華盛頓州里奇蘭 -- 在能源部太平洋西北國家實驗室（PNNL）的實驗控制室內，顯示屏上的小光點左右閃爍，每秒30次記錄來自西部高壓電閘道器鍵點的遠端訊號。如果光點越過顯示屏上的安全邊界，警報會立即警告電網正處於危險之中。
這種早期警報本可以幫助運營人員避免 1996 年西部電力中斷，那次中斷導致 30,000 兆瓦的電力癱瘓——相當於使 30 個西雅圖規模的城市陷入黑暗。PNNL 電力基礎設施運營中心 (EIOC) 的先進監控系統也可能已經避免或至少最大限度地減少了 2003 年東北部停電事件，那次停電影響了 5000 萬人，PNNL 電力基礎設施經理 Carl Imhoff 說。
他解釋說：“在最終的連鎖電力損失發生前一個多小時，你就會看到克利夫蘭開始脫離系統的其餘部分。”
Imhoff 說，風能和太陽能的間歇性使得電網運營商的世界變得更加複雜。電動汽車的興起以及對更多電力儲存方式的需求，以及讓電力消費者減少高峰需求的需求，將增加更多的複雜性。 “未來 10 年電網將發生很大變化。我們希望預測到這一點，並在某種程度上引導它。現在，我認為我們有點在倒退著走向未來，”他說。
PNNL 的領導人表示，PNNL 的宏偉目標是透過投資 EIOC 等創新來管理至少一部分未來，然後與其行業合作伙伴一起將技術進步推向市場。
結果是，一個由國會資助的聯邦實驗室，致力於在氣候政策、可再生能源整合和電動汽車領域尋找解決方案——這些領域在華盛頓尚未達成明確的政治共識。
展望政治前景
Imhoff 和其他 PNNL 領導人渴望將 EIOC 作為實驗室致力於解決未來問題的例證，即使它必須自行啟動。
PNNL 隸屬於美國能源部科學辦公室，被授權從國會每年 11 億美元的年度預算中撥出幾個百分點——每年約 5000 萬美元——用於其實驗室定向研究和開發 (LDRD) 計劃。這筆資金資助了 EIOC 的開發。
PNNL 能源和環境部門經理 Terry Walton 說：“五年前，這家實驗室投入了自己的資金並與工業界合作建立了 EIOC。除了我們之外，沒有人知道你需要它，因為我們對此進行了充分的思考，並瞭解了科學差距在哪裡。我們正在從十年挑戰的角度來考慮這個實驗室。”
EIOC 中的顯示由同步相量技術驅動，這是輸電系統管理中最熱門的前沿技術。去年，能源部根據美國復甦與再投資法案向全國 10 個相量專案授予了 1.47 億美元的智慧電網撥款，撥款接受者也提供了匹配資金，這是政府與工業界北美同步相量計劃的一次重大擴充套件。
相量裝置對電力流的瞬間測量透過衛星進行時間戳標記，以同步來自發電機（甚至是數百英里外的發電機組）的讀數。然後，必須透過高速計算將海量資料轉換為可以指導電網運營人員操作的顯示。
PNNL 能源效率專案經理 Suresh Baskaran 說：“在過去 10 年中，實驗室選擇投資於旨在建立新能力或產生髮現的倡議，這些發現將為能源部和國家帶來更持久的利益。”
“你們與眾不同”
Walton 說，PNNL 的倡議受到了奧巴馬政府領導下的能源部的歡迎。能源部的資訊是：“你們與眾不同。我們喜歡這樣。不要失去它。”
Walton 說：“我聽起來像是在推銷，但我對我們正在做的事情感到非常興奮。”
在參觀 PNNL 期間，這種推銷顯而易見，PNNL 必須與其他國家實驗室爭奪能源部的資金，並且非常關注國會對其實驗室研究倡議的熱烈回應。Walton 說：“我們是一個價值 10 億美元的實驗室。但事實上，沒有人給我們這筆錢。我們必須為此競爭。”
該實驗室擁有 4,900 名員工，位於華盛頓州東南部裡奇蘭市中心外。它的根源可以追溯到第二次世界大戰期間的曼哈頓計劃，當時該實驗室是漢福德基地的一部分，哥倫比亞河的水在那裡冷卻了反應堆，這些反應堆為長崎原子彈生產了鈽，後來又為美國的冷戰核武庫生產了鈽。PNNL 於 1965 年與漢福德基地分離，但仍進行相對少量的地質研究，這些研究與毗鄰漢福德基地地下儲存的放射性廢物的汙染風險有關。
其在化學方面的專業知識有助於先進儲能電池的研究，這是管理風能的關鍵應用。該實驗室的地質學背景促進了對煤電廠分離出的碳以礦物形式進行地下儲存的研究。
Imhoff 說，PNNL 對電網控制的興趣始於 1992 年。1996 年的停電、2000-2001 年的加州能源危機以及 2003 年的停電都增加了這項工作的緊迫性。
“我們說，我們需要一個實驗室來進行電網工作。我們想使用相量資料。這非常難以獲得，而且當你獲得它時，你必須積極地保護它。... 這就是為什麼我們需要這個房間，這樣我們就可以使用即時新資料集處理完整的系統模型，並處理新的視覺化工具。”
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幫助一個行動遲緩的行業發揮領導作用
另一個 EIOC 顯示屏顯示了電力負荷的集中程度以及輸電網路中的薄弱點，在嚴重停電時，電網會在這些薄弱點斷開。Imhoff 說：“你現在買不到任何這些東西。它正在進行 beta 測試。”測試和培訓是 EIOC 的主要功能。Imhoff 說，它不用於日常電網管理，但它可以用於日常電網管理。
Imhoff 說：“就像我們生活中的其他方面一樣，[電網]上的資料將會爆炸式增長。而且資料本身沒有任何價值。你需要的是資訊。問題是如何為運營人員提取正確的資訊，並在正確的時間以安全和隱私的方式提供給他們。這是我們面臨的重大挑戰之一。
Imhoff 說：“國會在電網上花費不多。” 最近的布什政府的觀點是，“如果它如此重要，工業界就會挺身而出並做到這一點。”” 但他補充說，除了一些值得注意的例外，公用事業行業在發揮領導作用方面一直很遲緩。
Imhoff 說：“當我聽到人們詆譭經濟刺激資金，說我們從中沒有得到任何好處時，他們只是不明白。一場巨大的變革正在發生。” 他說，直到他們得到推動，行業資金才緩慢到位。 “每個人都對這些經濟刺激資金感到非常不滿，但技術進步實際上是由這些資金加速的。而且它將帶來巨大的價值，而大多數人甚至永遠不會聽說，”Imhoff 說。
PNNL 於 1965 年啟動，由位於俄亥俄州哥倫布市的非營利組織巴特爾紀念研究所管理。Walton 說，正是這種與私營部門的聯絡也使該實驗室與眾不同。Walton 說：“我們認識到與私營部門合作以提供解決方案的價值和必要性。”
CO2 捕獲和大型電池
其中一項合作是與 Babcock and Wilcox、麻省理工學院和電力研究所合作，旨在定義可以顯著降低從發電廠排放物中分離 CO2 以及將其安全地儲存在地下並以可管理成本儲存的概念。
PNNL 能源與環境理事會負責人 Michael Davis 表示，關鍵可能是修改現有的燃煤電廠排放洗滌器系統，以分離 CO2 以及硫和氮的氧化物。第二步是將 CO2 包含在地下玄武岩地層中，在那裡它可以安全地轉化為礦物形式，以便安全、持久地儲存。PNNL 在實驗室中看到了它工作的證據。如果它在實踐中也這樣做，那麼它就可以消除人們對地下高壓封存的 CO2 可能意外洩漏到地表並可能造成可怕後果的擔憂。
Walton 說：“我們將在五年內投資 5000 萬美元，這對我們來說是一筆非常大的投資，用於開發突破性的 CO2 捕獲技術。我們正在為此組建合適的團隊。”
另一項風險投資將 PNNL 與 OM 集團旗下的 EaglePicher Technologies 聯絡起來，旨在為公用事業公司生產更便宜的儲能電池系統，以幫助支援風能和太陽能發電。EaglePicher 因生產用於美國軍事和航天領域的高階電池而聞名。美國能源部高階研究計劃署能源部的一筆撥款資助了這項工作。
日本公司 NGK 現在是唯一一家主要的商業鈉硫電池製造商，目前正被一些公用事業公司購買。它的裝置採用厚管狀設計，適合密封危險的揮發性鈉。高階研究科學家 Gordon Graff 說，如果電池可以製成更薄、更扁平的形式，電池效率可以提高 30%，製造成本可以大幅降低。
PNNL 的使命是指導研究潛在的突破，這將使國家繼續朝著實現 10 年、20 年和 50 年的能源和環境目標邁進——Imhoff 說，這些目標並沒有太多疑問。“我幾乎聽不到有人爭論碳濃度的變化是否受人類行為的影響。我很少聽到有人爭辯說不會發生氣候變化，”Imhoff 說。
他補充說：“國家需要問的是，我們想要什麼樣的電力系統？新技術如何使我們能夠以一種既能保持我們的全球競爭力和網路安全，又能實現我們在碳排放和能源進口方面的能源目標的方式來實現這一目標？”
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