Vind- och solkraft är ett sätt att minska koldioxidutsläppen, men dessa generationskällor är beroende av vädret i vädret, vilket innebär att ingen vind eller sol kan producera el på begäran hela tiden på dagen. Denna variabilitet har lett många att anta att kraftigt växande vind och sol för att minska koldioxidutsläppen, kommer att leda till att elkostnaderna skyrockar och kräver dyra energilagring.
Mina kolleger och jag har just publicerat en ny studie för att visa att detta antagande inte är korrekt. Faktum är att om USA skulle flytta till ett nationellt elnätverkssystem, istället för det regionala på plats nu, skulle landet kunna transportera mer förnybar energi runt om i landet. Den förändringen kan minska CO48 med 2% till lägre kostnader än idag utan att använda någon lagringsteknik.
Med hjälp av en datormodell, fann vi att denna större elektriska system skulle utnyttja kraften mer effektivt oavsett generatorerna inom det. Kostnadsminskningen mellan det nationella stil system vi modelleras och den nuvarande, som är uppdelad i ca 130 regioner, är $ 47 miljarder per år. Det leder till en elkostnad på mellan 8.5 och 10.2 ¢ per kilowattimme (kWh), jämfört med den nuvarande nationella genomsnittet av 12.7 cent per kWh.
elektronsupermotorväg
Vår studie baserades på en modell som kallades "National Energy with Weather System (NEWS)" simulator. NEWS-simulatorn är en kostnadsoptimeringsmodell som genuint söker den lägsta kostnadslösningen.
Den innehåller funktioner i elnätet, såsom överföring, generatorer, elektrisk efterfrågan, markanvändningsbegränsningar, generatorbeteende, väderdata och kostnadsdata för generatorer. För att räkna ut hur man minimerar kostnaderna kommer NEWS-modellen att beräkna hur man matar kraft varje timme under ett helt år baserat på tillgängliga generatorer och överföringsledningar som transporterar långa sträckor.
Vår modell hade något unikt, men: en högspänd likström (HVDC) överföring overlay.
I konceptet liknar detta väldigt väsentligt det interstate highwaysystem som läggs på vägnätet. HVDC-tekniken har en stor fördel jämfört med traditionella kraftledningar: det är mindre energi som förloras vid transport av kraft från en punkt till en annan. Det gör detta genom att använda likström, istället för växelströms, och arbeta vid högre spänningar.
HVDC används idag i USA. Det är dock utplacerat som ett punkt-till-punkt-system för enskilda (eller några) generatorer till avlägsna marknader. En av de mest framträdande kallas Pacific DC intertie, som skickar kraft från Pacific Northwest med sin rikliga vattenkraft ner till Los Angeles, levererar 48% av effekten under timmar med högsta efterfrågan. Skillnaden i NEWS-modellen är att HVDC distribueras i ett nätverk istället för en enkel punkt-till-punkt-konfiguration, vilket möjliggör ett mycket större utnyttjande av linjerna för att strömmen ska strömma mellan regioner i flera riktningar.
Vindkraft potentiella beräkningar för den amerikanska röda indikerar hög potential, blå är låg. Chris Clack / CIRES, Författare tillgänglig Kritiskt antar NEWS-modellen inte att fler överföringslinjer ska läggas till det aktuella nätet. Men det introducerar ny överföringskapacitet om modellen anser det vara ekonomiskt. Intressant, väljer NEWS-modellen alltid HVDC-överföring när det kan. Varför? Tillgängligheten av HVDC-linjer gör att större marknader kan bildas, vilket sedan dra nytta av stordriftsfördelar.
I praktiken skulle detta kunna innebära att vindkraftverk i de platta staterna till exempel kan exportera mer kraft till platser i det land där det finns stor efterfrågan, till exempel storstäder. Som det är nu, stöder vindkraftverk endast kraft regionalt och ibland levererar mer kraft än vad som behövs på några timmar om dagen.
I ett regionalt system tenderar en som är så stor som att säga Kansas, vind och sol tenderar att vara perioder av överproduktionsperioder och under produktion. Detta leder till ökade kostnader eftersom vind- och solgeneratorer måste begränsas eller stängas av under överproduktionen. För att möta bortfall i produktion måste nätoperatörer förlita sig på återuppbyggnad från fossila anläggningar.
Med ett nationellt system, kan generatorerna vara strategiskt placerade över den angränsande USA för att minska denna effekt och sänka de totala kostnaderna. HVDC underlättar förflyttning av denna el från avlägsna når städer med lägre förluster än traditionella AC.
Renewables scenario
För att utföra studien sammanställdes väderdata med hög upplösning för varje timme av de tre åren från 2006 till 2008. Väderdata användes sedan som ingångar till sofistikerade kraftalgoritmer för att uppskatta kraften som kan genereras av vindkraftverk och solpaneler i PV över hela USA
Dessutom samlade vi data om elbehov under dessa tider i USA. Uppgifterna behövdes eftersom väder är en grundläggande drivkraft för den elektriska efterfrågan. Därefter projicerade vi efterfrågan data till 2030.
Eftersom utbyggnaden av vind och sol är föremål för många hinder, byggde vi markanvändningsöverväganden i modellen. Markanvändningsuppsättningen sammanställdes för att identifiera platser där vind och sol kan användas utan att störa skyddade länder.
Med hjälp av dessa olika uppsättningar av data tillsammans med de beräknade kostnaderna för elproduktion i 2030, körde vi olika simuleringar för att undersöka hur dessa faktorer skulle påverka blandning av kraftgeneratorer regionalt och samtidigt minimera den totala kostnaden.
Scenariot som minskar utsläppen mest har betydande vind- och sol-PV-utplacering. 523 gigawatt (GW) av vind- och 371-gigawatt av solceller i PV jämfört med 60 GW och 2.5 GW repectively i 2012. I detta scenario var det bara 461 GW naturgas (mindre än idag).
Detta betyder att 38% av el kommer från vind, 17% från vind, 21% från naturgas, återstoden från kärnkraft och vattenkraft. I 2012 svarade vind för 3.5%, sol för mindre än 1% och naturgas för 30%.
Återigen är denna lösning billigast möjliga lösningen.
För att komma till denna nivå av sol och vind - ett betydande hopp från dagens nivåer - krävs nya överföringslinjer i modellen.
Mängden ny HVDC-överföring som byggs av modellen är 139 miljoner MW-miles, vilket är ett stort infrastrukturföretag. Det låter som en stor mängd, men det skulle bara motsvara 4% av den totala kostnaden för systemet årligen.
Vad om energilagring?
NEWS-modellen är unik i studien av att integrera högre vind- och solnivåer eftersom den hanterar stora volymer av väderdata, medan man beräknar de viktiga aspekterna av elnätet, såsom rampningsbegränsningar på generatorer, nedtider för generatorer, strömflöde i överföringsledningar, elektriska förluster som blandar strömmen runt systemet, möter efterfrågan vid varje timme på varje marknad och andra operativa begränsningar. Dessutom innehåller den alla alla tekniska alternativ; det söker endast de lägsta kostnadsalternativen.
El kan lagras på ett antal sätt, till exempel pumpning och lossning av vatten från reservoarer eller installation av stora batteribanker. Vid första modellkörningar var ellagring inte konkurrenskraftig med hjälp av kostnadsberäkningar för 2030 jämfört med att lägga till transmissions- eller naturgasgeneratorer (rent baserat på kostnad).
NEWS-modellen är ett verktyg för att förstå hur en elnätet skulle kunna omvandlas samtidigt som kostnaderna hålls nere. Låg kostnad är absolut nödvändigt, eftersom ökande energikostnader för att minska koldioxidminskningar kan orsaka ekonomiska svårigheter.
Det finns många motvind för utvecklingen av en de-förkolnade ekonomi och samhälle. Men har NEWS förlagan som vindkraft och solenergi PV, i kombination med högspänd likström överföring kan faktiskt gå en lång väg för att minska utsläppen i den elektriska sektorn.
Detta är sant även utan ett nytt mirakelbatteri eller innovation inom den elektriska lagringsindustrin, men billig, effektiv elektrisk lagring skulle vara till hjälp för att integrera förnybara energikällor.
För att avlägsna kol från hela ekonomin måste el först avkolibreras. Om det kan göras till låg kostnad, så kommer andra sektorer att kunna följa med. Att kombinera vind, sol, naturgas och transmission är en möjlig bro till en nollutsläppsframtid.
Om författaren
Christopher Clack, forskare, National Oceanic and Atmospheric Administration. Han är den tekniska ledningen i ett team som studerar platsoptimering för vind och solenergi. Målet är att bestämma på vilken nivå USA kan stödja sig för förnybara energikällor och var de ska placera dessa källor för att tillhandahålla det billigaste och mest effektiva generationssystemet med minsta möjliga miljöpåverkan.
Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.
Relaterade Bok:
