水和阳光产生的电力不一致以及能源需求不断波动的阻碍

可再生能源解决方案往往受到风，水和阳光产生的电力不一致以及能源需求不断波动的阻碍。斯坦福大学土木与环境工程教授，加州大学伯克利分校和丹麦奥尔堡大学的同事Mark Z. Jacobson的新研究发现，有几种解决方案可以使清洁可再生能源的可靠性至少达到139以上。国家。

在本周发表在可再生能源中的手稿中，研究人员提出了三种不同的方法，即在所有能源部门中提供一致的能源 - 运输; 加热和冷却; 行业; 农业，林业和渔业 - 在所有部门转变为100%清洁可再生能源之后，在包括139个国家在内的20个世界地区。Jacobson及其同事之前制定了路线图，将到2050年将139个国家转变为100%清洁可再生能源，到2030年完成了80%的过渡。本研究探讨了如何通过这些路线图保持电网稳定。

“基于这些结果，我可以更自信地说，没有任何技术或经济障碍可以将整个世界转变为100%清洁，可再生能源以及低成本的稳定电网，”雅各布森说，他也是一名高级研究员。斯坦福大学预科能源研究所和斯坦福大学伍兹环境研究所。“这一解决方案将大大有助于消除全球变暖以及全球每年发生的400万至700万与空气污染相关的死亡，同时还能提供能源安全保障。”

本文以2015年的一项研究为基础雅各布森及其同事研究了电网在美国48个地区保持稳定的能力。该研究仅包括一个如何实现目标的方案。一些人批评该论文过于依赖于在现有水电站大坝上增加涡轮机 - 该组织建议为了在不改变水坝数量或大小的情况下增加峰值发电量。之前的论文也因过分依赖储存水，冰和地下岩石中的多余能量而受到批评。本文中的解决方案通过提出几种不同的解决方案来解决这些批评，这些解决方案用于稳定100%清洁，可再生能源产生的能源，包括没有添加水力涡轮机且不存储在水，冰或岩石中的解决方案。

“我们的主要结果是这个问题有多种解决方案，”雅各布森说。“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认为用随机​​的风能和太阳能输出保持灯光很难。”

供需

这项研究的核心是需要将风，水，太阳能和储存所提供的能量与研究人员预测的2050年需求相匹配。为此，他们将139个国家分组 - 为此他们制定了能源路线图。之前的研究 - 基于地理邻近和一些地缘政治问题进入20个地区。与之前的139个国家的研究不同，该研究将能源供应与年平均需求相匹配，本研究以5年(2050-2054)的30秒增量匹配供需，以解释风能和太阳能的变化。因为需求随着时间和季节的变化而变化。

在研究中，研究人员依赖于两个计算建模程序。第一个项目预测了2050年至2054年的全球天气模式。由此，他们进一步预测了天气相关能源产生的能源数量，如陆上和海上风力涡轮机，屋顶和发电厂的太阳能光伏发电，集中太阳能发电厂和太阳能热电厂随着时间的推移。这些类型的能源是可变的，并且在需求最高时不一定产生能量。

然后，该小组将第一个模型的数据与第二个模型相结合，该模型结合了更稳定的电力来源，如地热发电厂，潮汐和波浪装置，水力发电厂以及地热水库等热能。第二种模型还包括在存在过剩时存储能量的方式，例如电，热，冷和氢存储。此外，该模型包括随时间推移的能源需求预测。

通过这两个模型，该小组能够预测通过更多可变能源产生多少能源，以及其他来源如何平衡波动能量以满足需求。

避免停电

基于建模数据的情景在所检查的所有五年中以及在三种不同的存储方案下避免了所有20个世界区域中的低成本停电。一种情况包括热泵 - 用于代替基于燃烧的加热器和冷却器 - 但没有热能或冷能储存; 两个没有为现有水电站大坝增加水力涡轮机; 一个没有电池存储。在三种不同的情景下没有发生停电这一事实表明，有可能采用100%风力，水力和太阳能来实现电网稳定性的许多可能解决方案，这一结论与先前声称电网不能保持稳定以及可再生能源的高渗透率相矛盾。

总体而言，研究人员发现，每个情景中每单位能源的成本 - 包括健康，气候和能源方面的成本 - 大约是世界继续其当前能源路径时的四分之一。这主要是由于消除了化石燃料的健康和气候成本。此外，通过减少水蒸气，包含在路线图中的风力涡轮机将抵消迄今为止全球变暖的约3%。

虽然在路线图情景和非干预情景下生产能源单位的成本相似，但研究人员发现路线图大致减少了系统所需能源的一半。因此，消费者实际上会支付更少。大量的这些节能来自于避免开采，运输和提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。

“完全基于清洁，零排放风能，水能和太阳能的能源系统所面临的最大挑战之一是以合理的成本将供需与近乎完美的可靠性相匹配，”该论文的共同作者马克·德鲁奇说。加州大学伯克利分校的研究科学家。“我们的工作表明，在世界上几乎所有国家都可以通过既有技术实现这一目标。”

一起工作

雅各布森和他的同事说，实施其路线图的另一个挑战是，他们需要跨政治边界进行协调。

雅各布森说：“理想情况下，你可以合作决定将风力发电场放在哪里，放置太阳能电池板的位置，放置电池的地方。” “整个系统在提前计划时效率最高，而不是一次完成一件。”

鉴于这种地缘政治的复杂因素，他们还在制定较小的路线图来帮助个别城镇，其中许多城镇已经致力于实现100%的可再生能源。