天然气如何推动可再生能源繁荣

太阳能和风能在美国迅速发展。它们目前约占能源发电量的19%，到2030年可能达到40%以上。这种清洁能源将迅速取代煤炭，许多人预计它也会取代天然气。但这是错误的：事实上，未来几十年太阳能和风能都将依赖天然气。

如今，太阳能和风能的成本相对较低，价格可能还会进一步下降。但它们与化石燃料不同，它们属于所谓的可变可再生能源(VRE)，这意味着它们只有在阳光照射或风吹时才会发电。

有时这种变化是可以预测的。例如，太阳能在夜间不发电，冬季发电量较少。但有些变化是不可预测的；云层覆盖或风旱可能持续数周。只要风能和太阳能占发电量的一小部分，这些“VRE赤字”就不是问题。但随着它们成为主导，当VRE供应量低时，我们如何填补缺口？

电力公司目前正在增加大量短时（4小时）锂离子电池储能，以应对每日和每小时的变化，在需求旺盛的晚上提供足够的电力。能源部预计这一趋势将加速，但尽管这些电池可靠且只需轻轻一按开关即可开启，但它们每次只能解决几个小时的VRE不足问题。

长期VRE缺口则是另一回事。如果缺口持续数周或数月，会发生什么情况？我们如何才能维持电力供应？英国皇家学会等机构的详细研究表明，恶劣天气可能会持续一段时间，导致年度缺口高达电网总发电量的20%（在完全脱碳的电网中）。

目前，当需求激增或供应中断时，我们主要求助于“峰值电厂”——单循环运行的燃气电厂，为涡轮机提供电力。这些电厂的效率低于联合循环燃气轮机电厂(CCGT)，而且它们的能源更昂贵，因此它们被保留下来并提供备用容量，以确保始终有足够的应急电力。通常，电网运营商支付约15%的峰值能源需求作为备用容量。如果少于这个数字，可能会停电。如果多于这个数字，就会浪费金钱。虽然VRE的使用相对较少，但峰值电厂可以弥补VRE的不足。

但随着VRE在整个电网中所占份额越来越大，恶劣天气事件的影响将变得更加紧迫，供电也将变得更加不稳定。VRE占40%的电网将需要更多的保险来保证电力供应。

天然气能源还有其他替代品，比如氢能、水力发电和压缩空气。水力发电运行成本低，是一项成熟且完善的技术，其发电机可以使用数十年。但我们拆除的水坝比新建的多，而且美国对新建的数十座巨型水坝没有兴趣。相反，绿色氢能的效率非常低，需要100KWh的绿色电力才能提供40KWh的储存可调度电力，而且制造和储存成本非常高，运输成本也很昂贵，会造成严重的排放。此外，氢能不会像风能和太阳能那样突然变得更便宜。压缩空气目前的运行效率约为50%。大幅提高需要冷却然后重新加热空气，而当空气长时间储存时，这方面的成本很高。而现在添加到电网中的电化学电池无法提供所需的长持续时间、巨大的可扩展性和低成本的组合。

这样我们就只剩下天然气了。

为了使VRE主导的电网成为可能，必须使用天然气作为VRE短缺的保障。这就是为什么美国能源部预测在清洁能源转型期间，峰值发电厂的容量实际上会增长，以及为什么它预测CCGT容量不会大幅下降。

然而，天然气发电的功能将发生变化。目前，CCGT电厂主要用作稳定基载电力，这是一种100%时间使用的能源，通过峰值电厂可提供额外的容量。随着绿色能源转型全面展开，CCGT电厂将从生产基载电力转变为提供供应中断保障，就像今天的峰值电厂一样。

最终，我们可以希望建立一个零排放的绿色电网。在那个世界里，天然气排放最终将被彻底淘汰。也许天然气将被地热或核聚变等新燃料来源所取代，碳捕获可能会消除天然气发电厂的排放，或者可扩展的存储技术最终可以成熟，从而成为未来的能源保障。但总的来说，很明显我们还没有拥有所需的所有技术，我们需要更加努力地改进这些关键技术，其中许多技术仍未准备好进行全面的商业部署。

与此同时，我们必须明白，在美国，天然气将成为风能和太阳能的关键推动因素，为电网提供风能和太阳能无法提供的可靠性。如果我们认真对待脱碳，那么这就是我们所需要的：对近期和中期有一个现实的看法，投入大量资金开发关键技术，提供廉价可靠的能源，并切实理解天然气在脱碳电网中不断变化但仍然至关重要的作用，未来几十年仍将需要天然气。