重塑电网对气候危机至关重要

为了减少排放并达到100%可再生电力，电网必须适应风能和太阳能。


1988年夏天，科学家詹姆斯·汉森（James Hansen）向国会作证说，燃烧化石燃料产生的二氧化碳正在危险地使地球变暖。举行了科学会议，撰写了大量报告，并作出了国家承诺，但由于化石燃料相对便宜，因此几乎没有采取具体行动来减少碳排放。

然后，从2009年左右开始，首先是风力涡轮机，然后是太阳能光伏板，成本下降到足以在电力市场上具有竞争力。更多的安装导致更多的“学习曲线”成本降低 - 每部署一倍，成本就会降低。自2009年以来，风能和太阳能发电的价格分别下降了惊人的72%和90%，它们现在是最便宜的电力来源 - 尽管仍然存在一些挑战。

随着地球面临日益强烈的热浪，干旱，野火和风暴，解决气候危机的道路变得清晰：将电网过渡到无碳风能和太阳能，并将运输，建筑和工业中的大多数其他化石燃料用户转换为电力。

美国正朝着这个方向前进。根据BloombergNEF的数据，早期的预测显示，在2020年美国安装了创纪录的33，500兆瓦太阳能和风能电力之后，世界在2021年刚刚结束了创纪录的可再生电力增长年。预计未来将出现更快的增长，特别是考虑到拜登政府计划开发高价值的海上风电资源。但它足够快吗？

拜登政府的目标是到2035年建立一个无碳排放的电网。最近的一项研究发现，到2030年，美国将需要将2020年的增长率提高近三倍，电网才能有80%由清洁能源供电。（尽管这听起来很困难，但据报道，中国在2020年安装了12万兆瓦的风能和太阳能。

这种转变的基础是电网本身的巨大变化。

被誉为20世纪最伟大的发明，我们现在老化的网格基于在开发时有意义的基本概念。最初的基础是每天24小时运行的基本负荷燃煤电厂和大型水电的组合。

从1958年开始，核电站扩大了这些核电站，这些核电站几乎一直在运行，以偿还其庞大的资本投资。与煤炭和核能不同，太阳能和风能是可变的。它们仅在太阳和风可用时才提供电力。

要转换为越来越基于可变资源的21世纪网格，需要一种全新的思维方式。新的灵活性来源——在所有时间尺度上保持供需平衡的能力——对于实现这一转变至关重要。

基本上有三种方法可以适应风能和太阳能的可变性：使用存储，以协调的方式在该国广阔的地区部署发电以及更多的输电，以及管理电力需求以更好地匹配供应。这些都是灵活性的来源。

存储现在主要由锂离子电池提供。它们的成本直线下降，新的存储技术正在开发中。

扩展传输尤其有价值。当东北地区在傍晚时分经历电力需求高峰时，西部仍然有阳光。而且，随着更多的传输，该国中部的大型风力资源可以向两个海岸输送电力。输电研究表明，该国三个电网之间更紧密的互连是非常有益的。

提高建筑物的效率并控制其需求也可以在清理电网方面发挥重要作用。建筑物使用美国74%的电力。互连的设备和带有智能电表的设备可以减少和重塑建筑物的用电量。

许多分析人士认为，美国可以经济高效、可靠地运行拥有80%至90%清洁电力的电网，但最后10%至20%的电力脱碳将明显更具挑战性。虽然持续四小时或更短时间的短期存储正在变得无处不在，但我们可能需要在风能和太阳能资源处于低水平的某些时期（德国人称之为dunkelflaute或“黑暗低迷”）提供电力。扩大国家输电网络会有所帮助，但可能需要一定程度的长期存储。

正在探索许多选择，包括替代电池技术和绿色氢气。

液流电池是我们在科罗拉多大学可再生和可持续能源研究所正在研究的有前途的方法之一。在典型的设计中，液体电解质在由膜隔开的两个储罐之间流动。储罐的尺寸可以根据所需的储存时间进行放大。

新的灵活性来源——在所有时间尺度上保持供需平衡的能力——对于实现这一转变至关重要。

绿色氢气是一种潜在的储存选择，持续时间很长。它是通过用可再生电力驱动的电解槽分解水分子而产生的。氢气可以储存在地下（或地上储罐中），要么在燃烧涡轮机中燃烧，要么在燃料电池中转换回电能。绿色氢气目前非常昂贵，但随着电解槽成本的降低，预计会变得更加实惠。

此外，新的业务、市场设计和电网运营商模式正在出现。例如，社区太阳能花园允许房主购买当地生产的太阳能电力，即使他们自己的屋顶不适合太阳能电池板。微电网是另一种商业模式，在校园和综合体中变得普遍，这些园区和综合体在当地发电，如果电网出现故障，它们可以继续运行。清洁的微电网由可再生能源和电池供电。

创新的市场设计包括鼓励用电的分时费率，例如在可再生电力充足的情况下为电动汽车充电。扩大的平衡区域协调利用来自广阔地区的可变太阳能和风能资源，以提供更平稳的整体供应。改进的电网运营包括对风能和太阳能的高级预测，以最大限度地减少电力浪费，并减少对昂贵的备用储备的需求。动态线路额定值允许电网运营商在有利的天气条件允许时通过现有线路传输更多电力。

在整个经济中，更多地关注能源效率可以实现电力部门的转型，最大限度地降低成本并提高可靠性。

核电基本上也是无碳的，保持现有核电站的运行可以使向可再生能源的过渡更加容易。然而，美国的新核电站建造成本非常高，建造时间长，并且可能被证明成本太高，无法以有助于固定可变太阳能和风能的方式运行。

我们认为，气候变化的紧迫性要求全力以赴地加以解决。制定2035年的排放目标很重要，但美国为实现这一目标而采取的减排路径至关重要。首要需求是尽量减少向大气中添加二氧化碳和其他温室气体。世界已经拥有使电网实现80%至90%无碳的工具，技术专家正在探索各种有前途的选择，以实现最后10%至20%的碳排放。

Charles F. Kutscher是科罗拉多大学博尔德分校可再生能源与可持续能源研究所的研究员和高级研究员。

Jeffrey Logan是科罗拉多大学博尔德分校可再生能源与可持续能源研究所的能源政策和分析副主任。