Vind og solenergi er en måte å redusere karbonutslipp på, men disse generasjonskildene er avhengig av værens vagarier, noe som betyr at verken vind eller sol kan produsere strøm på forespørsel til alle døgnets tider. Denne variasjonen har ført til at mange antar at kraftig utvidelse av vind og solenergi for å redusere karbonutslipp vil føre til at strømutgiftene skyter opp og krever dyrt energilagring.
Mine kolleger og jeg har nettopp publisert en ny studie for å vise at denne antagelsen ikke er korrekt. Faktisk, hvis USA skulle flytte til et nasjonalt 48-statlig elektrisk system, i stedet for det regionale som er på plass nå, ville landet kunne transportere mer fornybar energi rundt i landet. Denne endringen kan redusere CO2 med 78% til lavere kostnader enn i dag uten å bruke lagringsteknologier.
Ved bruk av en datamodell fant vi ut at disse større elektriske systemene ville utnytte strømmen mer effektivt uavhengig av generatorene i den. Kostnadsreduksjonen mellom det nasjonale stilsystemet vi modellerte og det nåværende, som er delt inn i omtrent 130-regioner, er $ 47 milliarder dollar per år. Dette tilsvarer en strømkostnad på mellom 8.5 og 10.2 ¢ per kilowattime (kWh), sammenlignet med dagens nasjonale gjennomsnitt 12.7 cent per kWh.
Elektron-motorvei
Studien vår var basert på en modell kalt National Energy with Weather System (NEWS) simulator. NEWS-simulatoren er en kostnadsoptimaliseringsmodell som nådeløst søker den laveste kostnadsløsningen.
Det inkluderer funksjoner i det elektriske nettet, som overføring, generatorer, elektrisk etterspørsel, begrensninger for arealbruk, generatoratferd, værdata og kostnadsdata for generatorer. For å finne ut hvordan man kan minimere kostnadene, vil NEWS-modellen beregne hvordan man skal levere strøm hver eneste time i et helt år, basert på tilgjengelige generatorer og transmisjonslinjer som transporterer kraft over lange avstander.
Modellen vår hadde imidlertid noe unikt: HVDC-transmisjonsoverlegg med høyspenning.
I konseptet er dette veldig likt det utdannede motorveisystemet som er lagt på vegvesenet. HVDC-teknologi har en stor fordel i forhold til tradisjonelle kraftledninger: det går mindre energi i å transportere kraft fra et punkt til et annet. Det gjør dette ved å bruke likestrøm, snarere enn vekselstrøm, og operere ved høyere spenninger.
HVDC brukes i USA i dag. Imidlertid blir det distribuert som et punkt-til-punkt-system for enkelt (eller noen få) generatorer til fjerne markeder. En av de mest fremtredende kalles Pacific DC intertie, som sender strøm fra Stillehavet nordvest med sin rikelig vannkraft ned til Los Angeles, og forsyner 48% av strømmen i timevis med høy etterspørsel. Forskjellen i NEWS-modellen er at HVDC er distribuert i et nettverk, i stedet for en enkel punkt-til-punkt-konfigurasjon, som lar mye større utnyttelse av linjene for strøm å strømme mellom regioner i flere retninger.
Vindkraftpotensiale estimater for USAs røde indikerer høyt potensial, blå er lav. Chris Clack / CIRES, forfatter gitt Kritisk sett antar NEWS-modellen ikke at flere overføringslinjer bør legges til dagens nett. Men den innfører ny overføringskapasitet hvis modellen anser det som økonomisk. Interessant nok velger NEWS-modellen alltid HVDC-overføring når den kan. Hvorfor? Tilgjengeligheten av HVDC-linjer gjør det mulig å danne større markeder, som da drar fordel av stordriftsfordeler.
I praksis vil dette bety at vindgeneratorer i delstatene i slettene for eksempel kan eksportere mer strøm til steder i landet der det er stor etterspørsel, som storbyer. Slik det er nå, støtter vindgeneratorer bare kraft regionalt og leverer noen ganger mer strøm enn det som trengs noen timer på døgnet.
I et regionalt system, som er på størrelse med Kansas, pleier vind og sol å være perioder med over produksjonsperioder og under produksjon. Dette resulterer i økte kostnader fordi vind- og solgeneratorer trenger å begrense eller slå av under overproduksjon. For å imøtekomme tap av produksjon, må nettoperatører stole på sikkerhetskopiering av fossile fossile anlegg.
Med et nasjonalt system kan generatorene strategisk plasseres over det sammenhengende USA for å redusere denne effekten og senke de samlede kostnadene. HVDC letter bevegelsen av denne elektrisiteten fra fjerne rekkevidde til byer med lavere tap enn tradisjonell vekselstrøm.
Fornybart scenario
For å utføre studien ble høyoppløselig værdata samlet for hver time av de tre årene fra 2006 til 2008. Værdataene ble deretter brukt som innspill til sofistikerte kraftalgoritmer for å estimere kraften som kan genereres av vindturbiner og solcellepaneler over hele USA
I tillegg har vi samlet data om etterspørsel etter elektrisitet i disse tider i USA. Dataene var nødvendige fordi været er en grunnleggende driver for det elektriske etterspørselen. Så projiserte vi etterspørseldata til 2030.
Fordi utplasseringen av vind og sol er underlagt mange begrensninger, bygde vi hensyn til arealbruk i modellen. Datasett for arealbruk ble satt sammen for å identifisere steder der vind og sol kan brukes, uten å forstyrre beskyttede land.
Ved å bruke disse forskjellige datasettene sammen med den anslåtte kostnaden for kraftproduksjon i 2030, kjørte vi forskjellige simuleringer for å undersøke hvordan disse faktorene ville påvirke blandingen av kraftgeneratorer regionalt, samtidig som de totale kostnadene minimeres.
Scenariet som reduserer utslippene mest har betydelig vind- og solcelleanlegg utplassert; 523 gigawatt (GW) av vind og 371 gigawatt av solcelle PV sammenlignet med 60 GW og 2.5 GW repektivt i 2012. I dette scenariet var det bare 461 GW naturgass (mindre enn i dag).
Dette tilsvarer 38% av elektrisiteten som kommer fra vind, 17% fra vind, 21% fra naturgass resten fra kjernefysisk og vannkraft. I 2012 utgjorde vinden 3.5%, solenergi for mindre enn 1% og naturgass for 30%.
Igjen, denne løsningen er den billigste mulige løsningen.
For å komme til dette nivået av sol og vind - et betydelig hopp fra dagens nivå - krever nye transmisjonslinjer i modellen.
Mengden av ny HVDC-overføring som er bygget av modellen er 139 millioner MW-miles, som er et stort infrastrukturforetak. Dette høres ut som et enormt beløp, men det vil bare utgjøre for 4% av de totale kostnadene for systemet årlig.
Hva med energilagring?
NEWS-modellen er unik i studiet av å integrere høyere nivåer av vind og sol, fordi den håndterer store mengder værdata, mens den beregner de viktige aspektene ved det elektriske nettet, for eksempel ramping av generatorer, nedetider for generatorer, strømflyt i transmisjonslinjer, elektriske tap som stokker kraft rundt systemet, som imøtekommer etterspørselen hver time i hvert marked og andre driftsbegrensninger. Videre inkluderer det alle teknologimuligheter; den søker bare de laveste alternativene.
Elektrisitet kan lagres på flere måter, for eksempel å pumpe og mate ut vann fra reservoarer eller installere store batteribanker. I de første modellkjøringene var elektrisk lagring ikke konkurransedyktig ved å bruke kostnadsestimater for 2030 sammenlignet med å legge til transmisjon eller naturgassgeneratorer (rent basert på kostnader).
NEWS-modellen er et verktøy for å forstå hvordan et elektrisk nett kan transformeres, samtidig som kostnadene er lave. Lave kostnader er helt essensielle fordi økende energikostnader for å redusere karbonreduksjoner kan føre til økonomiske vanskeligheter.
Det er mange motvind til utviklingen av en avkarbonisert økonomi og samfunn. NEWS-modellen har vist at vind- og solcelleanlegg, kombinert med høyspent likestrømoverføring, faktisk kan gå langt i å redusere utslippene i elsektoren.
Dette er tilfelle selv uten et nytt mirakelbatteri eller innovasjon innen elektrisk lagringsindustri, selv om billig, effektiv elektrisk lagring ville være nyttig i å integrere fornybar energi.
For å fjerne karbon fra hele økonomien, må elektrisitet avkarboniseres først. Hvis det kan gjøres til lave kostnader, vil andre sektorer kunne følge etter. Å kombinere vind, sol, naturgass og transmisjon er en mulig bro til en nullutslipp framtid.
Om forfatteren
Christopher Clack, forskningsforsker, National Oceanic and Atmospheric Administration. Han er den tekniske lederen i et team som studerer optimalisering av nettsteder for vind- og solenergi. Målet er å bestemme på hvilket nivå USA kan støtte seg selv på fornybare energikilder, og hvor man skal plassere disse kildene, for å gi det minst kostbare, mest effektive produksjonssystemet med minst mulig miljøbelastning.
Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Den Conversation. Les opprinnelige artikkelen.
Relatert bok:
