水和陽光產(chǎn)生的電力不一致以及能源需求不斷波動(dòng)的阻礙

可再生能源解決方案往往受到風(fēng)，水和陽光產(chǎn)生的電力不一致以及能源需求不斷波動(dòng)的阻礙。斯坦福大學(xué)土木與環(huán)境工程教授，加州大學(xué)伯克利分校和丹麥奧爾堡大學(xué)的同事Mark Z. Jacobson的新研究發(fā)現(xiàn)，有幾種解決方案可以使清潔可再生能源的可靠性至少達(dá)到139以上。國(guó)家。

在本周發(fā)表在可再生能源中的手稿中，研究人員提出了三種不同的方法，即在所有能源部門中提供一致的能源 - 運(yùn)輸; 加熱和冷卻; 行業(yè); 農(nóng)業(yè)，林業(yè)和漁業(yè) - 在所有部門轉(zhuǎn)變?yōu)?00%清潔可再生能源之后，在包括139個(gè)國(guó)家在內(nèi)的20個(gè)世界地區(qū)。Jacobson及其同事之前制定了路線圖，將到2050年將139個(gè)國(guó)家轉(zhuǎn)變?yōu)?00%清潔可再生能源，到2030年完成了80%的過渡。本研究探討了如何通過這些路線圖保持電網(wǎng)穩(wěn)定。

“基于這些結(jié)果，我可以更自信地說，沒有任何技術(shù)或經(jīng)濟(jì)障礙可以將整個(gè)世界轉(zhuǎn)變?yōu)?00%清潔，可再生能源以及低成本的穩(wěn)定電網(wǎng)，”雅各布森說，他也是一名高級(jí)研究員。斯坦福大學(xué)預(yù)科能源研究所和斯坦福大學(xué)伍茲環(huán)境研究所。“這一解決方案將大大有助于消除全球變暖以及全球每年發(fā)生的400萬至700萬與空氣污染相關(guān)的死亡，同時(shí)還能提供能源安全保障。”

本文以2015年的一項(xiàng)研究為基礎(chǔ)雅各布森及其同事研究了電網(wǎng)在美國(guó)48個(gè)地區(qū)保持穩(wěn)定的能力。該研究?jī)H包括一個(gè)如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方案。一些人批評(píng)該論文過于依賴于在現(xiàn)有水電站大壩上增加渦輪機(jī) - 該組織建議為了在不改變水壩數(shù)量或大小的情況下增加峰值發(fā)電量。之前的論文也因過分依賴儲(chǔ)存水，冰和地下巖石中的多余能量而受到批評(píng)。本文中的解決方案通過提出幾種不同的解決方案來解決這些批評(píng)，這些解決方案用于穩(wěn)定100%清潔，可再生能源產(chǎn)生的能源，包括沒有添加水力渦輪機(jī)且不存儲(chǔ)在水，冰或巖石中的解決方案。

“我們的主要結(jié)果是這個(gè)問題有多種解決方案，”雅各布森說。“這很重要，因?yàn)榇笠?guī)模實(shí)施清潔可再生能源的最大障礙是人們認(rèn)為用隨機(jī)??的風(fēng)能和太陽能輸出保持燈光很難。”

供需

這項(xiàng)研究的核心是需要將風(fēng)，水，太陽能和儲(chǔ)存所提供的能量與研究人員預(yù)測(cè)的2050年需求相匹配。為此，他們將139個(gè)國(guó)家分組 - 為此他們制定了能源路線圖。之前的研究 - 基于地理鄰近和一些地緣政治問題進(jìn)入20個(gè)地區(qū)。與之前的139個(gè)國(guó)家的研究不同，該研究將能源供應(yīng)與年平均需求相匹配，本研究以5年(2050-2054)的30秒增量匹配供需，以解釋風(fēng)能和太陽能的變化。因?yàn)樾枨箅S著時(shí)間和季節(jié)的變化而變化。

在研究中，研究人員依賴于兩個(gè)計(jì)算建模程序。第一個(gè)項(xiàng)目預(yù)測(cè)了2050年至2054年的全球天氣模式。由此，他們進(jìn)一步預(yù)測(cè)了天氣相關(guān)能源產(chǎn)生的能源數(shù)量，如陸上和海上風(fēng)力渦輪機(jī)，屋頂和發(fā)電廠的太陽能光伏發(fā)電，集中太陽能發(fā)電廠和太陽能熱電廠隨著時(shí)間的推移。這些類型的能源是可變的，并且在需求最高時(shí)不一定產(chǎn)生能量。

然后，該小組將第一個(gè)模型的數(shù)據(jù)與第二個(gè)模型相結(jié)合，該模型結(jié)合了更穩(wěn)定的電力來源，如地?zé)岚l(fā)電廠，潮汐和波浪裝置，水力發(fā)電廠以及地?zé)崴畮斓葻崮堋５诙N模型還包括在存在過剩時(shí)存儲(chǔ)能量的方式，例如電，熱，冷和氫存儲(chǔ)。此外，該模型包括隨時(shí)間推移的能源需求預(yù)測(cè)。

通過這兩個(gè)模型，該小組能夠預(yù)測(cè)通過更多可變能源產(chǎn)生多少能源，以及其他來源如何平衡波動(dòng)能量以滿足需求。

避免停電

基于建模數(shù)據(jù)的情景在所檢查的所有五年中以及在三種不同的存儲(chǔ)方案下避免了所有20個(gè)世界區(qū)域中的低成本停電。一種情況包括熱泵 - 用于代替基于燃燒的加熱器和冷卻器 - 但沒有熱能或冷能儲(chǔ)存; 兩個(gè)沒有為現(xiàn)有水電站大壩增加水力渦輪機(jī); 一個(gè)沒有電池存儲(chǔ)。在三種不同的情景下沒有發(fā)生停電這一事實(shí)表明，有可能采用100%風(fēng)力，水力和太陽能來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定性的許多可能解決方案，這一結(jié)論與先前聲稱電網(wǎng)不能保持穩(wěn)定以及可再生能源的高滲透率相矛盾。

總體而言，研究人員發(fā)現(xiàn)，每個(gè)情景中每單位能源的成本 - 包括健康，氣候和能源方面的成本 - 大約是世界繼續(xù)其當(dāng)前能源路徑時(shí)的四分之一。這主要是由于消除了化石燃料的健康和氣候成本。此外，通過減少水蒸氣，包含在路線圖中的風(fēng)力渦輪機(jī)將抵消迄今為止全球變暖的約3%。

雖然在路線圖情景和非干預(yù)情景下生產(chǎn)能源單位的成本相似，但研究人員發(fā)現(xiàn)路線圖大致減少了系統(tǒng)所需能源的一半。因此，消費(fèi)者實(shí)際上會(huì)支付更少。大量的這些節(jié)能來自于避免開采，運(yùn)輸和提煉化石燃料所需的能源，從燃燒轉(zhuǎn)換為直接電力，以及使用熱泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加熱器和空調(diào)。

“完全基于清潔，零排放風(fēng)能，水能和太陽能的能源系統(tǒng)所面臨的最大挑戰(zhàn)之一是以合理的成本將供需與近乎完美的可靠性相匹配，”該論文的共同作者馬克·德魯奇說。加州大學(xué)伯克利分校的研究科學(xué)家。“我們的工作表明，在世界上幾乎所有國(guó)家都可以通過既有技術(shù)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。”

一起工作

雅各布森和他的同事說，實(shí)施其路線圖的另一個(gè)挑戰(zhàn)是，他們需要跨政治邊界進(jìn)行協(xié)調(diào)。

雅各布森說：“理想情況下，你可以合作決定將風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)放在哪里，放置太陽能電池板的位置，放置電池的地方。” “整個(gè)系統(tǒng)在提前計(jì)劃時(shí)效率最高，而不是一次完成一件。”

鑒于這種地緣政治的復(fù)雜因素，他們還在制定較小的路線圖來幫助個(gè)別城鎮(zhèn)，其中許多城鎮(zhèn)已經(jīng)致力于實(shí)現(xiàn)100%的可再生能源。