这项黑科技获比尔盖茨投资，是新型电网的未来吗
撰文 | Penn
编辑 | 郭郭
→这是《环球零碳》的第113篇原创
环球零碳
碳中和领域的《新青年》
摘要：相对于蓬勃发展的可再生能源电力，电网本身的基础设施却已经变老变慢了。大量涌入的可再生能源发电量将给整个电网系统的传输能力、整合能力、可靠性带来极大挑战。业界将目光投向了碳环氧复合材料，碳纤维复合材料与退火铝的结合代表了材料技术的最新发展水平，也是导体应用材料选择的终极选择。
随着风能、太阳能和其他可再生能源占发电量的份额不断攀升，打造一个新型电网，是全世界都面临的紧迫问题。
包括美国在内的很多发达国家，相对于蓬勃发展的可再生能源电力，电网本身的基础设施却已经变老变慢了。据估算，在美国，70%的输电和配电线路已进入其50年预期寿命的后半部分，一些较低电压的部件甚至已超过100年。大量涌入的可再生能源发电量将给整个电网系统的传输能力、整合能力、可靠性带来极大挑战。
自1908年出现钢芯铝绞线(ACSR)电缆以来，输电和配电网络运营商使用的架空导线技术并未发生实质性变化。ACSR至今仍占全球公用事业所用电缆的95%以上。
要实现联合国气候目标，采用新的电缆技术迫在眉睫。大规模的新型输电基础设施将是实现清洁能源转型的关键，而在电力传输过程中，先进导体制成的电缆则成为了关注的焦点。
图片来源于网络
01
美国电网瞄准碳芯材料
根据美国可再生能源委员会部分资助的一份最新报告，先进电导体的广泛安装将有助于加速美国电网的脱碳。
报告认为，通过部署先进导体来满足 NERC（北美电力可靠性公司）所属地区老化基础设施需求的 25% 所产生的增量容量，可以促进在未来10年内每年至少实现 27GW 的零碳发电能力。
报告还预测，这种材质的电网有可能将电力部门的CO 2排放量减少24亿吨，相当于 22个平均规模的燃煤电厂的排放量。在同一时期，新建输电容量所节省的能源将为消费者节省至少 1400 亿美元。
这种先进导体到底有什么黑科技，既能使使传输效率翻倍，又能实现脱碳减排呢？这要从电缆技术的发展历史说起。
导体进化是一部材料技术进步的历史。ACSR 导体（增强型铝导体钢）于 1908 年推出。高强度钢和硬铝的使用反映了当时最好的材料技术。
在 1970 年代，ACSS导体（铝导体钢支撑导体）因其能够在高温下运行被引入电力行业，但由于钢的高密度和高热膨胀以及ACSS过度下垂使其成为再导体小规模应用。
为了控制过度下垂，业界开发了新的芯材，包括因瓦合金（低热膨胀），但应用时必须与比 ACSR 具有更高电阻的高温铝合金配对使用。随后业界还探索了陶瓷纤维复合材料（ACCR）和玻璃/碳复合材料（CFCC）等单向复合材料芯材。ACCR的机械强度相对较低，必须与高温铝合金一起使用。由于玻璃/碳复合材料（CFCC）具有相对较低的模量，并且在重冰、大跨度和大导体应用中会出现过度下垂，因此并未成为理想的复合材料芯材。
图说：传统钢芯铝绞线与铝封装碳芯导线
来源：改自[3]
随后业界将目光投向了碳环氧复合材料，它是一种成熟、先进的复合材料系统，已在航空航天应用了50多年。碳环氧复合材料是一个罕见的、独特的组合，具有导体应用的所有最理想的特性：重量轻（钢的 20%）、强度高（钢的2倍）并且几乎没有热膨胀。碳纤维复合材料与退火铝的结合代表了材料技术的最新发展水平，也是导体应用材料选择的终极选择。
美国的TS Conductor 公司，便是这种电网用高效导体的先驱企业。
02
TS conductor 技术特点、应用场景
TS conductor是一家位于美国加州的公司，2018年创立。它们正在更新现有的钢制导体/导线传输技术。
公司创始人兼首席执行官Jason Huang称，该公司生产一种新的电导体（用于输电和配电网络），可以将现有线路的容量提高2.5倍，而不必改变或改造现有的支持性基础设施（如电杆、塔架）。这使电网运营商能够接受大量增加的可再生能源发电上线，而对电力消费者的额外成本降到最低。
去年12月，TS conductor的三个合作伙伴——比尔盖茨的突破能源风险投资公司、美国国家电网投资部门和NextEra能源公司的一个子公司为其提供了2500万美元的融资。
图说：TS conductor铝封装碳纤维复合芯导体
来源：TS conductor
TS Conductor的先进导体围绕碳纤维复合芯构建，与采用铝芯和钢芯的传统导体相比，提供更高的容量和更低的损耗。铝封装碳纤维复合芯导体相对于传统导体可将载流量增加2 倍，线路损耗减少高达约 50%，并能实现无间隙封装设计，100% 终生保护碳芯。
它们还可以在更高的温度下运行，并且可以在较低的下垂下长时间运行，这允许增加更大的负载能力，具有以下特点：
1/
铝封装碳纤维复合芯导体采用独特且可实现预拉伸的铝封装，以保护碳芯。它通过保持碳芯中的张力来解决 UD 纤维复合材料中较差的抗压强度问题，从而提供增韧保护以防止弯曲失效。铝封装提供缓冲保护和屏蔽保护，防止在传统装配方法中压接时压碎碳芯并防止铝的电化腐蚀或芯部因湿气、空气或紫外线和臭氧而导致的环境退化，这保证了复合碳芯导体的产品寿命。
2/
铝封装碳纤维复合芯导体受益于卓越的下垂特性，因为没有玻璃纤维成分，并且不会因冰载荷、大跨度和其他导体高压应用而导致过度下垂。TS 导体中的碳芯不需要铝的强度贡献，其重量减轻允许最大程度地结合最导电、完全退火的铝，在最先进的导体中提供最高的载流量、最佳效率和高温稳定性。
3/
TS Smart Conductor 的 Inteli-Core产品可以通过在所有输配电导体中实现智能来改变现有的现场传感器应用，实现整个电网的分布式传感和控制。
4/
TS Conductor铝封装碳纤维复合芯导体可以用与ACSR电缆相同的工具和操作程序进行安装，可部署性、成本和效率方面具有极大潜力。
图片来源于网络
TS Conductor 为公用事业提供了多种应用机会，以提高可靠性和弹性，同时促进可再生能源的整合，减少未来的环境影响。
比如在电力传输方面，TS Conductor 可以提供革命性的新型输电线路，为公用事业公司提供安全且具有成本效益的导体解决方案，可提高载流量、提高可靠性并促进全球可持续发展。铝封装碳芯导体可保护碳纤维复合芯材免受损坏和腐蚀，从而消除与老一代导体（ACSR、ACSS 和之前的复合导体尝试）相关的所有安全性、可靠性、载流量和寿命问题。
在智能电网方面也可发挥作用。TS Conductor 铝封装碳纤维复合芯导体嵌入的专有数字通信通道允许沿配电和输电线路进行实时信息传感，并促进公用事业公司与其客户之间的通信，其提供的数据是 21 世纪智能电网发展的关键组成部分。其智能电网技术可以降低公用事业的运营和管理成本，最终降低消费者的电力成本，增加大规模可再生能源发电系统的整合，并能提高电网安全性，保障电力干扰后快速恢复电力。
03
未来发展空间
TS Conductor 的碳芯材料有巨大的环境效益，可减少二氧化碳的排放。2019 年补偿性发电（以弥补导体电阻加热）产生了大约 10 亿吨的温室气体。TS 的电阻降低了约 30-50%，从而减少了线路损耗，减少了补偿性发电和相关的温室气体排放。
自西屋和爱迪生以来，电力技术发生了巨大变化，并且还在继续变化。Gretchen Bakke博士在她2016年出版的《电网》一书中说，"电网必须被重新想象，必须被重新发明，而且部分电网必须被重建。即使没有大规模引入风能和太阳能，这本来也是会发生的，但可再生能源加速了人们对变革必要性的认识。"
在联合国气候目标下，随着各个国家和地区在向清洁能源转型的过程中不断加速可再生能源的部署，大量涌入的可再生能源发电量将给整个电网系统的传输能力、整合能力、可靠性带来极大挑战，大规模的新型输电基础设施将是实现清洁能源转型的关键。如果要实现碳减排目标，在规划和扩大输电网容量时，"一切照旧 "显然将不再是一个选项，我们需要采取大胆的新行动来迅速整合新的可再生能源发电量。用先进导体对现有线路进行重导，可以以更快的速度实现高水平的可再生能源整合，同时产生巨大的节约和减排效益。
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参考资料：
[1]https://www.rechargenews.com/markets/new-conductor-technology-could-flow-27gw-of-zero-carbon-power-to-us-grid-in-ten-years-acore/2-1-1185967
[2]https://www.fastcompany.com/90698077/most-power-lines-are-inefficient-this-startup-redesigns-them-to-easily-transmit-more-electricity
[3]黄崇祺.金属导体新材料先进制造的创新发展[J].有色金属材料与工程,2021,42(01):1-9.DOI:10.13258/j.cnki.nmme.2021.01.001.
[4] https://www.tsconductor.com/
[5]https://www.canarymedia.com/articles/transmission/new-transmission-tech-can-easily-double-clean-energy-capacity-will-utilities-buy-it
[6]https://www.nationalgridus.com/News/2021/10/National-Grid-Partners-Driving-Clean-Energy-Future-with-24-Million-in-New-Startup-Investments-/
[7]https://acore.org/wp-content/uploads/2022/03/Advanced_Conductors_to_Accelerate_Grid_Decarbonization.pdf
[8]https://venturecapital.cmail19.com/t/ViewEmail/d/3AA720D176EB16012540EF23F30FEDED/72CF9F3C4ED7DD3333C48669A65BFAC1
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