避免停電：使用100%可再生能源
可再生能源的解決方案常常受到風、水、陽光和不斷波動的能源需求不一致的影響。斯坦福大學土木與環境工程教授、加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)和丹麥奧爾堡大學(Aalborg University)的同事馬克·z·雅各布森(Mark Z. Jacobson)和他的同事們進行了一項新的研究，他們發現了一些解決方案，以使清潔、可再生能源的可靠性達到至少139個國家的水平。
在本周發表于《可再生能源》(Renewable Energy)的一篇論文中，研究人員提出了三種不同的方法，在所有能源部門之間提供一致的能源——交通運輸;加熱和冷卻;產業;農業、林業和漁業——在包括139個國家在內的20個世界范圍內，所有部門都被轉換成100%清潔的可再生能源。雅各布森和他的同事們之前開發了一種路線圖，將139個國家的清潔能源和可再生能源在2050年之前轉化成100%的清潔能源，到2050年，這一比例將達到80%。本研究探討了如何使網格保持穩定的方法。
“基于這些結果,我可以更自信的狀態,沒有任何技術或經濟障礙轉變整個世界100%的清潔、可再生能源與電網穩定在低成本,”雅各布森說,世衛組織還在斯坦福研究能源研究所高級研究員,斯坦福研究所森林環境。“這一解決方案將大大有助于消除全球變暖以及每年全球400萬到700萬的與空氣污染有關的死亡，同時也提供能源安全。”
這篇論文是根據Jacobson和他的同事在2015年進行的一項研究建立的，該研究考察了在美國48個連續的州中，電網保持穩定的能力。這項研究只包括了一個如何實現目標的方案。一些人批評這篇論文過于依賴向現有的水電站增加渦輪機——該組織建議，這是為了在不改變大壩數量或規模的情況下增加峰值電力生產。之前的論文也被批評過于依賴于在水、冰和地下巖石中儲存多余的能量。目前的解決方案通過提出幾種不同的解決方案來解決這些批評，這些方法包括用100%清潔的可再生能源生產穩定能源，包括沒有增加水電渦輪機的解決方案，以及在水、冰或巖石中沒有儲存。
雅各布森說:“我們的主要結果是，有多種解決辦法。“這是很重要的，因為大規模實施清潔可再生能源的最大障礙是人們的看法，那就是，要讓燈亮起風和太陽能的輸出太困難了。”
供給和需求
這項研究的核心是需要根據研究人員預測的2050年的需求來匹配風能、水和太陽能的能量。為了做到這一點，他們將139個國家分成了20個區域，根據地理上的地理距離和一些地緣政治的考慮，他們在之前的一項研究中創建了能源路線圖。與之前的139個國家的研究不同，該研究將能源供應與年平均需求相匹配，目前的研究將供給和需求在30秒內增加了5年(2050-2054)，以解釋風能和太陽能的變化，以及不同時間和季節的需求變化。
對于這項研究，研究人員依賴于兩個計算建模程序。第一個項目預測了從2050年到2054年的全球氣候模式。從這一點上，他們進一步預測了來自與天氣有關的能源，如陸上和海上風力渦輪機，屋頂和發電廠的太陽能光伏發電，太陽能發電廠和太陽能發電廠的能源。這些類型的能源是可變的，在需求最高的時候不一定能產生能量。
然后，該小組將第一種模型的數據與第二種模型相結合，該模型將更穩定的電力來源(如地熱發電廠、潮汐和波浪裝置)、水力發電廠和地熱(如地熱儲層)所產生的能源結合起來。第二種模式還包括在電力、熱、冷和儲氫等過剩時儲存能量的方法。此外，該模型還包括了對能源需求的預測。
通過這兩種模型，該小組能夠預測通過更多的可變能源產生多少能量，以及其他來源如何平衡波動能量以滿足需求。
避免停電
基于建模數據的場景在所有20個世界區域的低成本中避免了停電，在所有的5年時間里，在三種不同的存儲場景下進行了檢查。其中一種方案包括熱泵，它是用來代替燃燒式加熱器和冷卻器的，但沒有熱或冷的能量儲存;在現有的水電站中，沒有水電機組;一個沒有電池儲存。事實上，在三種不同的情況下都沒有發生停電，這一事實表明，許多可能的電網穩定性的解決方案都是有可能的。這一結論與之前的說法相矛盾，即電網不能保持穩定，只能使用可再生能源。
總的來說，研究人員發現，每單位能源的成本——包括健康、氣候和能源的成本——在每一種情況下，大約是如果世界繼續當前的能源之路，將會是多少。這主要是由于消除了化石燃料的健康和氣候成本。此外，通過減少水汽，在路線圖中包含的風力渦輪機將抵消約3%的全球變暖。
雖然在路線圖場景和非干預場景中產生能量單位的成本是相似的，但研究人員發現，路線圖粗略地將系統所需的能量減少了一半。因此，消費者實際支付的費用會更少。大量的能源節約來自于避免開采、運輸和提煉化石燃料所需的能源，從燃燒轉化為直接電力，使用熱泵而不是傳統的加熱器和空調。
該論文的作者之一、加州大學伯克利分校(University of California, Berkeley)的研究科學家馬克·德魯奇(Mark Delucchi)說:“基于清潔、零排放的風能、水和太陽能的能源系統面臨的最大挑戰之一是，以合理的成本匹配供應和需求，近乎完美的可靠性。”“我們的工作表明，在世界上幾乎所有國家，都可以通過現有技術實現這一目標。”
一起工作
雅各布森和他的同事們表示，實施路線圖的另一個挑戰是，他們需要跨越政治界限進行協調。
雅各布森說:“理想的情況是，在決定將風力發電場放置在哪里時，你需要進行合作。在那里，你將把太陽能電池板放在哪里，你將把電池儲存起來。”“整個系統在提前計劃的時候效率最高，而不是每次只做一件。”
考慮到這一地緣政治的復雜性，他們還在研究較小的路線圖，以幫助各個城鎮，其中許多城鎮已經致力于實現100%的可再生能源。
