用风力涡轮机或太阳能阵列而不是化石燃料产生电力，降低了碳排放，但这些可再生的一代来源取决于天气的变幻莫测，这意味着风也不会在一天中所有时间都能产生电力。这种变异性使许多人认为，大大膨胀的风和太阳能降低碳排放将导致飙升的电力成本并要求昂贵的储能。

我的同事和我刚刚发表了一个新的研究表明这个假设不正确。事实上，如果美国是搬到国家48国电力系统，而不是立即到位，该国将能够在全国各地运输更可再生能源。如果不使用任何存储技术，那么这种变化可能会降低78％的成本低78％。

通过计算机模型，我们发现，不管内部有什么发电机，这个更大的电力系统都能更有效地利用电力。我们模拟的国家风格系统和目前划分为130个地区的系统之间的成本每年减少470亿美元。这意味着每千瓦时的电力成本在8.5到10.2美分之间，而目前全国的平均水平是12.7美分。

电子高速公路

我们的研究是基于一个叫做民族能源与天气系统（新闻）模拟器。NEWS模拟器是一个不断寻求最低成本解决方案的成本优化模型。

该模型考虑了电网的特征，如传输、发电机、电力需求、土地使用约束、发电机行为、天气数据和发电机成本数据。为了计算出如何最小化成本，NEWS模型将根据现有发电机和长距离输电线路计算出如何在一整年的每小时提供电力。

不过，我们的模型有一些独特之处:一个高压直流(HVDC)传输覆盖层。

在概念上，这与覆盖在道路网络上的州际公路系统非常相似。高压直流技术与传统输电线相比有一个很大的优势:从一个点到另一个点的电力传输损失更少。它使用的是直流电，而不是交流电，并且工作在更高的电压下。

现在美国正在使用高压直流输电。然而，它被作为点对点系统部署到遥远的市场，用于单个(或几个)发电机。其中最著名的是太平洋DC intertie，它将电力从太平洋西北地区运送到洛杉矶，那里有丰富的水电资源，在用电高峰时段提供48%的电力。NEWS模型的不同之处在于，HVDC是部署在一个网络中，而不是简单的点对点配置，这允许更多地利用线路，使电力在多个方向的地区之间流动。

重要的是，NEWS模型并没有假设当前电网应该增加更多的输电线。但如果模型认为经济的话，它确实引入了新的传输能力。有趣的是，NEWS模型在可能的情况下总是选择高压直流输电。为什么?高压直流输电线路的可用性可以形成更大的市场，然后从规模经济中获益。

在实践中，这将意味着，以平原州为例，风力发电机可以向国内需求强劲的地方输出更多电力，如大城市。现在的情况是，风力发电机只支持区域供电，有时在一天中的某些时间提供的电力超过需要的电力。

在一个区域制度中，一个是，堪萨斯州，风和太阳的规模，往往会导致生产过量生产和产量。这导致成本增加，因为风和太阳能发电机需要在过量生产期间缩减或关闭。为了满足生产中的失误，电网运营商需要依靠化石燃料厂的备用生成。

有了全国性的系统，这些发电机可以战略性地放置在美国的邻近地区，以减少这种影响，并降低总体成本。高压直流输电使电力从遥远的地方输送到城市，比传统交流输电损耗更低。

可再生能力方案

为了进行这项研究，我们收集了2006年至2008年三年间每小时的高分辨率天气数据。然后，天气数据被用作复杂的电力算法的输入，以估计全美风力涡轮机和光伏(PV)板可以产生的电力

此外，我们在美国两次上编制了关于电力需求的数据。由于天气是电力需求的基本驱动因素，所以需要。然后我们将需求数据投影为2030。

由于风和太阳能的部署受到许多约束，我们建立了土地使用考虑模型。汇编了土地使用数据集以识别可以部署风和太阳能而不会干扰保护的土地的位置。

利用这些不同的数据集以及2030年发电的预计成本，我们进行了不同的模拟，以研究这些因素如何影响各地区的发电机组合，同时最小化总成本。

减少排放最多的场景是大量部署风能和光伏发电;风能和光伏发电分别为523千兆瓦和371千兆瓦，而2012年这两个数字分别为60千兆瓦和2.5千兆瓦。在这种情况下，只有461 GW的天然气(低于今天)。

这意味着38％的电力来自风，17％的太阳能，21％来自天然气和核和水电的剩余部分。2012年，风占3.5％，太阳能低于1％，天然气30％。

同样，该解决方案是最廉价的解决方案。

要达到太阳能和风能的这一水平——比今天的水平有了重大飞跃——模型中确实需要新的输电线路。

该模型推荐的新HVDC传输量为1.39亿兆瓦英里，这是一项巨大的基础设施工程。这听起来是个巨大的数字，但它只占该系统每年总成本的4%。

那能量储存呢?

新闻模型在整合更高水平风能和太阳能的研究中是独特的，因为它处理了大量的天气数据，同时计算电网的重要方面，如发电机的斜坡限制，发电机的停机时间，输电线路中的电力流动，电力损耗对系统周围的电力进行转移，满足每个市场每小时的需求，以及其他运行约束。此外，该模型不排除任何技术;它只寻求成本最低的选择。

电力可以以多种方式存储，例如从储存器中泵送和释放水或安装大电池组。在初始模型运行中，与添加传输或天然气发生器（纯粹基于成本）相比，使用2030年的成本估计，电存储与2030的成本估计不竞争。

NEWS模型是一种帮助理解如何在保持低成本的同时改造电网的工具。低成本是绝对必要的，因为增加能源成本以减少碳排放会导致经济困难。

在发展脱碳经济和社会的过程中，有许多逆风。但是新闻模型已经表明，结合高压直流电传输，风能和光伏发电实际上可以大大减少电力行业的排放。

即使没有新的奇迹电池或储存行业内的创新，这也是如此，虽然便宜，有效的蓄电池将有助于整合可再生能源。

要从整个经济中删除碳，必须首先脱碳电力。如果它可以以低成本完成，那么其他部门将能够效仿。结合风，太阳能，天然气和传动，是一个可能的桥梁到零排放的未来。

Christopher Clack是国家海洋和大气管理的研究科学家。这篇文章最初出现在谈话。