爆炸照亮了曼哈顿的天际线。一声突然的巨响，两次黄光闪过——然后一切都陷入黑暗。在“桑迪”飓风于 10 月将水涌入康爱迪生公司（Con Edison）的第 14 街变电站，导致电容器之间发生电弧放电后，约有二十五万客户陷入黑暗。这段高压壮观景象的视频迅速走红：它成为了这场大规模风暴系统最普遍、最难以逃避的打击——电力完全且持续地中断——的一个早期、鲜明的象征。在全美范围内，远至印第安纳州，从缅因州到北卡罗来纳州，“桑迪”飓风造成了数百起其他大规模停电事件。倒下的树木、被风刮坏的电线、被淹的发电设施——每一件事都像涟漪一样影响着远离故障点的家庭。停电事件在事后持续了数周，阻碍了该地区的恢复。
尽管“桑迪”飓风造成的停电持续时间不寻常，但其波及范围——最终有超过 800 万户家庭在 21 个州断电——却变得令人担忧地普遍。2011 年，“艾琳”飓风导致约 550 万户家庭断电。龙卷风、冰雹风暴、森林火灾和干旱现在已成为常态，它们常常压垮国家老化的电力基础设施，造成大范围的停电。20 世纪 90 年代初，美国每年发生约 20 次大规模停电；如今已远远超过 100 次。2012 年的一份国会研究服务报告将这种增长很大程度上归因于极端天气事件的增加。报告还指出，风暴相关的电力故障每年给美国经济造成的损失在 200 亿至 550 亿美元之间。
一个世纪前，当奠定当今电力分配系统基础时，家用电器才刚刚开始进入家庭。随着时间的推移，国家的用电量呈爆炸式增长，人口也随之增长。目前需求每年增长 1%，这使得输电线路承载的电力远超其最初设计容量。“我们有时会开玩笑说，如果亚历山大·格拉汉姆·贝尔明天醒来看到我的手机，他会感到震惊，”纽约州智能电网联盟执行董事大卫·曼宁说。“如果托马斯·爱迪生明天醒来看到这个电网，他不仅能认出它，可能还能修好它。”
现代电网，能够即使在灾难中也能高效、可靠地发电和输电，已经姗姗来迟。这种基础设施将更能抵御风暴和恐怖袭击，而后者，正如国家研究委员会在 11 月警告的那样，可能在数月内使整个国家陷入瘫痪。许多必要的升级已经存在：它们已经在实验室开发出来，并在全国各地的智能电网项目中得到验证。其他一些步骤只需要常识。
阻止连锁反应式故障
像“桑迪”这样的风暴吹倒一棵树就可能导致数千户家庭断电。现有的美国电网是线性的。大型发电厂通常远离服务客户，生产大部分电力。发电厂的变压器提高电压，以便更有效地输送到当地的变电站，变电站降低电压并将其输送到社区和家庭。当线路上的任何地方发生故障电流或浪涌时，断路器会自动打开以停止它。这就是为什么一棵倒下的树会切断数千名客户的电力供应。2003 年，俄亥俄州过度生长的树木扫过高压线，导致东海岸 5000 万人停电，原因就是如此。
减少任何单个故障影响的一种方法是用环状结构取代线性结构。想象一下，一条电力线装有五个智能开关，两端都连接回变电站。一棵树击中了线路。在旧的线性系统中，故障点下游的所有客户都会断电；电力公司会派出一支工作队伍去寻找原因。在新系统中，故障两侧的开关可以隔离问题，只有两个开关之间的客户会断电。然后，“这些开关会互相通信并说‘问题就在这里，快来修理我’，”非营利组织 Perfect Power Institute 的执行董事约翰·凯利说。
伊利诺伊州纳珀维尔和田纳西州查塔努加等社区，在智能电网改造方面处于美国领先地位，它们已经安装了环状系统并展示了其优势。“可靠性提高了 50% 到 80%，”凯利说。此外，“你限制了问题。你知道确切的故障点，所以现在你可以更快地恢复这几位客户的供电。”
另一种阻止故障连锁反应的方法是安装故障电流限制器，或者说阿肯色大学工程师艾伦·曼图斯（Alan Mantooth）称之为“电网的减震器”。他正在阿肯色大学可靠电力传输国家中心开发这种冰箱大小的设备。“当发生坏事时，断路器就会跳闸，灯就灭了，”曼图斯说。他的设备不是简单地完全停止电流浪涌，而是可以吸收过剩的电流，并将一定量的调节电流输送到线路。
尽管智能开关早在 20 世纪 90 年代就已开发出来，但电力公司在采用环状系统方面进展缓慢。佛罗里达电力和照明公司（Florida Power and Light）的客户在 21 世纪初经历了多次飓风，该公司是首批采用该系统的公司之一。“大多数电力公司都非常规避变革，”凯利说。“部分原因是垄断结构阻碍了创新和改进。”
当大规模变革发生时，它很可能首先出现在高需求区域。“在纽约和洛杉矶等城市中心，它们的故障电流越来越高，以至于不得不开始更换所有的断路器，”曼图斯说。故障电流限制器将是一个实用的解决方案。“我们会把这个装置插入电网，”他说，“保留现有的断路器，并限制电流，使其不会压垮断路器。”新设备有助于延长旧设备的使用寿命，这比更换所有断路器更具成本效益。
更好地规划备用
在“桑迪”飓风袭击的那个晚上，约翰·布拉德利还在他的百老汇办公室，当时大楼突然断电了。布拉德利是纽约大学可持续发展、能源和技术服务副总裁，当时他正与当地电力公司康爱迪生（Con Edison）通话。“他们告诉我，他们正在系统性地关闭低洼地区，因为他们知道风暴潮和满月潮将在晚上 9 点左右来临，”他说。
当时是 8 点 30 分。“我往窗外看，所有的灯都灭了，”布拉德利回忆道。“他们说，‘我们遇到了一些问题，’然后就挂断了电话。”几乎整个曼哈顿下城都失去了电力——除了纽约大学的大部分校区。
2010 年，纽约大学完成了一个项目，用天然气涡轮机取代了其 20 世纪 70 年代的锅炉。这些地下发动机可产生 11 兆瓦的电力。发动机的废热产生蒸汽，可额外产生 2.4 兆瓦的电力和热水，这一过程称为热电联产。当管理层批准该项目时，自然灾害并未被列为大学的首要关注事项。“第一位是具有成本效益的电力生产，”布拉德利说。“第二位是减少温室气体排放。”（该系统为 22 栋建筑供电，为 37 栋建筑供暖，每年为大学节省数百万美元；它还帮助减少了校园 20% 的碳足迹。）
在黑暗的社区里，纽约大学是一个供电的孤岛。当“桑迪”摧毁康爱迪生的变电站时，纽约大学自给自足的第三个好处显现出来。“我的设备感知到电压损失，断路器打开，将纽约大学电网与更大的公用事业电网隔离，”布拉德利说。在接下来的一个星期里，纽约大学成了黑暗社区中的一个供电孤岛。工作人员在图书馆的长桌上摆放插线板，并为任何人开放室外插座。“你看到社区里的人们在校园里到处给他们的笔记本电脑、iPad 和手机充电，”布拉德利说。
天然气系统也使普林斯顿大学的大部分校园和布朗克斯区一个被称为“合作城”（Co-op City）的大型公寓综合体得以正常运行。凯利说，医院、酒店和消防站等关键服务都应该拥有自给自足的发电能力。他认为依赖天然气是有道理的，因为它已经通过地下管道输送。柴油需要通过卡车运输来维持发电机运转，而在“桑迪”这样的风暴期间，这种燃料可能稀缺。
在停电期间，建筑物还可以依靠可再生能源系统。新泽西州贝永市米德尔敦社区学校（Midtown Community School）的太阳能电池板在“桑迪”飓风期间帮助其作为疏散中心供电。但是，如果此类系统无法自动断开与电网的连接，公用事业公司就会要求它们关闭。试图修复线路的工人可能会被回流到电网的电力电死。“就像他们一辈子都在走单行道，现在突然有一辆车朝他们开过来，”曼图斯说。
连接到电池的特殊逆变器可以使建筑物能够在生产和存储电力的同时，实现孤岛运行（即与电网隔离）。但现有技术对于房主来说成本过高。曼图斯实验室正在开发一种负担得起的替代方案：一种微波炉大小的“绿色能源节点”，可以安装在车库墙壁上。他希望能找到一家制造商，以大约 500 美元的价格在家庭商店出售。
投资于效率
流经老旧基础设施的电力越多，电网就越容易受到干扰——即使没有自然灾害。在过去三十年里，美国家庭用电量翻了三倍，从 1980 年的每户 3030 万 BTU 增加到 2009 年的 8960 万 BTU。与此同时，变压器的平均使用年限已超过 40 年，70% 的输电线路至少有 25 年的使用年限。为了保持弹性，电网——以及依赖它的人们——也必须提高效率。
许多公用事业公司已经开始更换一种普遍存在且过时的设备：电表，通常是安装在房屋后方灌木丛旁边的旋转拨盘，每月现场抄表一次。目前约有 4000 万美国家庭拥有智能电表，这些设备可以数字方式监测并每小时多次通信家庭用电情况。这些信息使公用事业公司能够更精确地跟踪和计费——并立即识别停电情况。
在德克萨斯州奥斯汀，一个智能电网项目中的志愿者正在测试将电网运作得更像互联网的工具，实现双向能源和信息流动。到目前为止，工程师已经为 480 户家庭配备了先进的能源监测系统。德克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员使用超级计算机分析数据。“我们正在进行全国最深入的研究，以每秒为单位分析人们如何使用电力和天然气，”运行该项目的财团 Pecan Street 的总裁布鲁斯特·麦克拉克伦（Brewster McCracken）说。
英特尔（Intel）、百思买（Best Buy）和 LG 等公司也与 Pecan Street 合作，在真实环境中测试和开发产品。例如，索尼（Sony）安装了一个家庭能源管理系统，该系统可以测量单个插座上各种电器的功耗，并通过电视机顶盒进行管理。房主可以利用实时数据来最大限度地减少对电网的负荷，将电动汽车充电等活动转移到电力富余时段。
2009 年的《美国复苏与再投资法案》拨款 160 亿美元用于安装新输电线路和实施 Pecan Street 等智能电网项目。这是一个适度的开端。美国土木工程师学会（American Society of Civil Engineers）最近的一项研究表明，要实现美国电网的真正现代化，需要投资 6730 亿美元。与此同时，不作为的成本仍在不断增加：“桑迪”飓风给纽约和新泽西造成了 697 亿美元的损失。风暴过后仅几周，州长安德鲁·科莫就请求联邦资助，帮助纽约安装更智能电网的技术。“这将是一项重大的投资，”纽约州智能电网联盟的曼宁说。“但‘桑迪’重塑了提出这一要求的机会。”
凯莉·汤普森（Kalee Thompson）是一位常驻洛杉矶的自由撰稿人。她计划在她的房子能够实现孤岛运行后安装太阳能电池板。这篇文章最初发表于 2013 年 2 月的《大众科学》（Popular Science）杂志。
