Come avere una griglia elettrica completamente rinnovabile

Come avere una griglia elettrica completamente rinnovabile
Una rete interamente rinnovabile significherà più elettricità e più linee di trasmissione. Russ Allison Loar / flickr, CC BY-NC-ND

La soluzione principale a cambiamento climatico è ben noto: smettere di bruciare combustibili fossili. Come fare ciò è più complicato, ma come studioso che fa la modellistica energetica, io e altri vediamo i contorni di un futuro post-combustibile fossile: noi fare elettricità con fonti rinnovabili ed elettrificare quasi tutto.

Ciò significa guidare veicoli e treni sull'elettricità, riscaldare gli edifici con l'elettrico pompe di calore, elettrizzante applicazioni industriali come la produzione di acciaio e l'utilizzo di elettricità rinnovabile per produrre Idrogenazione (simile al gas naturale) per altri requisiti. Quindi l'attenzione è rivolta all'alimentazione della rete elettrica con fonti rinnovabili.

Si discute, tuttavia, se ci siano sistemi di elettricità completamente rinnovabili fattibile e quanto velocemente la transizione può essere effettuata. Qui sostengo che la fattibilità è chiara, quindi è rilevante solo la questione della transizione.

Tecnologie conosciute

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Un parco eolico in Texas. Texas ottenuto circa il 15% della sua elettricità dal vento in 2017.
Draxis / flickr, CC BY-ND

La mia ricerca si concentra sul economia delle energie rinnovabili. Per dimostrare la fattibilità e stimare i costi dei sistemi di energia elettrica rinnovabile, i ricercatori utilizzano modelli di computer che calcolano la produzione potenziale da diverse tecnologie in ogni momento, in base alle mutevoli condizioni meteorologiche. Un modello rivela quale combinazione di fonti di energia elettrica e sistemi di accumulo di energia ha il costo più basso, soddisfacendo sempre la domanda.

Molti studi dimostrare che le reti elettriche completamente rinnovabili sono realizzabili nel Stati Uniti, Europa, Australia e altrove. I miei colleghi e io abbiamo recentemente completato uno studio su piccola scala sull'isola-nazione di Mauritius. Le isole sono attraenti luoghi per le transizioni iniziali rinnovabili a causa della loro piccola scala, relativa semplicità e dipendenza dai carburanti importati.

Ci sono un certo numero di modi per produrre elettricità rinnovabile: idro, eolico, fotovoltaico solare, geotermia e combustione di varie forme di biomassa (materia vegetale), inoltre migliorare l'efficienza usare meno energia. Queste sono tecnologie mature con costi noti.

Altre possibilità includono onda, marea e concentrazione di energia solare, dove i riflettori focalizzano i raggi solari per produrre energia. Mentre questi potrebbero essere utilizzati in futuro, la necessità di affrontare i cambiamenti climatici è urgente e, a mio avviso, le tecnologie mature sono sufficienti.

Opinioni su energia nucleare corri forte, che è un'altra conversazione. Ma i modelli mostrano che gli Stati Uniti non hanno bisogno dell'energia nucleare per ritirare i combustibili fossili.

La griglia del futuro

I sistemi di energia rinnovabile sono specifici dell'ubicazione: il sistema migliore dipende dalle risorse di un luogo (è ventoso?), Dal suo modello temporale (quanto spesso non è ventoso?) E dalla disponibilità di fonti complementari (esiste energia idroelettrica per il backup?). Nonostante questa sensibilità alla posizione, studi in luoghi diversi stanno trovando risultati simili.

Avere una varietà di fonti rinnovabili può ridurre i costi. In particolare, il solare e il vento lo sono complementare se la stagione soleggiata non è la stagione ventosa; i modelli rilevano che una combinazione di entrambi è in genere meno costosa di una sola.

Per la maggior parte delle tecnologie, una scala più grande riduce i costi. Ad esempio, negli Stati Uniti, gli impianti solari su larga scala possono essere più di 1,000 volte più grandi dei sistemi di tetto residenziali e circa la metà del costo. Per ridurre al minimo i costi, costruiamo sistemi di grandi dimensioni.

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Costruire progetti di energia rinnovabile su larga scala, come questo impianto solare 550-megawatt nel deserto del Mojave in California, porta a costi inferiori per l'energia prodotta.
Dipartimento degli Interni degli Stati Uniti, CC BY-SA

Poiché le condizioni del sole e del vento variano in base al paesaggio, al sistema i costi diminuiscono con l'aumentare dell'area di produzione, quindi ci deve essere un robusta rete elettrica spostare l'elettricità da luoghi in cui vi è offerta a luoghi di domanda. Abbiamo anche bisogno di più elettricità per applicazioni come i trasporti che attualmente utilizzano combustibili fossili. Ciò significa che la griglia deve crescere.

Gli studi dimostrano che far funzionare una rete elettrica con energia rinnovabile variabile includere non usare o scaricare energia a volte, una strategia che riduce i costi rispetto alla conservazione di energia in eccesso.

Tuttavia, una qualche forma di stoccaggio di elettricità è necessario. Le batterie funzionano bene per attenuare le fluttuazioni a breve termine, ma per conservare l'energia per molte ore o giorni, stoccaggio idroelettrico pompato è meno costoso. L'idro pompato utilizza qualsiasi energia aggiuntiva nella rete per pompare l'acqua in salita e, quando è necessaria energia, l'acqua scorre verso il basso per generare energia in una turbina. Gli Stati Uniti hanno alcuni esempi esistenti e molte località possibili. Con l'espansione della griglia, l'archiviazione potrebbe trovarsi a una distanza dagli utenti.

L'energia idroelettrica e la biomassa sono disponibili su richiesta, quindi il fatto di averli in una rete elettrica rinnovabile riduce la necessità di accumulo di energia e riduce i costi. Entrambi hanno effetti ambientali che devono essere gestiti.

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US Energy Information Administration, CC BY

L'energia idroelettrica può alterare gli ecosistemi locali. ardente la biomassa emette anidride carbonica, ma uno studio su cui ho lavorato mostra che le emissioni di biomassa sono reversibili e sono chiaramente preferibili al carbonio rispetto alle emissioni di combustibili fossili. La sostenibilità dipende anche in modo critico dalla gestione dei campi e delle foreste da biomassa; la storia umana su questo non è stato stellare.

I sistemi di energia rinnovabile richiedono terra. UN Studio americano mostra che la fornitura di tutta l'energia elettrica dal vento, dall'acqua e dal solare richiederebbe il 0.42% della superficie terrestre, oltre al 1.6% della superficie terrestre per lo spazio tra le turbine eoliche. L'energia da biomassa richiede molta più terra rispetto all'energia eolica o solare, quindi la biomassa deve essere una piccola parte della soluzione di energia rinnovabile.

Le vere barriere sono politiche e culturali

Una futura rete elettrica rinnovabile con relativa elettrificazione può o meno ridurre i costi energetici. Ma evitare i peggiori effetti del cambiamento climatico significa smettere di usare combustibili fossili, anche se questo fa risparmiare denaro. Tuttavia, la transizione rinnovabile sarà più rapida e politicamente più semplice se è meno costosa.

In Mauritius, il nostro studio rileva che i costi dell'elettricità rinnovabile sono simili ai costi attuali lì, sulla base degli attuali costi di capitale per l'energia rinnovabile. Alcuni studi inoltre, i costi per l'energia elettrica rinnovabile futura saranno inferiori ai costi attuali di combustibili fossili, nel probabile caso in cui i costi diminuiranno man mano che costruiamo più sistemi di energia rinnovabile e miglioriamo nel farlo.

E questo è tutto, dal punto di vista tecnico. Una combinazione di fonti rinnovabili e accumulo di energia - la combinazione specifica in base alle condizioni e alle preferenze locali - può fornire tutta l'elettricità necessaria a un prezzo accessibile e ridurre l'inquinamento atmosferico.

Ma le politiche del governo sono necessarie per passare alle energie rinnovabili. Il cambiamento climatico è un costo esterno - sostenuto dalla società piuttosto che dai produttori di energia - quindi le sole forze di mercato non effettueranno la transizione. Oltre a mettere un prezzo sul carbonio (forse con i dividendi sono tornati al pubblico), il governo potrebbe semplificare la costruzione dell'infrastruttura necessaria. È necessario anche il sostegno pubblico: ad esempio, l'accettazione pubblica delle linee di trasmissione per spostare l'elettricità dalle Grandi Pianure ventose ai centri urbani è un'altra sfida per una rete interamente rinnovabile.

Sarà un progetto sulla scala di trasformazione del sistema energetico creare posti di lavoro - molti lavori - che è forse la misura economica di maggiore importanza per la cittadinanza.

Ricerche condotte da me e da altri mostrano che le reti elettriche completamente rinnovabili sono realizzabili con la tecnologia attuale a prezzi correnti; gli ostacoli all'uso dell'elettricità rinnovabile sono più politici e culturali che tecnologici o economici.

Circa l'autore

David Timmons, Professore associato di economia, Università del Massachusetts Boston

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

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