今年6月份《IEEE综览（IEEE Spectrum）》网站刊发了一篇长篇报道，详细记录了活力新能源公司（Vibrant Clean Energy）的CEO克里斯托弗·克拉克领衔的21位气候和电力领域的专家与斯坦福大学马克·雅各布森教授之间的互撕大战。
双方争论的焦点在于如何实现美国电网的未来发展之路。雅各布森教授认为未来美国电网需要完全脱碳，全部依靠风能、太阳能，水电，储能以及其他清洁能源供电；而克拉克则认为雅各布森教授的研究结论是不现实的，未来美国电网还是离不开火电和核电的，至于火电的排放问题，可以采用脱碳技术解决。
对于化石能源还是清洁能源作为美国能源供应的核心一直都是美国能源界争论的焦点。美国总统特朗普宣布退出“巴黎气候协定”更是把两个能源发展的路线之争推到了白热化的程度。
其实学术争论是再正常不过的了，学术圈里面的刀光剑影也是见怪不怪。但是这一次双方基本上都是赤膊上阵了，你来我往好不精彩。既然涉及到了美国未来的能源发展路线，还是有些看头的。各位吃瓜群众坐好，听我给您慢慢道来。
一切都要从雅各布森教授的研究说起。
2015年，雅各布森教授分别在顶级期刊《能源与环境科学》（IF=29.5）和《美国国家科学院院刊》（IF=9.6）上发表了“100% clean and renewable wind, water, and sunlight (WWS) all-sector energy roadmaps for the 50 United States”和“Low-cost solution to the grid reliability problem with100% penetration of intermittent wind, water, and solar for all purposes”。前一篇详细规划了美国各州实现100%清洁能源供电的路线图，后一篇则论证了100%清洁能源的合理性以及实现转型后电网的安全运行。
完全零排放，100%新能源，多么政治正确，多么伟光正啊，看论文时都能感受到雅各布森教授写作时的激情澎湃。其中第一篇文章洋洋洒洒的写了132页！通读之后发现，雅各布森教授的研究主要集中在以下几个方面：
（1）到2050年的时候，美国的能源100%由风能，太阳能，以及水能提供，辅助以各种储能设施（电池储能除外）和需求响应从而实现零碳排放；
（2）多种低价储能策略将会用来弥补系统中新能源供电的波动。储能方式分别为：压缩空气储能，冰储能，地下热储能，抽水储能，以及氢储能。但是为了达到低成本的目标，电池储能是不予考虑的；
（3）文章对于供电和用电的规划主要基于其所开发的Loadmatch算法，此算法的核心目标是保证系统中的负荷和供电的平衡；
（4）100%新能源供电的电力系统的运行策略是：首先优先使用风光水的供电来满足负荷的需求；其次，对于多于风光水的负荷，如果是可进行需求响应的负荷则管理负荷推迟供电，如果不能进行需求响应则使用储能对其供电，从而满足负荷的要求。
雅各布森教授的模型也模拟了2055年时100%新能源供电的电网的运行。下图展示了电网在冬季中四天的运行状况。其中A图是电网的负荷和发电曲线；B图是各种源的发电和发热曲线；C图是各种负载，储能，以及损耗的需求曲线。
按照雅各布森教授的计划，美国将会按照下面曲线的发展，最终在2050年踏上100%清洁能源的康庄大道，实现零排放。
此外，雅各布森教授还基于他的研究和美国国家地理杂志共同推出了一个网页来展示其在第一篇文章中所设计的美国各州的100%新能源之路。不得不称赞的是网页设计的清楚明了，让人一眼就能感受到新能源发展的势在必行。
理想是丰满的，现实却总是骨感的。克拉克和来自于包括斯坦佛大学，加州大学伯克利分校，加州大学圣地亚哥分校，卡内基梅隆大学等名校的一共21名新能源和环境保护方面的学者对雅各布森教授的研究提出了严重质疑。他们认为雅各布森教授只是提出了一种假设，却忽视了物理上的可行性。克拉克称雅各布森教授的研究，充其量只能称为一个有意思探索，而且所采用的假设还是漏洞百出。克拉克等将他们的质疑也发表在了《美国国家科学院院刊》上面，指出雅各布森教授研究的主要问题在于：
（1）雅各布森教授过于依赖于水电容量的过度扩张。在图1中，在100%新能源的系统中，水电需要在太阳落山时迅速启动，并要提供大约1300GW的峰值功率，而这一数值是现在美国现存水电发电量的15倍。这些新增的水轮机是专门为了给风、光做备用电源使用的，并且要保证有充足的储水才能弥补风、光波动造成的发电不足。要在短短的35年就将水电扩容14倍的确是一个巨大的挑战，而雅各布森教授也没有考虑到水电扩容之后所带来的其他的生态危机。
（2）风、光、水、储等新增能源的建设都是极端巨大的。如下图所示，新增的风、光、水、储的容量将分别是2015年已有容量的33倍，271倍，13倍，以及113倍；
（3）即使各种新增能源能够在2050年扩容到所需要的容量，但能不能将这些新增的清洁能源的发电输送出来又是另外一个问题。和中国一样，美国的水电、风电也是远离负荷中心的，要将发电输送到用电量大的地方就必须大批建设高压输电工程。而这些输电工程的投资之巨，建设周期之长，建设难度之大，也是在雅各布森教授的研究中没有考虑到的；
（4）雅各布森教授的研究为了追求零排放和低成本，采用了包括地下热储能和相变材料储能等技术。但这些技术还没有成熟到可以大规模商用。雅各布森教授的研究中每一个家庭都会有一套地下热储能的假设更是不可能实现的。如果缺少了储能设施这么关键的一环，那么新能源发电的波动性就无法弥补，100%新能源的实现更是天方夜谭；
（5）大规模新装的风机所需的土地也是无法实现的。雅各布森教授的研究中共计需要50万平方公里的土地，占美国国土面积达到了6%。再加上新建太阳能电厂所需的土地，需求量会更大；
（6）雅各布森教授提出的Loadmatch模型仅仅考虑了系统中的发电与负荷的平衡，但却忽略了有功与无功的潮流，频率与电压的控制，以及运行和规划的备用等保证系统能够稳定运行的一切要求。
基于这些问题，克拉克认为雅各布森的研究是没有足够和实际的分析的，完全没有应用价值，当然此基础上提出的100%新能源的实现路径也就是无稽之谈了。
面对如此尖锐的打脸，雅各布森教授简直是叔可忍婶不可忍。斯坦福教授也不是吃素的，直言不讳的说，克拉克的攻击“最卑鄙的学术欺诈”。并且写了一篇抗辩文章回应克拉克的攻击。不过通读之后，雅各布森教授的抗辩还是无法解决其研究在现实应用方面的缺陷，我也就不在此赘述了，有兴趣的可以下载来读读。
要建立全面新能源供电系统的设想在雅各布森教授之前其实已经被多次提出了。早在2014年夏威夷州就提出要在2050年实现100%的新能源供电。但夏威夷作为一个远离美国本土的由几个岛组成的州和整个美国本土的情况还是不一样。美国在2016年总的用电量接近4万亿千瓦时，而包括水电在内的清洁能源只提供了其中的15%，因此要在2050年转变为100%新能源供电，难度之大是无法想象的。
除了建设难度之外，更重要的是要经济上的可持续发展。美国电力工业主要由市场推动其发展，进展比较缓慢。即使是新的技术如果没有市场需求的话也是很难推广的。像需求侧相应，电池储能以及微电网等技术也是在寻找到新的商业模式之后才开始火起来的。的简言之，美国的电力工业是自下而上的发展模式，与雅各布森教授企图通过顶层设计然后向下推广的路线是根本矛盾的。如果没有市场的响应，即使设计的很理想恐怕也不可能得到推广的。
另外，无论是雅各布森还是克拉克的研究都忽视了另外一个重要的能量来源--天然气。由于天然气价格的大幅下降，以及其本身所具有的启动速度快，排放低，效率高等优点，近年来得到了越来越多的重视，并新建了很多天燃气电厂。在美国能源信息署做的预测中，2040年天然气发电在电网中将占比38%。对比来说，美国能源信息署所做的预测才是符合市场发展预期的，也更有指导意义。
一切的争论都是源于减少二氧化碳的目标。既然不符合市场和现实的要求，雅各布森教授研究的实现必须要政府的大力投资和强制行政干预了。这不禁让我想起来发生在20世纪80年代发生在美国的一个真实案例，记录在《干净的煤和肮脏的空气》这本书中。
当时的美国有两种工业用煤。东部生产的煤价格便宜，但是含硫量高，杂质多，效率低，污染也严重；而在西部生产的煤含硫量低，杂质少，效率高，污染小，但是价格比较贵。当时很多工厂其实比较乐于购买西部的煤，虽然贵一些，但是效率高，污染小。东部的煤矿主因为竞争力较低，收益也就下降了。为了抢夺市场，他们就想了一个办法，联合起来游说政府增加环保力度。政府就颁布了环保条例，强迫要求所有烧煤的工厂安装一种昂贵的过滤器。当工厂迫于压力装了这种昂贵的过滤器以后，导致他们的生产成本上升，也就没有积极性去买那些污染少，但价格较贵的西部的煤了。为了降低成本只好去买那些污染严重的东部的煤。最后的结果当然是是空气质量不但没有变好，反而更加糟糕了。
不知道你从这个故事中都到了什么，希望这篇文章能够给你一些启发。
参考文献：
[1] Peter Fairley, "Can the U.S. Grid Work With 100% Renewables? There's a Scientific Fight Brewing", IEEE Spectrum.
[2] Mark Jacobson, et al., "Low-cost solution to the grid reliability problem", Proceedings of the National Academy of Sciences.
[3] Mark Jacobson, et al., "100% clean and renewable wind, water, and sunlight (WWS) all-sector energy roadmaps for the 50 United States", Energy & Environmental Science.
[4] Mark Jacobson, et al., "The United States can keep the grid stable at low cost with 100% clean, renewable energy in all sectors despite inaccurate claims", Proceedings of the National Academy of Sciences.
[5] Christopher Clack, et al., "Evaluation of a proposal for reliable low-cost grid power with 100% wind, water, and solar", Proceedings of the National Academy of Sciences.
