如何避免使用100％可再生能源的停电

研究人员提出了三种不同的方法，以在139个国家/地区使用100％可再生能源提供稳定的电力。

风，水和阳光产生的电力不一致以及对能源需求的不断波动通常会阻碍可再生能源解决方案的发展。在发表在《可再生能源》上的一篇新论文中，研究人员概述了使清洁能源对所有能源部门都足够可靠的几种解决方案。加热和冷却；行业;以及农业，林业和渔业—在所有部门都已转换为100％清洁，可再生能源之后，在世界20个地区。

研究人员此前制定了路线图，计划到2050年将139个国家过渡到100％的清洁可再生能源，到2030年完成80％的过渡。本研究研究了通过这些路线图保持电网稳定的方法。

多种解决方案

主要作者马克·雅各布森（Mark Z. Jacobson）说：“基于这些结果，我可以更自信地说，将整个世界过渡到具有稳定电网且成本低廉的100％清洁，可再生能源的技术或经济障碍，”斯坦福大学土木与环境工程教授，同时还是斯坦福普雷考特能源研究所和斯坦福森林环境研究所的高级研究员。

“该解决方案在消除全球变暖和每年在全球范围内造成400万至700万例与空气污染有关的死亡方面，还有很长的路要走，同时还提供了能源安全。”

“…大规模实施清洁可再生能源的最大障碍是人们的看法，即难以开启照明”…

该论文基于Jacobson及其同事在2015年所做的一项先前研究，研究了电网在美国48个连续州保持稳定的能力。该研究仅包括一种有关如何实现目标的方案。一些人批评该论文过于依赖在现有的水力发电大坝上增加涡轮机。该小组建议在不改变水坝数量或大小的情况下增加峰值电力产量。

之前的论文也受到批评，因为它过于依赖于将多余的能量存储在水，冰和地下岩石中。本白皮书中的解决方案通过提出几种稳定100％清洁可再生能源生产能源的解决方案来应对这些批评，包括不增加水力涡轮机且不存储水，冰或岩石的解决方案。

雅各布森说：“我们的主要结果是对该问题有多种解决方案。”“这很重要，因为大规模实施清洁可再生能源的最大障碍是人们的看法，即人们很难以随意的风能和太阳能来维持照明。”

满足需求

这项研究的核心是需要将风能，水能，太阳能和储能所提供的能量与研究人员预测的2050年的需求相匹配。为此，他们根据地理邻近性和一些地缘政治问题，将139个国家（在先前的研究中为其创建了能源路线图）分为20个区域。

与之前的139个国家的研究（使能源供应与年均需求相匹配）不同，本研究以5秒（2050-2054年）的30秒增量来匹配供需，以考虑风能和太阳能的可变性作为随时间和季节变化的需求。

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在这项研究中，研究人员依靠两个计算建模程序。第一个程序预测了2050年至2054年的全球天气模式。据此，他们进一步预测了与天气有关的能源（例如陆上和海上风力涡轮机，屋顶上的太阳能光伏电池以及发电厂，集中式太阳能发电厂和太阳能热电厂）可能产生的能源量。这些类型的能源是可变的，并且在需求最高时不一定会产生能量。

然后，该小组将来自第一个模型的数据与第二个模型进行了合并，第二个模型合并了由更稳定的电力来源（例如地热发电厂，潮汐和波浪设备，水力发电厂）以及热力（例如地热库）产生的能量。第二种模型还包括在电量过剩时存储能量的方式，例如电，热，冷和氢存储。此外，该模型包括随着时间推移的能源需求预测。

利用这两种模型，该小组既可以预测通过更多可变的能源可以产生多少能源，又可以预测其他能源可以如何平衡波动的能源以满足需求。

保持开灯

基于建模数据的方案在过去的五年中以及在三种不同的存储方案下，均以较低的成本避免了全球20个地区的停电事故。一种情况包括热泵（用于代替基于燃烧的加热器和冷却器），但不存储热或冷能量。两个在现有水电大坝上不增加水电涡轮机；一个没有电池。

在三种不同情况下都不会发生停电的事实表明，有许多可能的解决方案可以用100％的风能，水能和太阳能发电来解决电网稳定性问题，这一结论与先前的说法相反，即电网只能在可再生能源如此高的渗透率下无法保持稳定。

总体而言，研究人员发现，在每种情况下，每单位能源的成本（包括健康，气候和能源方面的成本）约为世界继续其现有能源路径的四分之一。这主要是由于消除了矿物燃料的健康和气候成本。而且，通过减少水蒸气，路线图中包含的风力涡轮机将抵消迄今为止约3％的全球变暖。

尽管在路线图方案和非干预方案中产生单位能量的成本是相似的，但研究人员发现，路线图大致将系统所需能量减少一半。因此，消费者实际上会少付钱。

这些能源节省的大部分来自避免开采，运输和精炼化石燃料所需的能源，从燃烧转换为直接电力，以及使用热泵代替传统的加热器和空调。

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该论文的共同作者，杂志的共同作者马克·德卢奇（Mark Delucchi）表示：“完全基于清洁，零排放的风，水和太阳能的能源系统面临的最大挑战之一是使供需与近乎完美的可靠性以合理的成本相匹配。”加州大学伯克利分校的研究科学家。“我们的工作表明，只要有成熟的技术，就可以在世界上几乎所有国家中实现这一目标。”

提前计划，一起工作

雅各布森和他的同事们说，实施路线图的另一个挑战是他们需要跨越政治边界进行协调。

雅各布森说：“理想情况下，您可以合作确定风电场的位置，将太阳能电池板的位置，将电池存储的位置。”“如果提前计划，则整个系统效率最高，而不是一次完成。”

鉴于这种地缘政治的复杂性，他们还在制定较小的路线图，以帮助单个城镇，其中许多城镇已经致力于实现100％可再生能源。

该论文的其他合著者来自丹麦的奥尔堡大学和加州大学伯克利分校。

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