Credit: CC0公共领域可再生能源的价格在过去十年中下降了70%以上，促使更多的美国人放弃化石燃料，转而使用更环保、污染更少的能源。但是随着风能和太阳能的不断入侵，电网运营商可能不得不为可用性的大幅波动做准备。该警告来自哥伦比亚工程和哥伦比亚气候学院的教授Upmanu Lall，他最近将目光从可持续用水转向可持续再生能源，以推动净零碳排放。
他说:“可再生能源系统的设计者需要像水资源管理者一样，在数周、数月和数年内关注风能和太阳能模式的变化。”“你无法用电池来管理这样的可变性。您将需要更多容量。”
在《模式》杂志上的一项新的建模研究中，拉尔和哥伦比亚大学的博士生Yash Amonkar表明，太阳能和风能的潜力在几天和几周内变化很大，更不用说几个月到几年了。他们把重点放在德克萨斯州，该州在风能发电方面领先全国，是第五大太阳能生产商。拉尔说，德克萨斯州还拥有一个与许多国家一样大的独立电网，这使其成为绘制可再生能源系统前景和风险的理想实验室。
哥伦比亚大学的研究人员建立了一个人工智能模型，以估计在风光互补系统中，能源干旱会持续多长时间以及有多严重。鸣谢:Upmanu Lall，哥伦比亚工程利用70年的历史风能和太阳能数据，研究人员建立了一个人工智能模型来预测网络规模“干旱”的概率，当可再生能源的日产量低于目标阈值时。在第30百分位设定的阈值下，当大约三分之一的日子是低产日时，研究人员发现德克萨斯州可能连续四个月面临每日能源短缺。
拉尔说，电池无法弥补如此长时间的干旱，如果该系统仅依靠太阳能，预计干旱将持续两倍长的时间——长达8个月。“这些发现表明，能源规划者将不得不考虑储存或发电的替代方式，或者大幅增加可再生系统的容量，”他说。
预测未来德克萨斯州和美国大陆的“能源”干旱
这项研究始于六年前，当时拉尔和一名前研究生大卫·法纳姆(David Farnham)研究了美国八个机场的风力和太阳能变化，这些机场的天气记录往往更长、更详细。他们想看看在一个假设的100%可再生能源电网下会有多大的变化。
法纳姆在他的博士论文中发表的结果并不令人惊讶。法纳姆和拉尔发现，太阳能和风能的潜力，就像降雨量一样，随着一年中的时间和风力涡轮机和太阳能电池板的位置而变化。他们发现，在八个城市中，可再生能源的潜力在某些季节会从长期平均值上下浮动多达三分之一。
拉尔说:“我们创造了‘能源’干旱这个术语，因为与长期平均水平相差如此之大的10年周期将被视为一场重大干旱。”。"这是能源抗旱工作的开始."
在目前的研究中，拉尔选择放大德克萨斯州，一个拥有丰富阳光和风能的州。拉尔和阿蒙卡尔发现，即使太阳能和风力发电机遍布整个州，持续的可再生能源干旱也可能持续一年之久。拉尔说，结论是，可再生能源面临着储存问题，只有通过增加额外的容量或能源才能切实解决这个问题。
“在一个完全可再生的世界里，如果我们想避免燃烧化石燃料，我们就需要开发核燃料或氢燃料，或碳回收，或增加更多生产可再生能源的能力，”他说。
在降雨量少的时候，水资源管理人员通过利用市政水库或地下蓄水层来保持新鲜水流过水龙头。太阳能和风能系统没有同等的备份。在异常明亮和狂风大作的日子里，用来储存多余太阳能和风能的电池只能充电几个小时，最多几天。拉尔说，水力发电厂提供了一个潜在的缓冲，但不足以支撑该系统度过一个长时间的间歇性阳光和风的干旱期。
“我们不会通过建立一个更大的网络来解决问题，”他说。“电网运营商的目标是99.99%的可靠性，而水务管理者力争90%的可靠性。你可以看到这对能源行业来说是一场多么具有挑战性的比赛，以及季节性和长期预测的价值。”
在下一阶段的研究中，Lall将与哥伦比亚大学工程学教授Vijay Modi和Bolun Xu合作，看看他们能否预测系统产生过剩可再生能源时的能源干旱和“洪水”。有了这些预测，他们希望预测能源价格的涨跌。
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