Для ефективної 100% відновлюваної енергії нам потрібно виробляти
Постачання виключно відновлюваних джерел енергії - це мрія кількох держав. Мрія, обмежена технічними труднощами накопичення електричної енергії. Рішення: виробляти більш ніж достатньо, стверджують спеціалісти Річард Перес (Університет штату Нью-Йорк в Олбані) та Бенуа Турнадре (Mines ParisTech).
У всьому світі зобов'язання процвітають у масштабах міст, регіонів та країн щодо переходу до економіки, що працює переважно на відновлюваній енергетиці. Тільки для штату Нью-Йорк чотири конкуруючі законопроекти націлені на 50-100% відновлюваних джерел енергії до 2040 року, якщо не раніше.
Лише двох джерел відновлюваної енергії достатньо для того, щоб досягти цих дуже амбіційних цілей: сонячної та вітрової. Проте обидва вони є періодичними ресурсами, що регулюються погодою, чергуванням дня та ночі, а також сезонними циклами. Якщо ми хочемо, щоб вони замінили викопне паливо, яке використовується за необхідності, вони, отже, повинні бути «контрольованими», тобто здатними постачати енергію відповідно до попиту.
Провівши дослідження на цю тему - особливо в США для Міністерства енергетики, ми підтверджуємо, що відновлювана енергія, що регулюється, є можливою і за доступною ціною. Дуже вкоріненою ідеєю є врахування того, що всю енергію, що виробляється за рахунок відновлюваної енергії, слід продавати, оскільки вона була вироблена. Але ідея «витрачати» сонячну енергію чи енергію вітру ніколи не згадується. Тому не розглядається можливість попереднього збільшення та зменшення виробленої електричної енергії. По суті, ідея полягає в тому, щоб встановити відновлювані джерела енергії в обсягах, що перевищують попит: одного дня гарної погоди для сонячної енергії ми перепродуємо. Надлишок, вироблений за сприятливих умов, зберігається або викидається відповідно до оптимальних витрат.
На наш погляд, це є ключем до досягнення за менших витрат електричної мережі, що живиться переважно за рахунок відновлюваних джерел енергії. На півночі Сполучених Штатів (представник французьких умов) ми спостерігаємо, що завищення сонячної фотоелектрики та потужності вітру приблизно на 50% є найдешевшим рішенням для виробництва енергії 24 години на добу. 24, 365 днів на рік.
Питання про зберігання
Наша ідея базується на наступних міркуваннях: зберігання енергії сьогодні є єдиним рішенням, яке розглядається для досягнення узагальнення відновлюваних джерел енергії. Це справді важливий елемент, щоб компенсувати переривчасті дії сонячної та вітрової енергії - тобто падіння їх виробництва, коли сонце вже не освітлює нас (вночі) або мало (наприклад, в похмуру погоду) або те, що вітер занадто слабкий.
Що ще важливіше, це також стосується більш тривалих періодів з браком декількох днів та певних сезонів, коли сонячне світло залишається слабким або атмосферні умови не дуже вітряні. Взимку ми часто можемо спостерігати падіння сонячного виробництва до кількох сотих очікуваного середнього видобутку. Саме оператори мережі забезпечують адаптацію електроенергії до збільшення та зменшення попиту. На даний момент вони покладаються на два основних типи сховища. Водосховища, які називаються насосними сховищами, та акумулятори, на короткий час.
Якщо він залишається дуже високим, вартість зберігання зменшується. Але навіть за найоптимістичніших прогнозів, покладаючись лише на зберігання, щоб зробити сонячну та вітрову енергію контрольованою, це залишатиметься надмірно дорогим, згідно з нашим дослідженням, враховуючи обсяги дефіцитів, які потрібно заповнювати протягом тривалих періодів низького виробництва.
Ціна на енергію вітру, а тим більше на сонячну енергію, також падає, аж до того, що їх велике розміщення - або встановлення понад необхідне - стає доступним. Це залишається справедливим, коли надмірне виробництво сонячних або вітрових генераторів викидається, а не подається в електромережу. Великий розмір зменшує недоліки виробництва, дозволяючи виробляти більше енергії в періоди низької сонячної та вітрової готовності. Найголовніше, якщо встановити більше, ніж потрібно, значно зменшується потреба в зберіганні.
Постачання в будь-який час енергії відновлюваною енергією вітру та сонячної енергії, без великих розмірів та лише з накопичувачем (A), залишається набагато дорожчим, ніж "паритет мережі", тобто у випадку з Штатами. постачання електроенергії з природного газу (В). Але зберігання в поєднанні з надлишком виробленої відновлюваної енергії, що викидається приблизно в 30% випадків, може бути дешевшим, ніж паритет мережі, забезпечуючи всю енергію, необхідну на вимогу (C). Річард Перес, Карл Р. Рабаго
Не використовуйте все виробництво
Застосовувані засоби регулюють винагороду за виробництво вітру або сонячної електроенергії: наприклад, контракти на викуп електроенергії, виробленої як приватними особами, так і компаніями. Ці норми заохочують максимальне (але періодичне) виробництво у будь-який час, оскільки виробництво оплачується за вироблену енергію. Фізичні особи або компанії, що керують цими установками, прагнуть продати всю вироблену електроенергію; тому відхилення частини її сприймається як втрата доходу.
Ця стара ідея уповільнює перехід до контрольованої та дешевої відновлюваної енергії, здатної задовольнити попит, оскільки все виробництво має використовуватися, коли воно доступне. Підхід, який підтримує відновлювану енергію на граничному рівні, оскільки вона переривчаста.
Щоб краще зрозуміти ідею, уявіть регіонального дистриб'ютора електроенергії, який повинен забезпечувати N кількість мегават-годин на день, щоб задовольнити попит. Сьогодні сонячні установки в цьому регіоні задовольняють або перевищують такий попит лише в дні максимального виробництва (наприклад, влітку за гарної погоди). В інший час надто низьке виробництво заповнюється накопиченою енергією чи іншими ресурсами.
Якщо ми будемо використовувати великі сонячні установки в регіоні, фотоелектрики набагато частіше досягатимуть тих самих N мегават-годин, необхідних на день. Дефіцит виробництва стане рідшим, а звернення до накопичення енергії буде рідшим.
Тоді періодично відновлювані джерела енергії можуть ефективно розподілятися і працювати так само, як і сучасні електростанції. Таким чином, відновлювані джерела замінять старі електростанції без значної реорганізації мереж передачі.
Справа Міннесоти
Наша команда розробила модель цього типу для штату Міннесота, який не особливо сонячний. Метою було визначити найдешевше поєднання сонячної енергії, вітру та накопичувача, необхідне для забезпечення електроенергії в будь-який час і в будь-який сезон.
Дослідження показує, що подолання обмежень, пов’язаних із природною мінливістю сонячного опромінення та швидкості вітру, можливе. Це передбачає надмірне виробництво та надання дистриб'юторам дозволу на втрати приблизно від 20 до 40% надлишку виробленої енергії. Цей негабарит значно зменшує вимоги до зберігання, що, звичайно, завжди необхідно, але таким чином, що його вплив на виробничі витрати залишається на прийнятному рівні.
Тоді виникає законне запитання: якою буде поверхня, необхідна для повного розгортання великогабаритних фотоелектричних батарей (ПВ)? Для Міннесоти, у найекстремальнішому сценарії, тобто виробництві електроенергії, що забезпечується на 100% PV, і подвоєнні виробництва сонячної енергії у порівнянні з потребою в реальному попиті, ця площа склала б 1130 км 2. І це, враховуючи ефективність нинішні сонячні панелі, близько 20% сьогодні (1 кВт сонячної енергії можна перетворити на 0,2 кВт електроенергії). Ця територія становить менше 1% оброблюваних земель штату або половину урбанізованих районів Міннесоти середньої та високої щільності.
Для Франції, за тим самим екстремальним сценарієм, необхідна площа поверхні становила б близько 2800 км 2, знову ж менше 1% сільськогосподарської поверхні країни.
Використовуючи взаємодоповнення сонця та вітру
На додаток до великих розмірів, інші практики, що зараз розробляються, можуть допомогти створити мережу, засновану на відновлюваних джерелах енергії.
Сонячні та вітрові енергії мають додаткові щоденні та сезонні виробництва: вітер сильніший вночі та взимку, тоді як виробництво фотоелектричної енергії є максимальним вдень та влітку. Тому цікаво використовувати цю взаємодоповнюваність, оптимально використовуючи два ресурси. У штаті Міннесота (регіон із сильним вітровим ресурсом та скромним сонячним ресурсом) оптимальна пропорція найдешевшої твердої електроенергії (гарантована весь час) становить близько 45% вітру та 55% фотоелектрики.
Крім того, краще управляти попитом, сприяючи переведенню споживання в періоди високого відновлюваного виробництва. Ця практика відома як "Формування навантаження" зменшує розриви між попитом та пропозицією енергії.
Прагнення максимізувати відновлювані джерела енергії, уникаючи втрат, мало сенс у той час, коли сонячна енергія була періодичною та надзвичайно дорогою. Але зменшення набору витрат дає змогу думати про інші рішення, починаючи з великого розгортання цих енергій.
Марк Перес (дослідник у Clean Power Research, який написав на цю тему докторську дисертацію в Колумбійському університеті), Морган Патнам (віце-президент Solar Analytics в Resurety) та Карл Рабаго (професор та директор Центру енергетики та клімату Pace в Університеті Пейс) сприяв написанню статті.
Ця стаття опублікована в журналі The Conversation під ліцензією Creative Commons. Прочитайте оригінальну статтю.