在能源儲存系統方面，太陽能和風能與煤電廠競爭。 美聯社照片/梅爾埃文斯
無碳能源：風的答案是什麼？ 或許，但是風並不總是吹，太陽也不會總是閃耀。 風能和太陽能產生的能量是間歇性的，這意味著產生的電能根據天氣而上下波動。
但是，電網的輸出必須是可控的，以匹配消費者逐漸變化的需求。 因此，風能和太陽能的間歇性是電力系統的運營挑戰。
儲能是間歇性可再生能源問題的公認解決方案。 這個想法是當風吹或太陽照射時存儲充電，然後在需要能量時放電。 網格的存儲可以是 化學電池 就像我們在電子設備中使用的那些，但它也可以採取的形式 把水抽到山上 當它流回來或儲存和排放時，到水庫並發電 壓縮空氣 在一個地下洞穴裡。
電網上最廣泛使用的能量存儲形式是將水泵送上坡，然後在高峰時段釋放它以運行動力渦輪機。 Vattenfall公司, CC BY-NC-ND
由於存儲是一種“綠色”技術，政府越來越多地推動公用事業規模和分佈式能源存儲。 例如，11月2017，紐約州州長安德魯科莫簽署了一項法案授權 2030採用存儲的目標。 其他具有類似政策的州是俄勒岡州，馬薩諸塞州，加利福尼亞州 像特斯拉這樣的公司也將存儲系統稱為清潔技術。
但是大型存儲系統是否會降低當前電網的排放量？ 在一個 最近的一項研究，我們發現情況並非如此 - 反映了電力系統的複雜程度。
煤的作用
由於存儲可以使可再生能源滿足不斷變化的需求，我們通常認為該技術本質上是綠色的 - 即通過向電網添加存儲和可再生能源，我們減少溫室氣體排放。 它類似於注意到計算機可以提供教育和生產力的好處，然後假設一個人在計算機上所做的一切都具有教育意義或生產力。 對於能量存儲和計算機，它取決於您如何使用它。
在我們的分析中，我們發現，對於某些網格，增加存儲可以增加碳排放。 雖然乍一看是違反直覺的，但當人們考慮如何操作電網時，這個結果是有意義的。 從廣義上講，整個美國電網都是以電網運營的 一組區域子網格 像拼布被子一樣覆蓋美國。
特斯拉首席執行官埃隆馬斯克在2015中介紹了該公司的電網電池。 美聯社照片/ Ringo HW Chiu
儲能沒有像煤炭或天然氣發電廠那樣的煙囪排放。 但新的存儲會影響電網上其他發電廠的運行，從而導致碳排放量的增加或減少，具體取決於為該地區供電的發電廠類型。
在大多數情況下，美國的存儲系統可以實現利潤最大化。 為了做到這一點，存儲“買得低而且賣得很高。”當需求低時，電力通常很便宜，而白天則更便宜，特別是當人們下班回家並打開一堆電器時。 因此，存儲系統運營商傾向於在晚上購買並在白天銷售。 因此，儲存對排放的淨影響取決於使用何種發電機來滿足夜間與當天的新需求。
在擁有大量煤電的電網中 - 中西部，西部和南部各州 嚴重依賴煤炭 - 煤電廠通常用於滿足夜間需求的微小變化。 天然氣工廠傾向於在白天工作以滿足高峰需求。 在這些電網中，儲存往往會在晚上充滿煤電，在白天取代天然氣發電。
與天然氣相比，煤電是一種更臟的電力來源，每單位發電量的碳排放量約為兩倍。 因此，在新的儲存意味著更多的煤和更少的天然氣生成的地方，儲存將增加來自電網的總碳排放。
在中西部地區，我們發現增加3千兆瓦的存儲容量，足以供應大約500,000美國家庭的電力，相當於每年增加6,700汽車的碳排放量。 隨著更多的存儲空間的增加，碳排放量也會增加。
另一方面，我們發現在紐約這個煤電能力很弱的州，增加儲存可以減少碳排放。 中西部目前是美國最髒的電網，而紐約是最乾淨的電網之一，因此其他地區將介於兩者之間。
綠色並不容易
那麼，網格規劃者如何能夠實現存儲和可再生能源之間幸福婚姻的承諾，假設他們必須住在與陳舊的Uncle Coal一樣的房子裡？
一種可能性是，即使存儲操作以使利潤最大化，向電網添加足夠的風和太陽能也可以抵消煤的影響。 有足夠多的可再生能源，任何形式的儲存 - 例如電池或蓄水池 - 將優先使用太陽能和風能，因為當電力供應超過需求時它們是最便宜的來源。 儲存仍然會使煤炭電力從一夜到晚，但更多的可再生能源將足以彌補額外的排放。
可以設計法規，使儲能係統充滿風能和太陽能的過剩電力，這是使儲存更清潔的一步。 petrmalinak / Shutterstock.com
我們對此進行了研究，發現對於中西部電網而言，當風能和太陽能達到總發電量的18％時，存在一個轉折點：此時，增加存儲開始減少而不是增加排放。 目前的採用水平是10百分比，因此中西部的存儲減少排放需要一些時間。
另一種選擇是改變存儲的運行方式。 例如，在碳價格適中的情況下，不同發電機的成本會發生變化，因此即使在煤炭重的中西部電網中，也不會減少煤電廠的儲存費用。
儘管在不久的將來看起來國家碳稅似乎不太可能，但還有其他途徑可以確保儲存的綠色成果。 例如，各州可以製定鼓勵更多地使用零碳資源而不是煤炭的政策。
無論如何，存儲將始終幫助我們使用更多的低成本電源。 問題是這是煤炭，核能還是可再生能源。
關於作者
Naga Srujana Goteti，能源與可持續發展博士， 羅徹斯特理工學院; Eric Hittinger，公共政策助理教授， 羅徹斯特理工學院和Eric Williams，可持續發展副教授， 羅徹斯特理工學院
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