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20年后的未来智能电网

来源:环球科学   更新时间:2018-09-06 16:07:42    

  哥伦比亚河峡谷(Columbia River Gorge)位于美国西北部,在这里,风力发电量的蓬勃增长代表了可再生能源取得的成功,但是,这也给人们敲响了警钟。工程师在峡谷上建设了数以千计的风电机组,发电量可供200万至300万户家庭使用。不过,这种零碳排放的能源却常常给管理美国西北部电网的博纳维尔电力管理局(Bonneville Power Administration)带来头疼的问题。天气变化会改变通过这片广阔区域的风向,从而导致发电量大幅波动。雪上加霜的是,峡谷上方的胡德山(Mount Hood)会像溪流中的巨石把水流分开一样,把当地的盛行风一分为二。形成的尾流吹过这里时,也会因为风向波动从而导致发电量波动。对博纳维尔电力管理局来说,这里的风电机组就像一个时开始停的核电站。

  每年春天,美国西北地区的大量水电厂的发电量都会激增,使得这个季节的电网管理工作更加艰难。融化的雪水注满了水库,因上水坝需要满负荷运转。一旦水从水库溢出,不仅浪费势能,还会给下游河流注入过量空气,给下游正在孵化的濒危鲑鱼带来“减压病”,能源咨询师贾斯廷·夏普(Justin Sharp)说道。因此,博纳维尔电力管理局会关闭风电机组,浪费一部分清洁能源。

  夏普之所以很了解这些情况,是因为他参与过这项工程的建设。在攻读气象学博士时他就在研究西北地区的风。毕业后,他在伊比德罗拉可再生能源公司(Iberdrola Renewable)工作了7年,尝试用涡轮开发风力资源。如今,当地的风电机组已经接入博纳维尔的电网中。夏普称,开发者设计风力发电厂时追求成本最低、发电量最大,博纳维尔电力管理局则铺设输电线,把电力送往市场。但当时所有入都忽视了天气和气候的变化,他补充道,“我们在建设这些风力发电厂时,评估过天气和气候的多变性么?没有。我们现在评估了么?依然没有。这会影响电网系统及其输送大量风电的能力么?影响巨大。”

  同样的事情在全美不断重现。像夏曾这样的专家希望,打算转向清洁电力的州、城市和企业有一天能够认真思考这些问题。如果日后建设清洁能源网终时继续忽视天气的多变性,电网将在未来变得更不稳定。“可再生能源和现有电网并不匹配,现在把二者强扭在一起,迟早会出事,”夏普说道。

  要解决这个问题,就要设计以气象学为导向的天气智能型电网,并且建设可以解决天气多变性问题的输电线路。这样的系统能在北美输送大量电力,因此无论天气如何,都能把电能和用户连接起来。举个例子,有了这种系统,当美国中西部的明尼阿波利斯市没有风时,哥伦比亚河谷产生的多余电量就能输往该地,反之亦然。“我们还没有这样的系统,”能量系统整合组织(一家行业协会,致力于可变发电管理)的执行主任查理·史密斯(Charlie Smith)说道。

  割裂的电网

  说实话,老天爷过去常常会给电网设计发出一些提示信息,只不过不容易察觉,美国能源部国家可持续能源实验室(简称NREL)的电网系统分析组织负责入亚伦·布卢姆( Aaron Bloom)说道。热浪和寒潮会导致电网负荷激增。设计电网时要确保即便在最极端的天气下,电网仍可以正常输电。但风力和太阳能发电设备的快速增多,已经迫使电网设计者大幅提升电网应对天气变化的能力了,布卢姆说。与传统的火力、天然气以及核能发电机不同,风力机组和太阳能电池板受天气影响非常大,这对电网来说是个时时刻刻都在波动的变量。

  得克萨斯州和加利福尼亚州面临的难就很有代表性。得克萨斯州的风力发电量居全美首位,装机量达2万兆瓦。不过发电量最大的时候却是晚上,这会导致电网在夜里电量过多。电力企业只有给大客户付钱,让他们消耗掉这些电力。虽然听起来很荒唐,但这么做的损失也比关掉风力发电设备要少。

  加利福尼亚州风力充沛,拥有全美最多的太阳能发电设备和光伏屋顶。每天清晨日出时,他们就会产生大量电能—有时甚至比电网能接纳的还多,但太阳一落山就没电了,此时消费者的用电量依然很大。“加利福尼亚州在地理上呈南北分布:因此这里日出日落的时间大致相同,” NextEra能源公司可再生能源政策方面的副总裁马克·阿尔斯特伦(Mark Ahlstrom)说,该公司的业务重心就在可再生能源上。要知道,3年前那个冬天的极端天气就扰乱了这两个州的风力发电供给。当时,美国西海岸遭遇异常稳定的高压脊,使得前所未有的少风天气持续了数月之久。

  由于全美的电网被划分成三片彼此独立的大区,因此一个州遇到麻烦时往往得不到其他州的帮助。这意味着每个区域都要独自应对天气变化。东部互联电网和西部互联电观这两个交流电网为美国和加拿大的大部分区域以及墨西哥的少部分区域输送电力,但这两个电网彼此间却几乎从不发生电力交易。而且,它们与得克萨斯州的交易更少,因为后者有自己的交流电网。

  由于风力和太阳能发电量加起来只占全美发电总量的7.6%,因此消费者并没有感觉到可再生能源造成的麻烦正不断增加。电网中仍有数千家使用传统能源的发电厂,电网运营商可以通过增减他们的发电量来平衡可再生能源引发的波动。但是,可再生能源发电量的占比正迅速增加。加利福尼亚州要求可再生能源发电量比例在2030年前达到50%(这还不包括大型水力发电站);夏威夷打算最早于2040年就完全使用可再生能源。

  只是,目前仅有少数电厂和电网运营企业正试着设计天气智能型电网,从而应对即将到来的风能和太阳能增长的浪潮。不过,应对这一挑战的工具也越来越多了。

  天气大数据

  NREL的布卢姆带领的团队与爱荷华州立大学的詹姆斯·麦卡利(James McCauley)等专家合作,开展了名为“无缝互联”(Interconnections Seam Study)的大型研究,他们希望评估东西部电网的电力互通可能带来的优势。在这项研究中,他们首次使用了在时间和空间分辨率都大幅提高的数据集,因此模拟结果上升到了新的高度。NREL的数据能够描绘全美范围内的天气和电力流动情况,每5分钟刷新一次。在绘制精度上,对风力发电机每2平方千米取一次数据,而对太阳能则是每4平方千米取一次数据。这样详细的数据对描绘哥伦比亚河谷等复杂区域的风电变化非常关键。能预测不同高度的风速还使得NREL在任何地方都能选择最合适的风电技术。这样的模拟结果表明,如何才能以经济、可靠的方式,在2040年前让可再生能源的发电量在美国(得克萨斯州除外)的占比增加到54%以上—远高于目前的比例。

  在模拟中,连接东西部电网的方案有两种,一是沿着二者的交界处铺设若干大型直流输电线,二是铺设更长的从西海岸至中西部的直流电网,穿过东西部电网,同时加设一条从路易斯安娜州到佛罗里达州的主线路。之所以使用直流输电,是因为长距离输电时,直流电的电能损失比交流电小得多,在经济上更具可行性。NREL的模型还确定了在哪里安装新的发电机,以及输电线路应当传输多少电能,从而更有效地利用整个增强后的输电系统。

  从模型中我们还发现,有很多方式实现天气智能式的优化,比如增加风电机组类型的多样性,在更广阔的地区安装太阳能电池板,而不是只把它们放在风能或太阳能格外充沛的地方。在NREL能源建模师格雷格·布林克曼(Greg Brinkman)看来,如果能做到这些,可再生能源发电的持续性会更好,因此备用的传统发电机组量也会更少。他说,“应该利用自然环境的多样性”,从而在局部出现不同的天气状况时,相互补足维护电网的稳定。

  尽管NREL的建模过程已经很精密了,但仍显示出了智能设计所面临的困难。比如说,为了把每次模拟所需的计算时间控制在“易于应对”的六七天内,麦卡利在建模时进行了若干简化。比如,不再以每5分钟、每4平方千米的精度采集数据。

  此外,NREL还预先确定了直流输电线路的起止位置,避免了布卢姆所说的“数学上无法完成计算”。但这样来,模型并不总能同时优化发电机和输电线路。尽管如此,NREL提供的初步结果表明,通过减少煤炭和天然气的使用,长距离直流输电每年可以节省38亿美元,是建设费用的3倍多。并且,如果设计时优化完全,直流输电线路越长,费用就越省,碳排放量就越少。

  欧洲也希望在2040年前建成可再生能源电网。最近,有科学家通过模拟重新设计了欧洲的电网。结果表明,由于NREL在的模型做了简化,模拟结果并没有完全反映出可再生能源的潜力。后来,欧洲电力传输系统运营商网络向2030年的预期模型中加入了风能、太阳能和其他新能源发电机组,直接将可再生能源发电量占比提升到了75%欧洲电力传输系统运营商网络的专家随后提出了2040年电网的设想:通过扩大国家间的电力互联,缓解季节性能量流动带来的问题。最后,他们重新整合了原有发电机组的运行方式,以便更好利用重新设计的电网。经过这样的迭代优化后,可再生能源将在2040年的预期发电量占比中,提升到80%以上。

  更好的算法

  Vibrant清洁能源公司首席执行官、独立研究者克里斯托弗·克拉克(Christopher Clack)称,他能把所有建模技术融合在一起,从天气数据中创造出更多价值。这家位于美国科罗拉多州博尔德市的公司主营电网建模和电力预测。克拉克曾在美国海洋和大气管理局工作过4年,在此期间他研发出了先进的天气驱动型电网算法。随后,他在2016年推出了名为 WIS:dom的专有商用软件。

  这款软件使用的数据分辨率和NREL的一样高,不过用法不太一样。克拉克称,他们可以给可再生能源创造更多机会。近期,他在分析了美国大型电网后构建了一套系统,在这套系统中,到2040年时,美国可再生能源发电量的占比将达到62%,比NREL的最新预测高20%。模拟电网的输电成本也比目前低10%。克拉克称,如果节省下来的资金能重新投入输电系统的建设,他的模型能把可再生能源的占比提高至67%以上,预期实现的时间也可以比2040年提早更多。

  克拉克认为,WIS:dom之所以能从天气数据中发掘出更多信息,原因在于它同时优化了发电机组和输电线路——尤其是长距离直流翰电线路,而不是像NREL那样预先固定线路。该模型还利用了全美范围内可再生能漂发电机组的波动情况,从而可以更好地平衡不同地区的风力和太阳能发电情况。比如,到了晚上,得克萨斯州的风力发电量会上升,正好可以弥补东海岸海上风能的不足,因为在东海岸,白天的风量更大

  麦卡利承认,由于自身限制,NREL的模型可能会遗漏部分可能性,不过他怀疑自己做的简化是否会导致这么大的不同。

  克拉克称,他的模型“只需”两天就能得出优化过的电网规划。一些专家称,他的整台模型或许是天气智能设计领域中的一个突破。“毫无疑问,他的模型效率更高,”阿尔斯恃伦說道。不过,WIS:dom的效果还未得到证实阿尔斯特伦、布卢姆和其他等专业人士都希望能更深入地理解软件背后的原理,从而证实其可靠性。

  “克拉克很聪明,他做的事情也很了不起。我只是不知道他的秘诀是什么,”布卢姆说道。不过,看起来克拉克不太可能透露其中的秘密。毕竟,他要把软件的运行结果卖给能源公司,其中就包括向地区电网运营商和商业输电线路铺设商提供建议,告诉他们数十亿美元应该往哪投。

  阻力

  夏普和史密斯等能源开发商试图劝说电网公司及美国气象学会之类的科学团体,让他们重视天气智能规划。这些能源开发商还说,政界和行业领袖必须宣传直流输电,从而克服行业所面对的阻力。美国各州对可再生能源的诉求,正在推动电网运营商铺设交流输电线,以便接入风力和太阳能发电设备。但只有少量的美国企业在铺设长距离直流输电线,用以跨区域输送可再生能源产生的电力。而欧洲、中国都在这么做。

  然而,美国人不愿意在自家门口铺设高压线。另外,电池存储等“不需要电线”的解决方案已经成为电力投资的热门领域。昂贵的大型电池组坐落于需要使用电力的地方,它们可以存储过量电能(电能足够在阴天、无风的日子用上几天)。但是,一旦遇上类似2015年西部严重缺少风能的极端事件,电池也无能为力。“电池没法把夏天的电能存储起来供冬天使用,”夏普说道

  在美国,要让长距离的直流输电网络相互连通,更大的障碍或许是地区间的利益冲突。为了保护本州的发电企业,当地官员通常会阻碍大型输电线路的建设,因为这些线路会引入外部的电源。在NREL的研究中,带领团队设计了直流输电网络的戴尔·奥斯本(Dale Osborn)就领教过这种阻力。奥斯本去年从中西部独立系统运营商(负责美国15个州和加拿大曼尼托巴省的输电线路以及电力市场)退休,此前一直在美国能源界中倡导直流增强电网。正如NREL的分析所指出的那样,如果能有一个可供各州间进行电力交易的系统,或许可以减少发电厂的数量。尽管这样做可以减少整体成本,“但有很多可以自给自足的人并不希望电力成本下降,”奥斯本哀叹道,他们要己发电,即便这样更贵”。

  克拉克说,高压直流电在美国的前景非常暗淡。客户—般都会要求他在硏究时把这条方案直接排除,这使得WIS:dom不得不规划距离短、数量更多的交流线路。“大多数人不看好长距离高压直流电,”克拉克说道,至少在可预见的将来没戏。北外,如果不釆用直流输电却又保持成本不变,传统发电厂的数量不会减少,原本二氧化碳减排一半的优势也泡汤了。

  美匡政府或许能打破僵局。奥巴马政府时期的能源部长欧内斯特·莫尼兹(Ernest Moniz)曾动用行政权力征取土地,从而建设对美国很重要的直流输电线。这项工程希望把俄克拉荷马州多余的风电输送到美国中南部和东南部的市场,但近期却被这项工程的支持者—清洁线路能源伙伴组织搁置,与此同时,该组织正在为中西部的其他几个项目抗争,因这些项目也被地方机构终止了。

  在特朗普的任内,更不可能建设类似的输电线路。现任美囯能源部长里克·佩里(Rick Perry)的政策是保护火力发电厂,他认为增加火电厂随时可用的煤炭存量能让电网在面对极端天气时更稳定。不过专家指出,堆放在起的煤遇到寒潮会被冻结,遇到暴风雨又会受潮,这都会导致发电厂停工。而这样的天气会带来气压梯度,此时风力强劲、或天空晴朗,风电机组和太阳能板的发电量都会达到最大值。正如夏普注意到的,“在极端天气下,美国有些地方的可再生能源的发电量可以很稳定”。

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