(cryogenic coolant)，所以它将以化学形式和电能形式来输送能源。下一代核电站既能生产电能，又能生产几乎同等热效率的氢，因而核电站建筑群的操作人员可根据情况见机行事，不断调整送入超级电网的电流和“氢流”(hydricity)的比例，维持足以使输电线保持超导状态的氢流量，同时又满足了电流需求量。

电流与氢流

在可供选用能量中间选择可替代能源形式的能力，还有以化学形式储存电力的能力，这些能力创造了许多可能性。例如，超级电网可大幅度降低复合动力车的燃料成本，而这种复合动力车恰恰以电和氢为动力。

现有复合动力车依靠汽油和柴油行驶，使用蓄电池来回收能源，否则能量就给白白浪费掉了。去年崭露头角的“插入”式复合动力车，则使用电力和汽油[参见《环球科学》2006年5月号约瑟夫·J·罗姆和安德鲁·A·弗兰克所著《复合动力车加速跑》一文]。宝马、马自达和其他汽车制造商已经证明，氢复合动力车拥有两种燃料箱和两种发动机，在合适情况下燃烧氢，而在其他场合则燃烧汽油。许多汽车制造商还在研发一些使用车载燃料电池的车辆，通过将氢与氧混合，把氢转化为电力。

即便目前效率最高的汽车，也只能将燃料能量的30%～35%转化为动能。氢燃料电池复合动力车的转化效率，却要高得多，达到50%的燃料效率相对容易，并且最终可达到60%～65%的燃料效率。

即使替换某一适度百分比的石油型交通运输燃料，也可能需要数量巨大的氢和电，以及一种遍布各地的基础设施，用来有效地供应氢和电。超级电网则提供了一条实现该方案的途径。在每个核电站建筑群范围内，有些反应堆可生产电力，而另一些反应堆则制造氢，且不会排放任何温室气体。

通过同时输送电与氢，超级电网既能作为输送管线，又可充当一种能量储存装置。例如，每相隔70千米、装有直径为40厘米的充满液氢的管道的超级电网供应站，便可储存320亿千瓦小时的能量。这样一个供应站储存的能量，相当于美国最大的抽水蓄能式水电设施——拉孔山水库所储存的容量。

同今天的电网相比，这种新型电网通过将电转换为一种存在时间较长的物品(像石油或天然气那样)，就能让电力市场更为可靠地适应需求量的迅速变化。超级电网连接，横跨若干时区和气候分界线，可让发电厂分流出多余的夜间供电，满足一些远方城市的峰值电力需求。通过消除需求量的波动起伏，这种低耗电网就能有助于减少对新一代电网建设的需要。

对于消除由大规模使用风、潮汐、波浪和阳光等多变能量所产生的局限性，超级电网也大有帮助。可再生发电厂可将氢泵送到该电网上，而不用销售电力。换句话说，基线发电装置(baseline generator)就能监测这些发电厂电力输出的起伏，还能使用电解方法来变换电流／氢流混合体，从而加以弥补。

克服难点，勇往直前

着手修建超级电网，并不需要重大的科技创新，电力工业已经对超级电网这一概念兴趣十足，为美国电力研究所的一个超级电网项目提供了资金，因为要让超级电网融入现有电网，将会面临着众多工程设计的挑战，其中最大的挑战就是，如何面对超级电缆发生的故障。该研究所将仔细研究这些挑战。

目前的电力网，即使在高压输电线之类的某一单项装置发生故障时，也仍然安全可靠。例如，当一条输电线下垂到树木上时，断路开关(circuit breaker)便开启，将输电线与电网断开，而在导线上流动的电流，则几乎瞬间便转移到其他输电线上。但是，我们迄今仍然没有一种断路器设计方案，这种断路器能切断可能流过超级电缆的电流——我们必须研发出那种技术。电网管理者可能需要研发新型工艺技术，用来处理可能在常规电网上巨大电力损耗造成的重大故障。超级电缆的断路，可能会破坏电缆周围环绕的磁场，在断路点产生一种短暂而强烈的电压尖脉冲。这些输电电缆将需要强大的绝缘层——强大得足以包容这种尖脉冲。

在超级电缆内安全输送大量的氢，带来另一个挑战。在千米规模的管线上泵送气态和液态氢方面，石化工业和一些空间研究计划具有丰富经验。人们对液化天然气使用的日益增加，将进一步稳固该技术的基础。氢的爆炸潜能(每单位质量的能含量)大约为天然气中甲烷的两倍。但是，氢更容易泄漏，并且能在氧浓度较低的条件下着火燃烧，因而氢的分配和存储基础设施，必须处于密封状态，以确保无懈可击。车用储氢罐的研究已获得进展：生产出了能承受每平方厘米高达700千克压力的外壳。

也许确保超级电缆安全可靠的最佳方法，就是让它们穿过地层深处的电缆沟。埋设方法能大大减少公众和政界对建造新型输电线的反对意见。

电缆沟工程的成本费用较高，但是，由于地下建筑施工和微型隧道开挖技术已取得巨大进步，其成本费用一直在下降，在纽约市第3号输水隧洞和芝加哥市巨型雨水排水系统等工程中，这种情况已得到了证实。目前，自动钻凿机正在美国尼亚加拉河畔钻凿一条长10.4千米、直径14.4米的水力发电隧道，其成本费用为6亿美元。据费米实验室(Fermilab)最近的研究估计，一条长800千米、宽3米、深150米的电缆沟，造价每米低于1,000美元。

超级电缆可输送的电力，高于现有输电线许多倍，这种高效有助于解决埋设工程的成本费用问题。但是，进一步技术创新和地下施工建设的经济问题产生的一些限制，却需要加以更深入的研究。

为了推动超级电网，弄清楚成本费用，2004年，超级电网研讨会的与会人员建议修建一条长1千米的超级电缆，输送数百兆瓦电。第一阶段可对超导组件进行简化试验，用液氮冷却它们。该项目可由美国能源部(DOE)主持，在一个合适的国家实验室工地进行，并由一些发电厂和地区输电施工单位联合监督管理。在其样本产品取得成功后，便着手实施一个30千米～80千米的超级电缆验证项目，该项目旨在通过补充相邻地区电网之间长期拥塞的连锁电力网，突破当今电力网的一些真正瓶颈。

除此之外，任何国家修建超级电网的政治意愿和社会意愿，在很大程度上都取决于价格。这一投资无疑是巨大的：也许高达1万亿美元之巨，并且无论如何其投资回报时间都极长，无法吸引私人投资。要估算出一个为期数十年、数百年的超级电网项目的成本费用，是十分困难的。但是，人们能够判断其最终效益：一种无碳的、有益于生态的国内能源基础设施，将给经济发展提供可靠保证。