网格如何工作以及可再生能源为什么能占主导地位

几十年后，我们真的可以从可再生能源中发电吗？一言以蔽之。

但是要进一步了解，我们必须了解我们今天如何生产和分配电力。部分困难在于我们用来理解电力系统的概念。一个简单的模型可能只显示一个发电厂和一个负载，例如一个灯泡。加强一些，我们可能会看到一个模型，该模型显示了多个负载和配电设备，例如变压器。这些将发电机电压提升到高压传输线，并将电压降低到我们通常使用的120V AC。电力分配给商业，工业和住宅负载。

更复杂的是，许多发电机通过多种类型的资源为发电做出了贡献，包括天然气，石油，核能，煤炭，风能，太阳能和水力发电等。

另一方面，由于天气和其他事件，需求每天，季节性，每月变化。需求曲线在一天当中有一个每日峰值。由于大多数地方的空调负荷，每年的最高峰是夏季。在美国所有地区，甚至东北地区都是如此。以下是一些图片，显示了需求随季节的变化。

第一个是给新英格兰的。

这是加利福尼亚的夏日。

这是加利福尼亚冬季的需求。

这是一段视频，显示NYISO在东海岸的需求在一年中如何变化：

为了满足年度高峰需求，必须有额外的发电机。这些不常年使用。实际上，发电机一直被用作满足需求的池。在任何给定的日子里，有些设备闲置无用，有些则需要修理或加油。其他人则处于储备状态，正在等待并且预计将在当天使用。其他人正在发电以满足需求。

发电机和电力线由公用事业公司运营。电力系统由独立的系统运营商（ISO）运行，控制中心的运营商每天调度电力，向各种发电机请求电力。有些可以快速改变其输出。其他人可能需要几天时间才能上线。这需要进行计划。由于电力系统通常是垄断企业，因此公共事业委员会（PUC）负责监管公用事业，以向用户提供成本最低的电力。该系统由公用事业公司招标运行，以在一天之内从其发电机提供电力。因此，运营商可以查看哪些发电机可用，并查看预测的需求，并计划和调度以相应的最低成本满足负荷。

加利福尼亚独立系统运营商CAISO是一个系统，它展示了它是如何工作的。下图显示了预计的日间提前需求与实际需求之间的差异。

底部的三个曲线显示了预测需求和实际需求。上方的黄色曲线显示了储量。

让我们看看不同的来源如何提供能量来满足电力需求。这是过去在加利福尼亚的工作方式的大概照片：

僵化的煤炭和核能的数量少于白天的最低需求，因此不必改变功率输出。每天的大部分变化都使用天然气。

现在让我们看看今天添加可再生能源时会发生什么：

这是当时的州长阿诺德·施瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）委托撰写的报告，该报告提供了图表（第35页的图15）。

您会看到风和太阳能取代了天然气峰值发电。而且，在一年中的大部分时间里，可用储备要比需求大得多，这是因为在发电意外失败的情况下需要储备储备，并且功率峰值只会在一年的短时间内发生。剩下的时间里，会有很多多余的发电量。这就是为什么最多可以将40％的风能和太阳能集成在一起而不必大惊小怪的原因。网格已设置为随负载而变化。太阳能尤其有效，因为它是在每日需求较高时发生的。由于一年中大部分时间都可以使用如此多的灵活电源，因此可以更加频繁地集成风能和太阳能。

在加利福尼亚州，我们可以看到利用天然气的灵活性已经整合了大量可再生能源。实际上，不仅可以利用灵活的发电方式，还可以利用灵活的需求。目前，对弹性需求的使用还不多。使需求变得灵活的一种方法是设置使用时间（TOU）计量和定价。在美国的许多地区尚未使用此功能。

但是，我们怎么能超越呢？好吧，我们可以看一下以下Amory Lovins的视频作为指导。正如Lovins所显示的，即使没有存储，大部分可再生能源也可以通过一些技术为电网供电。

我们不需要存储方面的突破，但是欢迎他们，可以为您提供帮助。

首先，我们需要的是灵活的资源来满足每日需求的变化。很显然，我们可以用天然气或水力为整个电网供电。出于实际原因，我们不会在任何地方都这样做，但是有可能。实际上，一些国家主要由水力或地热发电。他们不需要天然气就能满足需求。加利福尼亚州的下图（也与上述相同）显示，通过从其他地区进口过剩电力可以满足一些需求。

接下来是由NREL开发的满足需求的示例场景。它设想有一些多余的可再生能源和削减以满足需求。

请记住，每天在每个位置使用一组不同的资源来满足需求。

您可以看到，每天没有唯一的方法，但是有很多方法和不同的方法。实际上，由于要输入功率，所以这取决于操作员在多个领域混合和预测功率的能力。随着中西部地区的系统运营商从中西部和西南向全国各地（尤其是沿海地区）的需求中心调度风能和太阳能，这在未来将变得更加重要。因此，电力监管机构FERC开发了“能源不平衡市场”作为解决方案。它们提供了可用功率和需求的更快，最新估计，因此ISO和公用事业公司可以更好地通过电网交换功率。

每天在每个地点以不同的方式满足需求的方式是不同的。每个城镇，每个地点，每个地方每天都不需要满足80％可再生能源的需求，从而使美国平均每年获得80％可再生能源。

该图显示了区域资源的差异。

此图显示了按区域混合：

并非到处都使用相同的可再生能源，但是可再生资源却很广泛。实际上，利用风能等可再生能源的广泛分布可平滑和稳定其输出。例如，NREL的Michael Milligan撰写了许多开创性的文章。

不同来源的组合可提高满足需求的能力。拉姆兹·纳姆（Ramez Naam）明智地提出了风能，太阳能和其他可再生能源的需求量超过零件总和的情况。

您可以在此处查看可再生能源如何共同满足需求：

您可以在此处了解如何通过更广泛区域的整合来平滑可再生能源的输出：

除存储外，还有许多其他整合可再生能源的方法。

但是存储变得比预期便宜得多。当前的存储浪潮，即特斯拉的Powerwall，可以以足够低的价格取代天然气峰值器来提供存储。而且，传统来源（如煤炭和联合循环煤气发电厂）也可以作为灵活的来源而不仅仅是气体峰值器。这些灵活的资源已经存在，但如今使用燃料运行。首先，将减少它们的使用，为各种可再生能源腾出空间。随着时间的流逝，各种可再生能源（如风能和太阳能）与柔性可再生能源（如水能，生物质能，地热能，聚光太阳能和蓄热能）以及液流电池，锂电池，压缩空气存储和抽水的电网存储混合在一起水电可以弥补其余的部分。

到2050年，到2050年经济上满足80％的可再生能源，这些都需要结合电网实践，传输，灵活的能源（如CSP，蓄热，地热，水力发电和生物质能）再加上10％的存储。

随着数量的增加，存储和可再生能源的成本正在迅速下降：