避免停电：使用100%可再生能源
可再生能源的解决方案常常受到风、水、阳光和不断波动的能源需求不一致的影响。斯坦福大学土木与环境工程教授、加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)和丹麦奥尔堡大学(Aalborg University)的同事马克·z·雅各布森(Mark Z. Jacobson)和他的同事们进行了一项新的研究，他们发现了一些解决方案，以使清洁、可再生能源的可靠性达到至少139个国家的水平。
在本周发表于《可再生能源》(Renewable Energy)的一篇论文中，研究人员提出了三种不同的方法，在所有能源部门之间提供一致的能源——交通运输;加热和冷却;产业;农业、林业和渔业——在包括139个国家在内的20个世界范围内，所有部门都被转换成100%清洁的可再生能源。雅各布森和他的同事们之前开发了一种路线图，将139个国家的清洁能源和可再生能源在2050年之前转化成100%的清洁能源，到2050年，这一比例将达到80%。本研究探讨了如何使网格保持稳定的方法。
“基于这些结果,我可以更自信的状态,没有任何技术或经济障碍转变整个世界100%的清洁、可再生能源与电网稳定在低成本,”雅各布森说,世卫组织还在斯坦福研究能源研究所高级研究员,斯坦福研究所森林环境。“这一解决方案将大大有助于消除全球变暖以及每年全球400万到700万的与空气污染有关的死亡，同时也提供能源安全。”
这篇论文是根据Jacobson和他的同事在2015年进行的一项研究建立的，该研究考察了在美国48个连续的州中，电网保持稳定的能力。这项研究只包括了一个如何实现目标的方案。一些人批评这篇论文过于依赖向现有的水电站增加涡轮机——该组织建议，这是为了在不改变大坝数量或规模的情况下增加峰值电力生产。之前的论文也被批评过于依赖于在水、冰和地下岩石中储存多余的能量。目前的解决方案通过提出几种不同的解决方案来解决这些批评，这些方法包括用100%清洁的可再生能源生产稳定能源，包括没有增加水电涡轮机的解决方案，以及在水、冰或岩石中没有储存。
雅各布森说:“我们的主要结果是，有多种解决办法。“这是很重要的，因为大规模实施清洁可再生能源的最大障碍是人们的看法，那就是，要让灯亮起风和太阳能的输出太困难了。”
供给和需求
这项研究的核心是需要根据研究人员预测的2050年的需求来匹配风能、水和太阳能的能量。为了做到这一点，他们将139个国家分成了20个区域，根据地理上的地理距离和一些地缘政治的考虑，他们在之前的一项研究中创建了能源路线图。与之前的139个国家的研究不同，该研究将能源供应与年平均需求相匹配，目前的研究将供给和需求在30秒内增加了5年(2050-2054)，以解释风能和太阳能的变化，以及不同时间和季节的需求变化。
对于这项研究，研究人员依赖于两个计算建模程序。第一个项目预测了从2050年到2054年的全球气候模式。从这一点上，他们进一步预测了来自与天气有关的能源，如陆上和海上风力涡轮机，屋顶和发电厂的太阳能光伏发电，太阳能发电厂和太阳能发电厂的能源。这些类型的能源是可变的，在需求最高的时候不一定能产生能量。
然后，该小组将第一种模型的数据与第二种模型相结合，该模型将更稳定的电力来源(如地热发电厂、潮汐和波浪装置)、水力发电厂和地热(如地热储层)所产生的能源结合起来。第二种模式还包括在电力、热、冷和储氢等过剩时储存能量的方法。此外，该模型还包括了对能源需求的预测。
通过这两种模型，该小组能够预测通过更多的可变能源产生多少能量，以及其他来源如何平衡波动能量以满足需求。
避免停电
基于建模数据的场景在所有20个世界区域的低成本中避免了停电，在所有的5年时间里，在三种不同的存储场景下进行了检查。其中一种方案包括热泵，它是用来代替燃烧式加热器和冷却器的，但没有热或冷的能量储存;在现有的水电站中，没有水电机组;一个没有电池储存。事实上，在三种不同的情况下都没有发生停电，这一事实表明，许多可能的电网稳定性的解决方案都是有可能的。这一结论与之前的说法相矛盾，即电网不能保持稳定，只能使用可再生能源。
总的来说，研究人员发现，每单位能源的成本——包括健康、气候和能源的成本——在每一种情况下，大约是如果世界继续当前的能源之路，将会是多少。这主要是由于消除了化石燃料的健康和气候成本。此外，通过减少水汽，在路线图中包含的风力涡轮机将抵消约3%的全球变暖。
虽然在路线图场景和非干预场景中产生能量单位的成本是相似的，但研究人员发现，路线图粗略地将系统所需的能量减少了一半。因此，消费者实际支付的费用会更少。大量的能源节约来自于避免开采、运输和提炼化石燃料所需的能源，从燃烧转化为直接电力，使用热泵而不是传统的加热器和空调。
该论文的作者之一、加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的研究科学家马克·德鲁奇(Mark Delucchi)说:“基于清洁、零排放的风能、水和太阳能的能源系统面临的最大挑战之一是，以合理的成本匹配供应和需求，近乎完美的可靠性。”“我们的工作表明，在世界上几乎所有国家，都可以通过现有技术实现这一目标。”
一起工作
雅各布森和他的同事们表示，实施路线图的另一个挑战是，他们需要跨越政治界限进行协调。
雅各布森说:“理想的情况是，在决定将风力发电场放置在哪里时，你需要进行合作。在那里，你将把太阳能电池板放在哪里，你将把电池储存起来。”“整个系统在提前计划的时候效率最高，而不是每次只做一件。”
考虑到这一地缘政治的复杂性，他们还在研究较小的路线图，以帮助各个城镇，其中许多城镇已经致力于实现100%的可再生能源。
