到 2050 年，美国可以可靠地使用清洁能源

拜登政府承诺到 2035 年建立无碳能源部门，但由于截至 2020 年可再生资源仅产生美国约 19% 的电力，气候专家警告说，我们向绿色电网未来的过渡需要加快。

由土木与环境工程教授马克·雅各布森 (Mark Jacobson) 领导的斯坦福大学研究人员小组已着手证明，到 2050 年实现 100％ 可再生能源电网不仅是可行的，而且可以在不发生停电的情况下实现，并且成本低于现有电网。

“可再生能源最大的问题之一是它们的间歇性，风不会一直吹，太阳也不会一直照耀”，雅各布森说，他指出，人们声称这种不可靠性导致了严重依赖可再生能源的加利福尼亚州和不依赖可再生能源的德克萨斯州的停电。“所以我们想测试一下这个论点。”

雅各布森是《可再生能源》杂志上发表的一篇新论文的主要作者，该论文认为，完全转向可再生能源（包括风能、水能和太阳能）将使整个美国和个人受益，因为它可以节省成本、创造就业机会，并减少空气污染和碳排放。

他们模拟了风力涡轮机、潮汐涡轮机、地热和水力发电厂、屋顶和公用光伏板以及其他能源在 2050 年如何发电。

这些预测的依据来自多种不同的来源：雅各布森使用了他于 1990 年首次建立的天气-气候-空气污染模型的数据，该模型自那以后已用于许多模拟。各州和各部门的能源消耗来自美国能源信息署。当前的化石燃料能源被转换为由风能、水能和太阳能驱动的电力设备。然后，这被用来预测 2050 年的能源使用情况。

在 2050 年和 2051 年，每隔 30 秒，时间相关的能源供应就会与电网整合模型中的需求和存储进行匹配。该研究的作者分析了美国各地区和全国的需求，直到该模型产生了一个被作者称为零负荷损耗的解决方案 - 这意味着本质上不会出现停电，100％ 的可再生能源和存储。

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雅各布森表示，目前还没有其他研究进行过这种建模，这种建模的独特之处部分在于它每 30 秒检查一次任何模拟的条件。

“没有一个系统能使用耦合天气预报模型来连续预测风场或太阳辐射场，”他说，“也没有一个系统能连续预测建筑物的供热和制冷需求。也没有一个系统能处理所有过程或所有存储类型。”

美国国家可再生能源实验室高级能源分析师韦斯利·科尔表示，小时间隔模型更为常见，但这项新研究让他这样的研究人员更有信心，通过以更高的时间分辨率进行建模，他们不会遗漏任何东西。科尔说：“这当然有帮助，但不清楚是否每项研究都需要这样做。”

在进行预测时，作者研究了北美可靠性公司现有的电网区域，以了解每个区域当前的供需情况。为了测试孤立电网和互联电网之间的差异，他们还研究了人口众多且能源消耗高的六个州：纽约、佛罗里达、德克萨斯、加利福尼亚、阿拉斯加和夏威夷。建模者还分析了所有相邻州和哥伦比亚特区。

最后，研究人员设想了一个新的区域，该区域将与现有的跨州中西部可靠性区域合并，位于德克萨斯州。德克萨斯州有自己的电网区域，今年早些时候加剧该州停电的问题之一是电网的孤立意味着没有替代能源。

但将德克萨斯州与其他地区连接起来可能不仅仅是研究人员的设想。可再生能源公司 Pattern Energy 已提出建设南十字输电线路，将德克萨斯州与东南电力可靠性委员会连接起来。

今年早些时候，科尔还制定了路线图，以了解完全可再生电网的可行性和成本。科尔的研究与雅各布森的研究一样，证明使用可再生能源可以产生足够的能源来保持电网平衡，而不会造成任何负载损失。

“这个问题更多的是经济问题，而不是技术问题，”科尔说。根据他的研究，由于太阳能和风能成本的降低，可再生能源电网的成本并不像最初估计的那么高。他说，问题在于建设容量。

“我们不会用这种模型来看待供应链，但供应链能否扩大规模来获得这些东西？或者你能否建造所需的传动装置？”他说。

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芬兰拉彭兰塔理工大学太阳能经济学教授克里斯蒂安·布雷耶认为，雅各布森的研究涵盖了比该领域以往研究更多的电池存储选项。布雷耶认为，真正的卖点在于，雅各布森是美国唯一一位以这种水平进行建模的研究人员。

“能源系统研究人员充斥着化石能源和核能资金，因此他们实际上无法研究真正的解决方案：完全基于可再生能源的能源系统，”布雷耶在一封电子邮件中写道。“这现在已成为美国经济成功发展的一大障碍，因为可再生能源成本最低。”

随着可再生能源成本的下降，研究人员预测电力公司和消费者将转向使用可再生能源。太阳能和风能的成本已经是天然气的一半。政策也可能激励人们采用可再生能源，也可能阻碍人们采用可再生能源。虽然现任政府已经制定了可再生能源电网的目标，但墨西哥湾天然气和钻探的新许可证抵消了这些努力。

“当化石燃料继续使用，并且继续增长时，任何转型都会放缓。我们需要 100% 的转型，每年所有新能源都必须是可再生能源，”雅各布森说。“有很多既得利益者的目标是不转型，或者不快速转型，因为他们在目前的行业赚了很多钱。”

安娜-卡塔琳娜·冯·克劳兰 (Anna-Katharina von Krauland) 是斯坦福大学大气/能源项目的博士生，也是该论文的共同作者，她强调，人们必须认识到完全可再生能源电网是可能的，而且它还会带来其他好处，例如创造就业机会。

研究人员通过研究私人成本（例如个人或企业的成本）和社会成本（包括健康和气候成本）量化了这些好处。零排放可减少与空气污染相关的死亡和疾病，并减少医疗保健系统的负担。

该模型无法解决长途运输或航空等排放问题，但作者认为绿色氢能可能是值得探索的替代方案。他们没有将核能或碳捕获纳入其中，冯·克劳兰认为这些技术“会妨碍尽快实现 100% 可再生能源”，因为这些技术成本高昂、未经证实或缺乏承诺。

她说：“最好的前进道路就是尽快投资于我们知道有效的能源，比如风能、水能和太阳能。”