本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
本月早些时候，我参加了在华盛顿特区举行的美国机械工程师协会（ASME）能源可持续发展会议。会议期间，我有机会与 Paul Denholm 博士 交谈，他是位于科罗拉多州戈尔登市的美国国家可再生能源实验室（NREL）的高级分析师。Denholm 博士是 NREL 战略能源分析中心的 能源预测和建模小组 的成员。他致力于研究如何最好地为电力系统建模，包括可再生能源和传统能源技术之间的相互作用。
在 他发表了题为“实现风能和太阳能高渗透率的技术”的论文演讲 后，我采访了 Denholm 博士。
MCL：再次感谢您抽出时间与我聊聊将可再生能源整合到美国电网的问题。首先 - 您能为我们定义一下“间歇性”和“可变性”这两个术语吗？
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PD：当然。人们经常将“间歇性”这个术语应用于风能和太阳能发电，因为它们的性质是可变的——风不会总是吹，太阳也不会总是照耀。但是，实际上，越来越多的人现在使用“可变性”这个术语。
很多人，尤其是在风能界，认为“间歇性”这个术语经常被用作负面词——几乎是用来攻击风能。他们认为“可变性”是一个更技术上准确的术语。原因是，人们使用“间歇性”这个术语来暗示风会突然停止或突然开始。但是，风实际上会缓慢减速和启动。它极少会在一两秒钟内从零突然变为六十。因此，有些人认为“可变性”是描述这种资源的更好术语
MCL：当我们试图增加电网中可再生能源的量时，这种可变性为什么会成为一个问题？
可变资源是指那些随天气条件而变化的资源。因此，对于太阳能来说，这非常明显。如果您有一个太阳能发电机，它会在阳光照射时发电，并且在夜间不会发电。风能只有在有风的时候才会发电。而且，风速的变化意味着风力发电机的输出在数小时和数天内变化很大。这种输出的变化与传统的化石燃料发电机非常不同，公用事业公司可以完全控制其输出，并依靠该发电机几乎一直可用。
MCL：您还能描述一下“灵活性”对我们当前的发电群意味着什么吗？
PD：现在，电力需求每小时变化很大。在午夜，大约凌晨 3 点到 4 点 - 当人们睡觉时 - 对电力的需求不多。存在一个最低点，公用事业公司会关闭所有发电厂，仅满足基本负荷。当人们开始开灯并开始一天的工作时，他们对电力的需求会增加。并且，根据季节的不同，他们的需求可能会在下午 4 点左右达到峰值。实际上，许多电力系统在下午使用的电力将是午夜的两倍。
因此，灵活性是公用事业公司增加其发电群的输出以满足白天中期这种需求的能力。当您引入可再生能源时，挑战在于，不可再生能源发电机必须能够更用力地踩油门，以提高发电量，从而平衡可变的可再生能源。
MCL：我们当前的发电群是灵活的还是不灵活的？
PD：电力系统的灵活性取决于其包含的发电技术类型。因此，最好的例子是——核电站不是很灵活。它快速改变其输出的能力有限。另一方面，那些拥有大量[天然]气，甚至更好的是大量水力的地方将非常灵活。因此，在系统中包含大量风能和太阳能的能力很大程度上取决于剩余的发电机是什么。
过去，我们为了理解灵活性所做的事情之一是进行风能整合研究。在这里，我们将现在存在的发电机放入计算机模型中，该模型基本上模拟给定年份电网每小时的运行情况。因此，您可以采用今天的电网，并在上面放置大量风能，以查看现在存在的发电机是否会对灵活性的增加需求做出响应。
去年关于此事的两项非常重要的研究——西部风能和太阳能整合研究 和 东部风能整合和输电研究。
MCL：这些研究在电网的灵活性方面发现了什么？
PD：这两项研究都考察了高达 30% 的风能渗透率——其中年度电力需求的 30% 由风能供应——并且都发现现有的发电群足够灵活，可以适应这种渗透水平。
现在，他们必须对系统的运行方式进行一些更改——包括公用事业公司之间更大的合作和更快的沟通，以便他们可以共享资源和跨大面积区域共享信息的新方法。但是，发电群足够灵活，可以达到高达 30% 的风能水平。它是否足够灵活以满足更高的水平？我们不知道。这肯定是在突破灵活性的极限。
MCL：现在，这 30%——高于人们谈论的在没有储能的情况下 10-20% 的现实限制。
PD：是的，这真的很有趣。如果您查看已发表的论文、专栏和报纸文章，就会发现这个神奇的 10-20%。坦率地说，问题在于那些说 10-20% 的东西，他们是在猜测。我说他们是在猜测的原因是，您找出这些限制的唯一方法是进行这些计算机模拟——或者，好吧，建造所有这些发电机。但这就像您通过驾驶越来越大的卡车驶过桥梁来测试桥梁一样。您真的想在此之前做些什么。
在 2 年前，我们无法进行这些模拟，因为我们没有全国大部分地区模拟的风能数据。我们有一些 风速计 和一些风力发电场。但是您不能采用孤立的风能数据位，并将其外推到 20% 或 30% 的风能。
在您进行这些模拟之前，您根本无法知道技术和经济限制在哪里。
MCL：那么，风能可以发展到什么程度？
PD：我们现在知道百分比是一个移动的目标。我们已经上升到 30%，并说：“好的，我们知道我们可以做到这一点”，我确信接下来它将是 35% 或 40%。是的，我们会看到这方面的问题越来越多。但是，我不认为我们会找到一个电网崩溃的地方。这不像我们会看到一些硬性限制，例如，在 29% 时它可以工作，而在 29.5% 时它不行。这一切都只是“好的，我们面临一个新的挑战，我们需要做‘这件事’”，而这会带来成本。因此，可能会存在一个经济限制，社会会说：“嘿，这现在太贵了，我们想做些别的事情。”但是，限制将是经济上的，而不是技术上的。
MCL：我们可以做些什么来使电网更灵活，从而使可再生能源的整合更容易过渡？
PD：我们可以做到的最有效的事情，让电网更灵活，也许是最枯燥的。也是最不技术的。
举个例子——
在美国东部，有一个名为 PJM 的实体，一个 独立的系统运营商，它运行着贯穿大西洋中部许多州的电网。过去，在每个州——在大多数情况下——当地的公用事业公司会运行电网，并且它是孤立的。他们没有太多的能力实时地将电力从一个地方输送到另一个地方。因此，如果他们发现自己电力短缺，他们很难与邻居交谈以寻求电力。反之亦然，出口多余的电力以帮助他人。当他们组建 PJM 时，他们将所有这些区域合并为一个单一的平衡区域。因此，现在您可以在任何地方——从俄亥俄州到宾夕法尼亚州到弗吉尼亚州到马里兰州——基本上实时输送电力，并平衡整个系统。对于风能的可变性以及坦率地说，资源的可预测性有限，这将非常重要。因此，现在，突然之间，当我们有太多风能时，只要有输电线路，我们就可以将其输送到任何地方。
MCL：因此，更好的沟通和连通性提高了灵活性？
PD：是的。随着我们整合区域，拥有计算机并允许更多沟通，它使我们能够更好地共享不仅是风能和太阳能资源，还有需求和发电资源。而且，我们发现的最重要的事情之一是，允许这种更高水平的合作——而且它不必是新的市场——可能是我们为实现电网更大灵活性所能做的最重要的事情。
我们发现的另一件事——这个市场的另一部分——是允许需求响应价格信号或其他激励人们在电价便宜时用电，而不是在电价昂贵时用电的机制。
在美国的大部分地区，大多数住宅客户在午夜电价非常便宜的时候和在白天电价非常昂贵的时候支付相同的电费，而且坦率地说，他们正面临系统停电的危险。您仍然有人在运行电器，因为他们不知道这会给系统带来压力，而且他们没有经济上的激励来不这样做。如果您引入我们用于任何其他商品（其成本按季节或小时变化——机票、草莓等）的市场机制，那将使电力系统更有效率，并更好地整合可变发电资源。
而且它不必是某种“啦啦！社会公益”的事情。它可以只是纯粹的利润，最低成本的解决方案。
MCL：您能否谈谈我们可能还会使用的更多基于技术的解决方案？
PD：当然。例如，通用电气推出了一条新的燃气轮机和联合循环燃气轮机生产线，这些生产线具有更高的灵活性。这意味着，它们快速升降功率的能力和范围很大——它们从“零到六十”的速度有多快，以及它们的最高和最低速度是多少。这称为升降速率和范围。
现在，当风能和太阳能发电时，而您无法进一步降低热电厂[天然气、煤炭等]的功率时，您就会使用较少的可再生能源。新的燃气轮机可以使您使用更多的可再生能源，但在更大的范围内降低功率而不会造成太大的效率损失。这提高了系统灵活性。
MCL：储能怎么样？
PD：很多人都谈论储能是电网的圣杯。而且，我认为储能是一组非常酷的技术。但是，我们必须小心一点，不要假设储能将成为电网的救星，并且现在以某种方式需要储能。
我们现在在美国的电网中确实有储能——我们有 20 吉瓦，大约相当于 20 个大型抽水蓄能电厂的储能。但是，有很多地方没有储能，并且能够在没有储能的情况下正常运行电网。
正如我所说，从白天中期到最低需求时期，电力需求的范围变化了 2 倍。而且，公用事业公司在处理这种程度的可变性方面做得很好。
关键是公用事业公司已经必须处理其电网上的大量可变性。因此，仅仅因为您引入了更多的可变性，并不意味着您必须突然彻底改变电网的工作方式并引入储电。
我们发现电网不需要储能，但如果成本足够低且广泛可用，则储能可以成为电网的有用补充。有大量储能技术可用，其经济竞争力水平各不相同。而且，我认为人们对储能技术将继续改进抱有很大的希望。因为，我认为毫无疑问，储能技术将是对电网的巨大补充。如果我们能够获得低成本的储能，我们就可以在产生过剩的风能、太阳能或其他低成本发电资源时储存起来，并在风能和太阳能输出减少或能源需求高峰期释放这些能量。因此，储能可能成为电网的巨大补充。但是，它只是我们可以用来适应电网中更多可变发电的一个组成部分。
MCL：谢谢您，保罗。感谢您抽出时间。