哥倫比亞河峽谷(Columbia River Gorge)位於美國西北部,在這裡,風力發電量的蓬勃增長代表了可再生能源取得的成功,但是,這也給人們敲響了警鐘。工程師在峽谷上建設了數以千計的風電機組,發電量可供200萬至300萬戶家庭使用。不過,這種零碳排放的能源卻常常給管理美國西北部電網的博納維爾電力管理局(Bonneville Power Administration)帶來頭疼的問題。天氣變化會改變通過這片廣闊區域的風向,從而導致發電量大幅波動。雪上加霜的是,峽谷上方的胡德山(Mount Hood)會像溪流中的巨石把水流分開一樣,把當地的盛行風一分為二。形成的尾流吹過這裡時,也會因為風向波動從而導致發電量波動。對博納維爾電力管理局來說,這裡的風電機組就像一個時開始停的核電站。
每年春天,美國西北地區的大量水電廠的發電量都會激增,使得這個季節的電網管理工作更加艱難。融化的雪水注滿了水庫,因上水壩需要滿負荷運轉。一旦水從水庫溢出,不僅浪費勢能,還會給下游河流注入過量空氣,給下游正在孵化的瀕危鮭魚帶來“減壓病”,能源諮詢師賈斯廷·夏普(Justin Sharp)說道。因此,博納維爾電力管理局會關閉風電機組,浪費一部分清潔能源。
夏普之所以很瞭解這些情況,是因為他參與過這項工程的建設。在攻讀氣象學博士時他就在研究西北地區的風。畢業後,他在伊比德羅拉可再生能源公司(Iberdrola Renewable)工作了7年,嘗試用渦輪開發風力資源。如今,當地的風電機組已經接入博納維爾的電網中。夏普稱,開發者設計風力發電廠時追求成本最低、發電量最大,博納維爾電力管理局則鋪設輸電線,把電力送往市場。但當時所有入都忽視了天氣和氣候的變化,他補充道,“我們在建設這些風力發電廠時,評估過天氣和氣候的多變性麼?沒有。我們現在評估了麼?依然沒有。這會影響電網系統及其輸送大量風電的能力麼?影響巨大。”
同樣的事情在全美不斷重現。像夏曾這樣的專家希望,打算轉向清潔電力的州、城市和企業有一天能夠認真思考這些問題。如果日後建設清潔能源網終時繼續忽視天氣的多變性,電網將在未來變得更不穩定。“可再生能源和現有電網並不匹配,現在把二者強扭在一起,遲早會出事,”夏普說道。
要解決這個問題,就要設計以氣象學為導向的天氣智能型電網,並且建設可以解決天氣多變性問題的輸電線路。這樣的系統能在北美輸送大量電力,因此無論天氣如何,都能把電能和用戶連接起來。舉個例子,有了這種系統,當美國中西部的明尼阿波利斯市沒有風時,哥倫比亞河谷產生的多餘電量就能輸往該地,反之亦然。“我們還沒有這樣的系統,”能量系統整合組織(一家行業協會,致力於可變發電管理)的執行主任查理·史密斯(Charlie Smith)說道。
割裂的電網
說實話,老天爺過去常常會給電網設計發出一些提示信息,只不過不容易察覺,美國能源部國家可持續能源實驗室(簡稱NREL)的電網系統分析組織負責入亞倫·布盧姆( Aaron Bloom)說道。熱浪和寒潮會導致電網負荷激增。設計電網時要確保即便在最極端的天氣下,電網仍可以正常輸電。但風力和太陽能發電設備的快速增多,已經迫使電網設計者大幅提升電網應對天氣變化的能力了,布盧姆說。與傳統的火力、天然氣以及核能發電機不同,風力機組和太陽能電池板受天氣影響非常大,這對電網來說是個時時刻刻都在波動的變量。
得克薩斯州和加利福尼亞州面臨的難就很有代表性。得克薩斯州的風力發電量居全美首位,裝機量達2萬兆瓦。不過發電量最大的時候卻是晚上,這會導致電網在夜裡電量過多。電力企業只有給大客戶付錢,讓他們消耗掉這些電力。雖然聽起來很荒唐,但這麼做的損失也比關掉風力發電設備要少。
加利福尼亞州風力充沛,擁有全美最多的太陽能發電設備和光伏屋頂。每天清晨日出時,他們就會產生大量電能—有時甚至比電網能接納的還多,但太陽一落山就沒電了,此時消費者的用電量依然很大。“加利福尼亞州在地理上呈南北分佈:因此這裡日出日落的時間大致相同,” NextEra能源公司可再生能源政策方面的副總裁馬克·阿爾斯特倫(Mark Ahlstrom)說,該公司的業務重心就在可再生能源上。要知道,3年前那個冬天的極端天氣就擾亂了這兩個州的風力發電供給。當時,美國西海岸遭遇異常穩定的高壓脊,使得前所未有的少風天氣持續了數月之久。
由於全美的電網被劃分成三片彼此獨立的大區,因此一個州遇到麻煩時往往得不到其他州的幫助。這意味著每個區域都要獨自應對天氣變化。東部互聯電網和西部互聯電觀這兩個交流電網為美國和加拿大的大部分區域以及墨西哥的少部分區域輸送電力,但這兩個電網彼此間卻幾乎從不發生電力交易。而且,它們與得克薩斯州的交易更少,因為後者有自己的交流電網。
由於風力和太陽能發電量加起來只佔全美髮電總量的7.6%,因此消費者並沒有感覺到可再生能源造成的麻煩正不斷增加。電網中仍有數千家使用傳統能源的發電廠,電網運營商可以通過增減他們的發電量來平衡可再生能源引發的波動。但是,可再生能源發電量的佔比正迅速增加。加利福尼亞州要求可再生能源發電量比例在2030年前達到50%(這還不包括大型水力發電站);夏威夷打算最早於2040年就完全使用可再生能源。
只是,目前僅有少數電廠和電網運營企業正試著設計天氣智能型電網,從而應對即將到來的風能和太陽能增長的浪潮。不過,應對這一挑戰的工具也越來越多了。
天氣大數據
NREL的布盧姆帶領的團隊與愛荷華州立大學的詹姆斯·麥卡利(James McCauley)等專家合作,開展了名為“無縫互聯”(Interconnections Seam Study)的大型研究,他們希望評估東西部電網的電力互通可能帶來的優勢。在這項研究中,他們首次使用了在時間和空間分辨率都大幅提高的數據集,因此模擬結果上升到了新的高度。NREL的數據能夠描繪全美範圍內的天氣和電力流動情況,每5分鐘刷新一次。在繪製精度上,對風力發電機每2平方千米取一次數據,而對太陽能則是每4平方千米取一次數據。這樣詳細的數據對描繪哥倫比亞河谷等複雜區域的風電變化非常關鍵。能預測不同高度的風速還使得NREL在任何地方都能選擇最合適的風電技術。這樣的模擬結果表明,如何才能以經濟、可靠的方式,在2040年前讓可再生能源的發電量在美國(得克薩斯州除外)的佔比增加到54%以上—遠高於目前的比例。
在模擬中,連接東西部電網的方案有兩種,一是沿著二者的交界處鋪設若干大型直流輸電線,二是鋪設更長的從西海岸至中西部的直流電網,穿過東西部電網,同時加設一條從路易斯安娜州到佛羅里達州的主線路。之所以使用直流輸電,是因為長距離輸電時,直流電的電能損失比交流電小得多,在經濟上更具可行性。NREL的模型還確定了在哪裡安裝新的發電機,以及輸電線路應當傳輸多少電能,從而更有效地利用整個增強後的輸電系統。
從模型中我們還發現,有很多方式實現天氣智能式的優化,比如增加風電機組類型的多樣性,在更廣闊的地區安裝太陽能電池板,而不是隻把它們放在風能或太陽能格外充沛的地方。在NREL能源建模師格雷格·布林克曼(Greg Brinkman)看來,如果能做到這些,可再生能源發電的持續性會更好,因此備用的傳統發電機組量也會更少。他說,“應該利用自然環境的多樣性”,從而在局部出現不同的天氣狀況時,相互補足維護電網的穩定。
儘管NREL的建模過程已經很精密了,但仍顯示出了智能設計所面臨的困難。比如說,為了把每次模擬所需的計算時間控制在“易於應對”的六七天內,麥卡利在建模時進行了若干簡化。比如,不再以每5分鐘、每4平方千米的精度採集數據。
此外,NREL還預先確定了直流輸電線路的起止位置,避免了布盧姆所說的“數學上無法完成計算”。但這樣來,模型並不總能同時優化發電機和輸電線路。儘管如此,NREL提供的初步結果表明,通過減少煤炭和天然氣的使用,長距離直流輸電每年可以節省38億美元,是建設費用的3倍多。並且,如果設計時優化完全,直流輸電線路越長,費用就越省,碳排放量就越少。
歐洲也希望在2040年前建成可再生能源電網。最近,有科學家通過模擬重新設計了歐洲的電網。結果表明,由於NREL在的模型做了簡化,模擬結果並沒有完全反映出可再生能源的潛力。後來,歐洲電力傳輸系統運營商網絡向2030年的預期模型中加入了風能、太陽能和其他新能源發電機組,直接將可再生能源發電量佔比提升到了75%歐洲電力傳輸系統運營商網絡的專家隨後提出了2040年電網的設想:通過擴大國家間的電力互聯,緩解季節性能量流動帶來的問題。最後,他們重新整合了原有發電機組的運行方式,以便更好利用重新設計的電網。經過這樣的迭代優化後,可再生能源將在2040年的預期發電量佔比中,提升到80%以上。
更好的算法
Vibrant清潔能源公司首席執行官、獨立研究者克里斯托弗·克拉克(Christopher Clack)稱,他能把所有建模技術融合在一起,從天氣數據中創造出更多價值。這家位於美國科羅拉多州博爾德市的公司主營電網建模和電力預測。克拉克曾在美國海洋和大氣管理局工作過4年,在此期間他研發出了先進的天氣驅動型電網算法。隨後,他在2016年推出了名為 WIS:dom的專有商用軟件。
這款軟件使用的數據分辨率和NREL的一樣高,不過用法不太一樣。克拉克稱,他們可以給可再生能源創造更多機會。近期,他在分析了美國大型電網後構建了一套系統,在這套系統中,到2040年時,美國可再生能源發電量的佔比將達到62%,比NREL的最新預測高20%。模擬電網的輸電成本也比目前低10%。克拉克稱,如果節省下來的資金能重新投入輸電系統的建設,他的模型能把可再生能源的佔比提高至67%以上,預期實現的時間也可以比2040年提早更多。
克拉克認為,WIS:dom之所以能從天氣數據中發掘出更多信息,原因在於它同時優化了發電機組和輸電線路——尤其是長距離直流翰電線路,而不是像NREL那樣預先固定線路。該模型還利用了全美範圍內可再生能漂發電機組的波動情況,從而可以更好地平衡不同地區的風力和太陽能發電情況。比如,到了晚上,得克薩斯州的風力發電量會上升,正好可以彌補東海岸海上風能的不足,因為在東海岸,白天的風量更大
麥卡利承認,由於自身限制,NREL的模型可能會遺漏部分可能性,不過他懷疑自己做的簡化是否會導致這麼大的不同。
克拉克稱,他的模型“只需”兩天就能得出優化過的電網規劃。一些專家稱,他的整臺模型或許是天氣智能設計領域中的一個突破。“毫無疑問,他的模型效率更高,”阿爾斯恃倫說道。不過,WIS:dom的效果還未得到證實阿爾斯特倫、布盧姆和其他等專業人士都希望能更深入地理解軟件背後的原理,從而證實其可靠性。
“克拉克很聰明,他做的事情也很了不起。我只是不知道他的秘訣是什麼,”布盧姆說道。不過,看起來克拉克不太可能透露其中的秘密。畢竟,他要把軟件的運行結果賣給能源公司,其中就包括向地區電網運營商和商業輸電線路鋪設商提供建議,告訴他們數十億美元應該往哪投。
阻力
夏普和史密斯等能源開發商試圖勸說電網公司及美國氣象學會之類的科學團體,讓他們重視天氣智能規劃。這些能源開發商還說,政界和行業領袖必須宣傳直流輸電,從而克服行業所面對的阻力。美國各州對可再生能源的訴求,正在推動電網運營商鋪設交流輸電線,以便接入風力和太陽能發電設備。但只有少量的美國企業在鋪設長距離直流輸電線,用以跨區域輸送可再生能源產生的電力。而歐洲、中國都在這麼做。
然而,美國人不願意在自家門口鋪設高壓線。另外,電池存儲等“不需要電線”的解決方案已經成為電力投資的熱門領域。昂貴的大型電池組坐落於需要使用電力的地方,它們可以存儲過量電能(電能足夠在陰天、無風的日子用上幾天)。但是,一旦遇上類似2015年西部嚴重缺少風能的極端事件,電池也無能為力。“電池沒法把夏天的電能存儲起來供冬天使用,”夏普說道
在美國,要讓長距離的直流輸電網絡相互連通,更大的障礙或許是地區間的利益衝突。為了保護本州的發電企業,當地官員通常會阻礙大型輸電線路的建設,因為這些線路會引入外部的電源。在NREL的研究中,帶領團隊設計了直流輸電網絡的戴爾·奧斯本(Dale Osborn)就領教過這種阻力。奧斯本去年從中西部獨立系統運營商(負責美國15個州和加拿大曼尼托巴省的輸電線路以及電力市場)退休,此前一直在美國能源界中倡導直流增強電網。正如NREL的分析所指出的那樣,如果能有一個可供各州間進行電力交易的系統,或許可以減少發電廠的數量。儘管這樣做可以減少整體成本,“但有很多可以自給自足的人並不希望電力成本下降,”奧斯本哀嘆道,他們要己發電,即便這樣更貴”。
克拉克說,高壓直流電在美國的前景非常暗淡。客戶—般都會要求他在硏究時把這條方案直接排除,這使得WIS:dom不得不規劃距離短、數量更多的交流線路。“大多數人不看好長距離高壓直流電,”克拉克說道,至少在可預見的將來沒戲。北外,如果不釆用直流輸電卻又保持成本不變,傳統發電廠的數量不會減少,原本二氧化碳減排一半的優勢也泡湯了。
美匡政府或許能打破僵局。奧巴馬政府時期的能源部長歐內斯特·莫尼茲(Ernest Moniz)曾動用行政權力征取土地,從而建設對美國很重要的直流輸電線。這項工程希望把俄克拉荷馬州多餘的風電輸送到美國中南部和東南部的市場,但近期卻被這項工程的支持者—清潔線路能源夥伴組織擱置,與此同時,該組織正在為中西部的其他幾個項目抗爭,因這些項目也被地方機構終止了。
在特朗普的任內,更不可能建設類似的輸電線路。現任美囯能源部長裡克·佩裡(Rick Perry)的政策是保護火力發電廠,他認為增加火電廠隨時可用的煤炭存量能讓電網在面對極端天氣時更穩定。不過專家指出,堆放在起的煤遇到寒潮會被凍結,遇到暴風雨又會受潮,這都會導致發電廠停工。而這樣的天氣會帶來氣壓梯度,此時風力強勁、或天空晴朗,風電機組和太陽能板的發電量都會達到最大值。正如夏普注意到的,“在極端天氣下,美國有些地方的可再生能源的發電量可以很穩定”。
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