天气智能电网是风能和太阳能激增的必要条件

太平洋西北地区哥伦比亚河峡谷的风力发电繁荣既是可再生能源的成功故事，也是一个警示故事。工程师们在峡谷中安装了数千台风力涡轮机，为两百万到三百万户家庭供电。然而，这种无碳能源经常给位于俄勒冈州波特兰的博纳维尔电力管理局的运营商带来困扰，他们负责管理该地区的电网。不断变化的天气使风在广阔的涡轮机阵列中移动，造成巨大的电力波动。胡德山的出现更加剧了这种混乱，胡德山像溪流中的巨石一样耸立在峡谷上方，将盛行风一分为二。分裂后的尾流在峡谷的风电场中蜿蜒而过，导致输出功率骤升骤降。对于博纳维尔来说，这就像一个装有调光开关的大型核电站，电力上下波动。

在春天，当西北地区大型水电站的发电量激增时，电网管理甚至更加棘手。大坝需要满负荷运转，因为大坝后面的水库里充满了融水。能源顾问贾斯汀·夏普（Justin Sharp）说，不发电就将水从坝墙上溢出，既浪费了潜在的能量，又会使河流充满过多的空气，并通过“给它们减压病”来杀死在那里孵化的濒危鲑鱼。因此，博纳维尔有时会关闭风电场，浪费他们的一些清洁能源。

夏普非常了解这种情况，因为他帮助创造了这种情况。在通过研究该地区丰富的风力资源获得气象学博士学位后，他在能源开发商伊维尔德罗拉可再生能源公司（现为Avangrid Renewables）工作了七年，利用涡轮机开采这些资源，这些涡轮机目前为博纳维尔的电网供电。夏普说，开发商在设计风电场时，追求的是以最低的成本实现最大的年发电量，而博纳维尔则加强了输电线路，将这些电力输送到市场。但他补充说，每个人都忽视了天气和气候的变异性。“我们在考虑建造这些风电场时，评估过这种变异性吗？没有。我们现在评估了吗？没有。它是否对系统及其管理大量风能的能力产生影响？绝对有。影响巨大。”

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同样的故事在美国各地重复上演。像夏普这样的专家预计，各州、城市和企业计划转向无碳电力的一天将会到来。如果建设者继续忽视天气驱动的变异性，未来的电网将变得越来越不稳定。“我们试图将可再生能源的方钉硬塞进现有电力系统的圆孔中，我认为我们正在走向一场火车事故，”夏普说。

我们需要的是天气智能电网设计，由气象学指导，并建立在可以管理天气不一致性的长距离输电线上。这样一个系统可以将大量可再生能源输送到北美各地，以连接供需，无论天气如何变化——例如，当美国中西部的风停滞时，哥伦比亚河峡谷的剩余风能可以帮助明尼阿波利斯继续运转，反之亦然。“我们还没有做到这一点，”能源系统集成集团执行董事查理·史密斯说，该行业协会致力于管理可变发电。

驯服怪兽

美国能源部国家可再生能源实验室（NREL）位于科罗拉多州戈尔登的电网系统分析小组经理亚伦·布鲁姆（Aaron Bloom）表示，公平地说，天气一直都在某种程度上影响着电网设计，但程度很粗糙。热浪和寒流给一个地区的电网带来最大的压力。典型的规划归结为确保系统能够在最极端天气的最糟糕时段供电。但风能和太阳能发电厂的快速扩张正迫使规划者大大提高电网的天气智能，布鲁姆说。与传统的燃煤、天然气和核能发电机不同，风力涡轮机和太阳能电池板对天气反应强烈，增加了一个每天都在变化的巨大变量。

德克萨斯州和加利福尼亚州说明了这一挑战。德克萨斯州的风力发电能力在美国领先，装机容量超过20吉瓦。但盛行风在夜间风力最强，给电网带来能源过剩，从而迫使公用事业公司实际上要付钱给大型客户来消耗这些能源。这听起来很疯狂，但与关闭风力发电系统和浪费能源相比，这可能成本更低。

加利福尼亚州拥有充足的风力资源，并且在太阳能发电厂和光伏屋顶方面处于全国领先地位。太阳能集热器每天早上太阳升起时都会掀起电力海啸——有时超过电网的吸收能力——然后在傍晚消费者仍然需要大量电力时停止发电。加利福尼亚州几乎没有追索权。“他们是一个南北走向的州，所以太阳在每个太阳能电池板上升起和落下的时间几乎相同，”NextEra Energy Resources可再生能源政策副总裁马克·阿赫尔斯特罗姆（Mark Ahlstrom）说，该公司是一家专注于可再生能源的项目开发公司。与此同时，极端天气在三个冬季前扰乱了这两个州的风力发电供应。西海岸异常稳定的高压脊将风力削减至数月以来的历史最低水平。

各州通常很少得到美国其他地区的帮助，因为美国各地的电网分为三个大型孤立区域。这种巴尔干化意味着每个地区都必须自行管理天气的变异性。东部互联电网和西部互联电网——为美国和加拿大大部分地区以及少量墨西哥地区提供服务的两个交流电（AC）电网——几乎不交换电力。它们与德克萨斯州的电力交换更少，德克萨斯州运营着自己的交流电网。

消费者没有意识到可再生能源可能造成的日益严重的危机，因为巨型风力涡轮机和太阳能电池阵列仅占美国电力供应的7.6%。电网运营商仍然有数千家传统发电厂，他们可以启动和关闭这些发电厂，以平衡这些不稳定的能源。但可再生能源的份额正在飞速上升。加利福尼亚州已强制规定到2030年将达到50%（不包括大型水电站）；夏威夷计划尽快在2040年达到100%。只有少数公用事业公司和输电运营商正在尝试设计天气智能电网，以应对即将到来的风能和太阳能发电的洪流。但越来越多的设计工具正在迎接这一挑战。

大数据天气

布鲁姆在NREL的团队以及爱荷华州立大学的詹姆斯·麦卡利（James McCalley）等外部专家正在完成一项重大研究，该研究正在评估扩大东部和西部电网之间电力共享的好处。《互联电网接缝研究》是第一个采用新的风能和太阳能数据集的研究，这些数据集具有极精细的空间和时间分辨率，将模拟提升到一个新的水平。NREL的数据提供了全国天气和电力流动的快照，每五分钟间隔一次，持续一整年，绘制了每两平方公里土地上的风力图和每四平方公里土地上的太阳能图。这种细节对于绘制复杂地形（如哥伦比亚河峡谷）上的风力变异性至关重要。预测多个高度的风速还可以使NREL在任何地点选择最佳的涡轮机技术。所有这些智能的结果都是模拟，这些模拟演示了如何在北美大陆（不包括德克萨斯州）经济高效且可靠地将可再生能源供应量提高到2040年的54%以上——远高于今天的水平。

这些模拟通过以下方式消除了东西部电网的电力鸿沟：用几条大型直流输电线路将两个电网沿共同边界连接起来，或者用从太平洋沿岸到中西部地区的更长的直流输电线路网络纵横交错地连接起来，再加上一条从路易斯安那州到佛罗里达州的主干线。之所以使用直流电线，是因为与交流电线相比，直流电线在长距离传输过程中的功率损耗要小得多，这使得远距离输电在经济上可行。NREL的模型确定了线路应能传输多少电力，以及在何处放置新的发电机，以利用增强的输电系统。

这些模型认识到天气智能优化的各种机会，例如安装更大范围的风力涡轮机类型和太阳能电池板，分布在更广泛的地点，而不是将它们集中在少数几个风力或日照特别强的地区，而今天它们往往集中在这些地区。NREL能源建模师格雷格·布林克曼（Greg Brinkman）表示，其结果很可能是更稳定的可再生能源，需要更少的传统发电厂备用。“自然多样性被融入其中，”他说。

NREL的建模尽管非常复杂，但也显示了天气智能设计的持久挑战。例如，麦卡利对一些地方进行了简化，以使每次模拟运行都保持在“易于处理”的六七天计算时间内。而将可再生能源发电机分配到特定地点的建模步骤使用了简化的时间和空间图像，而不是五分钟间隔和四平方公里的精度。

该实验室还预先设定了直流电线的起点和终点，以避免布鲁姆所说的“数学上难以处理”的计算。因此，该模型并非总是同时优化发电机和输电线路。尽管如此，NREL的初步结果表明，长距离直流电线每年可节省38亿美元，例如，通过大幅削减煤炭和天然气消耗，其收益是自身成本的三倍以上。但是，如果采用完全优化的布局，每公里的直流输电线可以带来更大的节省——以及更大幅度的碳排放削减。

最近为重新设计欧洲电网以适应预计到2040年将在那里实现的强劲可再生能源而进行的建模证实，NREL的模拟捷径很可能在一定程度上忽略了可再生能源的潜力。欧洲输电系统运营商网络（一个总部位于布鲁塞尔的联盟）在一个2030年电网模型中增加了足够的风能、太阳能和其他可再生能源发电机，以将可再生能源总量提高到75%。其专家随后通过扩大国家之间的互联互通，以缓解季节性电力流动的瓶颈，从而提出了一个2040年概念电网。最后，他们重新分配了相同的发电机，以更好地利用重新设计的电网。这种迭代优化过程将2040年设计中的可再生能源提高到80%以上。

更好的算法

一位独立研究人员声称，他可以将所有这些建模技术合并在一起，以从天气数据中挤出更大的价值。克里斯托弗·克拉克（Christopher Clack）是Vibrant Clean Energy的首席执行官，该公司是科罗拉多州博尔德的一家电网建模和电力预测公司。克拉克在美国国家海洋和大气管理局（NOAA）为期四年的工作期间，开发了他的先进的weather-driven电网算法。然后在2016年，他推出了他的专有商业软件WIS:dom。

克拉克声称，WIS:dom使用与NREL相同类型的高分辨率天气数据，但方式不同，因此创造了更多的可再生能源机会。他对美国大型电网的最新分析得出了一个系统，在该系统中，到2040年，可再生能源将提供62%的发电量，这比NREL最近的预测高出20%。模拟电网的电力输送成本也比今天低10%。克拉克说，如果将节省下来的资金重新投入到加速输电系统的投资中，他的模型可以将可再生能源的比例推高到67%以上，远早于2040年。

克拉克认为，WIS:dom通过同时优化发电厂和输电（特别是长距离直流线路）来从天气数据中挤出更多的智能，而不是像NREL不得不做的那样预先确定线路。该模型还利用了全国各地的可再生能源发电机每小时相对于彼此的波动方式，更好地平衡了远处地区的风能和太阳能。例如，WIS:dom可以判断何时德克萨斯州正在上升的夜间风能可以抵消东海岸滞后的海上风力，东海岸的风力在白天风力更大。“所有不同的地区在不同的时间帮助其他地区，”克拉克说。麦卡利承认，NREL的模型由于其限制，可能会错过其中的一些，尽管他质疑简化是否会产生很大的影响。

克拉克说，他的模型“仅需”两天的计算时间即可输出更优化的电网规划。专家表示，他的集成模型可能是天气智能设计方面的一个突破。“他肯定将其提升到了更高的保真度，”阿赫尔斯特罗姆说。

然而，WIS:dom 缺乏的是验证。阿赫尔斯特罗姆、布鲁姆和其他专家希望他们更多地了解克拉克的专有工具是如何工作的，以便他们能够确认其可靠性。“克里斯是个聪明人。他正在做一些伟大的事情。我只是不知道他的独门秘方是什么，”布鲁姆说。克拉克似乎不太可能分享它。毕竟，他正在向能源公司出售他的软件的输出结果，包括就区域电网运营商和创业型输电建设商应将数十亿美元投资投向何处提供建议。

政治障碍

像夏普和史密斯这样的能源开发商正试图鼓励电网公司和美国气象学会等科学组织强调天气智能规划。他们还表示，政治和行业领导者必须为直流输电奔走呼号，以克服对其的阻力。各州的可再生能源授权正在促使电网运营商建造交流线路以获取风能和太阳能资源。但只有少数几家公司正在尝试建造在各地区之间交换可再生能源所需的长距离直流线路，正如欧洲、中国和其他国家正在做的那样。

“不要在我家后院”反对输电线路是问题的一部分。另一个问题是公用事业投资转向电网问题的“非线路”解决方案，例如电池储能。位于需要电力的地方的大型昂贵电池可以接收剩余电力——例如来自德克萨斯州夜间风力的电力——并将其存储起来以备几个黑暗、无风的日子使用。但电池可能对帮助地区承受极端事件（如2015年西部风力干旱）几乎没有作用。“这不像你能够把你夏季发电的所有[太阳能]都放入电池中以备冬季使用，”夏普说。

区域地盘之争可能是长距离直流互联的更大障碍。地方和州政府官员经常阻止输送远方廉价电力的大型输电线路，以保护州内发电机。对于戴尔·奥斯本（Dale Osborn）来说，对大型直流电的抵制是一个痛苦的教训，他领导了设计NREL研究的直流网络的团队。奥斯本曾是美国电力行业倡导直流增强电网的领军人物，直到去年他从Midcontinent Independent System Operator退休，该公司运营着15个美国州和马尼托巴省共享的输电线路和批发电力市场。正如NREL的分析显示，一个可以将华盛顿州的电力输送到佛罗里达州的系统需要在全国范围内减少发电厂。尽管这种方法降低了总体成本，“但有很多自私自利的人不希望降低发电成本，”奥斯本感叹道。“他们希望他们的发电价格更高。”

克拉克表示，在美国，高压直流（HVDC）的前景看起来非常黯淡，以至于客户通常要求他将高压直流排除在他为他们进行的研究之外，迫使WIS:dom使用更短、更密集的交流线路。“长距离高压直流被关闭了，因为大多数人认为它不会发生，”克拉克说——至少在可预见的未来不会发生。不幸的是，他指出，当他关闭直流电但保持成本不变时，传统发电厂减少碳排放量所带来的减排量大约会消失一半。

联邦政府可以帮助打破僵局。奥巴马总统的能源部长欧内斯特·莫尼兹（Ernest Moniz）行使了未经检验的法定权力，通过征用权为一条被认为具有国家重要性的直流线路征用土地。该项目旨在将俄克拉荷马州的剩余风力输送到中南部和东南部的市场，但最近被其倡导者Clean Line Energy Partners搁置，该公司正在为在中西部的几个项目而战，这些项目也因地方和州的反对而停滞不前。

在唐纳德·特朗普总统领导下，类似的输电积极主义不太可能出现。能源部长里克·佩里（Rick Perry）专注于保护燃煤发电厂，他认为扩大其现场煤炭储备可以使电网在极端天气下更具“弹性”。但专家指出，煤堆在寒流期间会冻结，在热带风暴期间会洪水泛滥，迫使发电厂关闭。同样的天气通常会带来大气压力梯度，从而驱动风力涡轮机旋转，并带来晴朗的天空，从而最大限度地提高太阳能输出。正如夏普所观察到的，“在极端天气下，美国国内有些地区拥有非常强大的可再生能源。”

如果只有一个天气智能电网来输送它就好了。