在能源系统面临前所未有的变革之际，麻省理工学院能源倡议(MITEI)研究团队开发了一种名为Macro的新型计算机建模工具，正为电力和其他能源密集型行业的规划者带来革命性变化。这一创新工具不仅能够显著减少基础设施规划时间，还能确保电网持续为客户提供高效、可靠且低成本的电力，同时满足日益严格的排放和监管标准。
Macro的核心价值与设计理念
"Macro专为公用事业规划者、监管机构和研究人员设计，帮助他们理解在新技术、新政策以及不同用电和能源密集型商品使用方式下，电力电网和其他能源部门可能如何演变，"MITEI研究科学家Ruaridh Macdonald解释道。通过输入可用发电单元、预计需求、成本、可能的新技术和潜在政策约束等详细信息，规划者可以研究未来基础设施设计和运营的各种选项，从而最大限度地降低价格并为所有人创造最大价值。
与传统模型相比，Macro的一个显著特点是它考虑了工业部门之间的相互依赖关系。这种系统性的思考方式使得Macro能够提供更全面、更准确的能源系统分析，为复杂决策提供科学依据。
应对能源规划者的多重挑战
当前，电力需求正以前所未有的速度增长，部分原因是人工智能应用的日益普及以及从车辆到建筑物的全面电气化。这一趋势要求更多的发电和输电能力。虽然数千个风能和太阳能项目正在上线，但这些发电单元无法持续稳定地供电，因此需要互补的电源和储能设施。此外，数据中心、制造中心和医院等能源消费者对可靠性有严格要求，这些必须得到满足。进一步复杂化规划者任务的是减少甚至消除碳排放的承诺。
Macro建立在MITEI研究人员开发的容量扩张模型(CEMs)历史基础上，包括GenX和DOLPHYN。GenX于2017年设计，旨在支持与电力系统投资和实时电网运营相关的决策，并研究可能的政策倡议对这些决策的影响。2021年发布的DOLPHYN具有与GenX相同的核心结构，但增加了氢气、生物燃料等多个部门。
然而，Macdonald、GenX的共同创建者之一Jesse Jenkins(现为普林斯顿大学教授)以及DOLPHYN的共同创建者之一Dharik Mallapragada(现为纽约大学教授)意识到，为了获得关于政策和新技术影响的更准确答案，他们需要构建比GenX或DOLPHYN更大、更高分辨率的模型。
Macro的创新架构与核心组件
Macdonald、Jenkins和Mallapragada与普林斯顿大学的合作者Filippo Pecci和Luca Bonaldo共同提出了一种新架构，提供了所需的扩展功能。在构建Macro的过程中，他们及其团队开发了一套四个核心组件，可以组合起来描述任何工业过程的能源系统。
"每个组件描述能源系统中的基本操作：传输、存储、转换以及进入或退出网络，"Macdonald解释道。"由于这些组件不是特定于某个部门的，我们能够使用它们来构建电力、商品和数据系统的网络。"借助Macro，用户可以专注于经济的特定领域，例如电力或商品的跨区域传输。这种灵活性已经促使其他研究小组开始在自己的项目中使用Macro。"事实上，我们已经有一些人正在研究水泥生产和某些化学品的生产，"Macdonald表示。
此外，使用Macro可以将问题分解为更小的部分。大多数用于此类建模的软件设计为在单台计算机上运行。"借助Macro的新架构，我们可以轻松地将大问题分解为许多小问题，这些小问题可以在不同的计算机上运行，"Macdonald说。这使得Macro非常适合在现代高性能计算集群上运行。在电力系统规划方面，这也带来了额外的好处。扩张的某些方面——例如输电——过于复杂，无法使用传统的优化方法解决，因此大多数CEM都采用某些近似值。但借助Macro，输电部分可以从问题的其余部分分离出来，并使用AI技术单独解决，从而生成更准确的解决方案，然后可以输入到整体模型中。
Macro的用户友好设计
Macro的开发者非常重视易用性。他们开发了潜在用户的"分类法"，并尽可能简化了每个用户组的工作流程。大多数用户只想使用他们熟悉的Excel和其他工具插入数据，分析某个问题，并获得答案。另一类是建模者，他们希望添加新技术或政策；这些人可能需要编写一些额外的计算机代码——但不多。最后是开发者，他们希望向模型添加新功能或大型元素，需要进行大量编码。
"我们在Macro中组织事物的方式，使得前两类用户的生活变得容易得多，代价是开发者的工作稍微困难一些，"Macdonald说。该团队目前正在为模型开发图形界面，这样大多数人就永远不必使用代码了。"他们将像使用大多数软件一样与之交互。"
实时政策制定的未来愿景
麻省理工学院斯隆管理学院George P. Shultz教授Christopher Knittel计划使用Macro设计能源政策。他的愿景受到斯隆管理学院教授John Sterman经验的启发，Sterman领导开发了全球气候模拟器"En-ROADS"以及一个系统动力学模型，该模型能够进行快速但近似分析，使用户能够实时尝试不同的减少碳排放方法。
与全球气候模拟器一样，使用Macro对提议政策进行完整分析可能需要数天时间。但有一些技术可以创建"模拟器"，在几秒钟内生成近似结果。作为MIT气候项目"启用新政策方法"任务的负责人，Knittel正在探索支持"旗舰项目"的可能性，该项目构建一个完整的Macro模型顶部的模拟器，可以实时运行。然后，Knittel和他的团队将与选定的政策制定者会面，邀请他们使用Macro查看各种政策步骤将如何影响全球温度、温室气体浓度、能源价格、海平面上升等等。
"在使用模拟器时，你会失去完整Macro模型的一些准确性或功能，"Knittel指出，因此他设想让国会议员首先运行模拟器来设计政策。"然后，在立法者实际起草法案之前，学术团队将运行完整的Macro模型，以确认模拟器结果的准确性，"Knittel说。"这一练习可以帮助说服政策制定者应该拉动哪些政策杠杆。"
Macro的开源应用与全球影响
Macro已作为开源软件发布，可供研究和商业用途免费使用。它已经在美国、韩国、印度和中国的合作者中得到测试。其中一些团队正在为他人开发国家和区域模型，供他们在工作中使用。
Macro的开放性使其成为全球能源转型的重要工具。研究人员和政策制定者可以根据当地需求定制模型，评估不同能源政策和技术选择的影响。这种灵活性使得Macro成为连接学术研究与实际政策制定的桥梁，为应对全球能源挑战提供了科学依据。
结语：Macro对能源转型的深远意义
Macro建模工具的出现标志着能源基础设施规划进入了一个新阶段。通过提供更准确、更全面的系统分析能力，Macro帮助决策者在能源转型的复杂环境中做出更明智的选择。随着进一步发展和应用，Macro有望成为推动全球能源系统向低碳、高效、可靠方向发展的关键工具，为实现可持续发展目标提供强有力的技术支持。
Macro不仅是一个技术工具，更是一种思维方式，它鼓励我们从系统角度思考能源问题，理解不同能源部门之间的复杂关系，从而制定出更加协调、有效的能源政策。在这个能源转型的关键时期，Macro这样的创新工具将发挥越来越重要的作用，帮助我们构建一个更加可持续的能源未来。
