水和陽光產(chǎn)生的電力不一致以及能源需求不斷波動的阻礙

可再生能源解決方案往往受到風，水和陽光產(chǎn)生的電力不一致以及能源需求不斷波動的阻礙。斯坦福大學土木與環(huán)境工程教授，加州大學伯克利分校和丹麥奧爾堡大學的同事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到139以上。國家。

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個國家在內(nèi)的20個世界地區(qū)。Jacobson及其同事之前制定了路線圖，將到2050年將139個國家轉(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)濟障礙可以將整個世界轉(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，他也是一名高級研究員。斯坦福大學預(yù)科能源研究所和斯坦福大學伍茲環(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，同時還能提供能源安全保障。”

本文以2015年的一項研究為基礎(chǔ)雅各布森及其同事研究了電網(wǎng)在美國48個地區(qū)保持穩(wěn)定的能力。該研究僅包括一個如何實現(xiàn)目標的方案。一些人批評該論文過于依賴于在現(xiàn)有水電站大壩上增加渦輪機 - 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存水，冰和地下巖石中的多余能量而受到批評。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，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且不存儲在水，冰或巖石中的解決方案。

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

供需

這項研究的核心是需要將風，水，太陽能和儲存所提供的能量與研究人員預(yù)測的2050年需求相匹配。為此，他們將139個國家分組 - 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入20個地區(qū)。與之前的139個國家的研究不同，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，以解釋風能和太陽能的變化。因為需求隨著時間和季節(jié)的變化而變化。

在研究中，研究人員依賴于兩個計算建模程序。第一個項目預(yù)測了2050年至2054年的全球天氣模式。由此，他們進一步預(yù)測了天氣相關(guān)能源產(chǎn)生的能源數(shù)量，如陸上和海上風力渦輪機，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間的推移。這些類型的能源是可變的，并且在需求最高時不一定產(chǎn)生能量。

然后，該小組將第一個模型的數(shù)據(jù)與第二個模型相結(jié)合，該模型結(jié)合了更穩(wěn)定的電力來源，如地熱發(fā)電廠，潮汐和波浪裝置，水力發(fā)電廠以及地熱水庫等熱能。第二種模型還包括在存在過剩時存儲能量的方式，例如電，熱，冷和氫存儲。此外，該模型包括隨時間推移的能源需求預(yù)測。

通過這兩個模型，該小組能夠預(yù)測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方案下避免了所有20個世界區(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存; 兩個沒有為現(xiàn)有水電站大壩增加水力渦輪機; 一個沒有電池存儲。在三種不同的情景下沒有發(fā)生停電這一事實表明，有可能采用100%風力，水力和太陽能來實現(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)其當前能源路徑時的四分之一。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力渦輪機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，消費者實際上會支付更少。大量的這些節(jié)能來自于避免開采，運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。加州大學伯克利分校的研究科學家。“我們的工作表明，在世界上幾乎所有國家都可以通過既有技術(shù)實現(xiàn)這一目標。”

一起工作

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

雅各布森說：“理想情況下，你可以合作決定將風力發(fā)電場放在哪里，放置太陽能電池板的位置，放置電池的地方。” “整個系統(tǒng)在提前計劃時效率最高，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別城鎮(zhèn)，其中許多城鎮(zhèn)已經(jīng)致力于實現(xiàn)100%的可再生能源。