مع الأهداف الفيدرالية لخفض الانبعاثات التي تم الإعلان عنها مؤخرًا ، والضغط من أجل إزالة الكربون من قطاع الطاقة الوطني ، وانخفاض تكاليف طاقة الرياح والطاقة الشمسية ، تستعد الولايات المتحدة لنشر كميات كبيرة من مصادر الطاقة المتجددة وبسرعة.
وعلى نطاقات أصغر، اتخذت المئات من المدن والولايات والشركات الأمريكية بالفعل إجراءات جريئة في تحديد أهدافها المحلية الخاصة بنسبة 100%. طاقة متجددة- ومع التحليلات الأخيرة مثل دراسة لوس أنجلوس للطاقة المتجددة بنسبة 100% (LA100)، لدينا ثقة متزايدة في إمكانية إنشاء شبكات طاقة متجددة موثوقة بنسبة 100%.
لكن توسيع هذا الهدف النهائي في جميع أنحاء الولايات المتحدة يمثل مجموعة واسعة من التحديات بنفس القدر - وكانت معقولية القيام بذلك موضوع نقاش محتدم بين مجتمع أبحاث الطاقة في السنوات الأخيرة. الآن ، يعمل فريق مكون من 17 خبيرًا في أنظمة الطاقة من المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (NREL) ومكتب كفاءة الطاقة والطاقة المتجددة (EERE) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية (EERE) في تجربة جديدة.
يقدم البحث منظورًا مستمدًا من تجربة العالم الحقيقي في نشر مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة ، والأدبيات ، وخبرة فريقنا في دراسة هذه القضايا بالتفصيل على مدار العقدين الماضيين في مجموعة متنوعة من المقاييس - من دراستنا المستقبلية للكهرباء المتجددة على المستوى الوطني لعام 2012 إلى قال بول دينهولم ، محلل الطاقة الرئيسي في NREL والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية: "2021 العمل على LA100". "بينما ينصب تركيزنا هنا على نظام الطاقة في الولايات المتحدة ، فإن العديد من المشكلات التي تم تناولها والدروس المستفادة لتطبيقها بشكل عام على مناطق أخرى - وهذه تحديات معقدة ومتعددة التخصصات تتطلب الكثير من التعاون بين مجتمع البحث لحلها."
أول الأشياء أولاً: تحديد ما نعنيه بشبكة متجددة بنسبة 100٪
عند النظر إلى التحديات المتمثلة في إنشاء شبكة تعمل بالطاقة المتجددة بنسبة 100% على المستوى الوطني، فمن المهم أولاً أن نحدد بدقة ما نعنيه بهذه العبارة. في هذه الورقة، يشرح المؤلفون جانبين رئيسيين للتعريف: التكنلوجيا نوع وحدود النظام.
قال دينهولم: "يحدد نوع التكنولوجيا بشكل أساسي تعريف كلمة الطاقة المتجددة - والتي يمكن أن تختلف بناءً على معايير دراسة بحثية أو أولويات المجتمع الذي يضع هدفًا أو سياسة متجددة". "هنا ، نميز بين نوعين عامين من التقنيات: ما نسميه التقنيات المتغيرة التي تعتمد على الظروف الجوية قصيرة المدى وعادة ما تستخدم العاكسات ، مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية [PV] ؛ وتلك الأقل - أو غير المتغيرة على الإطلاق - وعادة ما تستخدم المولدات المتزامنة التقليدية ، بما في ذلك الطاقة المائية ، والكتلة الحيوية ، والطاقة الحرارية الأرضية ، والطاقة الشمسية المركزة. "
في هذا البحث ، لا تقتصر الأنظمة المتجددة بنسبة 100٪ على التقنيات المتغيرة فقط مثل الطاقة الشمسية الكهروضوئية وطاقة الرياح. ومع ذلك ، نظرًا لأن الموارد المتجددة غير المتغيرة عادة ما تكون مقيدة جغرافيًا ، يفترض المؤلفون عمومًا أن الموارد المتغيرة ستشكل جزءًا كبيرًا من شبكة متجددة بنسبة 100 ٪ على النطاق الوطني.
عندما يتعلق الأمر بتحديد حدود النظام ، يطلب المؤلفون من الشبكة أن تعمل فعليًا بإمداد طاقة متجددة بنسبة 100٪ في جميع الأوقات. يتناقض هذا مع الأنظمة أو الشركات أو الكيانات المؤسسية التي تحقق أهدافًا متجددة بنسبة 100 ٪ باستخدام اعتمادات الطاقة المتجددة أو التعويضات أو الآليات المالية الأخرى.
ما نعرفه ، وما نعتقد أننا نعرفه ، وما لا نعرفه
لتأطير الأسئلة الأكثر أهمية واقتراح أجندة بحثية نحو الحلول ، يستكشف المؤلفون المساهمة المتزايدة لمصادر الطاقة المتجددة في نظام الكهرباء في الولايات المتحدة على ثلاثة خطوط: 1) ما نعرفه بناءً على تجربة العالم الحقيقي ، 2) ما نعتقد أننا نعرفه بناءً على تخطيط الشبكة ودراسات التشغيل ، و 3) ما لا نعرفه دون دراسة أو خبرة إضافية.
قال دينهولم: "ينصب تركيزنا على الأسئلة التي نعتقد أنه يمكن معالجتها من خلال تطوير التكنولوجيا والهندسة ، لكننا ندرك أن الموضوعات الأخرى مهمة للغاية - من اعتبارات تحديد الموقع إلى مخاوف المساواة في الطاقة ، إلى تحديات السياسة والتنظيم وتصميم السوق". "نريد تمهيد الطريق لحل المشكلات الفنية والاقتصادية حتى نتمكن من معالجة الجوانب المعقدة الأخرى لانتقال نظام الطاقة بشكل أفضل."
بدلاً من التركيز فقط على الهدف النهائي المتمثل في إنشاء شبكة متجددة بنسبة 100٪ ، ينظر الفريق في كيفية تغير تحديات دمج مصادر الطاقة المتجددة مع زيادة النشر. ويرجع ذلك جزئيًا إلى عدم وجود تحليل هندسي مفصل لأنظمة الطاقة المتجددة بنسبة 100٪ على المستوى الوطني - ولكن أيضًا لأن الخطط العملية لتحقيق الهدف لن يتم تطويرها من قائمة فارغة. يجب أن تأخذ الحلول المتجددة القوية بنسبة 100٪ في الاعتبار كيفية الاستخدام الأمثل لأصول نظام الطاقة الحالية.
قال دينهولم: "في النهاية ، تختلف التحديات الهندسية وتكاليف وفوائد مصادر الطاقة المتجددة حسب حصتها في مزيج التوليد". "100٪ هي مجرد نقطة واحدة في سلسلة متصلة ، لذا من المفيد استكشاف التكاليف والفوائد على جميع مستويات النشر المتجدد".
ضمن هذا الإطار ، تنظم الورقة التحديات التقنية الاقتصادية لتحقيق 100٪ من مصادر الطاقة المتجددة عبر جميع النطاقات الزمنية إلى فئتين: 1) الحفاظ اقتصاديًا على توازن العرض والطلب (يشار إليه باسم تحدي التوازن) و 2) التصميم الموثوق به والمستقر تقنيًا. الشبكات التي تستخدم موارد تعتمد على العاكس إلى حد كبير مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية (يشار إليها باسم تحدي العاكس).
تحدي التوازن: مطابقة العرض مع الطلب اقتصاديًا
يتلخص تحدي التوازن في التأكد من أن نظام الطاقة يمكن أن يوازن اقتصاديًا بين العرض والطلب في مجموعة متنوعة من النطاقات الزمنية - من مقياس الثواني إلى الدقائق الحرج المطلوب لتحمل الانقطاعات غير المتوقعة ، إلى النطاق الموسمي الذي يتطابق مع انقطاع التيار الكهربائي المجدول والصيانة مع فترات انخفاض الطلب.
قال دينهولم: "الموارد المتغيرة هي مجرد متغيرة - لذا فهي تتقلب بطبيعتها عبر نطاقات زمنية مختلفة". هناك ما نسميه عدم التوافق النهاري بين توقيت ذروة الطلب وعندما يكون توليد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح في ذروته خلال النهار ، وهو ما نراه في ظواهر مثل منحنى البط. علاوة على ذلك ، هناك تفاوت موسمي كبير بين أنماط الرياح ، والطاقة الشمسية ، وأنماط الطلب ، وهو أمر يصعب معالجته ".
يوضح هذا الرسم البياني من الورقة من الناحية المفاهيمية تحدي التوازن من حيث كيفية تغير التكاليف والتحديات المتوقعة مع زيادة نشر مصادر الطاقة المتجددة. في المستويات الحالية ، تعتبر الطاقة المتجددة تنافسية من حيث التكلفة مع مصادر التوليد التقليدية في العديد من مناطق الولايات المتحدة لأن صناعة المرافق كانت قادرة على معالجة التباين في كل ساعة ودون الساعة بشكل فعال من حيث التكلفة.
أبعد من هذه المستويات ، نصل إلى المنطقة الثانية ، حيث استكشفت الدراسات كيف يمكن معالجة مشكلة عدم التطابق النهاري بشكل فعال من حيث التكلفة للوصول إلى مساهمات سنوية في نطاق 80٪ من مصادر الطاقة المتجددة. ولكن بعد هذه النقطة ، في المنطقة الثالثة ، قد تتطلب مشكلة عدم التطابق الموسمي تقنيات لم يتم نشرها بعد على نطاق واسع - لذا فإن تكاليفها ومتطلباتها غير واضحة.
تحدي العاكس: تصميم شبكات موثوقة ومستقرة تعتمد على موارد قائمة على العاكس
يشبه تحدي العاكس تحدي التوازن من حيث أنهما يشتملان على موازنة العرض والطلب على نطاقات زمنية مختلفة. لكن تحدي العاكس يختلف من حيث أن المخاوف تركز بشكل ضيق على مجموعة من الاعتبارات الهندسية المحددة ، على عكس القضايا الاقتصادية الأوسع المرتبطة بتحدي التوازن.
يدور تحدي العاكس حول القضايا المرتبطة بالانتقال إلى شبكة تهيمن عليها الموارد القائمة على العاكس (IBRs) - توليد طاقة الرياح والطاقة الشمسية الكهروضوئية بشكل أساسي ، جنبًا إلى جنب مع تخزين البطارية.
تستمد معظم الطاقة الكهربائية في الولايات المتحدة حاليًا من التوربينات المقترنة بالمولدات المتزامنة ؛ يتم توصيل المولدات كهربائياً وتدور بنفس التردد. لتوفير شبكة موثوقة ومستقرة ، استفاد مخططو النظام والمشغلون من العديد من الخصائص المتأصلة للمولدات المتزامنة ، بما في ذلك الجمود الدوراني (الطاقة الحركية المخزنة في كتل دوارة كبيرة) والقدرة على ضخ كميات كبيرة من التيار في الشبكة. هذه الخصائص هي أساس استقرار وحماية نظام الطاقة التقليدي.
قال بن كروبوسكي ، مدير هندسة أنظمة الطاقة في NREL: "تتمتع الموارد القائمة على العاكس بخصائص مختلفة جدًا مقارنة بالمولدات المتزامنة ، بما في ذلك عدم وجود استجابة بالقصور الذاتي المقترنة جسديًا والقدرة المحدودة على توفير كميات كبيرة من التيار في ظل ظروف الأعطال". المركز والمؤلف المشارك للورقة. "لذلك ، نظرًا لأننا نعتمد بشكل أكبر على الموارد القائمة على العاكس ، فسوف يحتاجون إلى توفير الخدمات المقدمة حاليًا بواسطة المولدات المتزامنة - مما قد يعني تغييرات في طريقة التحكم في نظام الطاقة وحمايته."
إذن ما الذي لا نعرفه؟
تستكشف الورقة كلاً من تحدي التوازن وتحدي العاكس بالتفصيل - بما في ذلك الأسئلة المهمة التي لم تتم الإجابة عليها والتي تبقى عندما يتعلق الأمر بالاقتراب من مصادر الطاقة المتجددة بنسبة 100٪ أو تحقيقها على نطاق وطني لجميع ساعات العام.
قال دينهولم: "لا توجد إجابة بسيطة إلى أي مدى يمكننا زيادة نشر الطاقة المتجددة قبل أن ترتفع التكاليف بشكل كبير أو تتعرض الموثوقية للخطر". "بالنسبة إلى" النسبة المئوية الأخيرة "من المسار إلى 100٪ ، لا يوجد إجماع على مسار واضح وفعال من حيث التكلفة لمواجهة كل من تحدي التوازن وتحدي العاكس على المستوى الوطني.
"لم تجد الدراسات أي حد تقني محدد" تتعطل "الشبكة عنده ، ولا يمكننا الاستقراء فقط من تحليلات التكلفة السابقة لأنه عندما يتعلق الأمر بالمستقبل ، هناك العديد من الأمور غير الخطية والمجهولة - أشياء لا نقوم بها حتى أعلم أننا لا نعرف بعد ".
يقول المؤلفون إن هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتقييم مجموعة التقنيات التي يمكن أن تساعد في ضمان مطابقة العرض المتجدد لأنماط الطلب عبر جميع الفترات الزمنية - وأننا سنحتاج إلى هندسة وتصميم كبيرين لنقل الشبكة من شبكة تعتمد على آلات متزامنة إلى أخرى. الذي يقوم على العاكسات.
أين نذهب من هنا؟ دعوة للتعاون وإعادة التقييم المستمر
سيتطلب تحقيق مستقبل عالٍ للكهرباء المتجددة للولايات المتحدة أكثر من مجرد معالجة تحديات التوازن والعاكس - بما في ذلك معالجة قضايا الوصول إلى الموارد والبيئة والسوق والسلوك البشري التي يمكن أن تؤثر في حد ذاتها على التصميم وسرعة الحصول على الكهرباء المتجددة بنسبة 100٪ . هذه تحديات معقدة ومتعددة التخصصات لا يمكن حلها من قبل أي كيان واحد وستتطلب التعاون عبر مجتمعات البحث التقني والأوساط الأكاديمية والمختبرات والصناعة.
قال دان بيليلو ، مدير مركز تحليل الطاقة الإستراتيجي في NREL والمؤلف المشارك للورقة: "توفر الأسئلة التي لم تتم الإجابة عنها في ورقتنا البحثية أجندة بحثية للتحليل والبحث والتطوير التكنولوجي والهندسة اللازمة لتحقيق أنظمة متجددة فعالة من حيث التكلفة بنسبة 100٪". . "لا نحتاج فقط إلى أدوات ومجموعات بيانات جديدة للمضي قدمًا في الدراسات المستقبلية ، ولكننا نحتاج إلى مصطلحات أكثر اتساقًا وتفاعلًا ميسّرًا بين الباحثين ومؤسسات البحث ، لا سيما عبر المجالات المختلفة."
علاوة على ذلك ، يشير المؤلفون إلى الحاجة إلى إعادة فحص المسار الأكثر فاعلية باستمرار نحو أهداف وطنية للحد من الانبعاثات وإزالة الكربون - سواء كان ذلك من خلال الكهرباء المتجددة بنسبة 100٪ أو من خلال مجموعة أخرى من التقنيات منخفضة الكربون.
قال دينهولم: "في الوقت الحالي ، من الصعب إنشاء أساس اقتصادي لتحقيق هذه الفوائد البيئية في شبكة تعمل بالطاقة المتجددة حصريًا". "من المرجح أن يتضمن خفض إجمالي الانبعاثات من الناحية الاقتصادية تحقيق توليد عالي جدًا - ولكن يحتمل أن يكون أقل من 100٪ - مع التركيز أيضًا على إزالة الكربون قطاعات أخرى ، أو الاحتفاظ بالموارد غير المتجددة ولكن منخفضة الكربون في المزيج ".
وجدت دراسة LA100 - رغم أنها ليست على المستوى الوطني - أن كهربة قطاعي المركبات والمباني يمكن أن يؤدي إلى تحسينات كبيرة في جودة الهواء - وأن تحقيق هذه الفوائد هو في الأساس مسألة تحقيق كفاءة عالية في استخدام الطاقة والكهرباء ، بغض النظر عن أي طاقة متجددة معينة. مسار الطاقة لقطاع الطاقة. وجدت LA100 أيضًا أن القيود التقنية تؤدي إلى ارتفاع التكاليف عندما يتعلق الأمر بتلبية آخر 10٪ من الطلب على الكهرباء باستخدام الطاقة المتجددة - مع الحد الأدنى من التخفيضات المتزايدة للانبعاثات.
قال دينهولم: "بالنظر إلى المستقبل ، سيساعد البحث المستمر والتحليل والنهج القابل للتكيف مع الحلول التقنية في توجيه صناعة الكهرباء وزيادة احتمالات تحقيق أهداف إزالة الكربون التي نستهدفها في النهاية عندما نتحدث عن مصادر الطاقة المتجددة بنسبة 100٪".