对于一些人来说，对未来由清洁、可再生能源驱动的愿景被对间歇性电力供应导致的停电的恐惧所蒙蔽。根据斯坦福大学的一项新研究，这些担心是错误的，该研究分析了多种情况下的电网稳定性，在这些情况下，风能、水能和太阳能资源为美国所有用途的能源需求提供100%的电力。这篇刚刚发表在《可再生能源》上的论文发现，一个以风能、水能和太阳能为基础的能源系统加上存储，可以避免停电，降低能源需求和消费成本，同时创造数百万个就业机会，改善人们的健康，并减少土地需求。

"这项研究是第一个研究美国所有电网区域和许多单个州在所有能源电气化并只用清洁和可再生的能源提供电力后的电网稳定性，这意味着没有化石燃料、碳捕获、直接空气捕获、生物能源、蓝色氢气或核能。"研究的主要作者、斯坦福大学土木与环境工程教授马克-Z-雅各布森说。

想象一下，所有的汽车和卡车都以电动马达或氢燃料电池为动力，电热泵取代燃气炉和热水器，风力涡轮机和太阳能电池板取代煤炭和天然气发电厂。该研究设想在2050年和2051年，在电力、交通、建筑和工业部门实现这些以及更多的转变。雅各布森和他的合作者说，这种情况并不像它看起来那么牵强。风力、水力和太阳能已经占到美国电力的近20%，15个州和地区以及180多个美国城市已经颁布了政策，要求电力部门几乎全部采用可再生能源，以及其他向清洁、可再生能源大规模转变的迹象。

这种转变的批评者指出，在2020年8月加州和2021年2月德克萨斯州的极端天气事件中，电网停电，证明可再生电力不能被信任为稳定的电力。研究人员表示，虽然在这两次事件中，没有发现可再生能源比其他能源更脆弱，但对停电增加的恐惧仍然很大，他们的目的是在更大范围内评估这一争论。

在之前为美国50个州进行的2015年可再生能源路线图研究的基础上，研究人员考察了如何满足两年内每30秒的连续能源需求。他们对六个单独的州--阿拉斯加和夏威夷，这些州是孤立的，加利福尼亚、德克萨斯、纽约和佛罗里达，这些大州彼此相距遥远，受不同的天气条件影响--以及美国所有互联的电网区域和整个美国的毗连地区进行了模拟。

他们的设想是大规模扩大海上风力涡轮机和屋顶太阳能电池板以及陆上风力涡轮机、公用事业太阳能电池板和集中式太阳能发电站。这些方案还包括一些新的地热，但没有新的水电基础设施。总的来说，他们发现新的发电设备将占用美国约0.84%的土地，而目前化石燃料行业占用的土地约为1.3%。

在这些情况下，研究人员进一步发现，人均家庭年能源成本比 "一切照旧 "的情况下减少了近63%。在一些州，成本下降高达79%。在美国过渡一切的投资成本从接近9万亿美元到11万亿美元不等，这取决于各地区的互联程度。然而，这将通过能源销售和与不过渡相比每年节省的成本来支付。事实上，仅根据能源成本的节省，投资回报时间可能短至5年。

越来越大的地理区域的互联使电力供应更加顺畅，成本更低，因为它提高了可用的风能、太阳能和水能的机会，减少了对额外的风力涡轮机、太阳能电池板和电池的需求。

该研究的一个重要发现是，长时间的电池既不需要也无助于保持电网的稳定。相反，通过将目前可用的存储时间为4小时或更少的电池连接起来，可以获得电网的稳定性。当短时电池连续使用时，将它们连接在一起可以提供长期存储。它们也可以同时放电，以满足短时间内的高峰需求。换句话说，短时电池既可用于短时间内的大需求高峰，也可用于长时间的低需求高峰，或介于两者之间的任何情况。

该研究还发现，建设和运营一个完全清洁的可再生电网可能会在各个能源部门创造约470万个长期的全职工作，如建筑和组件制造，以及商店、餐馆和其他企业的间接就业。研究人员发现，在2050年，更清洁的空气将使每年约53200人免于与污染有关的死亡，还有数百万人免于与污染有关的疾病，每年节省约7000亿美元的健康费用。

研究人员的模拟表明，由于清洁、可再生的电网，加利福尼亚和德克萨斯州的停电可以以较低的成本避免。部分原因是，通过使所有能源部门电气化并以清洁、可再生能源提供电力，加州的能源需求减少了60%，德克萨斯州减少了57%。第二个原因是，当风不吹的时候，白天往往是阳光灿烂，反之亦然，所以使用两者有助于以供应满足需求。第三，给人们提供经济激励，让他们在一天中的某些时间不用电，有助于转移电力需求的高峰时间。第四，当风能和太阳能无法使用时，使用存储有助于填补供应缺口。第五，在寒流期间，平均风力较强，因此增加风能有助于满足冬季建筑供热需求的高峰。第六，地下季节性储热有助于满足冬季的热需求。这后两项对德克萨斯州特别有帮助。

为了避免加州夏季停电，该研究建议增加海上风力涡轮机，因为夏季加州海上的风速最快，特别是在下午和傍晚时分，由于太阳能发电量的下降，最容易发生停电。

研究报告的共同作者、斯坦福大学土木与环境工程专业的博士生安娜-卡塔琳娜-冯-克劳兰德说："如果我们能够聚集意志力，以符合实现零碳系统的紧迫性的速度进行转型，那么我们可以获得很多好处。"