美国实现100％可再生能源目标需要多少储能容量？

在今年1月27日-2月2日的这一周，美国东部和中部地区遭遇极度严寒的恶劣天气，几乎所有可以运行的发电厂都受到了低温的影响。

能源分析师为此开展一个具有意义的调查：那就是如果电网完全依赖可再生能源供电，那将会发生什么？需要部署多少容量的电池储能系统来保持正常供电？

根据电力生产和需求的数据，他们展示了采用100%可再生能源构成的电网，一半电力来自风能，一半电力来自太阳能，如果没有足够的风能或太阳能完全为电网供电，那么意味着需要部署大量的储能系统来满足高需求。

“需要在更多地方部署更多电池储能系统。”调研机构Wood Mackenzie Power＆Renewables公司研究主管Wade Schauer表示。他是该调查报告的共同撰写人。

“很多”是多少？

Schauer的调查分析表明，包括美国新英格兰、纽约州、大西洋中部、中西部和南部部分地区在内的电网，其所需要的储能装机容量将从目前的约11GW增加到277.9GW。这大约是Wood Mackenzie公司预测2040年美国储能装机容量的两倍。

部署储能系统是解决电力难题的关键，而美国实施绿色新政的城市、州和支持者都在谈论在几十年内实现采用100%的可再生能源的目标。但是需要对电网进行改造，以满足最热和最冷天气的需求，这项任务将涉及风力、太阳能、储能，以及州际输电线路的大量建设。

电力系统的发展演将是时断时续的过程，随着化石燃料逐渐被淘汰，风能、太阳能和储能的发展速度与不断变化的经济和技术因素密切相关。Wood Mackenzie公司的调查者将极度严寒事件期间的电力供应的表现作为主要分析的一部分，并从广义上说明了不同选择的后果。

需要的不仅仅是电池储能系统

分析报告指出，完全采用风能和太阳能的电网需要为风力和太阳能不足的时候做好准备。

在1月27日-2月2日极度严寒的这一周，分析师测试了采用50％的风力、50％的太阳能的电网，认为将有长达18小时的电力缺口，其中可再生能源没有产生足够的电力来满足电力需求，所以需要通过部署储能系统进行补充。

电网必须设计成在可用时最好地利用风能和太阳能，并在这些资源提供的电力超过供电需求时存储多余的电力，这是当今大多数电力系统管理方式的根本转变。

“在现代电网中，所有先进技术都致力满足更多灵活性的各级需求。”监管援助项目负责人、缅因州公用事业监管机构工作人员David Littell说。电网运营商必须提供相应的电力来满足不断变化的电力需求。虽然化石燃料发电厂可以根据需要增加或减少，但太阳能发电和风力发电的可控性较低，这就是储能系统成为采用太阳能和风能的电网重要组成部分的原因。

由于电池价格暴跌，目前储能部署的大部分增长都来自电池储能系统。然而，现有的大部分储能容量都来自抽水蓄能，并且大多是几十年前开发的项目。其他类型的储能系统包括压缩空气储能系统、飞轮储能和多种类型的热储能。

Schauer指出，为了满足需求，储能技术的进步将不仅仅是电池，还可能包括尚未开发的技术。

他认为，到2040年，尽管政策变化和技术进步将得以正确结合，实现向无碳电网的全面过渡。但很难想象在2030年绿色新政的时间框架内如何实现这一目标。

这是可以解决的问题

更重要的一点是，这样的过渡是可以完成的，并且符合美国各州和地方政府和公用事业公司制定的目标。

可行性是斯坦福大学Stanford University教授Mark Jacobson研究的一个重点，他研究了可再生能源和储能如何提供美国所需的所有能源。

他说，到2030年实现100%采用可再生能源是一个令人钦佩的目标，但在政治上难以实现。他认为到2030年可能达到80％的可再生能源，然后很快就会达到100％，这更加现实。

他说，“这是一个可以解决的问题。”他表示，由于迫切需要减少导致气候变化的碳排放量，这一问题必须得到解决。

Schauer说，地方政府的政策可能是快速建立100%可再生电力系统最具挑战性的部分。为了应对风能、太阳能和储能的大幅增长，当地社区需要愿意在输电线路上建设这些项目。

美国州际电力线路是将电力从拥有丰富太阳能和风能资源的地方输送到人口中心的关键。随着太阳能发电场和风力发电场的建设，将需要更多的电力线路。

他说：“我并不是要说实现这些都是不可能的，但要在短时间内实现这一目标还面临一些基本的挑战，主要是由于各地的邻避效应（NIMBY），这可能导致反对建设新的输电线路。”

另一个重要因素是管理电力需求，Wood Mackenzie报告中没有对此进行讨论。但David Littell表示，一些最有前景的清洁电网运营方式涉及利用储能技术在高峰期减少需求，并在电力供应紧张时让企业停电，提高能源效率也起着重要作用。

利用核电将降低储能需求

除了对采用风力发电和太阳能发电的电网进行预测分析之外，Schauer和调查报告的合着者Brett Blankenship还分析了风能和太阳能的其他混合发电的情况，以及现有的核电站是否可以成为混合发电一部分。

通过考虑核电厂的作用，该报告涉及环境倡导者之间的争论，其中一些人因担心安全和浪费希望关闭所有核电厂。还有一些人却认为，核电是向无碳电网迈进的一个重要组成部分。

Wood Mackenzie公司的分析表明，继续使用核电站将极大地减少风力、太阳能和储能系统的使用量，以实现电网不再采用化石燃料电力的目标。例如，如果没有采用核电，所需的储能装机容量为277.9GW，而采用核电只需要228.9GW的储能装机容量。

Schauer说：“如果人们的目标是脱碳减排，那么采用核电可以更快地实现。”

该方案采用的可再生能源电网，其中包括装机容量为575GW的公用事业规模太阳能发电设施（根据Wood Mackenzie的分析，目前为34GW）和装机容量为194GW的风力发电设施（目前为47.8GW）。核电的装机容量为58.2GW。

虽然调查报告重点关注了今年年初的寒冷几天运行情况，但Schauer也根据2018年的所有数据进行了此类分析，包括夏季热浪期间。这些教训是相似的，强调了实现清洁电网的艰巨性。

他说：“当采用一整年的时间来推断的时候，这将变得更具挑战性。”