上周,当数以百万计的德克萨斯同胞陷入无情的黑暗和寒冷时,尼古拉斯·利特约翰(Nicholas Littlejohn)认为自己很幸运。在他所住的奥斯汀郊外,电力先是在周一清晨中断,然后连续一周断断续续,每次停电20分钟。利特约翰决定充分利用这几分钟。打开电源后,他给停在外面一层雪下的2011年产日产聆风(Nissan Leaf)充电。然后,当灯再次熄灭时,他把他的汽车连接到一个逆变器上,把电子从24千瓦时的电池中推出,插入到其他东西中,这些东西在当时是更重要的:灯、加热器、电热毯和他的Wi-Fi路由器。他没有在冰箱里充电。
需要多少辆像利特约翰这样的汽车才能取代上周从德州电网丢失的能源?乔治亚理工学院(Georgia Tech)能源基础设施专家艾米丽•格鲁贝尔(Emily Grubert)上周末在Twitter上提出了这个问题。她的想法是由一个令人沮丧的现实所激发的:“这个想法是,在停电期间,很多人都爬进他们的车里取暖,”她后来告诉《连线》杂志。在某种程度上,汽车引擎至少做了一些电网应该做的工作。她想,如果所有的汽车都是电动的呢?如果这些能量不仅可以重新分配到家庭中,还可以分配到电网中,为每个人的电灯和加热器供电呢?她估计,假设整个电网损失1太瓦时的能源,同时假设一个更大的汽车电池,比如特斯拉Model S的电池,那么大约需要1000万辆电动汽车才能弥补总的能源损失。听起来好像有很多车。但正如她指出的那样,仅在德克萨斯州就有2200万辆注册车辆。很快,更多的汽车将是电动的。
大多数能源专家在考虑如何防止未来发生得克萨斯式危机时,不太可能把建设一个由1000万辆特斯拉支持的电网作为首要任务。是的,人们需要开车。是的,如果不是不可能协调,那也是不切实际的。专家们已经找到了许多让德州电网变得更好的合理方法:对现有电厂和线路进行耐候性改造,改善与其他电网的连接,以及鼓励各种形式的弹性和低电价的法规。更好的规划。但正如格鲁贝特所说,这场危机预示着未来可能会出现更可靠的电网。电池,无论是大的还是小的,都变得越来越普遍,无论我们是否有意识地将它们与电网相连。那么,我们如何利用它们使电网更加灵活,并保持电力供应呢?她说:“我想说的是,我们可以有很多方式来规划未来。”
在加州等州,寻找储存能源的方法一直是监管机构和公用事业运营商的心头之事。主要原因是该州的目标是到2045年100%依赖清洁能源。问题是,太阳并不总是照耀,风也不总是刮,至少不是在州的各个地方,也不是同时刮。因此,自2013年以来,公用事业公司被要求采购能源存储系统,在可再生能源发电量超过需求时吸收原本浪费的电力,并在供应缺口时支付。这是一个平衡不平衡负载的问题,但这通常是可以预见的,比如当太阳能电池板在晚上离线时。
这其中有一个基本的商业主张:储能运营商之所以赚钱,是因为他们可以在价格低廉的时候储存能源,在需求旺盛、价格较高的时候出售。在包括德克萨斯州在内的许多地方,可变可再生能源的增长和电池价格的下降推动了电池热潮。在加州,清洁能源目标和补贴缓解了这一问题。这些电池本身通常以大型、公用事业规模的装置形式安装在太阳能和风能发电厂上。但在某些情况下,这些电池会被一群小型电池所扩充,这些电池可以与电网共享电力,包括安置在社区或挂在车库里的电池——是的,甚至可以放在私家车里。
另一种可能的用途是在危机中。加州去年8月就发生了这样的情况,当时死亡谷的高温超过了130华氏度,整个州的夜间持续高温意味着,在太阳能农场停止利用光线的很长一段时间内,人们还在开空调。本应介入处理供需不匹配问题的天然气工厂,在高温下没有有效地运行,而其他本应处于待机状态的天然气工厂却意外地停产了。所以,电网开始失灵。数百万人失去了电力。这让一些人想知道,在天然气作为最后一根救命稻草未能发挥作用之后,为什么不储存更多的能量来弥补缺口。
加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的能源教授丹尼尔·卡门(Daniel Kammen)说:“我们在任何地方都需要能源存储多样化。”他参与起草了要求加州能源存储的法律。他指出,上周在德克萨斯州也出现了类似的问题,那里的天然气工厂无法获得维持运转所需的燃料,在寒冷的天气中损失了大量的能源供应。卡门认为,即使没有与加州类似的可再生能源目标,德州的危机也应该引起该州讨论如何安装更多的存储设备。
单靠电池无法避免得克萨斯式的危机。停电的规模和持续时间太大了,超过400万户家庭陷入黑暗,大约一半的正常能源供应缺失。密歇根大学能源系统教授迈克尔•克雷格(Michael Craig)说:“即使你把美国所有的存储资产都搬走,也不够。”关键的问题是电池本身不能产生任何能量。锂离子电池在全速运转时,一次只能将电力分配回电网几个小时。当电网中断一个星期时,就像德克萨斯州的一些地区那样,你就没那么幸运了。即使停电时间较短,电池本身也需要自己的特殊保护,以应对极端天气——任何一个在寒冷的冬天把iPhone拿出来的人都可以证明这一点。
理论上,有很多方法可以长时间储存能量。例如,在加州,夏末的风的间歇正好与炎热的天气相吻合——季节性的供需不匹配——公用事业公司已经开始探索其他技术,如压缩空气或氢气,来填补这一缺口。这些燃料可以在夏初利用太阳能或风力发电厂的过剩能量生产,然后在随后的无风期产生能量。在德克萨斯州,Kammen设想在墨西哥湾建立海上风力发电场,为生产氢提供能量,这些氢可以储存在埋藏在沿海的盐洞中。这些氢气可以在飓风或深度冰冻时被利用。
把这看作是可能发生的事。国家可再生能源实验室(National Renewable energy Laboratory)的能源经济学家韦斯利·科尔(Wesley Cole)说:“如果你有长达一周的储存时间,那将是德克萨斯州的一大贡献。”“但这值得吗?”可能有更便宜的方法来做到这一点,比如给你的植物做过冬。”随着时间的推移,在更多的研究和潜在的试点项目的帮助下,长期存储的成本将会下降,Cole补充道。但与此同时,他提出了更多样化的可再生能源,包括短期存储计划。他指出,上周太阳能电池板表现良好,即使其他能源供应崩溃。他说:“德州恰好是阳光明媚的一周。”
格鲁贝尔说,也许最大的问题是,如何使电网足够灵活,使能源储备有用,而又不过分。在加州,该策略包括重新设计部分电网,使其运行更加灵活和独立。这样,当出现供应短缺时,就能更容易地避免大规模停电。这是向格鲁贝特的电动汽车电池方案迈出的一步——也许不涉及汽车,甚至不涉及汽车,但涉及到足够的分布式资源来帮助。这样做并不简单。为大型煤电厂和天然气电厂设计的电网结构意味着,其中一部分无法在不影响其他部分的情况下关闭,而且电网常常受到关于谁可以在何时向电网出售电力的复杂规则的管理。这是一个需要重建的系统,在很多情况下,需要从头开始。
但格鲁贝尔表示,这是值得做的。她指出,人们正在家里安装太阳能电池系统,购买电动汽车,因为他们想要,而且这在经济上有意义。所以电池自然变得更加分散。在过去,应对危机的方法可能是在人们更熟悉、更可靠的能源中建立更多的产能,比如天然气。现在可能仍然是这样。就在去年,加州的州监管机构对是否能及时准备好足够的电池以应对另一个可能又干燥又炎热的夏天持怀疑态度,因此决定保留该州之前计划逐步淘汰的天然气工厂,以减少排放。但随着时间的推移,电池将成为一种同样无处不在的资源,就像我们现在熟知的化石燃料一样。问题是我们准备如何利用它们。