انرژی باد و خورشید یک راه برای کاهش انتشار کربن است، اما این منابع تولیدی وابسته به آب و هوای آب و هوایی است که به این معنی است که نه باد و خورشید می توانند در تمام ساعات روز تولید برق کنند. این تغییرات باعث شده است که بسیاری معتقدند که افزایش شدید باد و خورشید برای کاهش انتشار کربن باعث افزایش قیمت برق می شود و نیاز به ذخیره انرژی گران است.
همکاران من و من تازه منتشر شده اند مطالعه جدید نشان می دهد که این فرض درست نیست. در حقیقت، اگر ایالات متحده در حال حرکت به یک سیستم الکتریکی دولتی 48 ملی باشد، در عوض از منطقه ای که در حال حاضر است، کشور قادر خواهد بود انرژی تجدیدپذیر بیشتری را در سراسر کشور حمل کند. این تغییر می تواند CO2 را با 78٪ در هزینه های پایین تر از امروز کاهش دهد، بدون استفاده از تکنولوژی ذخیره سازی.
استفاده از یک کامپیوتر مدل، ما متوجه شدیم که این سیستم های برقی بزرگتر قدرت موثر تر صرف نظر از ژنراتور در درون آن استفاده کنند. کاهش هزینه بین سیستم سبک ملی ما مدل و حال حاضر، که به مورد 130 منطقه تقسیم شده، 47 میلیارد $ در سال است. که ترجمه را به هزینه برق از بین 8.5 و 10.2 ¢ ازای هر کیلووات ساعت (کیلووات ساعت)، در مقایسه با میانگین ملی فعلی 12.7 سنت برای هر کیلووات ساعت.
شاهراه الکترونی
مطالعه ما بر اساس یک مدل شبیه ساز ملی انرژی با آب و هوا (NEWS) بود. شبیه ساز NEWS یک مدل بهینه سازی هزینه است که بدون هیچ هزینه ای به کمترین هزینه می پردازد.
این شامل ویژگی های شبکه برق، مانند انتقال، ژنراتور، تقاضای برق، محدودیت استفاده از زمین، رفتار ژنراتور، داده های آب و هوا، و هزینه داده ها برای ژنراتورها است. به منظور کشف کردن چگونگی به حداقل رساندن هزینه ها، مدل NEWS محاسبه خواهد کرد که چگونه هر یک ساعت یک بار برای یک سال تمام بر اساس ژنراتورهای موجود و خطوط انتقال انرژی که برق را در اختیار دارند، محاسبه می شود.
بالا ولتاژ جریان مستقیم (HVDC) پوشش انتقال: مدل ما چیزی منحصر به فرد، هر چند بود.
در مفهوم، این بسیار شبیه به سیستم بزرگراه بین ایالتی است که بر روی شبکه جاده پوشش داده شده است. تکنولوژی HVDC دارای یک مزیت بزرگ نسبت به خطوط خطوط سنتی است: انرژی کمتری از طریق انتقال انرژی از یک نقطه به نقطه دیگر به دست می آید. این کار با استفاده از جریان مستقیم، به جای جریان متناوب انجام می شود و در ولتاژ های بالاتر عمل می کند.
HVDC در حال حاضر در ایالات متحده استفاده می شود. با این حال، آن را به عنوان یک سیستم نقطه به نقطه برای یک (یا چند) ژنراتور به بازارهای دور مستقر است. یکی از برجسته ترین آن ها Pacific Intercontinental نامیده می شود که نیروی برق را از شمال غرب پاکستان با قدرت آبی فراوان خود به لس آنجلس می برد، 48٪ از قدرت در طول ساعت تقاضای پیک. تفاوت مدل NEWS این است که HVDC در یک شبکه مستقر است، به جای یک پیکربندی نقطه به نقطه ساده، که امکان استفاده بسیار بیشتر از خطوط را برای قدرت جریان بین مناطق در چند جهت فراهم می کند.
انرژی باد برآورد بالقوه برای سرخ آمریکا نشان می دهد پتانسیل بالا، آبی کم است. کریس کلاک / CIRES، نویسنده ارائه به طور بحرانی، مدل NEWS فرض نمی کند که بیشتر خطوط انتقال باید به شبکه فعلی اضافه شود. اما اگر ظرفیت مدل جدیدی را در نظر بگیرد، این ظرفیت انتقال جدید را معرفی می کند. جالب توجه است، مدل NEWS همیشه زمانی که می تواند انتقال HVDC را انتخاب کند. چرا؟ در دسترس بودن خطوط HVDC اجازه می دهد تا بازارهای بزرگتر شکل بگیرند، که پس از آن از مقادیر اقتصادی سود می برند.
در عمل، این به این معنی است که ژنراتورهای باد در پیلین ها می گویند، به عنوان مثال، می تواند قدرت بیشتری را به مکان هایی در کشورهایی که تقاضای زیاد وجود دارد مانند شهرهای بزرگ صادر کند. همانطور که در حال حاضر، ژنراتورهای باد تنها از قدرت در منطقه پشتیبانی می کنند و گاهی اوقات نیروی بیشتری را از زمان مورد نیاز در برخی ساعت ها تامین می کنند.
در یک سیستم منطقه ای، اندازه ای که کانزاس می گوید، باد و خورشید تمایل به دوره های بیش از دوره تولید و تحت تولید دارند. این به افزایش هزینه ها می انجامد زیرا ژنراتورهای باد و خورشید باید در طول تولید بیش از حد کاهش یابد یا خاموش شود. برای رفع نواقص در تولید، اپراتورهای شبکه نیاز به تکیه بر تولید مجدد از گیاهان سوخت فسیلی دارند.
با یک سیستم ملی، ژنراتور را می توان استراتژیک در سراسر ایالات متحده به هم پیوسته قرار داده شده برای کاهش این اثر و هزینه های کلی را کاهش دهد. HVDC حرکت این برق از رسد دور به شهرستانها با ضرر و زیان کمتر از سنتی AC تسهیل می کند.
سناریوهای تجدید پذیر
برای انجام مطالعه، داده های هوای با وضوح بالا برای هر ساعت از سه سال از 2006 تا 2008 تهیه شد. داده های آب و هوا سپس به عنوان ورودی به الگوریتم های قدرت پیچیده برای تخمینی از قدرت که می تواند توسط توربین های بادی و پانل خورشیدی PV در سراسر ایالات متحده تولید می شود
علاوه بر این، ما اطلاعات را در مورد تقاضای برق در آن زمان در ایالات متحده آموختیم. داده ها مورد نیاز بود، زیرا آب و هوا یک ریسک اساسی در تقاضای برق است. سپس اطلاعات تقاضا را به 2030 پیش بینی کردیم.
از آنجا که استفاده از باد و خورشید به بسیاری از محدودیت ها بستگی دارد، ما ملاحظات مربوط به استفاده از زمین را به مدل معرفی کردیم. مجموعه داده های استفاده از زمین برای شناسایی مکان هایی که باد و خورشید می توانند بدون دخالت در زمین های حفاظت شده مستقر شوند.
با استفاده از این مجموعه های مختلف از داده ها همراه با هزینه پیش بینی شده برای تولید برق در 2030، ما فرار شبیه سازی های مختلف به بررسی اینکه چگونه این عوامل به ترکیبی از ژنراتور برق منطقه ای را تحت تاثیر قرار در حالی که به حداقل رساندن هزینه کل.
سناریو که اکسیژن را کاهش می دهد، دارای انرژی باد و خورشیدی است. جیووات 523 (GW) باد و نیروی باد 371 از PV خورشیدی در مقایسه با 60 GW و 2.5 GW به ترتیب در 2012. در این سناریو، تنها 461 GW گاز طبیعی (کمتر از امروز) وجود دارد.
این به 38 درصد از برق از باد، 17٪ از باد، 21٪ از گاز طبیعی و باقی مانده از هسته و برق آبی است. در 2012 باد برای 3.5 درصد، برای خورشید کمتر از 1٪ و گاز طبیعی برای 30٪ است.
باز هم، این راه حل ارزان ترین راه حل ممکن است.
برای رسیدن به این سطح از خورشید و باد - پرش قابل توجه از سطوح امروز - نیازمند خطوط انتقال جدید در مدل است.
مقدار انتقال جدید HVDC که توسط مدل ساخته شده است، 139 میلیون MW مایل است که یک زیرساخت بزرگ است. این به نظر می رسد مقدار زیادی است، اما این فقط برای 4٪ از کل هزینه سیستم در سال نشان می دهد.
چه در مورد ذخیره سازی انرژی؟
مدل NEWS در مطالعه ی ادغام سطوح بالاتری از باد و خورشید منحصر به فرد است؛ زیرا حجم زیادی داده های آب و هوایی را مدیریت می کند، در حالیکه محاسبات جنبه های مهم شبکه برق مانند محدودیت های رمپینگ در ژنراتورها، زمان کم برای ژنراتورها، جریان برق در خطوط انتقال، خسارات الکتریکی به قدرت در اطراف سیستم، تقاضای هر ساعت در هر بازار و سایر محدودیت های عملیاتی را در بر می گیرد. علاوه بر این، شامل تمام گزینه های تکنولوژی است. تنها گزینه های کمترین هزینه را جستجو می کند.
برق را می توان به روش های مختلف ذخیره کرد، مانند پمپاژ و آزاد سازی آب از مخازن یا نصب بانک های باتری بزرگ. در مدل اولیه، ذخیره سازی الکتریکی با استفاده از هزینه های تخمین زده شده برای 2030 در مقایسه با افزودن ژنراتورهای انتقال یا تولید گاز (صرفا بر اساس هزینه) رقابتی نیست.
مدل اخبار یک ابزار برای کمک به درک چگونگی شبکه برق می تواند تبدیل حالی که نگه داشتن هزینه های پایین است. کم هزینه کاملا به دلیل افزایش هزینه های انرژی را کاهش می دهد کاهش کربن می تواند مشکلات اقتصادی باعث ضروری است.
می فشارهای نزولی متعدد به توسعه یک اقتصاد د کربونیزه و جامعه وجود دارد. اما، مدل خبری که باد و PV خورشیدی، همراه با ولتاژ بالا انتقال جریان مستقیم در واقع می تواند به یک راه طولانی در کاهش انتشار در بخش برق نشان داده است.
این درست است حتی بدون باتری معجزه جدید و یا نوآوری در صنعت ذخیره سازی الکتریکی، اگر چه ذخیره سازی ارزان و موثر برق در ادغام انرژی های تجدید پذیر مفید است.
برای حذف کربن از کل اقتصاد، ابتدا برق باید کربنیزه شود. اگر می توان آن را با هزینه کم انجام داد، دیگر بخش ها قادر به پیروی از آن خواهند بود. ترکیبی از باد، خورشیدی، گاز طبیعی و انتقال یک پل ممکن است تا آینده ای نزولی باشد.
درباره نویسنده
کریستوفر کلک، دانشمند تحقیقاتی، اداره ملی اقیانوسی و جوی. او رهبر فنی در یک تیم بهینه سازی سایت برای انرژی باد و خورشید است. هدف این است که تعیین کنید که در چه سطحی ایالات متحده بتواند از منابع انرژی تجدیدپذیر پشتیبانی کند و جای این منابع را برای ارائه سیستم ارزانترین و کارآمد تولید با حداقل تاثیر احتمالی زیست محیطی فراهم کند.
این مقاله در اصل در تاریخ منتشر شد گفتگو. دفعات بازدید: مقاله.
کتاب های مرتبط:
