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

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。使用可再生能源使这一点变得复杂，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。阳光明媚的日子变得阴沉而狂风大作，风力涡轮机得到提升，但太阳能发电场却闲置了。这将使电网的能源供应多变且难以预测。需要整合其他资源，包括电池和备用发电机，以调节供应。随着气候变化而变得越来越普遍的极端天气事件可能进一步加剧供需双方的压力。管理可再生能源驱动的电网将需要能够在面对持续的、有时是随机的波动时最大限度地减少不确定性的算法，以便更好地预测供需，

“管理电网供需的问题必须在全年每时每刻都在发生，考虑到我们在社会上对电力的依赖程度，我们需要解决这个问题，”Botterud 说。“当你增加可再生能源的数量时，你不能让可靠性下降，特别是因为我认为这会导致对采用可再生能源的抵制。”

这就是为什么 Botterud 对能够在 LIDS 研究脱碳问题感到幸运——尽管在这里的职业并不是他最初计划的。Botterud 在麻省理工学院的第一次经历是在他的祖国挪威读研究生期间，当时他以访问学生的身份参加了现在称为麻省理工学院能源计划的一年。他可能永远不会回来，除非在麻省理工学院期间，Botterud 遇到了他未来的妻子 Bilge Yildiz。两人最终都在芝加哥郊外的阿贡国家实验室工作，Botterud 专注于与电力系统和电力市场相关的挑战。然后 Yildiz 在麻省理工学院获得了教职，她是核与材料科学与工程教授。Botterud 和她一起搬回了剑桥地区，继续远程为阿贡工作，但他也密切关注当地的机会。最终，LIDS 的一个职位空缺，Botterud 接受了这个职位，同时保持与阿贡的联系。

“乍一看，这可能不是很合适，”Botterud 说。“我的工作非常专注于特定应用、电力系统挑战，而 LIDS 往往更专注于在许多不同应用领域使用的基本方法。然而，在 LIDS，我的实验室 [能源分析小组] 可以获得这些基本方法的最新进展，我们可以将它们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、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地区的大地理区域——例如整个美国。另一个挑战是需要精细的时间分辨率，有时甚至低至亚秒级，以应对能源供需的变化。

通常，Botterud 的团队会使用分解来零碎地解决此类大问题，然后将解决方案拼凑在一起。但是，将系统作为一个整体来考虑也很重要。例如，在最近的一篇论文中，Botterud 的实验室研究了建设新输电线路作为国家脱碳的一部分的影响。他们模拟了假设在州、地区或国家层面进行协调的解决方案，并发现越多的地区协调建设输电基础设施和分配电力，他们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，他设计了基于主体的模型来分析电力市场。这些假设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。有兴趣的人士可以使用这些模型看看在不同条件和市场规则下会发生什么，这可能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，他们致力于改进电池存储技术。电池将通过在高发电量期间捕获剩余能量以在发电量不足期间释放来帮助管理可变的可再生能源供应。Botterud 的团队模拟了电池在电网中可能经历的充电循环，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 致力于解决的部分问题。他喜欢应对各种不同项目的挑战，与从工程师到建筑师再到经济学家的所有人合作。他还认为，这种合作会带来更好的解决方案。气候变化带来的问题纷繁复杂，解决这些问题需要研究人员的合作和探索。