Wind- en zonne-energie zijn een manier om de koolstofemissies te verminderen, maar deze opwekkingsbronnen zijn afhankelijk van de grillen van het weer, wat betekent dat noch wind noch zonne-energie op elk uur van de dag elektriciteit op aanvraag kan produceren. Deze variabiliteit heeft velen ertoe gebracht te veronderstellen dat sterk expanderende wind en zonne-energie om koolstofemissies te verminderen de elektriciteitskosten zullen doen stijgen en dure energieopslag vereisen.
Mijn collega's en ik hebben zojuist een gepubliceerd nieuwe studie om aan te tonen dat deze veronderstelling niet correct is. Als de VS naar een nationaal elektrisch systeem van de 48-staat zouden verhuizen, zou het land in plaats van het huidige regionale systeem meer hernieuwbare energie in het hele land kunnen transporteren. Die verandering kan CO2 met 78% verlagen tegen lagere kosten dan vandaag zonder opslagtechnologieën te gebruiken.
Met behulp van een computermodel, vonden we dat dit grotere elektrische systemen energie efficiënter zouden gebruiken, ongeacht de generatoren binnen het. De kostenbesparing tussen de nationale stijlsysteem we gemodelleerd en de huidige, die is verdeeld in ongeveer 130 gebieden, is $ 47 miljard per jaar. Dat vertaalt zich in een elektriciteitskosten van tussen de 8.5 en 10.2 ¢ per kilowattuur (kWh), in vergelijking met de huidige nationale gemiddelde van 12.7 cent per kWh.
Electron supersnelweg
Onze studie was gebaseerd op een model dat de National Energy with Weather System (NEWS) -simulator wordt genoemd. De NEWS-simulator is een kostenoptimalisatiemodel dat meedogenloos de goedkoopste oplossing zoekt.
Het bevat functies van het elektriciteitsnet, zoals transmissie, generatoren, elektrische vraag, beperkingen voor het landgebruik, gedrag van de generator, weergegevens en kostengegevens voor generatoren. Om te berekenen hoe de kosten te minimaliseren, zal het NEWS-model berekenen hoe elk uur voor een heel jaar van stroom te voorzien op basis van de beschikbare generatoren en transmissielijnen die vermogen over lange afstanden transporteren.
Ons model had iets unieks, maar: een hoog-voltage direct current (HVDC) transmissie overlay.
In concept lijkt dit sterk op het interstate snelwegsysteem dat over het wegennet wordt gelegd. HVDC-technologie heeft één groot voordeel ten opzichte van traditionele hoogspanningslijnen: er gaat minder energie verloren bij het transporteren van stroom van het ene punt naar het andere. Het doet dit door gebruik te maken van gelijkstroom in plaats van wisselstroom en bij hogere spanningen.
HVDC wordt tegenwoordig in de VS gebruikt. Het wordt echter ingezet als point-to-point-systeem voor enkele (of enkele) generatoren naar verre markten. Een van de meest prominente wordt de Pacific DC-intertie genoemd, die de macht van het vreedzame noordwesten met zijn overvloedige waterkracht naar Los Angeles verscheept, 48% vermogen tijdens piekuren. Het verschil in het NEWS-model is dat HVDC wordt geïmplementeerd in een netwerk, in plaats van een eenvoudige point-to-point-configuratie, die een veel groter gebruik van de lijnen mogelijk maakt zodat stroom tussen regio's in meerdere richtingen kan stromen.
Windenergie potentieel ramingen voor de VS Rood geeft aan high potential, blauw is laag. Chris Clack / CIRES, Author voorzien Kritisch gaat het NEWS-model er niet vanuit dat er meer transmissielijnen moeten worden toegevoegd aan het huidige raster. Maar het introduceert wel nieuwe transmissiecapaciteit als het model het zuinig vindt. Interessant is dat het NEWS-model altijd HVDC-transmissie selecteert wanneer dit mogelijk is. Waarom? Door de beschikbaarheid van HVDC-lijnen kunnen grotere markten worden gevormd, die dan profiteren van schaalvoordelen.
In de praktijk zou dit betekenen dat windgeneratoren in de vlaktes van de Verenigde Staten bijvoorbeeld meer macht zouden kunnen exporteren naar plaatsen in het land waar grote vraag is, zoals grote steden. Zoals het nu is, ondersteunen windgenerators alleen regionaal vermogen en leveren ze soms meer vermogen dan op sommige uren van de dag nodig is.
gerelateerde inhoud
In een regionaal systeem, eentje die zo groot is als Kansas, hebben wind en zonne-energie de neiging om periodes van overproductieperiodes en in productie te zijn. Dit resulteert in hogere kosten omdat wind- en zonne-energiegeneratoren moeten worden ingeperkt of uitgeschakeld tijdens overproductie. Om productieverlies te voorkomen, moeten netbeheerders rekenen op een back-upgeneratie van fabrieken met fossiele brandstoffen.
Met een nationaal systeem, kan de generatoren strategisch worden geplaatst over de aangrenzende VS om dit effect te verminderen en de totale kosten. De HVDC het verkeer van deze elektriciteit uit verre uithoeken naar steden met lagere verliezen dan de traditionele AC.
Hernieuwbare scenario's
Om het onderzoek uit te voeren, werden weergegevens met hoge resolutie voor elk uur van de drie jaar samengesteld uit 2006 tot en met 2008. De weergegevens werden vervolgens gebruikt als input voor geavanceerde energiealgoritmen om het vermogen te schatten dat zou kunnen worden gegenereerd door windturbines en zonnepanelen in de VS.
Daarnaast verzamelden we gegevens over de vraag naar elektriciteit in die tijd in de VS. De gegevens waren nodig omdat het weer een fundamentele motor is voor de elektrische vraag. Vervolgens projecteerden we vraaggegevens naar 2030.
Omdat de inzet van wind en zon aan veel beperkingen onderhevig is, hebben we landgebruiksoverwegingen in het model ingebouwd. Gegevensverzameling voor landgebruik is samengesteld om locaties te identificeren waar wind en zon kunnen worden ingezet zonder te interfereren met beschermde gebieden.
Met behulp van deze verschillende sets van gegevens, samen met de verwachte kosten voor de opwekking van energie in 2030, liepen we verschillende simulaties te onderzoeken hoe deze factoren de mix van stroomgeneratoren regionaal van invloed zou zijn terwijl het minimaliseren van de totale kosten.
Het scenario dat de emissies het meest terugdringt, heeft aanzienlijke wind- en zon-PV ingezet; 523 gigawatt (GW) wind en 371 gigawatt aan zon-PV vergeleken met 60 GW en 2.5 GW repectief in 2012. In dit scenario was er alleen 461 GW van aardgas (minder dan vandaag).
Dit komt overeen met 38% elektriciteit afkomstig van wind, 17% van wind, 21% van aardgas en de rest van nucleair en hydro-elektrisch. In 2012 was wind goed voor 3.5%, zonne-energie voor minder dan 1% en aardgas voor 30%.
Nogmaals, deze oplossing is de goedkoopste oplossing.
Om dit niveau van zon en wind te bereiken - een aanzienlijke sprong van de huidige niveaus - zijn er nieuwe transmissielijnen nodig in het model.
De hoeveelheid nieuwe HVDC-transmissie die door het model wordt gebouwd, is 139 miljoen MW-miles, wat een grote infrastructuuronderneming is. Dit klinkt als een enorme hoeveelheid, maar het zou slechts voor 4% van de totale kosten van het systeem jaarlijks vertegenwoordigen.
Hoe zit het met energie-opslag?
Het NEWS-model is uniek in de studie naar integratie van hogere niveaus van wind en zon omdat het grote hoeveelheden weergegevens verwerkt, terwijl het de belangrijke aspecten van het elektriciteitsnet berekent, zoals oplopende beperkingen op generatoren, down-time voor generatoren, stroomsterkte in de transmissielijnen, elektrische verliezen die de macht over het systeem heen en weer schudden, voldoen aan de vraag op elk uur in elke markt en andere operationele beperkingen. Verder omvat het alle alle technologische opties; het zoekt alleen naar de goedkoopste opties.
Elektriciteit kan op een aantal manieren worden opgeslagen, zoals pompen en releasting van water uit reservoirs of het installeren van grote accubanken. In de eerste modelruns was elektrische opslag niet concurrerend met behulp van kostenramingen voor 2030 in vergelijking met het toevoegen van transmissie- of aardgasgeneratoren (puur gebaseerd op kosten).
De NEWS model is een instrument om te helpen begrijpen hoe een elektriciteitsnet zou kunnen worden omgezet, terwijl de kosten laag. Lage kosten is absoluut noodzakelijk omdat de stijgende energiekosten tot vermindering van de koolstofuitstoot te verminderen kunnen de economische ontberingen veroorzaken.
Er zijn tal tegenwind de ontwikkeling van een gecarboniseerd de economie en de samenleving. Maar, heeft de NEWS model aangetoond dat wind- en zonne-PV, gecombineerd met HVDC transmissie kan eigenlijk een lange weg te gaan bij het verminderen van de uitstoot in de elektrische sector.
Dit geldt zelfs zonder een nieuwe wonderaccu of innovatie binnen de sector van elektrische opslag, hoewel goedkope, effectieve elektrische opslag nuttig zou zijn bij het integreren van hernieuwbare energiebronnen.
Om koolstof uit de hele economie te verwijderen, moet elektriciteit eerst worden gedecarboniseerd. Als het tegen lage kosten kan worden gedaan, kunnen andere sectoren dit voorbeeld volgen. Het combineren van wind, zon, aardgas en transmissie is een mogelijke brug naar een nul-emissietoekomst.
Over de auteur
Christopher Clack, Research Scientist, National Oceanic and Atmospheric Administration. Hij is de technische leider in een team dat site-optimalisatie voor wind- en zonne-energie bestudeert. Het doel is om te bepalen op welk niveau de Verenigde Staten zichzelf kunnen ondersteunen op het gebied van hernieuwbare energiebronnen en waar ze deze bronnen kunnen plaatsen, om het goedkoopste, meest efficiënte opwekkingssysteem te voorzien van de kleinst mogelijke milieu-impact.
Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.
Verwante Boek:
