太阳能和风能可能是免费的可再生燃料，但它们也依赖于人类无法控制的自然过程。承认可再生能源带来的风险是一回事：太阳并不总是发光，风也不总是吹着，但当电网同时失去这两种能源时会发生什么?

这种现象被称为复合能源干旱。太平洋西北国家实验室(PNNL)的研究人员在一篇新论文中发现，在该国某些地区，能源干旱可能会持续近一周。

“当我们拥有完全脱碳的电网并严重依赖太阳能和风能时，能源干旱可能会对电网产生巨大影响，”PNNL地球科学家、该论文的主要作者卡梅伦·布拉肯(CameronBracken)说。

电网运营商需要知道何时会发生能源干旱，以便他们可以准备从不同来源获取能源。最重要的是，了解能源短缺发生的地点、时间和持续时间将有助于专家管理电网级电池系统，该系统可以存储足够的电力，以便在最需要能源的时候进行部署。

该团队于10月31日在《可再生能源》杂志上发表了研究结果，并将在本周的美国地球物理联盟年会上发表。

寻找阴天、无风的日子

过去，研究人员研究了州或地区范围内的复合能源干旱。然而，在全国范围内进行的研究并不多。为了更多地了解整个美国大陆能源干旱的风险，研究人员深入研究了天气数据，然后使用历史能源需求数据来了解当最需要能源时能源干旱发生的频率。

该团队研究了美国大陆四十年来每小时的天气数据，并重点关注当今太阳能和风能发电厂实际运行的地理区域。天气数据包括风力涡轮机高度的风速以及落在太阳能电池板上的太阳能强度。天气数据显示，空气停滞和天空多云导致风能和太阳能发电厂发电量减少，这是一种复合能源干旱。

Bracken说：“我们基本上拍摄了截至2020年的基础设施快照，并通过从1980年开始的40年天气数据对其进行了分析。”“我们基本上是说，‘这是当前基础设施在历史天气条件下的表现。’”

研究人员发现，美国大陆的任何季节都可能发生能源干旱，尽管其频率和持续时间差异很大。例如，在加利福尼亚州，多云无风的天气可能会持续几天，而在德克萨斯州，同样的天气可能只会持续几个小时。犹他州、科罗拉多州和堪萨斯州经常经历持续数小时和数天的能源干旱。

与此同时，太平洋西北部和东北部地区似乎经历了持续几个小时而不是几天的能源干旱。不同的时间尺度(每小时与每天)将有助于了解能源干旱对电网的影响——它会持续几个小时还是几天?

总体而言，研究人员发现，每小时时间尺度上最长的潜在复合能源干旱为37小时(德克萨斯州)，而每日时间尺度上最长的能源干旱为6天(加利福尼亚州)。

需求高峰时能源短缺

布雷肯说，仅仅了解能源干旱的地点和方式只是谜题的一小部分。他还强调，太阳能和风能的短缺并不一定会导致能源短缺。电网运营商可以转向其他能源，如水力发电、化石燃料或从美国其他地区传输的能源

但随着国家的目标是摆脱化石燃料并更多地依赖太阳能和风能，电网运营商必须了解在电力需求可能超过供应的时期是否会出现能源干旱。气候变化带来了更炎热的夏季和更强烈的冬季风暴，在这些时候，人们不仅需要使用更多的能源来保证安全(用于制冷或供暖)，而且获得电力可能意味着生死攸关。

为了了解能源干旱和能源需求之间可能存在的联系，该团队将他们的历史假设发电数据映射到40年的历史能源需求数据上，这些数据也涵盖了整个非洲大陆的真实发电厂。

布雷肯说，数据显示，“风能和太阳能干旱在需求高峰期间发生的情况比你预期的要多，这意味着电力需求旺盛时往往会出现无风和无云的时期。”目前，布雷肯不确定这种相关性是否意味着因果关系。

布拉肯说：“这可能是由于众所周知的气象现象造成的，例如逆温抑制风和气温升高，但还需要进一步研究。”

能源储存应对能源短缺

PNNL地球科学家、该论文的合著者NathalieVoisin表示，研究能源干旱的频率和持续时间模式也将有助于为长期储能项目的部署提供信息。该论文首次对什么是复合能源干旱以及该干旱在全国不同地区会持续多久提供了统一标准。

“我们正在提供有关如何充分设计和管理多日存储的见解。因此，当您知道能源短缺将持续五个小时或五天时，您可以激励对存储进行相应的管理，”沃赞说。

接下来，布雷肯和团队将推断未来的天气和需求数据，看看气候变化将如何影响能源干旱的频率和持续时间。该团队计划结合不断发展的基础设施对一直到本世纪末的能源干旱进行建模。