2021年初，美国政府制定了一个雄心勃勃的目标：到2035年实现全国电网的脱碳。这是应对气候变化的一个重要目标，需要从目前的温室气体生产能源（如煤炭和天然气）转变为主要的可再生能源（如风能和太阳能）。

麻省理工学院信息与决策系统实验室（LIDS）的首席研究科学家Audun Botterud深知，让电网实现零碳将是一项艰巨的任务。这将需要建造大量可再生能源发电机和新的基础设施；设计更好的捕获、存储和携带电力的技术；创造正确的监管和经济激励；等等。网格脱碳也带来了许多计算挑战，这也是Botterud的重点所在。Botterud对电网的不同方面进行了建模，包括能源供应、需求和储存机制，以及电力市场，在这些方面，经济因素可能会对可再生解决方案的采用速度产生巨大影响。

又开又关

脱碳的一个主要挑战是电网的设计和运行必须能够可靠地满足需求。使用可再生能源使情况复杂化，因为风能和太阳能依赖于一个臭名昭著的不稳定系统：天气。晴朗的一天变得灰蒙蒙的，狂风大作，风力涡轮机得到了提升，但太阳能发电厂却处于闲置状态。这将使电网的能源供应可变，难以预测。需要纳入额外资源，包括电池和备用发电机，以规范供应。极端天气事件随着气候变化变得越来越常见，可能会进一步加剧供需紧张。管理可再生能源驱动的电网将需要一些算法，这些算法可以最大限度地减少面临持续、有时是随机波动时的不确定性，从而更好地预测供需情况，指导如何将资源添加到电网中，并告知这些资源在整个美国是如何投入和调度的。

Botterud说：“管理电网供求的问题在一年中每时每刻都会发生，考虑到我们在社会上对电力的依赖程度，我们需要正确处理这一问题。”。“随着可再生能源数量的增加，你不能让可靠性下降，尤其是因为我认为这将导致对采用可再生能源的抵制。”

这就是为什么Botterud感到很幸运能在LIDS从事脱碳工作的原因——尽管在这里的职业生涯并不是他最初计划的。Botterud第一次接触麻省理工学院是在他作为研究生在自己的祖国挪威的时候，当时他作为访问学生在现在的麻省理学学院能源倡议中度过了一年。他可能永远不会回来，除了在麻省理工学院时，波特鲁德遇到了他未来的妻子比尔赫·伊尔迪斯。两人最终都在芝加哥郊外的阿贡国家实验室工作，而波特鲁德则专注于与电力系统和电力市场相关的挑战。然后，伊尔迪兹在麻省理工学院（MIT）获得了一个教职，她是一名核与材料科学与工程教授。波特鲁德和她一起搬回剑桥地区，继续在阿贡远程工作，但他也关注当地的机会。最终，LIDS获得了一个职位，Botterud接手了这个职位，同时保持了与Argonne的联系。

“乍一看，这可能不是一个明显的适合，”波特鲁德说。“我的工作重点是特定应用、电力系统挑战，而LIDS往往更侧重于跨许多不同应用领域使用的基本方法。然而，在LIDS，我的实验室能源分析集团]了解这些基本方法的最新进展，我们可以将其应用于电力和能源问题。LIDS的其他人也在研究能源，因此解决这些重要问题的势头越来越大。”

天气、空间和时间

Botterud的大部分研究都涉及优化，使用数学规划来比较备选方案并找到最佳解决方案。常见的计算挑战包括处理包含不同天气地区、不同类型和数量的可再生能源以及不同基础设施和消费者需求的大地理区域，例如整个美国。另一个挑战是需要精确的时间分辨率，有时甚至达到亚秒级，以考虑能源供应和需求的变化。

通常，Botterud的团队会使用分解来零碎地解决如此大的问题，然后将解决方案拼凑在一起。然而，将系统视为一个整体也很重要。例如，在最近的一篇论文中，Botterud的实验室研究了作为国家脱碳的一部分修建新输电线路的效果。他们对解决方案进行了建模，假设在州、地区或国家层面进行协调，并发现协调建设输电基础设施和配电的地区越多，实现零碳所需的支出就越少。

在其他项目中，Botterud使用博弈论方法研究电力市场中的战略互动。例如，他设计了基于代理的模型来分析电力市场。这些假设是，每个参与者都会根据自己的最大利益做出战略决策，然后模拟他们之间的互动。利益相关方可以使用这些模型来了解在不同的条件和市场规则下会发生什么，这可能会导致公司做出不同的投资决策，或者管理机构发布不同的法规和激励措施。这些选择可以决定电网脱碳的速度。

Botterud还与麻省理工学院化学工程系的研究人员合作，致力于改进电池存储技术。电池将有助于管理可变可再生能源供应，在发电量高的时期捕获剩余能源，在发电不足的时期释放。Botterud的团队对电池在电网中可能经历的充电周期进行建模，以便实验室的化学工程师能够在更现实的场景中测试电池的能力。反过来，这也导致了在电力系统优化模型中更真实地表示电池。

这些只是Botterud致力于解决的一些问题。他享受着解决一系列不同项目的挑战，与从工程师、建筑师到经济学家的每一个人合作。他还认为，这种合作会带来更好的解决方案。气候变化造成的问题是无数而复杂的，解决这些问题需要研究人员合作和探索。

“为了对能源和气候等跨学科问题产生真正的影响，”波特鲁德说，“你需要走出你的研究热点，拓宽你的方法。”

注：本文由院校官方新闻直译，仅供参考，不代表指南者留学态度观点。