可再生能源解決方案往往受到風，水和陽光產生的電力不一致以及能源需求不斷波動的阻礙。斯坦福大學土木與環境工程教授，加州大學伯克利分校和丹麥奧爾堡大學的同事Mark Z. Jacobson的新研究發現，有幾種解決方案可以使清潔可再生能源的可靠性至少達到139以上。國家。

在本周發表在可再生能源中的手稿中，研究人員提出了三種不同的方法，即在所有能源部門中提供一致的能源 - 運輸; 加熱和冷卻; 行業; 農業，林業和漁業 - 在所有部門轉變為100%清潔可再生能源之后，在包括139個國家在內的20個世界地區。Jacobson及其同事之前制定了路線圖，將到2050年將139個國家轉變為100%清潔可再生能源，到2030年完成了80%的過渡。本研究探討了如何通過這些路線圖保持電網穩定。

“基于這些結果，我可以更自信地說，沒有任何技術或經濟障礙可以將整個世界轉變為100%清潔，可再生能源以及低成本的穩定電網，”雅各布森說，他也是一名高級研究員。斯坦福大學預科能源研究所和斯坦福大學伍茲環境研究所。“這一解決方案將大大有助于消除全球變暖以及全球每年發生的400萬至700萬與空氣污染相關的死亡，同時還能提供能源安全保障。”

本文以2015年的一項研究為基礎雅各布森及其同事研究了電網在美國48個地區保持穩定的能力。該研究僅包括一個如何實現目標的方案。一些人批評該論文過于依賴于在現有水電站大壩上增加渦輪機 - 該組織建議為了在不改變水壩數量或大小的情況下增加峰值發電量。之前的論文也因過分依賴儲存水，冰和地下巖石中的多余能量而受到批評。本文中的解決方案通過提出幾種不同的解決方案來解決這些批評，這些解決方案用于穩定100%清潔，可再生能源產生的能源，包括沒有添加水力渦輪機且不存儲在水，冰或巖石中的解決方案。

“我們的主要結果是這個問題有多種解決方案，”雅各布森說。“這很重要，因為大規模實施清潔可再生能源的最大障礙是人們認為用隨機??的風能和太陽能輸出保持燈光很難。”

供需

這項研究的核心是需要將風，水，太陽能和儲存所提供的能量與研究人員預測的2050年需求相匹配。為此，他們將139個國家分組 - 為此他們制定了能源路線圖。之前的研究 - 基于地理鄰近和一些地緣政治問題進入20個地區。與之前的139個國家的研究不同，該研究將能源供應與年平均需求相匹配，本研究以5年(2050-2054)的30秒增量匹配供需，以解釋風能和太陽能的變化。因為需求隨著時間和季節的變化而變化。

在研究中，研究人員依賴于兩個計算建模程序。第一個項目預測了2050年至2054年的全球天氣模式。由此，他們進一步預測了天氣相關能源產生的能源數量，如陸上和海上風力渦輪機，屋頂和發電廠的太陽能光伏發電，集中太陽能發電廠和太陽能熱電廠隨著時間的推移。這些類型的能源是可變的，并且在需求最高時不一定產生能量。

然后，該小組將第一個模型的數據與第二個模型相結合，該模型結合了更穩定的電力來源，如地熱發電廠，潮汐和波浪裝置，水力發電廠以及地熱水庫等熱能。第二種模型還包括在存在過剩時存儲能量的方式，例如電，熱，冷和氫存儲。此外，該模型包括隨時間推移的能源需求預測。

通過這兩個模型，該小組能夠預測通過更多可變能源產生多少能源，以及其他來源如何平衡波動能量以滿足需求。

避免停電

基于建模數據的情景在所檢查的所有五年中以及在三種不同的存儲方案下避免了所有20個世界區域中的低成本停電。一種情況包括熱泵 - 用于代替基于燃燒的加熱器和冷卻器 - 但沒有熱能或冷能儲存; 兩個沒有為現有水電站大壩增加水力渦輪機; 一個沒有電池存儲。在三種不同的情景下沒有發生停電這一事實表明，有可能采用100%風力，水力和太陽能來實現電網穩定性的許多可能解決方案，這一結論與先前聲稱電網不能保持穩定以及可再生能源的高滲透率相矛盾。

總體而言，研究人員發現，每個情景中每單位能源的成本 - 包括健康，氣候和能源方面的成本 - 大約是世界繼續其當前能源路徑時的四分之一。這主要是由于消除了化石燃料的健康和氣候成本。此外，通過減少水蒸氣，包含在路線圖中的風力渦輪機將抵消迄今為止全球變暖的約3%。

雖然在路線圖情景和非干預情景下生產能源單位的成本相似，但研究人員發現路線圖大致減少了系統所需能源的一半。因此，消費者實際上會支付更少。大量的這些節能來自于避免開采，運輸和提煉化石燃料所需的能源，從燃燒轉換為直接電力，以及使用熱泵代替傳統的加熱器和空調。

“完全基于清潔，零排放風能，水能和太陽能的能源系統所面臨的最大挑戰之一是以合理的成本將供需與近乎完美的可靠性相匹配，”該論文的共同作者馬克·德魯奇說。加州大學伯克利分校的研究科學家。“我們的工作表明，在世界上幾乎所有國家都可以通過既有技術實現這一目標。”

一起工作

雅各布森和他的同事說，實施其路線圖的另一個挑戰是，他們需要跨政治邊界進行協調。

雅各布森說：“理想情況下，你可以合作決定將風力發電場放在哪里，放置太陽能電池板的位置，放置電池的地方。” “整個系統在提前計劃時效率最高，而不是一次完成一件。”

鑒于這種地緣政治的復雜因素，他們還在制定較小的路線圖來幫助個別城鎮，其中許多城鎮已經致力于實現100%的可再生能源。