Ang hangin at solar power ay isang paraan upang bawasan ang mga carbon emissions ngunit ang mga generation source na ito ay nakadepende sa mga pabagu-bago ng panahon, na nangangahulugan na alinman sa hangin o solar ay hindi makakapagdulot ng kuryente on-demand sa lahat ng oras ng araw. Ang pagkakaiba-iba na ito ay humantong sa marami na ipagpalagay na ang labis na pagpapalawak ng hangin at solar upang mabawasan ang mga emisyon ng carbon ay magiging sanhi ng pagtaas ng mga gastos sa kuryente at nangangailangan ng mamahaling imbakan ng enerhiya.
Kaka-publish lang namin ng mga kasamahan ko a bagong pag-aaral upang ipakita na ang palagay na ito ay hindi tama. Sa katunayan, kung lilipat ang US sa isang pambansang 48-estado na electric system, sa halip na ang rehiyonal na nasa lugar ngayon, ang bansa ay makakapagdala ng mas maraming renewable energy sa buong bansa. Maaaring bawasan ng pagbabagong iyon ang CO2 ng 78% sa mas mababang halaga kaysa ngayon nang hindi gumagamit ng anumang mga teknolohiya sa storage.
Gamit ang isang modelo ng computer, nalaman namin na ang mas malalaking electric system na ito ay gagamit ng kuryente nang mas mahusay anuman ang mga generator sa loob nito. Ang pagbawas sa gastos sa pagitan ng pambansang istilong sistema na aming namodelo at ang kasalukuyang isa, na nahahati sa humigit-kumulang 130 rehiyon, ay $47 bilyon bawat taon. Iyon ay isinasalin sa isang gastos sa kuryente na nasa pagitan ng 8.5 at 10.2¢ kada kilowatt-hour (kWh), kumpara sa kasalukuyang pambansang average ng 12.7 cents kada kWh.
Electron superhighway
Ang aming pag-aaral ay batay sa isang modelo na tinatawag na National Energy with Weather System (NEWS) simulator. Ang NEWS simulator ay isang cost optimization model na walang humpay na naghahanap ng pinakamababang solusyon sa gastos.
Kabilang dito ang mga feature ng electric grid, gaya ng transmission, generators, electric demand, land use constraints, generator behavior, weather data, at cost data para sa generators. Upang malaman kung paano bawasan ang mga gastos, kakalkulahin ng modelong NEWS kung paano mag-supply ng kuryente bawat isang oras para sa isang buong taon batay sa mga available na generator at mga linya ng transmission na nagdadala ng kuryente sa malalayong distansya.
Ang aming modelo ay may kakaiba, gayunpaman: isang high-voltage direct current (HVDC) transmission overlay.
Sa konsepto, ito ay halos kapareho sa interstate highway system na nakapatong sa network ng kalsada. Ang teknolohiya ng HVDC ay may isang malaking kalamangan sa mga tradisyunal na linya ng kuryente: mas kaunting enerhiya ang nawawala sa pagdadala ng kuryente mula sa isang punto patungo sa isa pa. Ginagawa ito sa pamamagitan ng paggamit ng direktang kasalukuyang, sa halip na alternating kasalukuyang, at pagpapatakbo sa mas mataas na boltahe.
Ang HVDC ay ginagamit sa US ngayon. Gayunpaman, inilalagay ito bilang isang point-to-point system para sa mga nag-iisa (o ilang) generator sa malalayong mga merkado. Ang isa sa mga pinakatanyag ay tinatawag na Pacific DC intertie, na nagpapadala ng kapangyarihan mula sa pacific hilagang-kanluran kasama ang masaganang hydro power nito pababa sa Los Angeles, na nagsusuplay 48% ng kuryente sa mga oras ng peak demand. Ang pagkakaiba sa modelo ng NEWS ay ang HVDC ay naka-deploy sa isang network, sa halip na isang simpleng point-to-point na configuration, na nagbibigay-daan sa mas malawak na paggamit ng mga linya para dumaloy ang kuryente sa pagitan ng mga rehiyon sa maraming direksyon.
Ang mga pagtatantya ng potensyal na lakas ng hangin para sa US Red ay nagpapahiwatig ng mataas na potensyal, ang asul ay mababa. Chris Clack / CIRES, ibinigay ng May-akda Kritikal, hindi ipinapalagay ng modelong BALITA na higit pang mga linya ng transmission ang dapat idagdag sa kasalukuyang grid. Ngunit nagpapakilala ito ng bagong kapasidad ng paghahatid kung sa tingin ng modelo ay matipid ito. Kapansin-pansin, palaging pinipili ng modelong NEWS ang paghahatid ng HVDC kapag kaya nito. Bakit? Ang pagkakaroon ng mga linya ng HVDC ay nagbibigay-daan sa mas malalaking merkado na mabuo, na pagkatapos ay makikinabang mula sa economies of scale.
Sa pagsasagawa, ito ay mangangahulugan na ang mga wind generator sa mga estado ng Plains, halimbawa, ay maaaring mag-export ng mas maraming kuryente sa mga lugar sa bansa kung saan may malakas na demand, tulad ng malalaking lungsod. Tulad ng ngayon, sinusuportahan lamang ng mga wind generator ang kapangyarihan sa rehiyon at kung minsan ay nagbibigay ng mas maraming kuryente kaysa sa kinakailangan sa ilang oras ng araw.
Sa isang sistemang panrehiyon, ang isa na kasing laki ng say Kansas, ang hangin at solar ay malamang na mga panahon sa paglipas ng mga panahon ng produksyon at sa ilalim ng produksyon. Nagreresulta ito sa pagtaas ng mga gastos dahil ang mga wind at solar generator ay kailangang bawasan, o patayin, sa panahon ng labis na produksyon. Upang matugunan ang mga lapses sa produksyon, kailangan ng mga grid operator na umasa sa back up generation mula sa fossil fuel plant.
Sa isang pambansang sistema, ang mga generator ay maaaring madiskarteng ilagay sa magkadikit na US upang mabawasan ang epektong ito at mapababa ang kabuuang gastos. Pinapadali ng HVDC ang paggalaw ng kuryenteng ito mula sa malalayong lugar patungo sa mga lungsod na may mas mababang pagkalugi kaysa sa tradisyonal na AC.
Mga nababagong senaryo
Upang maisagawa ang pag-aaral, ang data ng panahon na may mataas na resolution ay pinagsama-sama para sa bawat oras ng tatlong taon mula 2006 hanggang 2008. Ang data ng panahon ay ginamit pagkatapos bilang mga input sa mga sopistikadong power algorithm upang matantya ang kapangyarihan na maaaring mabuo ng mga wind turbine at solar PV mga panel sa buong US
Bukod pa rito, nag-compile kami ng data sa demand ng kuryente noong mga panahong iyon sa buong US. Kinailangan ang data dahil ang panahon ay isang pangunahing driver ng electric demand. Pagkatapos ay itinakda namin ang data ng demand hanggang 2030.
Dahil ang deployment ng hangin at solar ay napapailalim sa maraming mga hadlang, binuo namin ang mga pagsasaalang-alang sa paggamit ng lupa sa modelo. Ang set ng data ng paggamit ng lupa ay pinagsama-sama upang matukoy ang mga lokasyon kung saan maaaring i-deploy ang hangin at solar nang hindi nakakasagabal sa mga protektadong lupain.
Gamit ang iba't ibang hanay ng data na ito kasama ang inaasahang gastos para sa pagbuo ng kuryente noong 2030, nagpatakbo kami ng iba't ibang simulation upang siyasatin kung paano makakaapekto ang mga salik na ito sa halo ng mga power generator sa rehiyon habang pinapaliit ang kabuuang gastos.
Ang sitwasyong nakakabawas sa mga emisyon ay may malaking hangin at solar PV na naka-deploy; 523 gigawatts (GW) ng hangin at 371 gigawatts ng solar PV kumpara sa 60 GW at 2.5 GW ayon sa pagkakasunod-sunod noong 2012. Sa sitwasyong ito, mayroon lamang 461 GW ng natural gas (mas mababa kaysa ngayon).
Isinasalin ito sa 38% ng kuryente na nagmumula sa hangin, 17% mula sa hangin, 21% mula sa natural na gas ang natitira ay mula sa nuclear at hydroelectric. Noong 2012, ang hangin ay umabot sa 3.5%, solar para sa mas mababa sa 1% at natural na gas para sa 30%.
Muli, ang solusyon na ito ay ang pinakamurang posibleng solusyon.
Upang makarating sa antas na ito ng solar at hangin - isang makabuluhang pagtalon mula sa mga antas ngayon - ay nangangailangan ng mga bagong linya ng transmission sa modelo.
Ang halaga ng bagong HVDC transmission na binuo ng modelo ay 139 million MW-miles, na isang malaking imprastraktura na gawain. Ito ay parang napakalaking halaga, ngunit ito ay kumakatawan lamang sa 4% ng kabuuang halaga ng system taun-taon.
Paano ang tungkol sa pag-iimbak ng enerhiya?
Ang modelo ng NEWS ay natatangi sa pag-aaral ng pagsasama ng mas mataas na antas ng hangin at solar dahil pinangangasiwaan nito ang malalaking volume ng data ng lagay ng panahon, habang kino-compute ang mahahalagang aspeto ng electric grid tulad ng ramping constraints sa mga generator, down time para sa mga generator, daloy ng kuryente sa mga linya ng pagpapadala, mga pagkalugi ng kuryente na nagpapalipat-lipat ng kapangyarihan sa paligid ng system, nakakatugon sa pangangailangan sa bawat oras sa bawat merkado at iba pang mga hadlang sa pagpapatakbo. Dagdag pa, kabilang dito ang lahat ng lahat ng opsyon sa teknolohiya; naghahanap lamang ito ng mga opsyon sa pinakamababang halaga.
Maaaring mag-imbak ng kuryente sa maraming paraan, tulad ng pagbomba at pagpapakawala ng tubig mula sa mga reservoir o pag-install ng malalaking bangko ng baterya. Sa mga paunang pagpapatakbo ng modelo, ang imbakan ng kuryente ay hindi mapagkumpitensya gamit ang mga pagtatantya ng gastos para sa 2030 kumpara sa pagdaragdag ng mga generator ng transmission o natural gas (puro batay sa gastos).
Ang modelo ng BALITA ay isang tool upang makatulong na maunawaan kung paano mababago ang isang electric grid habang pinapanatili ang mababang gastos. Ang mababang gastos ay talagang mahalaga dahil ang pagtaas ng mga gastos sa enerhiya upang mabawasan ang mga pagbawas ng carbon ay maaaring magdulot ng kahirapan sa ekonomiya.
Maraming mga hadlang sa pag-unlad ng isang de-carbonized na ekonomiya at lipunan. Ngunit, ipinakita ng modelo ng BALITA na ang hangin at solar PV, na sinamahan ng mataas na boltahe na direktang kasalukuyang paghahatid ay maaaring talagang makatutulong sa pagbabawas ng mga emisyon sa sektor ng kuryente.
Ito ay totoo kahit na walang bagong milagrong baterya o inobasyon sa loob ng industriya ng electric storage bagama't ang mura, epektibong electric storage ay makakatulong sa pagsasama ng mga renewable.
Upang alisin ang carbon mula sa buong ekonomiya, dapat na i-de-carbonize muna ang kuryente. Kung magagawa ito sa murang halaga, masusunod din ito ng ibang sektor. Ang pagsasama-sama ng hangin, solar, natural gas at transmission ay isang posibleng tulay sa isang zero emissions sa hinaharap.
Tungkol sa Ang May-akda
Christopher Clack, Research Scientist, National Oceanic at Atmospheric Administration. Siya ang teknikal na nangunguna sa isang pangkat na nag-aaral ng site optimization para sa hangin at solar energy. Ang layunin ay upang matukoy kung anong antas ang masusuportahan ng United States sa sarili nito sa mga renewable na pinagmumulan ng enerhiya, at kung saan ilalagay ang mga pinagmumulan na ito, upang magbigay ng pinakamababa, pinakamabisang generation system na may pinakamaliit na posibleng epekto sa kapaligiran.
Ang artikulong ito ay orihinal na na-publish sa Ang pag-uusap. Basahin ang ang orihinal na artikulo.
Mga Kaugnay Book:
