摘要：NREL 研究人员 Swaroop Atnoorkar（右）、Shubhankar Upasani（中）和 Guilherme Castelao 查看数据分析。照片由 Agata Bogucka， NREL拍摄
NREL 研究人员 Swaroop Atnoorkar（右）、Shubhankar Upasani（中）和 Guilherme Castelao 查看数据分析。照片由 Agata Bogucka， NREL 拍摄
“当你看可再生能源时，并非一切都是线性的，”Swaroop Atnoorkar 说， 美国能源部 （DOE） 国家可再生能源实验室的分析师 （NREL） 的“技术通常在复杂的系统中运行，其中有许多活动部件 背景。
Atnoorkar 在她的研究中依赖于对清洁能源系统复杂性的理解 关于生物燃料经济学和供应链。像她这样的研究是理解的关键一步 使用任何给定技术做出的每个决定如何影响其发展。
但是，研究人员如何检查 给定的系统，它们如何变化，以及这些变化最终如何导致不同的 系统中较长时间的行为？而这个类型到底是什么 的研究信息？
这些问题的答案可能在于已知的复杂建模方法 作为系统动态。
自 1950 年代由马萨诸塞州教授 Jay W. Forrester 创建以来 Institute of Technology 的 Sys Dynamics，系统动力学已成为一种久经考验的理解方法 复杂系统在存量、流量和反馈循环方面的行为 将他们联系在一起。
系统动力学模型的简化和通用示例说明了复杂性 生物燃料供应和生产链中可能发生的相互作用，包括 原料、转化途径和生物燃料供应模块。图片由 Liz Craig， NREL 提供
将这种关系想象成种植玉米等作物。玉米的生长 田地（一种流动）由反馈过程控制，包括浇水和养分 可用性。当玉米库存被收割时，其他反馈回路控制 残留物的分解和养分返回土壤。
在 Forrester 开发它时，系统动力学研究已应用于企业 通用电气工厂的管理问题。研究企业管理问题 在 1960 年代一直是它的主要应用，直到研究人员扩大了其 用于研究其他更大规模的社会问题。最初，这些模拟 的库存流反馈结构使用命令行程序进行，可视化 使用手绘图表，并展示了内部管理决策如何影响 库存和人力资源系统的动态。现在，它的应用程序包括检查 从公共卫生到可再生能源系统，无所不包。
“许多 System Dynamics 的早期用户都知道它的潜力远大于 它最初的业务管理用途，“代理实验室项目 Bobby Jeffers 说 NREL 能源系统集成局经理。“我们一直在努力 回答问题：“真正控制系统的反馈循环是什么 并使其走上某种轨道？我们正在努力鼓励良性循环 它们建立在自身之上，同时找到允许事物发展的抑制循环 可持续地。
Jeffers 专门从事系统动力学研究。他和 NREL 的其他研究人员， 像 Atnoorkar 一样，现在使用计算机建模来探索 系统结构的各种元素。
NREL 项目经理 Bobby Jeffers 在研讨会期间主持会议 由能源安全和复原力计划办公室提供。照片由 Joe DelNero 拍摄
Atnoorkar 是研究团队的新成员之一，致力于寻找新方法 进行 NREL 的生物燃料开发。
在过去的十年中，为深入了解生物燃料所做的大部分工作 市场已经使用了 NREL 的生物能源情景模型 （BSM），该模型由美国能源部 （DOE） 生物能源技术办公室 （BETO） 资助。系统动力学协会获奖模型跟踪生物燃料的部署 以及各种影响对生物燃料市场的影响，例如消费者的变化 原料的需求、政府政策和土地可用性。它动态建模 这些要素是美国国内生物燃料供应链的一部分。
“油价、生物燃料需求和资源成本等因素总是在波动——有时 不可预测，并且每个 Cookie 的变化都会产生不同的结果，尤其是在 全国范围内，“Atnoorkar 说。
NREL 和 BETO 历来使用 BSM 来为高级 生物燃料。目前，它帮助像 Atnoorkar 这样的研究人员深入了解美国。 生物燃料市场增长并研究生物燃料更广泛扩张的潜在障碍 技术。这些技术包括创造可持续航空的技术 燃料。
NREL 的系统动力学研究有助于为周围的发展和政策提供信息 美国各地机场使用的可持续航空燃料。照片来自 Getty Images
“现在许多机场都有可持续发展目标，他们想确定这些目标是否 目标是可行的，“Atnoorkar 说。“当 BSM 对潜在的生物燃料进行分析 全国范围内的供应，我们在区域范围内所做的分析也可以提供帮助 港口和机场决定他们的生物燃料采购。
为此，NREL 正在进行的系统动力学研究最终起到了帮助作用 为围绕低碳燃料标准的政策策略提供信息。其中很大一部分 研究是可持续航空燃料 （SAF） 大挑战——由 DOE、美国农业部、美国交通部、 以及其他旨在刺激商业 SAF 生产扩张的联邦机构 技术。
至关重要的是，SAF 大挑战的目标是将生命周期至少缩短 50% 温室气体排放和增加 SAF 供应以满足 100% 的航空燃料需求 到 2050 年。
“BSM 现在被用来研究我们如何实现这些目标以及实现什么 可能需要克服各种障碍，“NREL 战略 Emily Newes 说 Energy Analysis Center 的集成建模和经济分析组经理。
NREL 集成建模和经济分析组经理 Emily Newes 领导 研究航空和海上生物燃料供应链和政策问题的团队。照片由 NREL 的 Dennis Schroeder 拍摄
Newes 广泛使用系统动力学模型，为潜在的生物燃料提供信息 部署，特别是 SAF 大挑战和海事应用的生物燃料。 这些模型正在回答有关资源中所有内容如何变化的问题 最终需要建造炼油厂以获得不同类型的潜在原料 影响正在制定的策略和决策。
“它有助于告诉我们可能存在哪些障碍，以便我们可以帮助找到解决方案 通过政策或行业来克服它们，“纽斯说。
系统动力学模型也为 NREL 的电池储能研究提供了信息。 该领域使用的关键建模框架是锂离子电池资源评估 （LIBRA） 模型。LIBRA 在 NREL 了解锂离子供应链的工作中至关重要 电池，它已成为未来电动汽车数量增加的关键组成部分 （电动汽车） 在路上。
“当我们谈论这个国家和全球的制造业需求时， 你不能一次只看一种技术，“NREL 的供应链分析主管 “玛吉·曼恩说。“当我们谈论电池时，我们关注的是钴的含量， 制造它们需要镍和锂，以及对它们的需求 其他技术的材料相同。
NREL 的系统动力学建模检查了原材料的供应链，例如 用于电动汽车电池的锂。照片来自 Getty Images
Mann 是开创和开发 LIBRA 模型的团队的一员。它为用户提供 研究电池供应链变化的长期影响的方法 适用于多种 EV 电池类型、消费电子产品和公用事业规模的存储系统。
通过检查成本、原材料和不断变化的政策等要素 在国内和国际范围内，LIBRA 都提供了宝贵的见解 进入美国电池回收供应链。然后，这些见解为制造提供信息 以及清洁能源领域的行业实践和政策决策。
除了 LIBRA 模型，NREL 的供应链研究人员和 Mann 一样，也在 开发递归增长集成网络 （RING） 模型，该模型支持 NREL 的制图、建模和分析联盟 （MMAC）。该模型专为美国能源部的制造和能源供应链 （MESC） 办公室设计，用于计算如何将每项产出循环回供应链本身。 那是什么意思？
“假设你想看看制造了多少电池，然后浏览他们的 生命，走到他们生命的尽头，而你想回收它们，所以原材料 电池组件重新投入生产，“Mann 说。“系统动力学可以 允许这些类型的递归计算，并帮助我们展望 10 到 12 年 查看对制造电池的总需求减去原材料 回收的。
RING 和 LIBRA 模型都有助于研究人员回答“如何 回收电池会对我们需要生产的新材料数量产生多大影响吗？ 每个模型都有助于通过以下方式为电池生产和政策背后的决策提供信息 2050 年，并量化回收对减少美国的影响 对外国资源的依赖。
NREL 决策支持分析组经理 Maggie Mann 介绍她的研究 提交给协调研究委员会可持续交通研讨会的一个小组。摄影：Werner Slocum， NREL
Atnoorkar、Jeffers、Mann、Newes 和其他人在供应链方面所做的大部分研究 以系统动力学为中心。由于它们的镜头较宽，BSM、 LIBRA 和 RING 通常用于制定新技术部署策略。
就 BSM 而言，生物能源庞大而全面的性质使其更难集中注意力 关于较小规模的系统动力学。这就是为什么团队正在努力对其进行修改 有限案例，区域情景，使用一种称为区域 生物经济模型 （RBEM）。
“主要结构是一样的，”Atnoorkar 说。“但是有了 RBEM，我们能够专注于 就特定地区的生物炼制厂投资决策提供法律意见，例如海洋生物燃料生产 在沿海地区或航空生物燃料生产 在附近地区 主要 机场。
RBEM 将使研究人员能够检查这些反馈循环背后的逻辑 更小的系统。该团队的目标是在明年公开发布这款车型，或者 二。
虽然 Atnoorkar 和 Newes 正在帮助 RBEM 的发展，但 Jeffers 说 NREL 可以将系统动力学视为一个独特的视角，以扩大 NREL 的范围 研究低碳能源系统的未来。
“我认为我们在展示脱碳能源系统方面走在世界前面 就像，“杰弗斯说。“但系统动力学可以通过给予 我们 一种思考经济、社会和环境所有复杂要素的方法 影响通往负担得起、有弹性和安全脱碳途径的系统。
来源：陈讲运清洁能源