Tuuli- ja aurinkoenergia ovat keino vähentää hiilidioksidipäästöjä, mutta nämä tuotantolähteet ovat riippuvaisia säähäiriöistä, mikä tarkoittaa, että tuuli tai aurinko eivät pysty tuottamaan sähköä pyynnöstä kaikkina vuorokauden tunneina. Tämä vaihtelu on saanut monet olettamaan, että voimakkaasti kasvava tuuli ja aurinko hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi aiheuttavat sähkön kustannusten nousun ja vaativat kallista energian varastointia.
Kollegani ja minä olemme juuri julkaissut a uusi tutkimus osoittaa, että tämä oletus ei ole oikea. Itse asiassa, jos Yhdysvallat siirtyisi kansallisen 48-valtion sähköjärjestelmän sijasta nykyisen alueellisen järjestelmän sijasta, maa pystyisi kuljettamaan enemmän uusiutuvaa energiaa ympäri maata. Tämä muutos voisi vähentää CO2-määrää 78% alhaisemmilla kustannuksilla kuin nykyään käyttämättä mitään säilytystekniikkaa.
Tietokonemallia käyttämällä huomasimme, että nämä suuret sähköjärjestelmät käyttäisivät virtaa tehokkaammin riippumatta siinä olevista generaattoreista. Kustannusvähennys mallineemme ja nykyisen, joka on jaettu noin 130-alueisiin, välillä on 47 miljardia dollaria vuodessa. Tämä tarkoittaa, että sähkön hinta on välillä 8.5 - 10.2 ¢ kilowattitunnilta (kWh) verrattuna nykyiseen kansallisiin keskiarvoihin. 12.7 senttiä kilowattituntia kohti.
Elektronin valtatie
Tutkimuksemme perustui malliin nimeltään National Energy with Weather System (NEWS) -simulaattori. NEWS-simulaattori on kustannusten optimointimalli, joka etsii hellittämättä edullisimpaa ratkaisua.
Se sisältää sähköverkon ominaisuuksia, kuten siirto, generaattorit, sähkönkulutus, maankäyttörajoitukset, generaattorin käyttäytyminen, säätiedot ja generaattoreiden kustannustiedot. Selvittääkseen kuinka minimoida kustannukset, NEWS-malli laskee, kuinka syöttää virtaa tunnin välein koko vuodessa käytettävissä olevien generaattoreiden ja siirtojohtojen perusteella, jotka kuljettavat voimaa pitkiä matkoja.
Mallissamme oli kuitenkin jotain ainutlaatuista: korkeajännitteisen tasavirta (HVDC) -lähetyspeittokuva.
Periaatteessa tämä on hyvin samanlainen kuin valtioiden välinen moottoritiejärjestelmä, joka on päällekkäin tieverkoston kanssa. HVDC-tekniikalla on yksi suuri etu perinteisiin voimalinjoihin verrattuna: energian menettäminen vähenee energian siirtämisessä pisteestä toiseen. Se tekee tämän käyttämällä tasavirtaa vaihtovirran sijasta ja toimimalla suuremmilla jännitteillä.
HVDC: tä käytetään nykyään Yhdysvalloissa. Sitä käytetään kuitenkin point-to-point-järjestelmänä yksittäisille (tai muutamille) tuottajille kaukaisille markkinoille. Yksi näkyvimmistä on nimeltään Pacific DC intertie, joka toimittaa energian Tyynenmeren luoteesta runsasvesivoimallaan alaspäin Los Angelesiin. 48% tehosta tuntikausina huippunopeudella. Ero NEWS-mallissa on se, että HVDC otetaan käyttöön verkossa yksinkertaisen pisteestä pisteeseen -kokoonpanon sijasta, mikä sallii linjojen hyödyntämisen huomattavasti enemmän, jotta virta virtaa alueiden välillä useaan suuntaan.
USA: n tuulivoimapotentiaalit Punainen osoittaa suurta potentiaalia, sininen on alhainen. Chris Clack / CIRES, kirjoittaja Kriittisesti, NEWS-mallissa ei oleteta, että nykyiseen verkkoon tulisi lisätä lisää siirtojohtoja. Mutta se tuo uuden siirtokapasiteetin, jos malli pitää sitä taloudellisena. Mielenkiintoista on, että NEWS-malli valitsee HVDC-lähetyksen aina kun se pystyy. Miksi? HVDC-linjojen saatavuus antaa mahdollisuuden muodostaa suurempia markkinoita, jotka hyötyvät sitten mittakaavaetuista.
Käytännössä tämä tarkoittaisi esimerkiksi, että Plainsin osavaltioiden tuulivoimalat voisivat viedä enemmän voimaa maan paikkoihin, joissa kysyntä on vahvaa, kuten suurkaupunkeihin. Nykyään tuuligeneraattorit tukevat voimaa vain alueellisesti ja toimittavat joskus enemmän energiaa kuin tarvitaan tietyillä vuorokauden tunneilla.
Alueellisessa järjestelmässä, jonka koko on sanottu Kansas, tuuli ja aurinko ovat yleensä ajanjaksoja, jotka ovat yli tuotantokausien ja tuotannossa. Tämä johtaa kustannusten nousuun, koska tuuli- ja aurinkogeneraattoreita on supistettava tai kytkettävä pois päältä tuotannon aikana. Voidakseen täyttää tuotannon raukeamiset, verkonhaltijoiden täytyy luottaa fossiilisten polttoaineiden tuotantolaitosten varatukeen.
Kansallisen järjestelmän avulla generaattorit voidaan sijoittaa strategisesti vierekkäisen Yhdysvaltojen päälle vähentämään tätä vaikutusta ja alentamaan kokonaiskustannuksia. HVDC helpottaa tämän sähkön siirtoa kaukaisilta alueilta kaupunkeihin, joissa häviöt ovat pienemmät kuin perinteisellä vaihtovirta.
Uusiutuvien energialähteiden skenaario
Tutkimuksen suorittamiseksi koottiin korkearesoluutioinen säätieto kolmen vuoden jokaisen tunnin kohdalta 2006: stä 2008: iin. Säätietoja käytettiin sitten syötteinä hienostuneisiin voima-algoritmeihin arvioidakseen tehoa, jonka tuuliturbiinit ja aurinkoenergia-paneelit voisivat tuottaa Yhdysvalloissa
Lisäksi koottiin tietoja sähkön kysynnästä noina aikoina Yhdysvalloissa. Tietoja tarvittiin, koska sää on keskeinen tekijä sähkön kysynnässä. Sitten ennustimme kysyntätiedot 2030: lle.
Koska tuulen ja aurinkoenergian käyttöönotolle on asetettu monia rajoituksia, rakensimme malliin maankäyttöä koskevat näkökohdat. Maankäyttöä koskeva tietokokonaisuus koottiin tunnistamaan paikat, joissa tuuli ja aurinko voivat levitä häiritsemättä suojattuja maita.
Käyttämällä näitä erilaisia tietosarjoja yhdessä 2030: n sähköntuotannon arvioitujen kustannusten kanssa suoritimme erilaisia simulaatioita tutkiaksemme, miten nämä tekijät vaikuttavat sähköntuottajien sekoitukseen alueellisesti minimoimalla kokonaiskustannukset.
Päästöjä eniten vähentävässä skenaariossa on käytetty huomattavasti tuuli- ja aurinkoenergiaa; Tuulen 523 gigawattia (GW) ja aurinkoenergian PV 371 gigawattia verrattuna 60 GW ja 2.5 GW vastaavasti 2012. Tässä skenaariossa maakaasua oli vain 461 GW (vähemmän kuin tänään).
Tämä tarkoittaa 38% tuulen tuonnista, 17% tuulesta, 21% maakaasusta, loput ydin- ja vesivoimasta. 2012: ssä tuulen osuus oli 3.5%, aurinko pienempi kuin 1% ja maakaasun osuus 30%.
Tämä ratkaisu on jälleen halvin mahdollinen ratkaisu.
Tälle aurinko- ja tuulen tasolle pääseminen - merkittävä hyppy nykypäivän tasolta - vaatii mallissa uusia siirtojohtoja.
Mallin rakentaman uuden HVDC-siirron määrä on 139 miljoonaa MW-mailia, mikä on iso infrastruktuuriyritys. Tämä kuulostaa suunnattomalta summalta, mutta se edustaisi vain 4 prosenttia järjestelmän kokonaiskustannuksista vuodessa.
Entä energian varastointi?
NEWS-malli on ainutlaatuinen tutkittaessa korkeampien tuuli- ja aurinkovoimakkuuksien integrointia, koska se käsittelee valtavia määriä säätietoja ja laskee samalla sähköverkon tärkeät näkökohdat, kuten generaattorien rajoitusrajoitukset, generaattorien seisoajat, virrankulutuksen voimansiirtolinjat, sähköhäviöt, jotka sekoittavat voimaa järjestelmän ympärillä, kysynnän tyydyttäminen jokaisella tunnilla kaikilla markkinoilla ja muut toimintarajoitukset. Lisäksi se sisältää kaikki kaikki teknologiavaihtoehdot; se etsii vain halvimmat vaihtoehdot.
Sähköä voidaan varastoida monella tapaa, esimerkiksi pumppaamalla ja poistamalla vettä säiliöistä tai asentamalla suuria akkukantoja. Alkuperäisissä malliajoissa sähkövarastointi ei ollut kilpailukykyinen käyttämällä 2030: n kustannusarvioita verrattuna siirto- tai maakaasugeneraattoreiden lisäämiseen (puhtaasti kustannusten perusteella).
NEWS-malli on työkalu, joka auttaa ymmärtämään, kuinka sähköverkkoa voidaan muuttaa, pitäen samalla kustannukset alhaisina. Alhaiset kustannukset ovat ehdottoman välttämättömiä, koska kasvavat energiakustannukset hiilidioksidipäästöjen vähentämiseksi voivat aiheuttaa taloudellisia vaikeuksia.
Hiilidioksidin poistuneen talouden ja yhteiskunnan kehittämisessä on lukuisia vastatuuleja. Mutta NEWS-malli on osoittanut, että tuuli- ja aurinkoenergia, yhdistettynä korkeajännitteiseen tasavirransiirtoon, voivat todellakin mennä pitkälle vähentääkseen päästöjä sähköalalla.
Tämä on totta myös ilman uutta ihmeakkua tai innovaatiota sähkövarastointiteollisuudessa, vaikka halpa, tehokas sähkövarastointi auttaisi uusiutuvien energialähteiden integroinnissa.
Hiilen poistamiseksi koko taloudesta on ensin tehtävä hiili hiilestä. Jos se voidaan tehdä edullisin kustannuksin, muut sektorit voivat seurata esimerkkiä. Tuulen, aurinkoenergian, maakaasun ja voimansiirron yhdistäminen on mahdollinen silta päästöttömään tulevaisuuteen.
Author
Christopher Clack, tutkija, National Oceanic and Atmospheric Administration. Hän on tekninen johtaja ryhmässä, joka tutkii tuuli- ja aurinkoenergian optimointia. Tavoitteena on selvittää, millä tasolla Yhdysvallat voi tukea itsensä uusiutuviin energialähteisiin ja mihin sijoittaa nämä lähteet, jotta saataisiin halvin, tehokkain tuotantojärjestelmä, jolla on pienimmät mahdolliset ympäristövaikutukset.
Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Conversation. Lue alkuperäinen artikkeli.
Aiheeseen liittyvä kirja:
