2003年8月14日下午，紐約市電力中斷，使這個大蘋果城的八百萬居民——以及美國東北部和安大略省的其他四千萬人——陷入了緊張的黑暗之夜。在俄亥俄州一家發電廠關閉後，升高的電力負荷使高壓線路過熱，線路下垂到樹木中並短路。就像多米諾骨牌一樣，故障在電網中級聯，導致265座發電廠離線，24,000平方公里陷入黑暗。
該事件——以及一個月後影響義大利和瑞士5600萬人的更大規模停電——引起了人們對現代文明重要性等同於生物迴圈系統的互聯電網的普遍問題的關注。在北美，電網在過去100年中以零敲碎打的方式發展起來。如今，超過1萬億美元的基礎設施遍佈整個大陸，數百萬公里的電線以高達765,000伏的電壓執行。儘管它非常重要，但沒有哪個單一組織可以控制電網的執行、維護或保護；歐洲也是如此。數十家公用事業公司必須合作，即使它們相互競爭以每秒鐘發電和輸送與客戶需求完全相同的電力——不多也不少。2003年的停電事件引發了人們對加強政府監管的呼籲，並促使該行業透過其智慧電網聯盟和美國能源部的電網智慧化計劃，更快地建立電網的自愈系統，這可能會防止某些型別的停電級聯。但可靠性並不是電網在未來幾十年面臨的唯一挑戰——甚至可以說不是最重要的挑戰。
20世紀電網更根本的侷限性在於，它不適合應對21世紀的兩個趨勢：對電能需求的持續增長，以及即將到來的從化石燃料發電站和車輛向更清潔的電力和運輸燃料的過渡。公用事業公司不能簡單地透過提高電壓和電流來透過現有的高壓線路輸送更多電力。在大約一百萬伏特時，電場會撕裂電線的絕緣層，導致電弧和短路。更高的電流會加熱線路，然後線路可能會危險地下垂到靠近樹木和建築物的地方。
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一個充滿氫氣的超級電網不僅可以作為管道，還可以作為巨大的能量儲存庫。
此外，目前尚不清楚今天的基礎設施能否很好地支援混合動力汽車的快速普及，這些汽車部分動力來自電力或氫氣。而且，由於電力系統必須持續匹配電力消耗與發電量，因此它無法輕易接受來自可再生風能、海洋和太陽能資源的不可預測和間歇效能源的大幅增加。
我們是一群不斷壯大的工程師和物理學家中的一部分，他們已經開始開發一種新的能源輸送系統設計，我們稱之為大陸超級電網。我們設想超級電網與現有電網一起逐步發展，增強其容量和可靠性。在幾十年內，超級電網將建立不僅能夠生產和輸送充足、可靠、廉價和“清潔”的電力，而且還能生產和輸送用於能量儲存和個人交通的氫氣的手段。
對該設計的工程研究得出的結論是，實現這一願景不需要進一步的 фундаментальные 科學發現。現有的核能、氫能和超導技術，輔以精選的可再生能源，提供了建立超級電網所需的所有技術要素。集結社會和國家的決心來建立它可能是一個挑戰，一些工程方面也是如此。但好處也將是巨大的。[break]
超導線路以幾乎完美的效率傳輸電力，將允許遠端發電機補償本地停電。它們將允許不同氣候區域的發電廠支援那些努力滿足峰值需求的發電廠。它們還將允許公用事業公司在遠離人口中心的不那麼有爭議的地點建造新的發電站。
對於在數百公里範圍內移動數十吉瓦的功率，完美的導體是完美的選擇。
超級電網與這些新發電廠的連線將同時提供氫源和廣泛分配氫氣的方式，透過環繞和冷卻超導線的管道。一個充滿氫氣的超級電網不僅可以作為管道，還可以作為巨大的能量儲存庫，建立起必要的緩衝，以便更廣泛地使用風能、太陽能和其他可再生能源。它還將構建核心基礎設施，如果富裕經濟體要擺脫排放溫室氣體的發電廠和車輛，這是先決條件。
新時代的新電網
大陸超級電網聽起來可能像一個未來主義的想法，但這個概念由來已久。1967年，IBM物理學家理查德·L·加溫和尤里·馬蒂索奧發表了一種由鈮錫製成的1000公里傳輸電纜的設計，鈮錫在強電流下具有超導性。當金屬被液氦冷卻到絕對零度以上幾度時，超導體中可以無電阻地透過大量的直流電 (DC)。科學家們提出了一種直流電纜，它具有兩根導體（由超導線或帶製成），總共可傳輸100吉瓦的功率——大約相當於50座核電站的輸出功率。
加溫和馬蒂索奧探索的是可能實現的事情，而不是實際的事情。將如此大的功率注入電網的一個點是沒有意義的，而且液氦是一種笨重的冷卻劑。但他們的想法啟發了其他人。在接下來的幾十年中，在紐約州布魯克海文和奧地利格拉茨附近建造和測試了短的超導電纜，以傳輸交流電 (AC)，後者與當地電網連線運行了幾年。
在高溫超導性發現十年後，電力研究所 (EPRI) 的一項技術研究得出結論，使用液氮作為冷卻劑，一條五吉瓦的直流“電力管道”在傳輸距離為800公里或更遠的情況下，可以在經濟上與天然氣管道或傳統的架空線路競爭。我們中的兩人（格蘭特和斯塔爾）在論文中進一步發展了這個想法，探討了超冷的氫氣——無論是液態還是超臨界氣體——如何在洲際規模的系統中冷卻超導線並在化學形式下輸送能量。在2002年和2004年，第三作者（奧弗拜）組織了研討會，數十位專家在會上詳細制定了一個100米長的試驗段計劃，這是區域電網之間50公里互連線的前身。
儘快開發原型非常重要，因為現有的電網越來越接近最大負載點——而且，正如停電事件表明的那樣，有時會超過它。在過去五年中，美國總髮電容量增加了近四分之一，而高壓輸電網的規模僅增長了3.3%。然而，社會對能源的需求持續快速增長：美國能源資訊署預測，到2025年，美國年能源消耗量將達到134萬兆焦耳（127千萬億 BTU），比2005年增加四分之一以上。
不斷增長的需求帶來了兩個問題：從哪裡獲得這種新能量以及如何分配它。化石燃料可能在未來20年內仍然是我們能源的主要來源。但是，全球對有限的石油和天然氣資源的競爭非常激烈，即使是輕微的生產短缺也會導致價格飛漲，正如我們在過去幾個月中看到的那樣。對溫室效應的擔憂正在導致其他限制。[break]
如果我們有機會擺脫對化石燃料的依賴，顯然我們應該抓住這個機會。但是，充分利用非化石能源，包括風能、太陽能、農業生物質，特別是先進的核能，將需要一個新時代的新電網。為了每年分配數萬億千瓦時的額外電力，美國電網必須比今天處理大約400吉瓦的電力。
當前的基礎設施只能在一定程度上得到增強。新型碳芯鋁線可以比傳統的銅線拉得更緊，因此在下垂到安全高度以下之前，可以承載大約三倍的電流。美國公用事業公司將利用2005年能源法案中的規定，該法案使開闢新的輸電走廊變得更容易。
但是，高壓線路已經接近絕緣子的百萬伏極限和控制直流線路的半導體器件的工作極限。交流線路在1200公里左右的距離處變得效率低下，因為它們開始像巨型天線一樣輻射它們攜帶的60赫茲功率。因此，工程師將需要用新技術來增強輸電系統，以便將數百吉瓦的功率從遠端發電機輸送到主要城市。
下一代核能
我們設計超級電網的目標之一是確保它可以接受來自各種發電機的輸入，從小型的屋頂太陽能電池板和農家院風力渦輪機到最大的核反應堆元件。然而，最大的設施限制了許多基本設計決策。可再生能源在提供未來20年所需的巨大額外容量方面仍然面臨巨大挑戰。因此，我們將我們的概念建立在第四代核電的基礎之上。
2005年能源法案撥款6000萬美元用於開發“第四代”高溫氣冷反應堆。與大多數目前的水冷核電站（通常建在大型水體附近——通常靠近人口中心）不同，下一代反應堆將其多餘的熱量直接排放到空氣或地球中。
在較新的設計中，核反應隨著溫度升高到高於正常執行範圍而減慢。因此，它們本質上可以抵抗烏克蘭切爾諾貝利和賓夕法尼亞州三哩島發生的冷卻劑損失和過熱問題[參見詹姆斯·A·萊克、拉爾夫·G·貝內特和約翰·F·科泰克的《下一代核電》；大眾科學，2002年1月]。
然而，與所有裂變發電機一樣，第四代裝置將產生一些放射性廢物。因此，在遠離城市地區的“核叢集”中建造它們將是最便宜且在政治上最容易的。每個叢集可以產生大約10吉瓦的功率。
遠端選址將使保護反應堆以及建造它們更容易。但我們將需要一種新的輸電技術——超級電纜——它可以大大降低長距離輸送能源的成本。
超級電纜
對於超級電網的電力部分，我們需要在數百公里範圍內移動數十吉瓦的功率，完美的導體是完美的選擇。雖然超導材料於1911年被發現，並在幾十年前被製成實驗裝置，但直到最近，保持超低溫所需的製冷才變得足夠簡單，可以用於工業用途。超導體現在正從磁共振成像掃描器和粒子加速器走向商業電力系統。
例如，美國能源部已與電力裝置製造商和公用事業公司合作，生產超導變壓器、電機、發電機、故障電流限制器和輸電電纜的原型。其他政府——特別是日本、歐盟、中國和韓國——也有類似的開發計劃。美國目前正在進行三個試點專案，在紐約州長島和奧爾巴尼以及俄亥俄州哥倫布市演示超導電纜。[break]
這些電纜使用液氮在77開爾文（-196攝氏度）下冷卻的氧化銅基超導帶。使用液氫作為冷卻劑會將溫度降至20開爾文，進入鎂二硼等新型化合物的超導範圍[參見保羅·C·坎菲爾德和謝爾蓋·L·佈德科的《低溫超導正在升溫》；大眾科學，2005年4月]。
迄今為止，所有超導電纜的演示都使用了交流電，即使只有直流電才能無電阻地傳輸。即便如此，在當前電網上使用的頻率下，超導體的電阻約為相同溫度下銅電阻的二百分之一。
我們設計的超級電纜包括一對直流超導線，一根為正50,000伏，另一根為負50,000伏，兩根都承載50,000安培的電流——電流遠高於任何傳統電線所能承受的電流。這種電纜可以以接近零電阻和線路損耗傳輸約五吉瓦的功率，傳輸距離可達數百公里。（如今，發電廠產生的所有電能中約有十分之一在傳輸過程中損失。）
五吉瓦的超級電纜在技術上當然是可行的。它的規模可以與3.1吉瓦的太平洋互聯線相媲美，後者是一條現有的500千伏直流架空線路，用於在俄勒岡州北部和加利福尼亞州南部之間輸送電力。僅四根超級電纜就足以傳輸中國巨型三峽大壩水電站產生的所有電力。
由於超級電纜將使用氫氣作為其低溫冷卻劑，因此它將以化學形式以及電力形式傳輸能量。下一代核電站可以生產電力或氫氣，熱效率幾乎相同。因此，核叢集的運營商可以不斷調整他們泵入超級電網的電力和“氫電”的比例，以跟上電力需求，同時保持足夠的氫氣流量以保持電線超導。
電力和氫電
在替代電力形式之間進行選擇以及以化學形式儲存電力的能力開闢了一個充滿可能性的世界。例如，超級電網可以大幅降低電動和氫動力混合動力汽車的燃料成本。
現有的混合動力汽車依靠汽油或柴油執行，但使用電池來回收否則會被浪費掉的能量。去年首次亮相的“插電式”混合動力汽車也使用電力和天然氣[參見約瑟夫·J·羅姆和安德魯·A·弗蘭克的《混合動力汽車》；大眾科學，4月]。寶馬、馬自達和其他公司已經展示了氫混合動力汽車，這些汽車有兩個燃料箱和發動機，在有氫氣時燃燒氫氣，在沒有氫氣時燃燒汽油。許多汽車製造商也在開發使用車載燃料電池將氫氣與氧氣結合轉化為電力的汽車。
即使是當今最有效的汽車，也只能將其燃料能量的30%到35%轉化為運動。氫燃料電池混合動力汽車可以做得更好，相對容易地達到50%的效率，最終實現60%到65%的燃料效率。
即使要取代一小部分石油基運輸燃料，也需要大量的氫氣和電力，以及普遍而高效的輸送基礎設施。超級電網提供了一種實現這一願景的方式。在每個核叢集內，一些反應堆可以生產電力，而另一些反應堆可以生產氫氣——而不會排放任何溫室氣體。
透過將兩者一起運輸，電網將同時充當管道和能量儲存器。例如，每段70公里長的超級電纜，其中包含直徑40釐米的充滿液氫的管道，將儲存32吉瓦時的能量。這相當於美國最大的抽水蓄能設施浣熊山水庫的容量。[break]
透過將電力轉變為一種類似於石油或天然氣的、不那麼短暫的商品，新電網可以使電力市場比今天更可靠地容忍需求的快速波動。跨越多個時區和天氣邊界的超級電網連線將允許發電廠利用過剩的夜間容量來滿足遙遠城市的峰值電力需求。透過平滑需求波動，低損耗電網可以幫助減少對新建發電設施的需求。
超級電網也可以在很大程度上消除大規模使用來自風、潮汐、海浪和陽光的不穩定能源的基本限制之一。可再生能源發電廠可以將氫氣泵入電網，而不是出售電力。或者，基線發電機可以監測這些發電廠電力輸出的上升和下降，並且可能能夠使用電解來調整其電力/氫電混合比例以進行補償。
加速前進
開始建設超級電網不需要重大的科學進步，電力行業已經透過資助EPRI的超級電網專案表明瞭對該概念的興趣，該專案將探索將超級電纜整合到現有電網中所面臨的眾多工程挑戰。其中最大的挑戰是如果超級電纜發生故障該怎麼辦。
即使單個裝置（例如高壓輸電線路）發生故障，今天的電網仍然保持安全。例如，當線路下垂到樹木中時，斷路器會開啟以將線路與電網隔離，並且原來線上路上流動的電力幾乎瞬間轉移到其他線路。但我們還沒有能夠切斷將流過超級電纜的巨大電流的斷路器設計。這項技術將不得不發展。電網管理者可能需要開發新的技術來處理如此巨大的電量損失會在傳統電網上造成的重大幹擾。超級電纜的斷裂會使周圍的磁場崩潰，在斷裂點產生短暫但強烈的電壓尖峰。電纜將需要足夠強的絕緣來容納這種尖峰。
在超級電纜內安全運輸大量氫氣提出了另一個挑戰。石化行業和航天計劃在泵送氫氣方面擁有豐富的經驗，無論是氣態氫氣還是液態氫氣，都在公里級的管道中。液化天然氣使用量的增加將進一步加強該技術基礎。氫氣的爆炸潛力（單位質量的能量含量）約為天然氣中甲烷的兩倍。但氫氣更容易洩漏，並且可以在較低的氧氣濃度下點燃，因此氫氣分配和儲存基礎設施需要氣密。車輛氫氣罐的工作已經生產出可以承受高達每平方釐米700公斤壓力的塗層。
可能確保超級電纜安全的最佳方法是將它們穿過地下的隧道。埋設可以大大減少公眾和政治上對新建線路的反對。
隧道挖掘的成本很高，但隨著地下建築和微型隧道技術的巨大進步，隧道挖掘的成本一直在下降，紐約市的3號水隧道和芝加哥的巨型雨水下水道證明了這一點。自動化掘進機目前正在尼亞加拉河旁邊挖掘一條10.4公里長、直徑14.4米的巨型水力隧道，耗資6億美元。費米實驗室最近的研究估計，一條800公里長、3米寬、150米深的隧道的造價不到每米1000美元。
超級電纜將承載現有輸電線路數倍的電力，這有助於埋設的經濟性。但進一步技術創新的潛力以及地下建設經濟性施加的限制需要更多探索。
為了啟動超級電網，並明確成本，2004年超級電網研討會的參與者提議建造一條1公里長的超級電纜，以承載數百兆瓦的功率。第一個部分將簡單地測試超導元件，使用液氮來冷卻它們。該專案可以由美國能源部贊助，在合適的國家實驗室地點建造，並由電力公用事業公司和區域輸電運營商組成的聯盟監督。該原型的成功應該導致一個30至80公里的示範專案，透過補充相鄰區域電網之間長期擁堵的互連線來緩解當今電網的實際瓶頸。[break]
除此之外，價格可能在很大程度上決定任何國家是否會集結政治和社會意願來建設超級電網。投資無疑將是巨大的：按今天的美元計算可能達到1萬億美元，而且在任何情況下都超出了私人投資具有吸引力的時間尺度。很難估計一項長達數十年、跨越幾代人的超級電網努力的成本。但人們可以判斷最終的好處：一種無碳、生態友好的國內能源基礎設施，可產生經濟和物理安全。