Come ottenere una griglia elettrica altamente rinnovabile

Come ottenere una griglia elettrica altamente rinnovabile Espandere il potenziale di energia solare più del necessario potrebbe sostituire l'accumulo di energia più costoso. Jamey Stillings, CC BY-SA

Il famoso inventore Edwin Land disse"Non è che abbiamo bisogno di nuove idee, ma dobbiamo smettere di avere vecchie idee". Sembrava che ci stesse dicendo che le soluzioni si trovano appena al di là delle nostre vecchie abitudini di pensiero.

Le città, gli stati e i paesi di tutto il mondo si stanno impegnando in economie di energia pulita che funzionano a livelli molto alti, persino il 100%, di energia rinnovabile. Solo nello stato di New York, quattro obiettivi in ​​competizione 50% a 100% rinnovabili da o prima di 2040.

Realisticamente, solo due risorse energetiche rinnovabili sono abbastanza grandi per raggiungere questi obiettivi ad altissima penetrazione dal lato dell'offerta negli Stati Uniti: solare (di gran lunga) e vento.

Entrambe, tuttavia, sono risorse variabili, guidate dal tempo e dai cicli giornalieri e stagionali. Pertanto, devono essere "fermati", cioè capaci di erogare energia su richiesta, al fine di sostituire le risorse fossili che possono essere inviate secondo necessità. Sulla base delle nostre ricerche, sosteniamo che questa trasformazione del potere aziendale non solo è possibile, ma anche economica, se smettiamo di avere vecchie idee.

Un'idea consolidata e molto diffusa - probabilmente il risultato di prezzi di energia rinnovabile storicamente alti - è che tutta la potenza generata dalle risorse rinnovabili deve essere venduta mentre viene generata. L'idea di scartare l'energia eolica o solare disponibile è un anatema, imposto ai produttori di energia elettrica quando la produzione da queste fonti supera quello che la rete può accettare.

Questa vecchia idea ignora una proposizione fondamentale: sovradimensionamento e riduzione proattiva del vento e del solare. Per quanto controintuitivo, uno studio condotto dai nostri colleghi e da noi condotto dimostra che questi passaggi sono la chiave del percorso meno costoso per una rete elettrica alimentata in gran parte da energia solare ed eolica.

Pesare contro l'accumulo di energia

Il ragionamento che sta alla base del sovraprovisioning di energia solare ed eolica è semplice:

  • Stoccaggio di energia è l'unico ingrediente essenziale necessario per riempire la variabilità delle energie rinnovabili quando il sole non splende o il vento non soffia. Queste lacune includono i periodi infragiornalieri, come le ore di picco di domanda durante il giorno e le notti e, soprattutto, i più ampi intervalli di più giorni e stagionali dalle condizioni sostenute di sole basso o di vento basso. Per lo stoccaggio, gli operatori di rete - le organizzazioni che garantiscono che l'alimentazione elettrica corrisponda alla domanda mentre sale e scende durante il giorno - si basano in genere sui serbatoi d'acqua chiamati idro pompato o, per periodi più brevi, batterie.

  • Lo storage sta diventando più economico, ma anche ipotizzando le proiezioni dei costi a lungo termine più ottimistiche, il nostro studio Ci ha portato a concludere che l'applicazione dello stoccaggio da solo al vento stabile o al solare rimarrà proibitiva a causa delle dimensioni dei divari di più giorni e stagionali. Anche il vento e il solare stanno diventando molto meno costosi, soprattutto solare, al punto in cui la cementificazione è sempre più conveniente. Questo è vero anche quando l'energia prodotta dai generatori eolici e solari viene scaricata o "ridotta" e non immessa nella rete.

  • La sovradimensionamento riduce le lacune di produzione perché è disponibile una maggiore quantità di energia durante i periodi di scarsa disponibilità di energia solare ed eolica. La cementazione riduce anche i requisiti di stoccaggio.

Come ottenere una griglia elettrica altamente rinnovabile Questo grafico mostra come fornire energia 24 ore su 24 dal vento e dal sole con lo stoccaggio rimane solo molto più costoso della "parità di rete", il costo della fornitura di gas naturale (B). Ma lo stoccaggio combinato con l'eccesso di vento e solare che viene ridotto di circa 30% del tempo può essere meno costoso della parità di rete e fornire potenza su richiesta (C). Richard Perez, Karl R. Rabago, CC BY-ND

'Rassodante' con sovraccapacità

Oggi, l'attuale prassi regolatoria per l'energia solare ed eolica favorisce la massimizzazione della produzione in ogni momento. Le società che gestiscono queste strutture cercano di vendere tutta la loro produzione ai prezzi più alti, quindi ridurre la produzione è considerato una perdita di entrate.

Quella vecchia idea operativa inibisce la transizione a fare affidamento sul solare e sul vento come fonti ferme e on-demand, poiché tutta la loro produzione viene utilizzata solo quando è disponibile. Questo approccio mantiene anche l'energia rinnovabile al margine.

Come funzionerebbe in pratica una griglia con risorse solari ed eoliche sovraccariche? Diciamo che l'operatore di una rete elettrica regionale ha bisogno di X megawattora al giorno per soddisfare la domanda. Oggi le fattorie solari in quella regione possono soddisfare o superare questa domanda solo nei giorni di produzione più elevata, come le giornate limpide in estate. Negli altri giorni, gli spazi di produzione sono soddisfatti dallo stoccaggio.

Al contrario, quando la risorsa solare è sovradimensionata, il generatore solare può soddisfare la domanda di X MWh / giorno in più giorni dell'anno e ci sono meno spazi vuoti - quindi ci sono meno volte che lo stoccaggio di energia è necessario per colmare le lacune.

Una volta consolidati attraverso una combinazione di overprovisioning e stoccaggio, le risorse energetiche rinnovabili variabili diventano effettivamente dispacciabili, in grado di fornire energia quando necessario e funzionalmente equivalente alle centrali elettriche tradizionali. In questo modo, le energie rinnovabili possono sostituire questi generatori senza un'importante riprogettazione della rete.

Il nostro team ha modellato a soluzione ad alto valore solare e sovradimensionata per lo stato non particolarmente soleggiato del Minnesota. L'obiettivo era quello di determinare la combinazione meno costosa di energia solare, vento e stoccaggio connessa alla rete necessaria per fornire servizi energetici per tutto l'anno.

Lo studio dimostra che il superamento della variabilità naturale del solare e del vento può essere realizzato a costi inferiori ai costi attuali della rete (la cosiddetta "grid parity") mediante la sovralimentazione delle risorse solari ed eoliche e adottando una strategia operativa della rete che consente di circa 20% a 40% riduzione della produzione di energia in eccesso. Nel nostro modello viene utilizzato anche lo stoccaggio di energia, ma le economie superiori derivano direttamente dalla sostituzione di una generazione in eccesso riducibile per uno stoccaggio più costoso.

Una domanda legittima da porsi è quale sarebbe l'area necessaria per un pieno dispiegamento di pannelli fotovoltaici sovradimensionati. Per il Minnesota, nello scenario di generazione di 100% più estremo ipotizzando un sovradimensionamento di un fattore due o raddoppiando il solare necessario per soddisfare la domanda corrente, questa area equivarrebbe a miglia quadrate 435, ipotizzando pannelli solari con lo stato dell'arte efficienza di 20%. Questa area rappresenta meno del 1% dello stato colture coltivate e metà dello spazio urbanizzato ad alta e media densità.

Come ottenere una griglia elettrica altamente rinnovabile Gli operatori di rete possono beneficiare della gestione di energia eolica e solare su base regionale, poiché i periodi di produzione elevata possono completarsi a vicenda. Il vento invernale, ad esempio, è spesso più forte di notte, mentre la produzione di energia solare è più elevata nei mesi estivi. Archivio fotografico IIP, CC BY-NC

Ottimizzazione della modalità di esecuzione della rete di alimentazione di massa

Oltre al sovradimensionamento, alla riduzione e all'ottimizzazione dello storage, diverse pratiche operative e di pianificazione, alcune delle quali sono già state fatte ora, migliorerebbero ulteriormente il valore e le prestazioni di una rete ad alto potenziale solare e ne promuoveranno la realizzazione con interruzioni minime. Loro includono:

  • Sfruttare le prestazioni complementari e i profili operativi variabili di energia solare ed eolica. Nella maggior parte delle località, l'energia eolica e solare hanno profili di produzione diurni e stagionali complementari: il vento aumenta di notte e d'inverno, il fotovoltaico è più alto durante il giorno d'estate.

  • Utilizzo della gestione della domanda - la pratica di ridurre l'uso di energia nelle postazioni dei clienti di energia elettrica - come un modo per ridurre al minimo le interruzioni della domanda e dell'offerta.

  • Consentire agli operatori di rete di avere autorità sull'ubicazione e la gestione della produzione di energia rinnovabile all'interno delle loro regioni in modo che le decisioni su quando si verifica la riduzione o lo stoccaggio vengano applicate su base regionale per ridurre al minimo le interruzioni nella domanda e nell'offerta.

Un atteggiamento di massimizzazione della produzione di energia rinnovabile ed evitamento della limitazione aveva senso quando la generazione solare variabile era estremamente costosa e le soluzioni rassodanti erano ancora più costose. Tuttavia, le riduzioni recenti e previste dei costi chiavi in ​​mano, di gestione della rete e di stoccaggio stanno cambiando il set di soluzioni ottimali, a partire dalla cementificazione solare.

Marc Perez, ricercatore senior presso Clean Power Researcher, che ha scritto la sua tesi alla Columbia University su questo argomento, ha contribuito a questo articolo. Anche Morgan Putnam, VP di Solar Analytics di REsurety, ha contribuito.The Conversation

Circa l'autore

Richard Perez, Senior Research Associate in Atmospheric Sciences Research Center, Università di Albany, State University di New York e Karl R. Rabago, professore di diritto; Direttore esecutivo, Pace Energy and Climate Center, Pace University

Questo articolo è ripubblicato da The Conversation sotto una licenza Creative Commons. Leggi il articolo originale.

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