A szél- és a napenergia a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésének egyik módja, de ezek a termelési források az időjárási viszonyoktól függenek, ami azt jelenti, hogy sem a szél, sem a nap nem képes igény szerint áramot termelni a nap minden órájában. Ez a variabilitás sokan arra a következtetésre jutottak, hogy a szél és a napenergiát nagymértékben kiszélesítve a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése érdekében az elektromos áram költségei gyorsan emelkednek, és költséges energiatárolást igényelnek.
Kollégáim és én nemrég tettünk közzé egy Új tanulmány megmutatni, hogy ez a feltételezés nem helytálló. Valójában, ha az Egyesült Államok nem a jelenleg működő regionális rendszer helyett egy nemzeti 48 állambeli villamos rendszerre lép, akkor az ország több megújuló energiát képes szállítani az ország területén. Ez a változtatás a CO2-ot 78% -kal csökkentheti alacsonyabb költségekkel, mint manapság, tárolási technológiák használata nélkül.
Számítógépes modell felhasználásával megállapítottuk, hogy ez a nagyobb elektromos rendszer hatékonyabban fogja felhasználni az energiát, függetlenül a benne levő generátoroktól. Az általunk modellezett nemzeti stílusrendszer és a jelenlegi rendszer, amely körülbelül 130 régiókra oszlik, a költségcsökkentés évi 47 milliárd dollár. Ez átalakítja az 8.5 és 10.2 ¢ / kilowattóra (kWh) közötti villamosenergia-költségeket a jelenlegi nemzeti átlaghoz képest. 12.7 cent / kWh.
Elektron nagy sebességű
Vizsgálatunkat a Nemzeti Energia Időjárási Rendszerrel (NEWS) foglalkozó modellre alapoztuk. A NEWS szimulátor egy költségoptimalizáló modell, amely könyörtelenül keres a legolcsóbb megoldást.
Magában foglalja az elektromos hálózat olyan jellemzőit, mint például az átvitel, a generátorok, az elektromos igény, a földhasználat korlátozásai, a generátor viselkedése, az időjárási adatok és a generátorok költségi adatai. A költségek minimalizálásának meghatározása érdekében a NEWS modell kiszámítja, hogy egy órán keresztül hogyan kell energiát szolgáltatni egy óránként, a rendelkezésre álló generátorok és távvezetékek alapján, amelyek nagy távolságot szállítanak.
Modellünknek azonban valami egyedi volt: egy nagyfeszültségű egyenáramú (HVDC) átviteli fedvény.
Fogalmában ez nagyon hasonlít az államközi autópálya-rendszerre, amely az úthálózaton fekszik. A HVDC technológiának egy nagy előnye van a hagyományos távvezetékekkel szemben: kevesebb energia veszít az energia egyik pontból a másikba történő szállításában. Ezt a váltakozó áram helyett egyenáram felhasználásával, magasabb feszültségekkel történő működtetésével teszi meg.
A HVDC-t ma az Egyesült Államokban használják. Azonban pont-pont rendszerként alkalmazzák az egy (vagy néhány) generátor számára a távoli piacokra. Az egyik legjelentősebb a Csendes-óceáni DC intertie, mely a békés északnyugattól bőséges vízenergiájával Los Angelesbe szállítja az energiát Az energia 48% -a a csúcsigény óráiban. A NEWS modellben az a különbség, hogy a HVDC egy egyszerű pont-pont konfiguráció helyett hálózatban kerül telepítésre, amely lehetővé teszi a vonalak sokkal nagyobb kihasználását, hogy az áramok több irányba áramolhassanak a régiók között.
A szélenergia-potenciál becslései az USA-ban vörös jelzik a magas potenciált, a kék alacsony. Chris Clack / CIRES, a szerző biztosítja Kritikusan a NEWS modell nem feltételezi, hogy több átviteli vezetéket kell hozzáadni a jelenlegi hálózathoz. De bevezeti az új átviteli kapacitást, ha a modell gazdaságosnak tartja. Érdekes, hogy a NEWS modell mindig kiválasztja a HVDC átvitelt, amikor csak lehetséges. Miért? A HVDC vonalak rendelkezésre állása lehetővé teszi a nagyobb piacok kialakulását, amelyek a méretgazdaságosság előnyeit élvezhetik.
A gyakorlatban ez azt jelentené, hogy például az alföldi államok szélerőművei nagyobb energiát exportálhatnak az ország olyan területeire, ahol erős a kereslet, például a nagyvárosokban. A jelenlegi szélgenerátorok csak regionálisan támogatják az energiát, és néha több energiát szolgáltatnak, mint amennyire a nap néhány órájában szükségük van.
Egy regionális rendszerben, amely például Kansas méretű, a szél és a nap általában a termelési periódusok alatt áll és termelés alatt áll. Ez megnövekedett költségeket eredményez, mivel a szél- és napenergia-generátorokat a termelés túlteljesedése során csökkenteni kell, vagy ki kell kapcsolni. A gyártásban bekövetkező veszteségek kielégítése érdekében a hálózatüzemeltetőknek támaszkodniuk kell a fosszilis tüzelőanyaggal működő üzemekből származó tartalék termelésre.
Egy nemzeti rendszerrel a generátorokat stratégiailag el lehet helyezni a szomszédos USA-ba, hogy csökkentsék ezt a hatást és csökkentsék az általános költségeket. A HVDC megkönnyíti ennek a villamos energianak a távolabbi városokból való elmozdítását a városokba, amelyek vesztesége alacsonyabb, mint a hagyományos váltóáramú.
Megújuló források forgatókönyve
A vizsgálat elvégzéséhez nagy felbontású időjárási adatokat gyűjtöttek a három év minden órájára az 2006-től az 2008-ig. Az időjárási adatokat azután felhasználták a kifinomult energiaalgoritmusokba annak becslésére, hogy az USA-ban szélturbinák és napelemes panelek milyen energiát generálhatnak.
Ezenkívül adatokat gyűjtöttünk az akkoriban az Egyesült Államokban alkalmazott villamosenergia-igényről. Az adatokra azért volt szükség, mert az időjárás az elektromos áram igényeinek alapvető tényezője. Ezután a keresleti adatokat előrevetítettük az 2030 számára.
Mivel a szél és a napenergia kihasználása számos korlátozásnak van kitéve, a földhasználat szempontjait beépítettük a modellbe. A földhasználati adatkészletet összeállították azon helyek azonosítására, ahol a szél és a nap felhasználható a védett területek beavatkozása nélkül.
Ezeket a különféle adatkészleteket és az 2030 energiatermelés becsült költségeit felhasználva különféle szimulációkat végeztünk annak érdekében, hogy megvizsgáljuk, hogy ezek a tényezők hogyan befolyásolják az áramfejlesztők keverékét regionálisan, miközben minimalizálják a teljes költségeket.
A leginkább a kibocsátásokat csökkentő forgatókönyv szerint jelentős szél- és napenergiát használnak; A szél 523 gigawattja (GW) és a szolár-PV 371 gigavatta (60 GW és 2.5 GW), összehasonlítva az 2012-rel. Ebben a forgatókönyvben csak 461 GW földgáz volt (kevesebb, mint ma).
Ez a szélből származó villamos energia 38% -áért, a szélből származó 17% -áért, a földgáz 21% -áért, a nukleáris és vízenergia maradékáért fordul. Az 2012-ban a szél az 3.5% -ot, a szolár az 1% -ot, a földgáz pedig az 30% -ot tette ki.
Ez ismét a lehető legolcsóbb megoldás.
A nap és a szél ezen szintjére való eléréshez - amely a mai szinttől jelentős ugrást jelent - új átviteli vezetékekre van szükség a modellben.
A modell által épített új HVDC átvitel mennyisége 139 millió MW-mérföld, ami nagy infrastrukturális vállalkozás. Ez hatalmas összegnek tűnik, de ez csak a rendszer éves összköltségének 4% -áért felelne meg.
Mi a helyzet az energiatárolással?
A NEWS modell egyedülálló a magasabb szél- és napelemek integrációjának tanulmányozásában, mivel hatalmas mennyiségű időjárási adatot kezel, miközben kiszámítja az elektromos hálózat fontos szempontjait, például a generátorok korlátozási korlátozásait, a generátorok leállási idejét, az energiaáramot a átviteli vezetékek, elektromos veszteségek, amelyek megváltoztatják az erőt a rendszer körül, minden piacon kielégítik az igényeket minden piacon, és egyéb működési korlátozásokat. Ezenkívül az összes technológiai lehetőséget magában foglalja; csak a legalacsonyabb költségű lehetőségeket keresi.
Az elektromos energiát többféle módon lehet tárolni, például a szivattyúzáshoz és a víz elvezetéséhez a tartályokból vagy a nagy akkumulátortelepek telepítéséhez. A kezdeti modellfutások során az elektromos tárolás nem volt versenyképes az 2030 költségbecsléseivel, összehasonlítva az átviteli vagy földgázgenerátorokkal (tisztán a költségek alapján).
A NEWS modell olyan eszköz, amelynek segítségével megértheti, hogyan lehet átalakítani az elektromos hálózatot, miközben alacsony költségeket tart fenn. Az alacsony költség feltétlenül nélkülözhetetlen, mivel az energiaköltségek növekedése a szén-dioxid-csökkentés csökkentése érdekében gazdasági nehézségeket okozhat.
Széles szél fordul elő a szénmentesített gazdaság és a társadalom fejlődéséhez. A NEWS modell azonban megmutatta, hogy a szél- és a napenergiával működő PV, valamint a nagyfeszültségű egyenáram-átvitel valóban nagy előrelépést jelenthet az elektromos áram kibocsátásának csökkentésében.
Ez igaz még egy új csodás elem vagy innováció nélkül is az elektromos tárolóiparban, bár az olcsó és hatékony elektromos tárolás hasznos lenne a megújuló energiák integrációjában.
A szénnek az egész gazdaságból történő eltávolításához az elektromos áramot először szénmentesíteni kell. Ha ez alacsony költséggel megtehető, akkor más szektorok is követni tudják ezt a példát. A szél, a napenergia, a földgáz és az átvitel kombinálása egy lehetséges hidat a nulla kibocsátású jövőbe.
A szerzőről
Christopher Clack, a Nemzeti Óceáni és Légköri Hivatal kutatója. Ő a műszaki vezető egy csapatban, amely a szél- és a napenergia optimalizálását végzi. A cél annak meghatározása, hogy az Egyesült Államok milyen szinten tudja támogatni magát a megújuló energiaforrások terén, és hol helyezze el ezeket a forrásokat, hogy a lehető legkisebb környezeti hatású legolcsóbb, leghatékonyabb termelési rendszert biztosítsák.
Ezt a cikket eredetileg közzétették A beszélgetés. Olvassa el a eredeti cikk.
Kapcsolódó könyv:
