20年后的未來(lái)智能電網(wǎng)

　　哥倫比亞河峽谷(Columbia River Gorge)位于美國(guó)西北部，在這里，風(fēng)力發(fā)電量的蓬勃增長(zhǎng)代表了可再生能源取得的成功，但是，這也給人們敲響了警鐘。工程師在峽谷上建設(shè)了數(shù)以千計(jì)的風(fēng)電機(jī)組，發(fā)電量可供200萬(wàn)至300萬(wàn)戶家庭使用。不過(guò)，這種零碳排放的能源卻常常給管理美國(guó)西北部電網(wǎng)的博納維爾電力管理局(Bonneville Power Administration)帶來(lái)頭疼的問(wèn)題。天氣變化會(huì)改變通過(guò)這片廣闊區(qū)域的風(fēng)向，從而導(dǎo)致發(fā)電量大幅波動(dòng)。雪上加霜的是，峽谷上方的胡德山(Mount Hood)會(huì)像溪流中的巨石把水流分開一樣，把當(dāng)?shù)氐氖⑿酗L(fēng)一分為二。形成的尾流吹過(guò)這里時(shí)，也會(huì)因?yàn)轱L(fēng)向波動(dòng)從而導(dǎo)致發(fā)電量波動(dòng)。對(duì)博納維爾電力管理局來(lái)說(shuō)，這里的風(fēng)電機(jī)組就像一個(gè)時(shí)開始停的核電站。

　　每年春天，美國(guó)西北地區(qū)的大量水電廠的發(fā)電量都會(huì)激增，使得這個(gè)季節(jié)的電網(wǎng)管理工作更加艱難。融化的雪水注滿了水庫(kù)，因上水壩需要滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。一旦水從水庫(kù)溢出，不僅浪費(fèi)勢(shì)能，還會(huì)給下游河流注入過(guò)量空氣，給下游正在孵化的瀕危鮭魚帶來(lái)“減壓病”，能源咨詢師賈斯廷·夏普(Justin Sharp)說(shuō)道。因此，博納維爾電力管理局會(huì)關(guān)閉風(fēng)電機(jī)組，浪費(fèi)一部分清潔能源。

　　夏普之所以很了解這些情況，是因?yàn)樗麉⑴c過(guò)這項(xiàng)工程的建設(shè)。在攻讀氣象學(xué)博士時(shí)他就在研究西北地區(qū)的風(fēng)。畢業(yè)后，他在伊比德羅拉可再生能源公司(Iberdrola Renewable)工作了7年，嘗試用渦輪開發(fā)風(fēng)力資源。如今，當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)電機(jī)組已經(jīng)接入博納維爾的電網(wǎng)中。夏普稱，開發(fā)者設(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電廠時(shí)追求成本最低、發(fā)電量最大，博納維爾電力管理局則鋪設(shè)輸電線，把電力送往市場(chǎng)。但當(dāng)時(shí)所有入都忽視了天氣和氣候的變化，他補(bǔ)充道，“我們?cè)诮ㄔO(shè)這些風(fēng)力發(fā)電廠時(shí)，評(píng)估過(guò)天氣和氣候的多變性么?沒(méi)有。我們現(xiàn)在評(píng)估了么?依然沒(méi)有。這會(huì)影響電網(wǎng)系統(tǒng)及其輸送大量風(fēng)電的能力么?影響巨大。”

　　同樣的事情在全美不斷重現(xiàn)。像夏曾這樣的專家希望，打算轉(zhuǎn)向清潔電力的州、城市和企業(yè)有一天能夠認(rèn)真思考這些問(wèn)題。如果日后建設(shè)清潔能源網(wǎng)終時(shí)繼續(xù)忽視天氣的多變性，電網(wǎng)將在未來(lái)變得更不穩(wěn)定。“可再生能源和現(xiàn)有電網(wǎng)并不匹配，現(xiàn)在把二者強(qiáng)扭在一起，遲早會(huì)出事，”夏普說(shuō)道。

　　要解決這個(gè)問(wèn)題，就要設(shè)計(jì)以氣象學(xué)為導(dǎo)向的天氣智能型電網(wǎng)，并且建設(shè)可以解決天氣多變性問(wèn)題的輸電線路。這樣的系統(tǒng)能在北美輸送大量電力，因此無(wú)論天氣如何，都能把電能和用戶連接起來(lái)。舉個(gè)例子，有了這種系統(tǒng)，當(dāng)美國(guó)中西部的明尼阿波利斯市沒(méi)有風(fēng)時(shí)，哥倫比亞河谷產(chǎn)生的多余電量就能輸往該地，反之亦然。“我們還沒(méi)有這樣的系統(tǒng)，”能量系統(tǒng)整合組織(一家行業(yè)協(xié)會(huì)，致力于可變發(fā)電管理)的執(zhí)行主任查理·史密斯(Charlie Smith)說(shuō)道。

　　割裂的電網(wǎng)

　　說(shuō)實(shí)話，老天爺過(guò)去常常會(huì)給電網(wǎng)設(shè)計(jì)發(fā)出一些提示信息，只不過(guò)不容易察覺(jué)，美國(guó)能源部國(guó)家可持續(xù)能源實(shí)驗(yàn)室(簡(jiǎn)稱NREL)的電網(wǎng)系統(tǒng)分析組織負(fù)責(zé)入亞倫·布盧姆( Aaron Bloom)說(shuō)道。熱浪和寒潮會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)負(fù)荷激增。設(shè)計(jì)電網(wǎng)時(shí)要確保即便在最極端的天氣下，電網(wǎng)仍可以正常輸電。但風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備的快速增多，已經(jīng)迫使電網(wǎng)設(shè)計(jì)者大幅提升電網(wǎng)應(yīng)對(duì)天氣變化的能力了，布盧姆說(shuō)。與傳統(tǒng)的火力、天然氣以及核能發(fā)電機(jī)不同，風(fēng)力機(jī)組和太陽(yáng)能電池板受天氣影響非常大，這對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是個(gè)時(shí)時(shí)刻刻都在波動(dòng)的變量。

　　得克薩斯州和加利福尼亞州面臨的難就很有代表性。得克薩斯州的風(fēng)力發(fā)電量居全美首位，裝機(jī)量達(dá)2萬(wàn)兆瓦。不過(guò)發(fā)電量最大的時(shí)候卻是晚上，這會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)在夜里電量過(guò)多。電力企業(yè)只有給大客戶付錢，讓他們消耗掉這些電力。雖然聽起來(lái)很荒唐，但這么做的損失也比關(guān)掉風(fēng)力發(fā)電設(shè)備要少。

　　加利福尼亞州風(fēng)力充沛，擁有全美最多的太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備和光伏屋頂。每天清晨日出時(shí)，他們就會(huì)產(chǎn)生大量電能—有時(shí)甚至比電網(wǎng)能接納的還多，但太陽(yáng)一落山就沒(méi)電了，此時(shí)消費(fèi)者的用電量依然很大。“加利福尼亞州在地理上呈南北分布:因此這里日出日落的時(shí)間大致相同，” NextEra能源公司可再生能源政策方面的副總裁馬克·阿爾斯特倫(Mark Ahlstrom)說(shuō)，該公司的業(yè)務(wù)重心就在可再生能源上。要知道，3年前那個(gè)冬天的極端天氣就擾亂了這兩個(gè)州的風(fēng)力發(fā)電供給。當(dāng)時(shí)，美國(guó)西海岸遭遇異常穩(wěn)定的高壓脊，使得前所未有的少風(fēng)天氣持續(xù)了數(shù)月之久。

　　由于全美的電網(wǎng)被劃分成三片彼此獨(dú)立的大區(qū)，因此一個(gè)州遇到麻煩時(shí)往往得不到其他州的幫助。這意味著每個(gè)區(qū)域都要獨(dú)自應(yīng)對(duì)天氣變化。東部互聯(lián)電網(wǎng)和西部互聯(lián)電觀這兩個(gè)交流電網(wǎng)為美國(guó)和加拿大的大部分區(qū)域以及墨西哥的少部分區(qū)域輸送電力，但這兩個(gè)電網(wǎng)彼此間卻幾乎從不發(fā)生電力交易。而且，它們與得克薩斯州的交易更少，因?yàn)楹笳哂凶约旱慕涣麟娋W(wǎng)。

　　由于風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電量加起來(lái)只占全美發(fā)電總量的7.6%，因此消費(fèi)者并沒(méi)有感覺(jué)到可再生能源造成的麻煩正不斷增加。電網(wǎng)中仍有數(shù)千家使用傳統(tǒng)能源的發(fā)電廠，電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商可以通過(guò)增減他們的發(fā)電量來(lái)平衡可再生能源引發(fā)的波動(dòng)。但是，可再生能源發(fā)電量的占比正迅速增加。加利福尼亞州要求可再生能源發(fā)電量比例在2030年前達(dá)到50%(這還不包括大型水力發(fā)電站);夏威夷打算最早于2040年就完全使用可再生能源。

　　只是，目前僅有少數(shù)電廠和電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)企業(yè)正試著設(shè)計(jì)天氣智能型電網(wǎng)，從而應(yīng)對(duì)即將到來(lái)的風(fēng)能和太陽(yáng)能增長(zhǎng)的浪潮。不過(guò)，應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的工具也越來(lái)越多了。

　　天氣大數(shù)據(jù)

　　NREL的布盧姆帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)與愛荷華州立大學(xué)的詹姆斯·麥卡利(James McCauley)等專家合作，開展了名為“無(wú)縫互聯(lián)”(Interconnections Seam Study)的大型研究，他們希望評(píng)估東西部電網(wǎng)的電力互通可能帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)。在這項(xiàng)研究中，他們首次使用了在時(shí)間和空間分辨率都大幅提高的數(shù)據(jù)集，因此模擬結(jié)果上升到了新的高度。NREL的數(shù)據(jù)能夠描繪全美范圍內(nèi)的天氣和電力流動(dòng)情況，每5分鐘刷新一次。在繪制精度上，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)每2平方千米取一次數(shù)據(jù)，而對(duì)太陽(yáng)能則是每4平方千米取一次數(shù)據(jù)。這樣詳細(xì)的數(shù)據(jù)對(duì)描繪哥倫比亞河谷等復(fù)雜區(qū)域的風(fēng)電變化非常關(guān)鍵。能預(yù)測(cè)不同高度的風(fēng)速還使得NREL在任何地方都能選擇最合適的風(fēng)電技術(shù)。這樣的模擬結(jié)果表明，如何才能以經(jīng)濟(jì)、可靠的方式，在2040年前讓可再生能源的發(fā)電量在美國(guó)(得克薩斯州除外)的占比增加到54%以上—遠(yuǎn)高于目前的比例。

　　在模擬中，連接?xùn)|西部電網(wǎng)的方案有兩種，一是沿著二者的交界處鋪設(shè)若干大型直流輸電線，二是鋪設(shè)更長(zhǎng)的從西海岸至中西部的直流電網(wǎng)，穿過(guò)東西部電網(wǎng)，同時(shí)加設(shè)一條從路易斯安娜州到佛羅里達(dá)州的主線路。之所以使用直流輸電，是因?yàn)殚L(zhǎng)距離輸電時(shí)，直流電的電能損失比交流電小得多，在經(jīng)濟(jì)上更具可行性。NREL的模型還確定了在哪里安裝新的發(fā)電機(jī)，以及輸電線路應(yīng)當(dāng)傳輸多少電能，從而更有效地利用整個(gè)增強(qiáng)后的輸電系統(tǒng)。

　　從模型中我們還發(fā)現(xiàn)，有很多方式實(shí)現(xiàn)天氣智能式的優(yōu)化，比如增加風(fēng)電機(jī)組類型的多樣性，在更廣闊的地區(qū)安裝太陽(yáng)能電池板，而不是只把它們放在風(fēng)能或太陽(yáng)能格外充沛的地方。在NREL能源建模師格雷格·布林克曼(Greg Brinkman)看來(lái)，如果能做到這些，可再生能源發(fā)電的持續(xù)性會(huì)更好，因此備用的傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組量也會(huì)更少。他說(shuō)，“應(yīng)該利用自然環(huán)境的多樣性”，從而在局部出現(xiàn)不同的天氣狀況時(shí)，相互補(bǔ)足維護(hù)電網(wǎng)的穩(wěn)定。

　　盡管NREL的建模過(guò)程已經(jīng)很精密了，但仍顯示出了智能設(shè)計(jì)所面臨的困難。比如說(shuō)，為了把每次模擬所需的計(jì)算時(shí)間控制在“易于應(yīng)對(duì)”的六七天內(nèi)，麥卡利在建模時(shí)進(jìn)行了若干簡(jiǎn)化。比如，不再以每5分鐘、每4平方千米的精度采集數(shù)據(jù)。

　　此外，NREL還預(yù)先確定了直流輸電線路的起止位置，避免了布盧姆所說(shuō)的“數(shù)學(xué)上無(wú)法完成計(jì)算”。但這樣來(lái)，模型并不總能同時(shí)優(yōu)化發(fā)電機(jī)和輸電線路。盡管如此，NREL提供的初步結(jié)果表明，通過(guò)減少煤炭和天然氣的使用，長(zhǎng)距離直流輸電每年可以節(jié)省38億美元，是建設(shè)費(fèi)用的3倍多。并且，如果設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化完全，直流輸電線路越長(zhǎng)，費(fèi)用就越省，碳排放量就越少。

　　歐洲也希望在2040年前建成可再生能源電網(wǎng)。最近，有科學(xué)家通過(guò)模擬重新設(shè)計(jì)了歐洲的電網(wǎng)。結(jié)果表明，由于NREL在的模型做了簡(jiǎn)化，模擬結(jié)果并沒(méi)有完全反映出可再生能源的潛力。后來(lái)，歐洲電力傳輸系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)向2030年的預(yù)期模型中加入了風(fēng)能、太陽(yáng)能和其他新能源發(fā)電機(jī)組，直接將可再生能源發(fā)電量占比提升到了75%歐洲電力傳輸系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的專家隨后提出了2040年電網(wǎng)的設(shè)想:通過(guò)擴(kuò)大國(guó)家間的電力互聯(lián)，緩解季節(jié)性能量流動(dòng)帶來(lái)的問(wèn)題。最后，他們重新整合了原有發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行方式，以便更好利用重新設(shè)計(jì)的電網(wǎng)。經(jīng)過(guò)這樣的迭代優(yōu)化后，可再生能源將在2040年的預(yù)期發(fā)電量占比中，提升到80%以上。

　　更好的算法

　　Vibrant清潔能源公司首席執(zhí)行官、獨(dú)立研究者克里斯托弗·克拉克(Christopher Clack)稱，他能把所有建模技術(shù)融合在一起，從天氣數(shù)據(jù)中創(chuàng)造出更多價(jià)值。這家位于美國(guó)科羅拉多州博爾德市的公司主營(yíng)電網(wǎng)建模和電力預(yù)測(cè)。克拉克曾在美國(guó)海洋和大氣管理局工作過(guò)4年，在此期間他研發(fā)出了先進(jìn)的天氣驅(qū)動(dòng)型電網(wǎng)算法。隨后，他在2016年推出了名為 WIS:dom的專有商用軟件。

　　這款軟件使用的數(shù)據(jù)分辨率和NREL的一樣高，不過(guò)用法不太一樣?？死朔Q，他們可以給可再生能源創(chuàng)造更多機(jī)會(huì)。近期，他在分析了美國(guó)大型電網(wǎng)后構(gòu)建了一套系統(tǒng)，在這套系統(tǒng)中，到2040年時(shí)，美國(guó)可再生能源發(fā)電量的占比將達(dá)到62%，比NREL的最新預(yù)測(cè)高20%。模擬電網(wǎng)的輸電成本也比目前低10%?？死朔Q，如果節(jié)省下來(lái)的資金能重新投入輸電系統(tǒng)的建設(shè)，他的模型能把可再生能源的占比提高至67%以上，預(yù)期實(shí)現(xiàn)的時(shí)間也可以比2040年提早更多。

　　克拉克認(rèn)為，WIS:dom之所以能從天氣數(shù)據(jù)中發(fā)掘出更多信息，原因在于它同時(shí)優(yōu)化了發(fā)電機(jī)組和輸電線路——尤其是長(zhǎng)距離直流翰電線路，而不是像NREL那樣預(yù)先固定線路。該模型還利用了全美范圍內(nèi)可再生能漂發(fā)電機(jī)組的波動(dòng)情況，從而可以更好地平衡不同地區(qū)的風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電情況。比如，到了晚上，得克薩斯州的風(fēng)力發(fā)電量會(huì)上升，正好可以彌補(bǔ)東海岸海上風(fēng)能的不足，因?yàn)樵跂|海岸，白天的風(fēng)量更大

　　麥卡利承認(rèn)，由于自身限制，NREL的模型可能會(huì)遺漏部分可能性，不過(guò)他懷疑自己做的簡(jiǎn)化是否會(huì)導(dǎo)致這么大的不同。

　　克拉克稱，他的模型“只需”兩天就能得出優(yōu)化過(guò)的電網(wǎng)規(guī)劃。一些專家稱，他的整臺(tái)模型或許是天氣智能設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的一個(gè)突破。“毫無(wú)疑問(wèn)，他的模型效率更高，”阿爾斯恃倫說(shuō)道。不過(guò)，WIS:dom的效果還未得到證實(shí)阿爾斯特倫、布盧姆和其他等專業(yè)人士都希望能更深入地理解軟件背后的原理，從而證實(shí)其可靠性。

　　“克拉克很聰明，他做的事情也很了不起。我只是不知道他的秘訣是什么，”布盧姆說(shuō)道。不過(guò)，看起來(lái)克拉克不太可能透露其中的秘密。畢竟，他要把軟件的運(yùn)行結(jié)果賣給能源公司，其中就包括向地區(qū)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商和商業(yè)輸電線路鋪設(shè)商提供建議，告訴他們數(shù)十億美元應(yīng)該往哪投。

　　阻力

　　夏普和史密斯等能源開發(fā)商試圖勸說(shuō)電網(wǎng)公司及美國(guó)氣象學(xué)會(huì)之類的科學(xué)團(tuán)體，讓他們重視天氣智能規(guī)劃。這些能源開發(fā)商還說(shuō)，政界和行業(yè)領(lǐng)袖必須宣傳直流輸電，從而克服行業(yè)所面對(duì)的阻力。美國(guó)各州對(duì)可再生能源的訴求，正在推動(dòng)電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商鋪設(shè)交流輸電線，以便接入風(fēng)力和太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)備。但只有少量的美國(guó)企業(yè)在鋪設(shè)長(zhǎng)距離直流輸電線，用以跨區(qū)域輸送可再生能源產(chǎn)生的電力。而歐洲、中國(guó)都在這么做。

　　然而，美國(guó)人不愿意在自家門口鋪設(shè)高壓線。另外，電池存儲(chǔ)等“不需要電線”的解決方案已經(jīng)成為電力投資的熱門領(lǐng)域。昂貴的大型電池組坐落于需要使用電力的地方，它們可以存儲(chǔ)過(guò)量電能(電能足夠在陰天、無(wú)風(fēng)的日子用上幾天)。但是，一旦遇上類似2015年西部嚴(yán)重缺少風(fēng)能的極端事件，電池也無(wú)能為力。“電池沒(méi)法把夏天的電能存儲(chǔ)起來(lái)供冬天使用，”夏普說(shuō)道

　　在美國(guó)，要讓長(zhǎng)距離的直流輸電網(wǎng)絡(luò)相互連通，更大的障礙或許是地區(qū)間的利益沖突。為了保護(hù)本州的發(fā)電企業(yè)，當(dāng)?shù)毓賳T通常會(huì)阻礙大型輸電線路的建設(shè)，因?yàn)檫@些線路會(huì)引入外部的電源。在NREL的研究中，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了直流輸電網(wǎng)絡(luò)的戴爾·奧斯本(Dale Osborn)就領(lǐng)教過(guò)這種阻力。奧斯本去年從中西部獨(dú)立系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商(負(fù)責(zé)美國(guó)15個(gè)州和加拿大曼尼托巴省的輸電線路以及電力市場(chǎng))退休，此前一直在美國(guó)能源界中倡導(dǎo)直流增強(qiáng)電網(wǎng)。正如NREL的分析所指出的那樣，如果能有一個(gè)可供各州間進(jìn)行電力交易的系統(tǒng)，或許可以減少發(fā)電廠的數(shù)量。盡管這樣做可以減少整體成本，“但有很多可以自給自足的人并不希望電力成本下降，”奧斯本哀嘆道，他們要己發(fā)電，即便這樣更貴”。

　　克拉克說(shuō)，高壓直流電在美國(guó)的前景非常暗淡?？蛻?mdash;般都會(huì)要求他在硏究時(shí)把這條方案直接排除，這使得WIS:dom不得不規(guī)劃距離短、數(shù)量更多的交流線路。“大多數(shù)人不看好長(zhǎng)距離高壓直流電，”克拉克說(shuō)道，至少在可預(yù)見的將來(lái)沒(méi)戲。北外，如果不釆用直流輸電卻又保持成本不變，傳統(tǒng)發(fā)電廠的數(shù)量不會(huì)減少，原本二氧化碳減排一半的優(yōu)勢(shì)也泡湯了。

　　美匡政府或許能打破僵局。奧巴馬政府時(shí)期的能源部長(zhǎng)歐內(nèi)斯特·莫尼茲(Ernest Moniz)曾動(dòng)用行政權(quán)力征取土地，從而建設(shè)對(duì)美國(guó)很重要的直流輸電線。這項(xiàng)工程希望把俄克拉荷馬州多余的風(fēng)電輸送到美國(guó)中南部和東南部的市場(chǎng)，但近期卻被這項(xiàng)工程的支持者—清潔線路能源伙伴組織擱置，與此同時(shí)，該組織正在為中西部的其他幾個(gè)項(xiàng)目抗?fàn)?，因這些項(xiàng)目也被地方機(jī)構(gòu)終止了。

　　在特朗普的任內(nèi)，更不可能建設(shè)類似的輸電線路?，F(xiàn)任美囯能源部長(zhǎng)里克·佩里(Rick Perry)的政策是保護(hù)火力發(fā)電廠，他認(rèn)為增加火電廠隨時(shí)可用的煤炭存量能讓電網(wǎng)在面對(duì)極端天氣時(shí)更穩(wěn)定。不過(guò)專家指出，堆放在起的煤遇到寒潮會(huì)被凍結(jié)，遇到暴風(fēng)雨又會(huì)受潮，這都會(huì)導(dǎo)致發(fā)電廠停工。而這樣的天氣會(huì)帶來(lái)氣壓梯度，此時(shí)風(fēng)力強(qiáng)勁、或天空晴朗，風(fēng)電機(jī)組和太陽(yáng)能板的發(fā)電量都會(huì)達(dá)到最大值。正如夏普注意到的，“在極端天氣下，美國(guó)有些地方的可再生能源的發(fā)電量可以很穩(wěn)定”。