天氣智慧電網是風能和太陽能激增的必要條件

太平洋西北地區哥倫比亞河峽谷的風力發電繁榮既是可再生能源的成功故事，也是一個警示故事。工程師們在峽谷中安裝了數千颱風力渦輪機，為兩百萬到三百萬戶家庭供電。然而，這種無碳能源經常給位於俄勒岡州波特蘭的博納維爾電力管理局的運營商帶來困擾，他們負責管理該地區的電網。不斷變化的天氣使風在廣闊的渦輪機陣列中移動，造成巨大的電力波動。胡德山的出現更加劇了這種混亂，胡德山像溪流中的巨石一樣聳立在峽谷上方，將盛行風一分為二。分裂後的尾流在峽谷的風電場中蜿蜒而過，導致輸出功率驟升驟降。對於博納維爾來說，這就像一個裝有調光開關的大型核電站，電力上下波動。

在春天，當西北地區大型水電站的發電量激增時，電網管理甚至更加棘手。大壩需要滿負荷運轉，因為大壩後面的水庫裡充滿了融水。能源顧問賈斯汀·夏普（Justin Sharp）說，不發電就將水從壩牆上溢位，既浪費了潛在的能量，又會使河流充滿過多的空氣，並透過“給它們減壓病”來殺死在那裡孵化的瀕危鮭魚。因此，博納維爾有時會關閉風電場，浪費他們的一些清潔能源。

夏普非常瞭解這種情況，因為他幫助創造了這種情況。在透過研究該地區豐富的風力資源獲得氣象學博士學位後，他在能源開發商伊維爾德羅拉可再生能源公司（現為Avangrid Renewables）工作了七年，利用渦輪機開採這些資源，這些渦輪機目前為博納維爾的電網供電。夏普說，開發商在設計風電場時，追求的是以最低的成本實現最大的年發電量，而博納維爾則加強了輸電線路，將這些電力輸送到市場。但他補充說，每個人都忽視了天氣和氣候的變異性。“我們在考慮建造這些風電場時，評估過這種變異性嗎？沒有。我們現在評估了嗎？沒有。它是否對系統及其管理大量風能的能力產生影響？絕對有。影響巨大。”

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同樣的故事在美國各地重複上演。像夏普這樣的專家預計，各州、城市和企業計劃轉向無碳電力的一天將會到來。如果建設者繼續忽視天氣驅動的變異性，未來的電網將變得越來越不穩定。“我們試圖將可再生能源的方釘硬塞進現有電力系統的圓孔中，我認為我們正在走向一場火車事故，”夏普說。

我們需要的是天氣智慧電網設計，由氣象學指導，並建立在可以管理天氣不一致性的長距離輸電線上。這樣一個系統可以將大量可再生能源輸送到北美各地，以連線供需，無論天氣如何變化——例如，當美國中西部的風停滯時，哥倫比亞河峽谷的剩餘風能可以幫助明尼阿波利斯繼續運轉，反之亦然。“我們還沒有做到這一點，”能源系統整合集團執行董事查理·史密斯說，該行業協會致力於管理可變發電。

馴服怪獸

美國能源部國家可再生能源實驗室（NREL）位於科羅拉多州戈爾登的電網系統分析小組經理亞倫·布魯姆（Aaron Bloom）表示，公平地說，天氣一直都在某種程度上影響著電網設計，但程度很粗糙。熱浪和寒流給一個地區的電網帶來最大的壓力。典型的規劃歸結為確保系統能夠在最極端天氣的最糟糕時段供電。但風能和太陽能發電廠的快速擴張正迫使規劃者大大提高電網的天氣智慧，布魯姆說。與傳統的燃煤、天然氣和核能發電機不同，風力渦輪機和太陽能電池板對天氣反應強烈，增加了一個每天都在變化的巨大變數。

德克薩斯州和加利福尼亞州說明了這一挑戰。德克薩斯州的風力發電能力在美國領先，裝機容量超過20吉瓦。但盛行風在夜間風力最強，給電網帶來能源過剩，從而迫使公用事業公司實際上要付錢給大型客戶來消耗這些能源。這聽起來很瘋狂，但與關閉風力發電系統和浪費能源相比，這可能成本更低。

加利福尼亞州擁有充足的風力資源，並且在太陽能發電廠和光伏屋頂方面處於全國領先地位。太陽能集熱器每天早上太陽昇起時都會掀起電力海嘯——有時超過電網的吸收能力——然後在傍晚消費者仍然需要大量電力時停止發電。加利福尼亞州幾乎沒有追索權。“他們是一個南北走向的州，所以太陽在每個太陽能電池板上升起和落下的時間幾乎相同，”NextEra Energy Resources可再生能源政策副總裁馬克·阿赫爾斯特羅姆（Mark Ahlstrom）說，該公司是一家專注於可再生能源的專案開發公司。與此同時，極端天氣在三個冬季前擾亂了這兩個州的風力發電供應。西海岸異常穩定的高壓脊將風力削減至數月以來的歷史最低水平。

各州通常很少得到美國其他地區的幫助，因為美國各地的電網分為三個大型孤立區域。這種巴爾幹化意味著每個地區都必須自行管理天氣的變異性。東部互聯電網和西部互聯電網——為美國和加拿大大部分地區以及少量墨西哥地區提供服務的兩個交流電（AC）電網——幾乎不交換電力。它們與德克薩斯州的電力交換更少，德克薩斯州運營著自己的交流電網。

消費者沒有意識到可再生能源可能造成的日益嚴重的危機，因為巨型風力渦輪機和太陽能電池陣列僅佔美國電力供應的7.6%。電網運營商仍然有數千家傳統發電廠，他們可以啟動和關閉這些發電廠，以平衡這些不穩定的能源。但可再生能源的份額正在飛速上升。加利福尼亞州已強制規定到2030年將達到50%（不包括大型水電站）；夏威夷計劃儘快在2040年達到100%。只有少數公用事業公司和輸電運營商正在嘗試設計天氣智慧電網，以應對即將到來的風能和太陽能發電的洪流。但越來越多的設計工具正在迎接這一挑戰。

大資料天氣

布魯姆在NREL的團隊以及愛荷華州立大學的詹姆斯·麥卡利（James McCalley）等外部專家正在完成一項重大研究，該研究正在評估擴大東部和西部電網之間電力共享的好處。《互聯電網接縫研究》是第一個採用新的風能和太陽能資料集的研究，這些資料集具有極精細的空間和時間解析度，將模擬提升到一個新的水平。NREL的資料提供了全國天氣和電力流動的快照，每五分鐘間隔一次，持續一整年，繪製了每兩平方公里土地上的風力圖和每四平方公里土地上的太陽能圖。這種細節對於繪製複雜地形（如哥倫比亞河峽谷）上的風力變異性至關重要。預測多個高度的風速還可以使NREL在任何地點選擇最佳的渦輪機技術。所有這些智慧的結果都是模擬，這些模擬演示瞭如何在北美大陸（不包括德克薩斯州）經濟高效且可靠地將可再生能源供應量提高到2040年的54%以上——遠高於今天的水平。

這些模擬透過以下方式消除了東西部電網的電力鴻溝：用幾條大型直流輸電線路將兩個電網沿共同邊界連線起來，或者用從太平洋沿岸到中西部地區的更長的直流輸電線路網路縱橫交錯地連線起來，再加上一條從路易斯安那州到佛羅里達州的主幹線。之所以使用直流電線，是因為與交流電線相比，直流電線在長距離傳輸過程中的功率損耗要小得多，這使得遠距離輸電在經濟上可行。NREL的模型確定了線路應能傳輸多少電力，以及在何處放置新的發電機，以利用增強的輸電系統。

這些模型認識到天氣智慧最佳化的各種機會，例如安裝更大範圍的風力渦輪機型別和太陽能電池板，分佈在更廣泛的地點，而不是將它們集中在少數幾個風力或日照特別強的地區，而今天它們往往集中在這些地區。NREL能源建模師格雷格·布林克曼（Greg Brinkman）表示，其結果很可能是更穩定的可再生能源，需要更少的傳統發電廠備用。“自然多樣性被融入其中，”他說。

NREL的建模儘管非常複雜，但也顯示了天氣智慧設計的持久挑戰。例如，麥卡利對一些地方進行了簡化，以使每次模擬執行都保持在“易於處理”的六七天計算時間內。而將可再生能源發電機分配到特定地點的建模步驟使用了簡化的時間和空間影像，而不是五分鐘間隔和四平方公里的精度。

該實驗室還預先設定了直流電線的起點和終點，以避免布魯姆所說的“數學上難以處理”的計算。因此，該模型並非總是同時最佳化發電機和輸電線路。儘管如此，NREL的初步結果表明，長距離直流電線每年可節省38億美元，例如，透過大幅削減煤炭和天然氣消耗，其收益是自身成本的三倍以上。但是，如果採用完全最佳化的佈局，每公里的直流輸電線可以帶來更大的節省——以及更大幅度的碳排放削減。

最近為重新設計歐洲電網以適應預計到2040年將在那裡實現的強勁可再生能源而進行的建模證實，NREL的模擬捷徑很可能在一定程度上忽略了可再生能源的潛力。歐洲輸電系統運營商網路（一個總部位於布魯塞爾的聯盟）在一個2030年電網模型中增加了足夠的風能、太陽能和其他可再生能源發電機，以將可再生能源總量提高到75%。其專家隨後透過擴大國家之間的互聯互通，以緩解季節性電力流動的瓶頸，從而提出了一個2040年概念電網。最後，他們重新分配了相同的發電機，以更好地利用重新設計的電網。這種迭代最佳化過程將2040年設計中的可再生能源提高到80%以上。

更好的演算法

一位獨立研究人員聲稱，他可以將所有這些建模技術合併在一起，以從天氣資料中擠出更大的價值。克里斯托弗·克拉克（Christopher Clack）是Vibrant Clean Energy的執行長，該公司是科羅拉多州博爾德的一家電網建模和電力預測公司。克拉克在美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）為期四年的工作期間，開發了他的先進的weather-driven電網演算法。然後在2016年，他推出了他的專有商業軟體WIS:dom。

克拉克聲稱，WIS:dom使用與NREL相同型別的高解析度天氣資料，但方式不同，因此創造了更多的可再生能源機會。他對美國大型電網的最新分析得出了一個系統，在該系統中，到2040年，可再生能源將提供62%的發電量，這比NREL最近的預測高出20%。模擬電網的電力輸送成本也比今天低10%。克拉克說，如果將節省下來的資金重新投入到加速輸電系統的投資中，他的模型可以將可再生能源的比例推高到67%以上，遠早於2040年。

克拉克認為，WIS:dom透過同時最佳化發電廠和輸電（特別是長距離直流線路）來從天氣資料中擠出更多的智慧，而不是像NREL不得不做的那樣預先確定線路。該模型還利用了全國各地的可再生能源發電機每小時相對於彼此的波動方式，更好地平衡了遠處地區的風能和太陽能。例如，WIS:dom可以判斷何時德克薩斯州正在上升的夜間風能可以抵消東海岸滯後的海上風力，東海岸的風力在白天風力更大。“所有不同的地區在不同的時間幫助其他地區，”克拉克說。麥卡利承認，NREL的模型由於其限制，可能會錯過其中的一些，儘管他質疑簡化是否會產生很大的影響。

克拉克說，他的模型“僅需”兩天的計算時間即可輸出更最佳化的電網規劃。專家表示，他的整合模型可能是天氣智慧設計方面的一個突破。“他肯定將其提升到了更高的保真度，”阿赫爾斯特羅姆說。

然而，WIS:dom 缺乏的是驗證。阿赫爾斯特羅姆、布魯姆和其他專家希望他們更多地瞭解克拉克的專有工具是如何工作的，以便他們能夠確認其可靠性。“克里斯是個聰明人。他正在做一些偉大的事情。我只是不知道他的獨門秘方是什麼，”布魯姆說。克拉克似乎不太可能分享它。畢竟，他正在向能源公司出售他的軟體的輸出結果，包括就區域電網運營商和創業型輸電建設商應將數十億美元投資投向何處提供建議。

政治障礙

像夏普和史密斯這樣的能源開發商正試圖鼓勵電網公司和美國氣象學會等科學組織強調天氣智慧規劃。他們還表示，政治和行業領導者必須為直流輸電奔走呼號，以克服對其的阻力。各州的可再生能源授權正在促使電網運營商建造交流線路以獲取風能和太陽能資源。但只有少數幾家公司正在嘗試建造在各地區之間交換可再生能源所需的長距離直流線路，正如歐洲、中國和其他國家正在做的那樣。

“不要在我家後院”反對輸電線路是問題的一部分。另一個問題是公用事業投資轉向電網問題的“非線路”解決方案，例如電池儲能。位於需要電力的地方的大型昂貴電池可以接收剩餘電力——例如來自德克薩斯州夜間風力的電力——並將其儲存起來以備幾個黑暗、無風的日子使用。但電池可能對幫助地區承受極端事件（如2015年西部風力乾旱）幾乎沒有作用。“這不像你能夠把你夏季發電的所有[太陽能]都放入電池中以備冬季使用，”夏普說。

區域地盤之爭可能是長距離直流互聯的更大障礙。地方和州政府官員經常阻止輸送遠方廉價電力的大型輸電線路，以保護州內發電機。對於戴爾·奧斯本（Dale Osborn）來說，對大型直流電的抵制是一個痛苦的教訓，他領導了設計NREL研究的直流網路的團隊。奧斯本曾是美國電力行業倡導直流增強電網的領軍人物，直到去年他從Midcontinent Independent System Operator退休，該公司運營著15個美國州和馬尼托巴省共享的輸電線路和批發電力市場。正如NREL的分析顯示，一個可以將華盛頓州的電力輸送到佛羅里達州的系統需要在全國範圍內減少發電廠。儘管這種方法降低了總體成本，“但有很多自私自利的人不希望降低發電成本，”奧斯本感嘆道。“他們希望他們的發電價格更高。”

克拉克表示，在美國，高壓直流（HVDC）的前景看起來非常黯淡，以至於客戶通常要求他將高壓直流排除在他為他們進行的研究之外，迫使WIS:dom使用更短、更密集的交流線路。“長距離高壓直流被關閉了，因為大多數人認為它不會發生，”克拉克說——至少在可預見的未來不會發生。不幸的是，他指出，當他關閉直流電但保持成本不變時，傳統發電廠減少碳排放量所帶來的減排量大約會消失一半。

聯邦政府可以幫助打破僵局。奧巴馬總統的能源部長歐內斯特·莫尼茲（Ernest Moniz）行使了未經檢驗的法定權力，透過徵用權為一條被認為具有國家重要性的直流線路徵用土地。該專案旨在將俄克拉荷馬州的剩餘風力輸送到中南部和東南部的市場，但最近被其倡導者Clean Line Energy Partners擱置，該公司正在為在中西部的幾個專案而戰，這些專案也因地方和州的反對而停滯不前。

在唐納德·特朗普總統領導下，類似的輸電積極主義不太可能出現。能源部長裡克·佩裡（Rick Perry）專注於保護燃煤發電廠，他認為擴大其現場煤炭儲備可以使電網在極端天氣下更具“彈性”。但專家指出，煤堆在寒流期間會凍結，在熱帶風暴期間會洪水氾濫，迫使發電廠關閉。同樣的天氣通常會帶來大氣壓力梯度，從而驅動風力渦輪機旋轉，並帶來晴朗的天空，從而最大限度地提高太陽能輸出。正如夏普所觀察到的，“在極端天氣下，美國國內有些地區擁有非常強大的可再生能源。”

如果只有一個天氣智慧電網來輸送它就好了。