图表显示了利用风能、水能和太阳能(WWS)能源满足美国所有能源需求的能源时间表。左边的图表显示了到2030年80%的WWS和到2035年100%的混合。右图显示了2030年和2050年的混合比例分别为80%和100%。这两个病例的2050年终点都是研究中检查的病例。Credit: Jacobson，et al. /可再生能源对一些人来说，对由清洁、可再生能源驱动的未来的愿景被对间歇性电力供应导致的停电的担忧所笼罩。根据斯坦福大学的一项新研究，这些担忧是错误的，该研究分析了多种情况下的电网稳定性，在这些情况下，风能、水能和太阳能资源为美国所有目的的100%能源需求提供动力。刚刚发表在《可再生能源》杂志上的这篇论文发现，一个依靠风能、水能和太阳能运行并结合储能的能源系统可以避免停电，降低能源需求和消费者成本，同时创造数百万个就业机会，改善人们的健康，减少土地需求。该研究的主要作者、斯坦福大学土木与环境工程教授马克·雅各布森(Mark Z. Jacobson)说:“这项研究是第一次检查美国所有电网地区和许多州的电网稳定性，此前所有能源都通电，只提供清洁和可再生的能源。“这意味着没有化石燃料、碳捕获、直接空气捕获、生物能源、蓝氢或核能”
想象一下，所有的汽车和卡车都是由电动机或氢燃料电池驱动的，电热泵取代了煤气炉和热水器，风力涡轮机和太阳能电池板取代了煤和天然气发电厂。这项研究表明，在2050年和2051年，电力、交通、建筑和工业部门将会发生更多的转变。根据雅各布森和他的合著者的说法，这个场景并不像看起来那么牵强。风能、水能和太阳能已经占到美国电力的近20%，美国15个州和地区以及180多个城市已经颁布政策，要求电力行业几乎全部采用可再生能源，这是向清洁可再生能源更大转变的迹象之一。
对这种转变的批评者指出，2020年8月加州和2021年2月得克萨斯州的极端天气事件导致电网停电，这证明可再生电力不能保证持续供电。尽管在这两种情况下，可再生能源并没有比其他能源更脆弱，但研究人员表示，对停电增加的担忧仍然很大，他们旨在更大范围内评估这一争论。
在此前2015年对美国50个州进行的可再生能源路线图研究的基础上，研究人员着眼于如何在两年内每30秒满足一次持续的能源需求。他们对六个独立的州进行了模拟——阿拉斯加和夏威夷是孤立的，加利福尼亚、得克萨斯、纽约和佛罗里达是相互远离的大州，受不同天气条件的影响——以及美国所有相互连接的电网地区和整个美国的毗连地区。
他们的设想是大规模扩大海上风力涡轮机和屋顶太阳能电池板——它们都不占用新的土地——以及陆上风力涡轮机、公用太阳能电池板和集中式太阳能发电厂。这些设想还包括一些新的地热，但没有新的水电基础设施。总体而言，他们发现新的发电机将占美国土地的0.84%，而化石燃料行业目前约占1.3%。
在这些情景下，研究人员进一步发现，人均家庭年能源成本比一切照旧的情景低近63%。在一些州，成本下降了79%。在美国，转变一切的投资成本从近9万亿美元到11万亿美元不等，这取决于地区之间的互联程度。然而，与不转型相比，这可以通过能源销售和每年的成本节约获得回报。事实上，仅基于能源成本节约，回收期可能短至五年。
越来越大的地理区域之间的互联使电力供应更加顺畅，成本也更低，因为它增加了可用风能、太阳能和水能的机会，并减少了对额外风力涡轮机、太阳能电池板和电池的需求。
这项研究的一个重要发现是，长时间的电池既不需要也无助于保持电网稳定。取而代之的是，电网稳定性可以通过将目前可用的储存时间为4小时或更短的电池连接在一起来获得。将短时电池连接在一起可以在连续使用时提供长期储存。它们也可以同时排放，以满足短期内的高峰需求。换句话说，短时电池既可以用于短期的需求高峰，也可以用于长期的需求低谷，或者介于两者之间。
该研究还发现，建设和运营一个完全清洁、可再生的电网可能会在建筑和零部件制造等多个能源行业创造约470万个长期全职工作岗位，并在商店、餐馆和其他企业创造间接就业机会。研究人员发现，2050年，更清洁的空气将使每年约53，200人免于与污染相关的死亡，并使数百万人免于与污染相关的疾病，从而每年节省约7，000亿美元的健康成本。
研究人员的模拟表明，由于清洁、可再生的电网，加州和得克萨斯州的停电可以低成本避免。部分原因是，通过给所有能源部门通电，并向电力部门提供清洁的可再生能源，加州的能源需求减少了60%，得克萨斯州减少了57%。第二个原因是，当风不吹的时候，白天的阳光通常是明媚的，反之亦然，所以两者都使用有助于满足供应需求。第三，给予人们在一天中的特定时间不用电的经济激励，有助于转移用电需求高峰的时间。第四，在没有风能和太阳能的情况下，利用存储有助于填补供应缺口。第五，在寒冷时期，平均来说风力更强，因此增加风能有助于满足建筑热量需求的冬季高峰。第六，地下季节性蓄热有助于满足冬季用热需求。后两个对德州特别有帮助。
为了避免加州夏季停电，该研究建议使用更多的海上风力涡轮机，因为风速在加州夏季海上最快，尤其是在下午晚些时候和晚上早些时候，停电最有可能是由于太阳能输出下降。
该研究的合著者、斯坦福大学土木与环境工程博士安娜-卡塔琳娜·冯·克劳兰说:“如果我们能够集中意志力，以符合实现零碳体系紧迫性的速度进行转变，那么我们将会收获很多。”。“我怀疑这些想法，现在听起来可能很激进，但事后看来很快就会变得明显。”
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