Il modo più economico per Scale Up vento e l'energia solare?

Il modo più economico per Scale Up vento e l'energia solare?

L'energia eolica e solare sono un modo per ridurre le emissioni di carbonio, ma queste fonti di generazione dipendono dai capricci del tempo, il che significa che né il vento né il sole possono produrre elettricità su richiesta a tutte le ore del giorno. Questa variabilità ha portato molti a presumere che l'espansione del vento e del solare per ridurre le emissioni di carbonio porterà i costi dell'elettricità a salire alle stelle e richiederà costosi accumuli di energia.

I miei colleghi e io abbiamo appena pubblicato un nuovo studio per mostrare che questa ipotesi non è corretta. Infatti, se gli Stati Uniti dovessero trasferirsi in un sistema elettrico nazionale 48, piuttosto che in quello regionale attualmente in funzione, il paese sarebbe in grado di trasportare più energia rinnovabile in tutto il paese. Tale modifica potrebbe ridurre CO2 di 78% a costi inferiori rispetto a oggi senza utilizzare alcuna tecnologia di archiviazione.

Utilizzando un modello al computer, abbiamo scoperto che questo sistema elettrico più grandi avrebbero utilizzare energia in modo più efficiente, indipendentemente dei generatori all'interno di esso. La riduzione dei costi tra il sistema di stile nazionale abbiamo modellato e quello attuale, che è diviso in circa 130 regioni, è miliardi di $ 47 all'anno. Che si traduce in un costo di energia elettrica tra 8.5 e 10.2 ¢ per kilowatt-ora (kWh), rispetto alla media nazionale in corso di 12.7 centesimi per kWh.

Electron superstrada

Il nostro studio si basava su un modello chiamato simulatore National Energy with Weather System (NEWS). Il simulatore NEWS è un modello di ottimizzazione dei costi che cerca incessantemente la soluzione più economica.

Comprende caratteristiche della rete elettrica, quali trasmissione, generatori, domanda elettrica, vincoli sull'uso del territorio, comportamento del generatore, dati meteorologici e dati sui costi per i generatori. Per capire come minimizzare i costi, il modello NEWS calcolerà come fornire energia ogni ora per un anno intero in base ai generatori e alle linee di trasmissione disponibili che trasportano energia a lunghe distanze.

Il nostro modello ha avuto qualcosa di unico, però: una corrente continua (HVDC) overlay di trasmissione ad alta tensione.

Nel concetto, questo è molto simile al sistema autostradale interstatale sovrapposto alla rete stradale. La tecnologia HVDC ha un grande vantaggio rispetto alle linee elettriche tradizionali: c'è meno energia persa nel trasporto della potenza da un punto a un altro. Lo fa utilizzando la corrente continua, anziché la corrente alternata, e operando a tensioni più elevate.

HVDC viene utilizzato negli Stati Uniti oggi. Tuttavia, viene utilizzato come sistema point-to-point per singoli (o pochi) generatori in mercati lontani. Uno dei più importanti è chiamato Pacific Intertie, che trasporta energia dal pacifico nord-ovest con la sua abbondante energia idroelettrica fino a Los Angeles, fornendo 48% di potenza durante le ore di picco della domanda. La differenza nel modello NEWS è che HVDC è distribuito in una rete, invece di una semplice configurazione point-to-point, che consente un utilizzo molto più grande delle linee per il flusso di potenza tra le regioni in più direzioni.

L'energia eolica potenziali stime per gli Stati Uniti rosso indica un elevato potenziale, blu è basso. Chris Clack / CIRES, Autore fornito L'energia eolica potenziali stime per gli Stati Uniti rosso indica un elevato potenziale, blu è basso. Chris Clack / CIRES, Autore fornito Criticamente, il modello NEWS non presuppone che più linee di trasmissione debbano essere aggiunte alla griglia corrente. Ma introduce nuove capacità di trasmissione se il modello lo ritiene economico. È interessante notare che il modello NEWS seleziona sempre la trasmissione HVDC quando possibile. Perché? La disponibilità di linee HVDC consente la creazione di mercati più grandi, che beneficiano quindi di economie di scala.

In pratica, ciò significherebbe che i generatori eolici negli stati delle Pianure, ad esempio, potrebbero esportare più energia in luoghi nel paese in cui vi è una forte domanda, come le grandi città. Come ora, i generatori eolici supportano la potenza solo a livello regionale e talvolta forniscono più energia del necessario in alcune ore del giorno.

In un sistema regionale, uno delle dimensioni del Kansas, l'eolico e il solare tendono a essere periodi di periodi di produzione eccessivi e in produzione. Ciò si traduce in un aumento dei costi in quanto i generatori eolici e solari devono essere limitati o disattivati ​​durante la produzione eccessiva. Per far fronte agli errori di produzione, gli operatori di rete devono fare affidamento sulla generazione di riserva da impianti a combustibili fossili.

Con un sistema nazionale, i generatori possono essere posizionati strategicamente sul contigua statunitense per ridurre questo effetto e ridurre i costi complessivi. L'HVDC facilita la circolazione di questa energia elettrica da zone distanti alle città con perdite inferiori rispetto tradizionale AC.

Scenario Rinnovabili

Per eseguire lo studio, i dati meteorologici ad alta risoluzione sono stati compilati per ogni ora dei tre anni da 2006 a 2008. I dati meteorologici sono stati poi utilizzati come input in sofisticati algoritmi di potenza per stimare la potenza che potrebbe essere generata da turbine eoliche e pannelli solari fotovoltaici negli Stati Uniti.

Inoltre, abbiamo compilato i dati sulla domanda di energia elettrica in quei periodi negli Stati Uniti. I dati erano necessari perché il clima è un fattore fondamentale della domanda elettrica. Quindi abbiamo proiettato i dati della domanda su 2030.

Poiché il dispiegamento di energia eolica e solare è soggetto a molti vincoli, nel modello abbiamo costruito considerazioni sull'uso del territorio. Il set di dati sull'uso del suolo è stato compilato per identificare le posizioni in cui il vento e il sole possono essere dispiegati senza interferire con le terre protette.

L'utilizzo di questi diversi insiemi di dati con il costo previsto per la produzione di energia in 2030, abbiamo eseguito diverse simulazioni per studiare come questi fattori potrebbero influenzare il mix di produzione di energia elettrica a livello regionale, riducendo al minimo il costo totale.

Lo scenario che riduce maggiormente le emissioni ha un significativo dispendio di energia eolica e solare; 523 gigawatt (GW) di vento e 371 gigawatt di PV solare rispetto a 60 GW e 2.5 GW in modo ripetitivo in 2012. In questo scenario, c'era solo 461 GW di gas naturale (meno di oggi).

Questo si traduce in 38% di elettricità proveniente dal vento, 17% dal vento, 21% da gas naturale, il resto da nucleare e idroelettrico. In 2012 il vento ha rappresentato 3.5%, solare per meno di 1% e gas naturale per 30%.

Anche questa soluzione è la soluzione più economica possibile.

Per raggiungere questo livello di energia solare ed eolica - un salto significativo rispetto ai livelli odierni - sono necessarie nuove linee di trasmissione nel modello.

La quantità di nuova trasmissione HVDC costruita dal modello è 139 milioni di MW-miles, che è una grande impresa infrastrutturale. Questo suona come una quantità enorme, ma rappresenterebbe solo per 4% del costo totale del sistema ogni anno.

Che dire di accumulo di energia?

Il modello NEWS è unico nello studio dell'integrazione di livelli più elevati di energia eolica e solare perché gestisce enormi volumi di dati meteorologici, mentre calcola gli aspetti importanti della rete elettrica, come i vincoli di rampe sui generatori, i tempi di fermo per i generatori, il flusso di energia nel linee di trasmissione, perdite elettriche che mescolano il potere attorno al sistema, soddisfano la domanda ad ogni ora in ogni mercato e altri vincoli operativi. Inoltre, include tutte le opzioni tecnologiche; cerca solo le opzioni di costo più basso.

L'elettricità può essere immagazzinata in diversi modi, come il pompaggio e il recupero di acqua dai serbatoi o l'installazione di grandi banchi di batterie. Nelle versioni iniziali del modello, lo stoccaggio elettrico non era competitivo utilizzando le stime dei costi per 2030 rispetto all'aggiunta di generatori di gas naturale o di trasmissione (basati esclusivamente sul costo).

Il modello NEWS è uno strumento per aiutare a capire come una rete elettrica potrebbe essere trasformato mantenendo bassi i costi. Basso costo è assolutamente essenziale perché l'aumento dei costi energetici per ridurre le riduzioni di carbonio può causare difficoltà economiche.

Ci sono numerosi venti contrari allo sviluppo di un'economia e una società de-carbonizzato. Ma, il modello News ha dimostrato che il vento e solare fotovoltaico, in combinazione con la trasmissione in corrente continua ad alta tensione può effettivamente fare molto nella riduzione delle emissioni nel settore elettrico.

Questo è vero anche senza una nuova batteria miracolosa o innovazione nell'industria dello stoccaggio elettrico, anche se lo stoccaggio elettrico economico ed efficace sarebbe utile per integrare le fonti rinnovabili.

Per rimuovere il carbonio dall'intera economia, l'elettricità deve essere prima de-carbonizzata. Se può essere fatto a basso costo, allora altri settori saranno in grado di seguirne l'esempio. Combinare vento, energia solare, gas naturale e trasmissione è un possibile ponte verso un futuro a emissioni zero.

Circa l'autoreThe Conversation

Christopher Clack, Research Scientist, National Oceanic and Atmospheric Administration. È il capo tecnico di un team che studia l'ottimizzazione del sito per l'energia eolica e solare. L'obiettivo è determinare a quale livello gli Stati Uniti possono appoggiarsi sulle fonti di energia rinnovabile e dove collocare queste fonti, per fornire il sistema di generazione meno costoso e più efficiente con il minimo impatto ambientale possibile.

Questo articolo è stato pubblicato in origine The Conversation. Leggi il articolo originale.

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