開發技術就像駕駛賽車：你駕車以最快的速度向前沖，如果能避免撞車，在終點線處就會有大獎等著你。對工程師來說，這個大獎有時候是金錢性質的，但更多的時候是一種看到世界變得更美好的滿足感。正是由于有許許多多像這樣駕駛著各式賽車的工程師，才使得大量進步即將在一個令人意想不到的領域——電力領域中發生。與電網密切相關的技術、經濟和監管基礎是在大約一個世紀之前建立的，在那之后的幾十年當中只經歷了很微小的變化。但是現在，這個行業正面臨巨大的變革。大部分觀察家僅僅模糊地知道這一徹底革新的分量，也許是因為這是一個剪不斷理還亂的故事，用幾條微博是無法講清楚的。在許多人眼中，公用電力設施事業已經跟稅收差不多了：一成不變、令人厭煩，而且不知怎地，總是要讓你花掉更多的錢。 

這個行業正在發生的變化源自技術進步、經濟推動和民意取向的演變。隨著電力部門的堅實基礎正在一點一滴地發生變化，其結果可能并不會讓人厭煩。但這些變化也很有可能使你花費更多。

將近一個世紀以來，電氣化經濟適用的基礎就是規模經濟。大型發電廠的裝機容量達數百甚至數千兆瓦，并將生產出的電力通過輸配電網絡送達遙遠的用戶。如今，科技的發展正在使這一簡單的模式變得復雜。

首先要提的就是低成本的天然氣和太陽能的可獲取性。使用這些能源的發電機可以被建在距離消費者很近的地方。因此現在，我們正處于分布式發電的早期發展階段。這種方式已經減少了對高成本的長途輸電的需要。這也使這些新興電力來源比巨大的傳統發電廠更具有成本競爭力。

分布式發電在技術上早已可行。現在的新情況是我們正在接近一個臨界點，過了這個臨界點之后，對于大部分應用來說，分布式發電將會是成本最低的供電方式。

雖然可再生能源和燃氣發電的低成本對促進這個變化肯定會有所幫助，但這并不是全部。為了提高競爭力，整個分布式系統作為一個整體必須運轉良好。許多技術進步匯集到一起，共同使這一切成為可能：先進的控制系統；更緊湊、更智能且更高效的電逆變器；智能電表和正在蓬勃發展的物聯網；以及不斷提高的從大數據中提取有用信息的能力。

在這個變化的場景中，一幅未來10～20年間大部分發達國家的典型電網的圖景開始浮現。是的，發電將會變得更加分散化，太陽能和風能之類的可再生能源的使用將激增。其他方面也將發生變化。比如，配電網——你的家庭和公司同電網連接的部分——將很可能變得更像是一個議付平臺，而非僅僅是將電力從一個地方運送至另一個地方的系統。

實現這種更加復雜的電網并不容易。不管怎么說，它還是來了。它是什么樣的呢？基于擔任政府官員的數十年經驗（我曾負責幫助公用電力事業獲取新興技術支持），以下內容是我能做出的最好預估。這正是我現在作為學術研究者正在努力幫助實現的未來。 

首先要了解的是分散化既不簡單也不普遍。在一些地方，分散化將占據主導地位。在這些地方，大部分消費者會自行生產其所需的電力，通常是使用太陽能光伏系統。另一些人可能會使用小規模的風力發電機。在那些日照和風力都不是很充足的地方，人們很可能主要使用天然氣。在這些多種多樣的能源的相互交錯中，傳統電網的持續改良版本將在未來的數十年間繼續存在。

根據美國能源信息署（EIA）提供的信息，在2016年的前11個月，美國大約有4882萬兆瓦時的電是由分布式太陽能產生的，比上一年增加了46%。不過這個份額還很小，美國能源信息署的數據顯示，在2016年，美國約1.4%的電力來自太陽能電池板，其中包括來自大規模發電廠和分布式發電機所獲取的太陽能電力。因為經濟效益不斷顯現，太陽能的發展會加速。舉例來說，最近在智利舉行的電力競價中，120兆瓦的太陽能發電的成本達到最低值，每兆瓦時的成本為29.10美元。

許多分析師預計，到2019年，與傳統發電形式相比，分布式太陽能將完全具備成本競爭力。與此同時，一系列令人眼花繚亂的政府刺激措施——世界各地區，甚至在一個國家內部都不盡相同——正在幫助這項技術騰飛。

低成本的發電形式終將占據主導地位。但要指出真正的低成本選項是什么卻有點困難，因為這既取決于地方情況，也取決于地方決策。

比如，管理部門正日益認識到燃燒化石燃料將帶來巨大的社會成本。這些成本既來自居住在發電廠附近的居民與有毒排放物的直接接觸，亦來自溫室氣體排放所引發的氣候變化。從歷史的角度來說，這些成本難以量化。因此，這些成本通常并不是由電力生產者或者消費者來承擔，而是由受害者——比如莊稼受損的農民——來承擔。

更多的公眾開始關注污染的真實成本，以及考慮如何將大部分成本轉移給電力生產者和可能的消費者。幸運的是，我們現在擁有建模和計算能力，可以開始為這些成本設定一個合理的下限，這使我們可以針對這些成本進行更合理的重新分配。

雖然關于重新分配成本的最佳戰略還處于討論中，但分布式可再生發電的效益及其可行性已經顯而易見。由美國能源部資助的山核桃街項目（Pecan Street Project）在實施期間收集到的數據顯示，在得克薩斯州奧斯汀市，在晴朗夏日的正午，裝有太陽能電池板的房屋的發電功率通常能夠達到四五千瓦，發電量超過了這所房子在這段時間中的通常用電量。

然而，屋頂太陽能板對于普通屋主來說是否有意義要取決于初始成本、維護成本、補貼、電網成本以及生產出的多余電量的銷售價格。

美國能源部太陽計劃（Sunshot Initiative）的目標是在2030年前使太陽能電力在不依靠補貼的條件下具備成本競爭力。（一家中國的政府機構也有類似的計劃。）具體來說，該計劃的目標是在2030年之前將分布式住宅太陽能的成本降至每千瓦時5美分；目前的成本是每千瓦時18美分。如今在美國，一套6千瓦的屋頂住宅太陽能系統，通常成本在1.5萬～2萬美元之間；具體金額取決于居住地點。根據美國能源信息署的數據，在美國，電網輸送的電力的平均零售價格為每千瓦時12.5美分。因此，如果屋頂太陽能的發電成本是18美分的話，則與電網輸送電力相比尚不具備競爭力。但許多國家的政府，比如美國政府，都對購買太陽能系統提供補貼，以使其具備競爭力。

與此同時，許多公用設施都在進行可選擇所有權的試驗。一種選項是社區太陽能。在這一模式下，個人消費者可以從一個相對大型的公用系統中認購一小部分太陽能板。之后，他們無須在自家屋頂上安裝太陽能板就能每月獲得相應的電力額度。另一個試驗由CPS能源公司在美國圣安東尼奧開展，該試驗使用屋頂太陽能，但設備所有權歸屬CPS能源公司，由該公司向屋主支付使用屋頂的費用。

分布式太陽能面臨的一個挑戰是存儲。大部分太陽能板的擁有者將電網作為存儲設備的功能性等價物：他們可將多余的電能出售給電網，在電能不足的時候從電網中回購電量作為彌補。這通常是最簡單也是最經濟的平衡生產和消費差異的方式。不過，許多人——他們中最知名的當屬埃隆?馬斯克——斷言市場很快就將更加青睞電池。馬斯克的電動汽車公司特斯拉出售一種家用的被稱為Powerwall2的電池，售價5500美元，能提供14千瓦時的儲量，足以滿足一般家庭一個晚上的需要。然而，為太陽能電力裝置配備電池儲存，會使其成本大大高于來自電網的普通電能的成本。

對擴大太陽能使用范圍的各種方法進行比較并不那么簡單，因為很多成本取決于電網將如何發展。例如，目前，電網無法應付100%的太陽能轉換（甚至在看上去很合理的地點，例如美國西南部或者北非沙漠中，也是如此）。我們今天擁有的電網是針對“發電能源每天基本不變”而設計的。但是美國能源部下屬的ENERGISE項目正努力在2030年之前實現全太陽能供電電網發展所需的控制、保護和其他技術的開發。

電網也將很快朝其他方向發展。其中最重要的（并且現在已經在如火如荼進行的）一個趨勢是微型電網使用的增加。微型電網是一組互相連接的電源和負載，規模可以小至單幢房屋（通常被稱為“納米電網”），也可以大到一個軍事基地或者大學校園。微型電網能夠無限期地自主運行。它們通常被連接至較大的電網，如果大電網受到干擾運行不穩定的話，微型電網能夠迅速與大電網隔離開。

在發生自然和人為的災害時，這就是一個重要特性。考慮一下2008年得克薩斯州休斯敦-加爾維斯頓被艾克颶風襲擊后的情形——大范圍停電，而95%的停電是由于不到5%的電網受損造成的。電網實際上將僅為中等程度的設備損壞后果大范圍地擴散開了。

微型電網的隔離能力還保證了電網安全的增強。因為微型電網能使本地入侵被限制在本地，使電網更不容易成為黑客的攻擊目標。

在發生災害時，無論災害是由什么原因導致的，微型電網都能夠將影響限制在一定程度以內。如果電網未發生物理受損，只要能夠獲得能量源（不管是天然氣、太陽能還是風能），它就能夠一直運轉下去。

長期來看，電網很有可能演化成一個彼此鄰接的微型電網系列，其實現的時間取決于技術，以及經濟和監管的多重影響。公用事業公司已經提議在芝加哥、匹茲堡和中國臺灣（一個容易受到暴風災害影響的炎熱島嶼）等地建設這類微型電網“集群”。這些相鄰的微型電網能夠彼此或與傳統電網共享電能，從而最大程度地降低能量成本并使可用性得到最大化。

在私人可以擁有并運營微型電網的時代，公用事業公司會變成什么樣子？至少有兩種可能。一是簡單地為需要電力的微型電網供電，而不是為個人用戶供電；二是它可以管理微型電網之間或其與傳統電網的連接。在美國的一些地方，隨著競爭的引入，公用事業的概念已經得到了重新定義。微型電網將加快這一潮流。

分布式發電的普及和微型電網的興起還受到另外兩個因素的影響：物聯網的拓展和大數據影響的增強。

物聯網對分布式發電來說是個恩惠，因為它帶動了相應設備的大規模制造，例如傳感器、微型控制器、軟件等。隨后興起的數據驅動電網和微型電網等行業，得以方便和廉價地使用這些設備。如何利用這些東西？想象一下，在不遠的將來，住宅太陽能系統可以擁有“客戶設備”——太陽能板、智能逆變器和蓄電池以及對負荷進行動態管理的系統。有時，這套裝置的電力輸出會低于平常的電力輸出，比如天氣過于陰沉時。

不過，要以現有的物聯網組件為基礎，設計一個可以與類似周圍房屋的系統進行通信的控制系統并不難。這些系統可以合作，比如，在計劃時間之前或者之后開啟或關閉空調，或者將自動恒溫器升溫或降溫半度，以適應間歇性的計劃外電力短缺。這一計劃之所以具有可行性是因為大部分現代房屋都是完全隔熱的，因此需要一段時間后，室內溫度的變化才會明顯，并得以觸發供熱通風與空氣調節（HVAC）系統。這一項目之所以要將不同房屋集結成群，是為了使任務變得簡單一點：在一個群組中，一些屋主可能愿意犧牲很多舒適度，而另一些可能不想犧牲那么多。但是從公用設施的角度來看，房屋群組的電力需求是相對可以預計和管理的。

大部分消費者不會頻繁對能源使用做出詳細規定。所以想象一下你能夠對一臺設備——我們不妨稱之為能量恒溫器——設定一個舒適溫度范圍，而不是設定一個具體溫度值。范圍越大你需要支付的電費賬單就越低。電網或者智能電網運營者可以利用這一范圍——你設定的范圍和其他人設定的范圍——來以分鐘為單位動態地調節供需。在一個炎熱的午后，隨著電力需求達到頂峰，你家里的溫度將達到范圍的上限。

公用電力公司將開始更大程度和更有效地利用大數據。電力公司從一開始就懂得使用數據了：托馬斯?愛迪生于1882年在紐約市開設珍珠街發電站（Pearl Street power station）時，就設計了指示燈，當負荷增加或降低到需要對直流電發電機進行調整時會亮起。但是這個系統顯然是非擴展性的。如果一個電力公司在每上線一個客戶時就需要重新對其發電機進行調整，那么整個行業早就被淘汰了。

數量龐大的負載量使總體需求變得可以被預計和管理。這一令人愉快的條件顯然是以各家各戶和各行各業的用量之間沒有關聯為前提。但是，設想一下這種情況吧，在一個炎熱夏日的下午3點鐘，一個中等城市的每家每戶在同一時刻關掉空調，15分鐘之后再全部同時開啟。幾乎可以確定會導致大規模停電。

使用大數據工具，可以不再以松散的用戶行為作為前提。這使得人們有可能通過了解如何調節生產和消費來改善系統行為。例如，采用上面介紹的能量恒溫器概念，在執行負載管理行動時，系統運營者不僅需要適當的控制器，還需要獲得實時數據來確定系統故障的風險。

許多地區的公共設施都已經采取這種方式，采用不同的客戶激勵，例如按一天中的用電時間來定價，或者其他通過公用設施而非客戶的形式來進行負荷管理。但我們現在只是踏出了第一步。大數據工具很快就可以讓我們大步向前邁進，并很可能在某一天讓我們跑起來。使用實時運營工具來優化電網大塊區域的性能和預測未來性能也是有可能的。 

雖然我的主要目標是介紹我們公用事業從業者對于電網的充滿希望的愿景，但如果不指出挑戰的話就是我不負責任了。這些挑戰包括財政挑戰、監管挑戰和技術挑戰，并且它們以各種各樣的形式呈現。

最基本的挑戰之一是增長緩慢。為了支付昂貴的系統升級成本，過去公用事業公司會大量依賴增長需求，以此帶來銷售需求。但是客戶尋求的效率提升（這是必然的追求）已經使需求增長的速度下降到低于國內生產總值增長率的地步。數字令人警醒：2014年，美國能源部預計2012到2040年期間電力需求的年增長率將僅為0.9%。因此，公用事業公司無法再像過去一樣，指望通過增長來為需要的系統變革提供資金了。

行業的其他變革只會使資金問題加劇。例如，在過去，公用事業公司可以指望設備的關鍵組件運行很久。但智能電網所依靠的電子元件，例如由軟件控制的智能電表，其生命周期較短，且需要更加頻繁地進行升級。

最大的未知因素是監管流程的適應速度。如果這一過程無法快到跟上技術發展的腳步，變革就將非常緩慢。而且，如果政府通過補貼的方式支持過時技術呢？這將進一步拖慢這一過程。另一方面，一些人可能會辯駁說監管者應該放慢變革的速度。雖然值得就這一觀點進行政治討論，但我肯定不屬于這個陣營。

從歷史上來看，監管主要依靠法律和經濟考慮而不是技術考慮來推動。但現在，隨著技術發展的步伐超過其他因素，美國和歐洲的監管者正在采取多種不同的方法應對這一全新的事態。我的觀點是，如果我們想在飛速發展中找到方向并同時繼續以低成本和高可靠性的方式提供電能，則監管機構的人員需要更多地了解技術。

我相信，最終我們將擁有更經濟、更可持續和對用戶更加友好的電網。美國國家工程院最近將電氣化選為20世紀最重要的工程成就。但電氣化現在需要被重新打造，以滿足21世紀的需求和機遇。這是個機會，我們可以讓人看到，我們在技術、監管、公共政策、財政和應變管理方面，與兩代、三代甚至是四代以前的先輩們一樣優秀，并為我們的子孫后代留下優質而持久的遺產，正如我們的先輩留給我們的一樣。