Shule ya zamani: Sehemu kubwa ya mmea na mtandao wa usambazaji ambao tunategemea umekuwepo kwa miongo kadhaa. andrewfhart / flickr, CC BY-SA
Gridi ya umeme ni mfumo mzuri wa kuunganishwa wa mashine zinazoenea katika bara lote. Chuo cha Kitaifa cha Uhandisi kimeiita moja ya mafanikio makubwa ya uhandisi ya karne ya 20. 
Lakini pia ni ghali. Kwa uchambuzi wangu, thamani ya sasa (iliyopunguzwa) ya gridi ya umeme ya Merika, inayojumuisha mitambo ya umeme, waya, transfoma na nguzo, ni karibu dola 1.5 hadi $ 2 trilioni. Kuchukua nafasi hiyo ingegharimu karibu $ 5 trilioni.
Hiyo inamaanisha miundombinu ya umeme ya Merika, ambayo tayari ina trilioni za dola za mtaji uliozama, hivi karibuni itahitaji uwekezaji muhimu unaoendelea ili kuweka mambo jinsi yalivyo. Kiwanda cha umeme kilichojengwa wakati wa upanuzi wa haraka wa tasnia ya umeme katika miongo kadhaa baada ya Vita vya Kidunia vya pili sasa ina umri wa miaka 40 au zaidi, imelipwa kwa muda mrefu, na inawezekana inahitaji kubadilishwa. Kwa kweli, Jumuiya ya Amerika ya Wahandisi wa Kiraia ilitoa tu miundombinu yote ya nishati a kupita daraja la D +.
Utawala wa sasa umeapa kuwekeza sana katika miundombinu, ambayo inaibua maswali kadhaa kuhusu mfumo wa umeme: Gridi ya nishati ya siku zijazo inapaswa kuonekanaje? Je! Tunapataje usambazaji wa nishati ya kaboni ya chini? Itagharimu nini?
Miundombinu inaonekana kuwa suala ambalo linaweza kukusanya msaada kutoka pande zote mbili za aisle. Lakini kufanya maamuzi mazuri juu ya matumizi, tunahitaji kwanza kuelewa thamani ya gridi iliyopo.
Hali ya sasa ya mpito
Gridi ya umeme imekusudiwa kudumu kwa miongo kadhaa, lakini ni watu wachache wanaotambua mfumo wote lazima usawazishe usambazaji na mahitaji kwa nyakati za muda mfupi kama sekunde. Kila watt ya nguvu ya umeme kwa nyumba za taa, kompyuta za rununu au viyoyozi zinazozalishwa wakati huo huo katika maeneo tofauti, haswa kwa kuchoma mafuta ambayo yanazunguka kwa sumaku kwenye jenereta. Kimsingi hakuna uhifadhi wa umeme kwenye gridi ya taifa; badala yake nishati nyingi huhifadhiwa kwenye mafuta - makaa ya mawe, gesi asilia, bidhaa za nyuklia na maji nyuma ya mabwawa, ikingojea amri ibadilishwe kuwa umeme kwa wakati halisi.
Mahali na kushuka kwa hali ya mimea yote ya umeme ya Merika. Joshua Rhodes, EIA Fomu 860 data.
Katika miaka ya hivi karibuni, ambapo tunapata nguvu zetu zimebadilika sana. Jenereta kongwe ni mitambo kubwa ya umeme, na nyingi ziko katika sehemu ya mashariki mwa Amerika nyongeza za hivi karibuni zimekuwa ndogo na zimeenea zaidi - fikiria paneli za jua za paa au shamba za upepo. Wataalam wengine hata wamesema kuwa mtindo huu wa kizazi kinachosambazwa zaidi karibu na mahali ambapo nguvu hutumiwa - kando ya mtandao, badala ya mitambo ya kati - ndio kawaida mpya.
Kuendelea mbele, tunaweza kujenga gridi nyuma kwa njia ile ile ambayo tumefanya hapo awali au tunaweza kuwekeza katika teknolojia mpya ambazo zinaweza kuleta huduma sawa lakini kwa gharama ya chini.
Na tunawezaje kuifanya iwe safi? Watu wengine wanafikiria gridi hiyo inaweza endesha kabisa kwenye vyanzo vya nishati mbadala. Wengine wanasema njia bora ya "decarbonize," au kupunguza uzalishaji wa kaboni, kwa mfumo wa nishati kwa ujumla ni umeme ulioenea ya sekta za viwanda na usafirishaji.
Lakini kujibu mabadiliko gani yangegharimu, tunahitaji kujua: Gridi ya sasa inagharimu nini? Je! Saruji, chuma, silicon, n.k. ambazo tayari tumeweka kwenye ardhi zina thamani gani? Ili kusaidia kuwaarifu watunga sera na wapangaji wanaopambana na maono yao ya siku zijazo, nilianza kujibu swali hilo.
Ni nini kinachounda gridi ya taifa?
Kwa zoezi hili, nimepunguza "gridi" kwa sehemu zifuatazo:
- Mimea ya nguvu
- Mistari ya maambukizi ya juu na ya chini, ambayo husafirisha nguvu kwa umbali mrefu
- Mistari ya usambazaji, ambayo huleta nguvu moja kwa moja kwa majengo au sehemu zingine za mwisho
- Vitu vya kusambaza nguvu kwenye gridi ya usafirishaji
- Vituo kwenye gridi ya usambazaji
- Transfoma zinazobadilisha voltages kwenye gridi ya usambazaji
Hesabu hii inaacha vifaa vya ziada na muhimu vya gridi, kama waya wa umeme ndani ya nyumba yako, mita kwenye paneli za umeme kwenye nyumba na majengo na vifaa vya matumizi ya mwisho ambavyo hutumia umeme.
Kuchanganya kupitia ripoti anuwai za umma na kutumia makadirio yaliyosasishwa kwa ujenzi mpya na njia za kawaida za kukadiria uchakavu, tulihesabu thamani ya mali ya taifa kwa uzalishaji wa umeme, usafirishaji na usambazaji.
Uwezo wa jumla wa mimea hii ya nguvu ni karibu terawatts 1.15. Hiyo ndio uwezo wa kuzalisha wa mitambo ya umeme wa nyuklia kama 1,000 (kwa sasa Amerika ina karibu 100). Kama unaweza kufikiria, hiyo itakuwa gharama kubwa kuchukua nafasi. Kwa mitambo ya umeme peke yake, thamani ya uingizwaji ni karibu $ 2.7 trilioni, na thamani iliyopungua, au thamani mbaya ya sasa, ni karibu $ 1 trilioni. Kwa ujumla, kuvunjika kwa thamani ni juu ya mmea wa umeme wa asilimia 56, mfumo wa usafirishaji wa asilimia 9 na mfumo wa usambazaji wa asilimia 35.
Kuvunjika kwa uingizwaji na thamani iliyopungua ya miundombinu ya umeme ya Merika. Vyanzo vingi vya data, ikiwa ni pamoja na EIA, ni sawa na ile iliyotumiwa hivi karibuni katika Gharama Kamili ya Utafiti wa Umeme wa Taasisi ya Nishati ya UT-Austin. Tulitumia ratiba rahisi ya uchakavu wa uchakavu wa laini inayomalizika kwa thamani ya chakavu ya asilimia 15 ya gharama ya mwanzo mwishoni mwa maisha yake yanayotarajiwa. Joshua Rhodes
Njia gani ya kwenda mbele?
Ikiwa tunataka kuwa na siku zijazo za nishati safi, kuna njia nyingi za kufika huko. Walakini, ninafikiria kuwa njia ya bei rahisi na inayofaa itakuwa ndio inayoweza kutumia zaidi, sio marudio, miundombinu ambayo tayari tunayo. Njia moja ya "kuziba na kucheza" (na kile tunachokiona leo) ni ubadilishaji kutoka kwa makaa ya mawe hadi kizazi kinachotumia gesi kwenye vituo vya umeme ambavyo vinaweza kutumia waya zilizopo, nguzo na miundombinu ya maji.
Katika mwisho mwingine wa wigo, uchumi wa haidrojeni utahitaji uwekezaji mpya mpya katika aina mpya za teknolojia, kwa hivyo itapunguza chini ya kile tunacho sasa. Kwa mfano, tunahitaji kujenga maeneo ya kuzalisha na kuhifadhi hidrojeni. Kwa upande mwingine, ina uwezo wa kuwa endelevu zaidi na endelevu.
Kuonyesha umri wao: Kuboresha njia za kusafirisha kunaweza kuleta umeme wa jua na upepo kutoka sehemu za mbali za nchi hadi mahali watu walipo, ambayo itasaidia kufanya gridi kuwa safi na bei zinazoweza kupungua. indigoskies / flickr, CC BY-NC-ND
Eneo moja ambalo linaonekana kuahidi uwekezaji wa miundombinu ni kuboresha mtandao wa usambazaji wa umeme kwa wingi. Uboreshaji huu unaweza kuruhusu nguvu kutiririka kati ya mikoa ya Amerika na itakuwa sawa na jinsi mfumo wa barabara kuu unashusha gharama za biashara kote nchini kwa kupunguza sana wakati uliochukua kusafirisha bidhaa na huduma katika nchi yetu kubwa.
Kuna maeneo ya Amerika ambapo nguvu hutengenezwa kwa bei rahisi na athari chache za mazingira kuliko katika maeneo mengine. Kupanua laini za usafirishaji kwa maeneo ya nchi ambayo yana rasilimali nzuri za upepo na jua zinaweza kuleta nguvu ya gharama nafuu sana kwa watumiaji. Shida ni kwamba maeneo haya sio kila wakati watu walipo, kwa hivyo kuleta nguvu hii kwa watu, tunahitaji mtandao thabiti wa usafirishaji.
Mitandao ya usambazaji - sehemu ya gridi ya taifa inayotoa umeme moja kwa moja kwa majengo - inaweza pia kujumuisha jua zaidi bila gharama iliyoongezwa kwa utendaji wa gridi hiyo. Lakini mara tu uwezo wa jua unafikia asilimia fulani ya mahitaji ya nguvu kwenye mtandao wa ndani, ambayo inatofautiana na eneo, basi gharama zaidi zinapatikana.
Mwishowe, watumiaji, au walipa kodi, kila wakati huishia kulipia miradi hii ya kuboresha, lakini faida zinaweza kuzidi gharama. Upanuzi wa Texas wa gridi yake ya umeme imeruhusu nguvu zaidi ya upepo kufikia vituo vya kupakia ambayo, pamoja na kushuka kwa bei ya gesi asilia, kumepunguza gharama za soko la umeme wa jumla. Gharama hizo za chini ni basi kupita kwa walipa kodi.
Hakuna njia ambayo haiitaji uwekezaji - hata kudumisha tu kile tulichonacho kutagharimu mamia ya mabilioni, ikiwa sio matrilioni, ya dola kwa muongo mmoja ujao. Swali kubwa ni: Tunapoendelea kuchukua nafasi na kujenga tena gridi hii ya kushangaza, ni teknolojia gani tunapaswa kuzingatia?
Kuhusu Mwandishi
Joshua D. Rhodes, Mtafiti Mkuu wa Nishati, Chuo Kikuu cha Texas at Austin
Makala hii ilichapishwa awali Mazungumzo. Soma awali ya makala.
Vitabu kuhusiana
at InnerSelf Market na Amazon
