假設您想研究一些大的東西，例如社區電網、大型管道系統或縱橫交錯的整個美國的道路，但它們都不存在，至少現在還不存在。您如何研究這些看不見的迷宮以確保它們安全且有效率？

好問題，答案如下：您可以在國家再生能源實驗室 (NREL) 的一個名為綜合能源系統高級研究（簡稱 ARIES）的平台上進行這項工作。

NREL 的專家建立了一個研究平台，可以對整個電網（無論是現有的還是理論的）進行 3D 模擬，其中包含數千甚至數百萬種不同的能源技術。例如，研究人員可以用以下內容填充現有網格風力渦輪機,太陽能板、電池、核設施、電動車，甚至是手機等智慧型設備，看看它們如何影響我們未來的電網。

但直到最近，一塊網格拼圖還沒有很好的體現。

“缺少的部分是：我們如何模擬或表示水力設備？”羅布·霍夫薩皮安 (Rob Hovsapian) 說道機械工程師NREL 和 ARIES 研究顧問幫忙介紹了水力發電進入平台。

借助 ARIES，研究人員可以對幾乎任何未來的電網場景進行演練和規劃。例如：大量的再生能源如何影響不同的社區電網？水力發電如何幫助我們的電力系統抵禦颶風、寒流、網路攻擊和其他幹擾？

“它使我們能夠實現那些‘假設’場景，”Hovsapian 說。“在現實世界中，你受到的限制是有限的。”

現在，我們可以問關於水力發電技術的“假設”，例如水力發電和新興的海洋能源（有時稱為海洋能源因為它通常來自強大的海浪、洋流和潮汐，但它也可以指來自河流的能量）。

儘管差異很大，但這兩種水力技術都能產生可預測的能源，使它們成為更多可變能源的可靠合作夥伴，例如風能和太陽能。這些再生能源，以及儲能（如電池），已經成為 ARIES 的一部分已有一段時間了。是時候在混合物中撒一點水了。

「現在我們可以使用 ARIES 來模擬水力發電，我們可以研究更多地點的更多場景，甚至潛在的未來能源系統，」ARIES 實驗室專案經理 Jerry Davis 說。“我們希望盡可能多地代表可再生能源。”

但這比聽起來更難。

水力發電模擬器幫助阿拉斯加偏遠村莊

當漁民返回阿拉斯加科爾多瓦偏遠村莊的港口時，他們進入了一個充滿桅杆尖刺的海灣，這些尖刺類似於數百個迷你教堂的尖頂。

這些漁民——科爾多瓦有很多漁民——帶來了鮭魚、比目魚、岩魚和鱒魚，但也帶來了一些不太理想的東西：捕撈量增加了 400%能源需求，這可能會給小村莊的微電網帶來壓力，微電網是一個獨立的電力系統，僅依賴兩個水力發電廠和柴油發電機（柴油必須通過空運或船運進入，通常費用高昂）。

這是一個問題。

科爾多瓦的微型電網及其所提供的一切，包括醫院和家庭，很容易受到夏季魚類盛產和阿拉斯加危險的寒冷冬季以及雪崩和乾旱等極端天氣事件導致的能源需求激增的影響。該村莊需要解決方案——讓微電網適應所有這些變化，從而使能源供應與需求相匹配，特別是當他們的經濟或生活依賴能源供應時。

但你不能簡單地修補這樣一個關鍵的系統，希望你的操作不會造成停電或無法挽回的損害。你也不能研究不存在的東西，例如尚未安裝的電池或太陽能板。

這就是 NREL 和 ARIES 發揮作用的地方。

那個村莊曾是首批直接受益於 ARIES 水力發電仿真平台的社區之一，與 ARIES 的其他部分一樣，它依靠硬體和軟體來準確模擬小鎮能源設備的蜘蛛網。

ARIES 的軟體程式基於真實世界的數據，可以模擬實際的電網（如 Cordova 的微電網），因此研究人員可以在電腦模擬的安全情況下操縱 Cordova 系統。很快，ARIES 還將能夠將水力發電機等實際硬體連接到這些虛擬模擬，以便系統可以接收來自真實技術的即時回饋並從中學習。

對於水力發電，ARIES 的模擬能力尤其有價值。儘管研究人員可以在實驗室現場安裝實驗性太陽能板和風力渦輪機，但他們無法複製水力發電廠——它們太大，而且對於某些河流地點或地理位置來說太具體。

相反，NREL 的高級研究工程師 Mayank Panwar 和 Hovsapian 構建了他們所謂的即時水電模擬平台，可以即時模擬現實世界的水力發電設施——水電模擬器中的一秒相當於現實世界中的一秒。截至目前，他們的 2.5 兆瓦模擬器使用來自實際水力發電廠（包括科爾多瓦的水力發電廠）的數據來為其模擬提供資訊。

Hovsapian 表示：“隨著我們為 ARIES 添加越來越多的技術，風能和太陽能等電網的可變性和不確定性也越來越多，水力發電將在提供電網穩定性方面發揮關鍵作用。”“但是我們如何量化這一點？白羊座將是我們做到這一點的理想環境。”

借助 ARIES，Hovsapian 可以提出更多「假設」問題，例如如果科爾多瓦的這座水力發電廠配備 10 兆瓦電池或 3 兆瓦太陽能電池板（而不是 1 個）會怎樣？這些變化如何影響電網的可靠性？感謝 ARIES，Cordova 找到了答案，並且還擁有了更具彈性的網格。

Hovsapian 說，世界上沒有其他系統可以完成這種即插即用的模擬。

受益的不僅是水力發電。

快速將海洋能源輸送到社區

海洋能源仍處於開發的早期階段，但對於擁有充足流動水而幾乎沒有其他東西的社區來說，這些技術可以成為寶貴的清潔能源來源。與科爾多瓦一樣，阿拉斯加的伊吉吉村也依賴昂貴的柴油運輸。緬因州沿海的許多島嶼社區在天氣惡劣時都難以維持穩定的電力。

夏威夷社區的能源成本通常高於該國其他地區，也常常依賴昂貴的進口燃料。

然而，所有這三個地區都有一個強大的共同點：大量的水。借助來自河流、波浪和潮汐的能源，每個社區都可以提高其能源彈性，並有可能實現其清潔能源目標。

只有一個問題：在社區選擇安裝這些新興設備之一之前，他們需要對這些技術能夠兌現其承諾有更大的信心——而這正是 ARIES 所能提供的。

戴維斯說：“我們使命的一個重要部分是降低能源技術的風險，以便社區可以放心地部署它們。”

NREL 實驗室的研究工程師 Kumaraguru Prabakar 表示，研究人員正在研究海洋能源技術，「以確保現場不會出現故障」。“即使小型河流發電機為小房子供電，它也在為電網供電，所以你必須確保它是安全的。”

為此，以及更複雜的分析，他需要 ARIES。

目前，普拉巴卡正在研究海洋能源技術如何融入現有電網。水流往往是一致的，但河流仍然會遭受冰凍和乾旱的影響。波浪和潮汐是可以預測的，但並不總是全天或全年產生相同數量的電力。

借助 ARIES，普拉巴卡可以評估這些變化如何影響不同的電力系統，以及其他解決方案（例如以綠氫儲存的能源）是否可以平衡這些波動。

白羊座最大的禮物可能是時間。普拉巴卡說，在過去十年中，研究人員通常需要數年時間來驗證新能源技術。但現在，有了 ARIES，專家們可以顯著加快這一過程（ARIES 甚至可以與其他國家實驗室的類似模擬器配對，以獲取更多數據、功能和答案）。

速度對於加速海洋能源技術的發展尤其重要，這樣它們才能幫助儘早應對氣候變遷。

「如果有人提出增加水力發電的想法，他們應該能夠在不到 12 個月的時間內部署它，」普拉巴卡說。

「這很令人興奮，」霍夫薩皮安補充道。“即將發生很多變化，ARIES 可以幫助我們做好準備。”