Credit:国家可再生能源实验室随着最近宣布的联邦减排目标、对国家电力部门脱碳的推动以及风能和太阳能成本的骤降，美国准备部署大量的可再生能源，而且速度很快。在更小的范围内，数百个美国城市、州和公司已经采取了大胆的行动，为100%的可再生能源制定了自己的地方目标——随着最近的分析，如洛杉矶100%可再生能源研究(LA100)，我们越来越相信可靠的100%可再生电网是可行的。
但是，在整个美国扩大这一最终目标带来了一系列同样广泛的挑战——这样做的合理性近年来一直是能源研究界激烈辩论的话题。现在，一个由来自美国能源部国家可再生能源实验室(NREL)和能源部能源效率和可再生能源办公室(EERE)的17名电力系统专家组成的团队正在进行新的尝试。
发表在Joule杂志上的《在美国实现100%可再生电力系统的挑战》对在美国实现100%可再生电力需要克服的技术和经济挑战提供了重要见解。这项研究是由EERE的战略分析办公室资助的。
该论文的主要作者、NREL首席能源分析师保罗·登霍尔姆(Paul Denholm)表示:“我们的论文提供了一个视角，该视角来自于现实世界在部署可变可再生能源方面的经验、文献以及我们的团队过去二十年在各种规模上详细研究这些问题的经验——从我们2012年全国规模的可再生能源未来研究到我们2021年在LA100上的工作。“虽然我们在这里的重点是美国的电力系统，但许多解决的问题和吸取的经验教训更普遍地适用于其他地区——这些是复杂的多学科挑战，需要研究界的大量合作来解决。”
首先:定义我们所说的100%可再生能源电网
在研究实现全国范围、100%可再生能源电网的挑战时，重要的是首先要准确定义我们所说的这句话的含义。对于本文，作者解释了定义的两个关键方面:技术类型和系统边界。
登霍尔姆说:“技术类型本质上确定了可再生这个词的定义——它可以根据研究的参数或社区设定可再生目标或政策的优先顺序而变化。“在这里，我们区分了两种一般类型的技术:我们称之为可变技术的技术，这种技术依赖于短期天气条件，通常使用逆变器，如风能和太阳能光伏信贷:国家可再生能源实验室该论文中的图表从概念上说明了平衡挑战，即随着可再生能源部署的增加，预期成本和挑战可能会如何变化。在目前的水平上，可再生能源与美国许多地区的传统发电资源相比具有成本竞争力，因为公用事业行业一直能够经济高效地解决每小时和每小时以下的可变性。
在这些水平之外，我们到达了第二个区域，在那里，研究探索了如何经济有效地解决昼夜不匹配问题，以达到80%的可再生能源年贡献率。但除此之外，在第三个领域，季节不匹配问题可能需要尚未大规模部署的技术——因此它们的成本和要求尚不清楚。
逆变器的挑战:设计可靠、稳定的电网，依靠基于逆变器的资源
逆变器挑战类似于平衡挑战，因为它们都涉及在不同的时间尺度上平衡供需。但是，与平衡挑战相关的更广泛的经济问题相反，转化挑战的不同之处在于，人们的担忧狭隘地集中在一系列具体的工程考虑上。
逆变器挑战是关于过渡到由基于逆变器的资源(主要是风力和太阳能光伏发电，以及电池存储)主导的电网的相关问题。
美国的大部分电能目前来自与同步发电机相连的涡轮机；发电机电耦合并以相同的频率旋转。为了提供可靠稳定的电网，系统规划者和操作员利用了同步发电机的几个固有特性，包括旋转惯性(大旋转质量中存储的动能)和向电网注入大量电流的能力。这些特征是传统电力系统稳定和保护的基础。
“与同步发电机相比，基于逆变器的资源具有非常不同的特征，包括缺乏物理耦合的惯性响应，以及历史上在故障条件下提供大量电流的能力有限，”NREL电力系统工程中心主任、该论文的合著者本·克洛普斯基说。“因此，随着我们越来越依赖基于逆变器的资源，它们将需要提供目前由同步发电机提供的服务——这可能意味着电力系统控制和保护方式的改变。”
那么我们不知道什么呢？
本文详细探讨了平衡挑战和逆变器挑战，包括当一年中所有时间都接近或实现全国范围内100%可再生能源时，仍然存在的重大未解问题。
登霍尔姆说:“在成本大幅上升或可靠性受到损害之前，我们能在多大程度上增加可再生能源的部署，没有简单的答案。“就实现100%的‘最后几个百分点’而言，对于在全国范围内应对平衡挑战和逆变器挑战的明确的经济高效的途径，还没有达成共识。
“研究没有发现电网‘断裂’的具体技术门槛，”我们不能仅仅从以前的成本分析中进行推断，因为当谈到未来时，有许多非线性和未知的未知因素——我们甚至不知道我们还不知道的事情。”
作者表示，需要进行额外的研究来评估有助于确保可再生能源供应与所有时间段的需求模式相匹配的技术套件，并且我们需要大量的工程和设计来将电网从依赖同步电机的电网转变为基于逆变器的电网。
我们从这里去哪里？呼吁协作和持续的重新评估
为美国实现高可再生电力的未来，需要的不仅仅是解决平衡和逆变器挑战，还包括解决资源获取、环境、市场和人类行为问题，这些问题本身会影响实现100%可再生电力的设计和步伐。这些是复杂的多学科挑战，任何一个实体都无法解决，需要跨技术研究社区、学术界、实验室和行业的合作。
NREL战略能源分析中心主任、该论文的合著者丹·比莱罗说:“我们论文中未回答的问题为实现经济高效的100%可再生能源系统所需的分析、技术R&D和工程提供了研究议程。”。“我们不仅需要新的工具和数据集来推进未来的研究，还需要更统一的术语，并促进研究人员和研究组织之间的互动，尤其是在不同领域。”
此外，作者指出，需要不断重新审视实现国家减排和脱碳目标的最有效途径——无论是通过100%可再生电力还是通过低碳技术的另一种组合。
登霍尔姆说:“目前，在完全由可再生能源供电的电网中，很难建立实现这些环境效益的经济基础。“从经济上减少总排放量可能包括实现非常高——但可能低于100%——的可再生能源发电，同时还将重点放在其他部门的脱碳上，或者将不可再生但低碳的资源保留在组合中。”
LA100研究(虽然不是在全国范围内)发现，车辆和建筑部门的电气化可以导致空气质量的大幅改善，实现这些好处主要是实现高能效和电气化，而与电力部门的任何特定可再生能源路径无关。LA100还发现，在用可再生能源满足最后10%的电力需求时，技术限制会导致更高的成本，同时最小限度地减少增量排放。
登霍尔姆说:“展望未来，持续的研究、分析和对技术解决方案的适应性方法将有助于指导电力行业，并增加我们实现脱碳目标的可能性，当我们谈论100%可再生能源时，我们最终的目标是什么。”。
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