为了获得高可再生电网 建造更多的太阳能和风能

着名的发明家埃德温·兰德说：“我们不需要新的想法，但我们需要停止旧观念。” 他似乎在告诉我们，解决方案远远超出了我们旧的思维习惯。

世界各地的城市，州和国家都致力于清洁能源经济，这些经济体的可再生能源水平非常高，甚至100%。仅在纽约州，四个相互竞争的法案就在2040年或之前达到50%至100%的可再生能源。

实际上，只有两种可再生能源足够大，可以满足美国太阳能(远期)和风能供应方面的这些非常高渗透率的目标。

然而，两者都是可变资源，受天气以及日常和季节周期的驱动。因此，他们必须“坚定 - 即能够按需交付电力 - 以替换可根据需要发送的化石资源。根据我们的研究，我们认为这种坚定的电力转型不仅是可能的，它是也是负担得起的 - 如果我们不再有旧想法。

一个根深蒂固，非常普遍的想法 - 可能是历史上高可再生能源价格的结果 - 是可再生资源产生的所有电力必须在其产生时出售。放弃可用的风能或太阳能输出的想法是令人厌恶的，当这些来源的生产超过电网可以接受的时，强加给电力生产商。

这个古老的想法忽略了一个基本命题：超大并主动减少风能和太阳能。然而，我们的同事和我们进行的一项研究表明，这些步骤对于通过太阳能和风能主导电网的最便宜之路至关重要。

称重能量储存

过度供应太阳能和风能的原因很简单：

当太阳不发光或风不吹时，储能是填补可再生能源变化所需的一种必不可少的成分。这些差距包括日内时段，例如白天和夜晚的高峰需求时段，更重要的是，持续的低日照或低风条件下的较大的多日和季节性差距。对于存储，电网运营商 - 确保电力供应的组织在白天上升和下降时匹配需求 - 通常依赖于称为抽水蓄能器的蓄水池，或者在较短时间内蓄电池。

存储越来越便宜，但即使假设最乐观的长期成本预测，我们的研究也使我们得出结论，由于多日和季节性差距的大小，仅将储存单独应用于风能或太阳能将仍然过于昂贵。风能和太阳能也变得便宜得多，特别是太阳能，以至于过度建设越来越便宜。即使风能和太阳能发电机的输出基本上被倾倒或“缩减”而没有输入电网，情况也是如此。

超大尺寸减少了生产差距，因为在太阳能和风能可用性较低的时期可获得更多的能量输出。过度建造还降低了存储要求。

“紧缩”产能过剩

今天，目前太阳能和风力发电的监管实践有利于最大限度地提高产量。经营这些设施的公司寻求以最高价格出售所有产品，因此削减产量被视为收入损失。

这种旧的操作理念抑制了依赖太阳能和风能作为坚固的按需源的过渡，因为它们的所有输出仅在可用时才使用。这种方法也使可再生能源保持在边际。

具有过度建造的太阳能和风能资源的电网如何在实践中发挥作用?假设一个区域电网的运营商需要X兆瓦时/天才能满足需求。今天，该地区的太阳能发电场只能在最高产量的日子里满足或超过这一需求，例如夏季的晴天。在其他日子，存储满足了生产差距。

相比之下，当太阳能资源超大时，该太阳能发电机可以满足一年中更多天的X MWh /天需求，并且间隙更少 - 因此填充间隙所需的能量存储的次数更少。

一旦通过过度供应和存储的组合确定，可变的可再生能源变得有效地可调度 - 能够在需要时提供电力并且在功能上等同于传统发电厂。通过这种方式，可再生能源可以替代这些发电机，而无需进行大规模的电网再造。

我们的团队为明尼苏达州特别阳光明媚的州建立了一个高太阳能和过度建造的解决方案。目标是确定提供全天候全年能源服务所需的最低成本的并网太阳能，风能和存储组合。

该研究表明，克服太阳能和风能的自然变化可以通过过度建造太阳能和风能资源以及采用允许约20%至40%的电网运行策略，以低于当前电网成本(所谓的“电网平价”)的成本来实现。减少多余的能源生产。我们的模型中也使用了能量存储，但是优越的经济效益直接来自于将过多的可再生能源替换为更昂贵的存储。

一个合理的问题是全面部署超大型太阳能光伏所需的面积。对于明尼苏达州来说，在最极端的100%光伏发电场景中，假设超大两倍或者是满足当前需求所需太阳能的两倍 - 这个面积将达到435平方英里，假设太阳能电池板具有最先进的技术水平效率为20%。该地区占该州耕地作物的不到1%，占高密度和中密度城市化空间的一半。

调整大型电网的运行方式

除了超大，缩减和存储优化之外，现在已经完成了一些操作和规划实践，其中一些已经完成，将进一步提高高太阳能电网的价值和性能，并以最小的中断促进其实现。他们包括：

利用太阳能和风能的互补性能和可变运行曲线。在大多数地区，风能和太阳能具有互补的昼夜和季节性生产特征 - 夜间和冬季风力较高，夏季白天PV较高。

利用需求管理 - 减少电力客户位置的电力使用的做法 - 作为减少供需差距的一种方式。

使电网运营商能够对其所在地区内的可再生能源选址和生产管理拥有权力，以便在限制发生或应用存储时做出决策，以区域为基础，最大限度地减少供需缺口。

当可变太阳能发电极其昂贵且坚固的解决方案更加昂贵时，最大化可再生能源生产和避免缩减的态度是有意义的。然而，最近和预测的交钥匙太阳能，电网管理和存储成本的减少正在改变最佳解决方案集，从过度建造太阳能开始。