Mit den kürzlich angekündigten Emissionsreduktionszielen des Bundes, einem Vorstoß zur Dekarbonisierung des nationalen Energiesektors und sinkenden Wind- und Solarkosten sind die Vereinigten Staaten bereit, große Mengen erneuerbarer Energien schnell einzusetzen.
Auf kleinerem Maßstab haben Hunderte von Städten, Bundesstaaten und Unternehmen in den USA bereits mutige Maßnahmen ergriffen und ihre eigenen lokalen Ziele für 100 % festgelegt. erneuerbare Energie– und mit aktuellen Analysen wie der Los Angeles 100 % Renewable Energy Study (LA100) sind wir zunehmend zuversichtlich, dass zuverlässige, zu 100 % erneuerbare Stromnetze machbar sind.
Die Ausweitung dieses Endziels auf die gesamten Vereinigten Staaten stellt jedoch eine ebenso umfangreiche Reihe von Herausforderungen dar - und die Plausibilität dafür war in den letzten Jahren ein Thema heftiger Debatten in der Energieforschungsgemeinschaft. Jetzt mischt sich ein Team von 17 Experten für Stromversorgungssysteme des National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums (DOE) und des DOE-Büros für Energieeffizienz und erneuerbare Energien (EERE) ein.
Die Forschung bietet eine Perspektive, die sich aus der Praxis mit dem Einsatz variabler erneuerbarer Energien, der Literatur und der Erfahrung unseres Teams ergibt, die diese Themen in den letzten zwei Jahrzehnten in verschiedenen Maßstäben detailliert untersucht hat - von unserer nationalen Erneuerbaren Elektrizitäts-Zukunftsstudie 2012 bis zu unserer 2021 Arbeiten an LA100 “, sagte Paul Denholm, NREL-Hauptenergieanalyst und Hauptautor des Papiers. "Während wir uns hier auf das US-amerikanische Energiesystem konzentrieren, gelten viele der angesprochenen Probleme und gewonnenen Erkenntnisse allgemeiner für andere Regionen - und dies sind komplexe, multidisziplinäre Herausforderungen, deren Lösung viel Zusammenarbeit zwischen der Forschungsgemeinschaft erfordert."
Das Wichtigste zuerst: Definieren, was wir unter einem zu 100% erneuerbaren Stromnetz verstehen
Bei der Betrachtung der Herausforderungen bei der Verwirklichung eines landesweiten, zu 100 % mit erneuerbaren Energien betriebenen Netzes ist es wichtig, zunächst genau zu definieren, was wir mit diesem Begriff meinen. In diesem Artikel erläutern die Autoren zwei Schlüsselaspekte der Definition: Technologie Art und Systemgrenze.
"Der Technologietyp legt im Wesentlichen die Definition des Wortes" erneuerbar "fest, die je nach den Parametern einer Forschungsstudie oder den Prioritäten einer Gemeinde, die ein Ziel oder eine Politik für erneuerbare Energien festlegt, variieren kann", sagte Denholm. „Hier unterscheiden wir zwei allgemeine Arten von Technologien: sogenannte variable Technologien, die von kurzfristigen Wetterbedingungen abhängen und normalerweise Wechselrichter wie Wind- und Solarphotovoltaik [PV] verwenden; und diejenigen, die weniger oder gar nicht variabel sind und normalerweise herkömmliche Synchrongeneratoren verwenden, einschließlich Wasserkraft, Biomasse, Geothermie und konzentrierter Solarenergie. “
In diesem Artikel beschränken sich 100% erneuerbare Systeme nicht nur auf variable Technologien wie Solar-PV und Wind. Da jedoch nicht variable erneuerbare Ressourcen normalerweise geografisch begrenzt sind, gehen die Autoren im Allgemeinen davon aus, dass variable Ressourcen auf nationaler Ebene einen großen Teil eines zu 100% erneuerbaren Netzes ausmachen würden.
Bei der Definition der Systemgrenze verlangen die Autoren, dass das Netz jederzeit physisch mit einer 100% igen erneuerbaren Energieversorgung betrieben wird. Dies steht im Gegensatz zu Systemen, Unternehmen oder Unternehmenseinheiten, die mit Krediten, Ausgleichszahlungen oder anderen Finanzmechanismen für erneuerbare Energien 100% erneuerbare Ziele erreichen.
Was wir wissen, was wir zu wissen glauben und was wir nicht wissen
Um die kritischsten Fragen zu formulieren und eine Forschungsagenda für Lösungen vorzuschlagen, untersuchen die Autoren den zunehmenden Beitrag erneuerbarer Energien im US-amerikanischen Elektrizitätssystem in drei Richtungen: 1) Was wir aufgrund realer Erfahrungen wissen, 2) Was wir zu wissen glauben basierend auf Netzplanungs- und Betriebsstudien und 3) was wir ohne zusätzliche Studien oder Erfahrungen nicht wissen.
"Unser Schwerpunkt liegt auf Fragen, von denen wir glauben, dass sie durch Technologieentwicklung und -technik angegangen werden können. Wir sind uns jedoch bewusst, dass andere Themen von entscheidender Bedeutung sind - von Standortüberlegungen über Bedenken hinsichtlich der Energiegerechtigkeit bis hin zu politischen, regulatorischen und marktbezogenen Herausforderungen", sagte Denholm. "Wir wollen einen Weg zur Lösung der technischen und wirtschaftlichen Probleme frei machen, damit wir andere komplexe Aspekte des Übergangs des Stromnetzes besser angehen können."
Anstatt sich ausschließlich auf das Endziel eines zu 100% erneuerbaren Stromnetzes zu konzentrieren, untersucht das Team, wie sich die Herausforderungen bei der Integration erneuerbarer Energien mit zunehmendem Einsatz ändern. Dies ist teilweise auf das Fehlen einer detaillierten technischen Analyse von 100% erneuerbaren Systemen auf nationaler Ebene zurückzuführen - aber auch darauf, dass praktische Pläne zur Erreichung des Ziels nicht aus einer leeren Tafel entwickelt würden. Robuste, zu 100% erneuerbare Lösungen müssen überlegen, wie vorhandene Stromversorgungssysteme optimal genutzt werden können.
„Letztendlich variieren die technischen Herausforderungen, Kosten und Vorteile erneuerbarer Energien in Abhängigkeit von ihrem Anteil am Erzeugungsmix“, sagte Denholm. "100% ist nur ein Punkt in einem Kontinuum, daher ist es nützlich, Kosten und Nutzen auf allen Ebenen der Bereitstellung erneuerbarer Energien zu untersuchen."
In diesem Rahmen gliedert das Papier die technoökonomischen Herausforderungen, 100% erneuerbare Energien über alle Zeiträume hinweg zu erreichen, in zwei Kategorien: 1) wirtschaftliche Aufrechterhaltung eines Gleichgewichts von Angebot und Nachfrage (als Balance Challenge bezeichnet) und 2) technisch zuverlässige und stabile Gestaltung Netze, die weitgehend auf Wechselrichtern basierende Ressourcen wie Wind und Sonne nutzen (als Inverter Challenge bezeichnet).
Die Balance-Herausforderung: Angebot und Nachfrage wirtschaftlich aufeinander abstimmen
Bei der Balance Challenge geht es darum, sicherzustellen, dass das Stromversorgungssystem Angebot und Nachfrage in verschiedenen Zeiträumen wirtschaftlich in Einklang bringen kann - von der kritischen Sekunden- bis Minuten-Skala, die erforderlich ist, um unerwarteten Ausfällen standzuhalten, bis zur saisonalen Skala, die den geplanten Kraftwerksausfällen und der Wartung entspricht mit Perioden geringerer Nachfrage.
"Variable Ressourcen sind genau das - variabel - und schwanken von Natur aus über verschiedene Zeiträume", sagte Denholm. „Wir nennen es eine tägliche Fehlanpassung zwischen dem Zeitpunkt der Spitzennachfrage und dem Zeitpunkt, an dem die Sonnen- und Winderzeugung tagsüber am höchsten ist, was wir in Phänomenen wie der Entenkurve sehen. Darüber hinaus gibt es eine erhebliche saisonale Diskrepanz zwischen Wind-, Sonnen- und Nachfragemustern, die noch schwieriger zu lösen ist. “
Diese Grafik aus dem Papier veranschaulicht konzeptionell die Balance Challenge in Bezug darauf, wie sich die erwarteten Kosten und Herausforderungen mit dem zunehmenden Einsatz erneuerbarer Energien ändern können. Auf dem gegenwärtigen Niveau ist erneuerbare Energie in vielen Regionen der Vereinigten Staaten gegenüber herkömmlichen Erzeugungsquellen kostengünstig, da die Versorgungsindustrie in der Lage war, die stündliche und stündliche Variabilität kostengünstig zu bewältigen.
Über diese Niveaus hinaus erreichen wir die zweite Zone, in der Studien untersucht haben, wie das Problem der täglichen Nichtübereinstimmung kostengünstig angegangen werden kann, um jährliche Beiträge im Bereich von 80% erneuerbaren Energien zu erreichen. Über diesen Punkt hinaus erfordert das Problem der saisonalen Nichtübereinstimmung in der dritten Zone möglicherweise Technologien, die noch nicht in großem Umfang eingesetzt wurden - daher sind ihre Kosten und Anforderungen unklar.
Die Herausforderung des Wechselrichters: Entwerfen zuverlässiger, stabiler Netze, die auf auf Wechselrichtern basierenden Ressourcen basieren
Die Inverter Challenge ähnelt der Balance Challenge insofern, als beide das Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage auf verschiedenen Zeitskalen beinhalten. Die Inverter Challenge unterscheidet sich jedoch darin, dass sich die Bedenken eng auf eine Reihe spezifischer technischer Überlegungen konzentrieren, im Gegensatz zu den allgemeineren wirtschaftlichen Problemen, die mit der Balance Challenge verbunden sind.
Bei der Inverter Challenge geht es um Probleme im Zusammenhang mit dem Übergang zu einem Netz, das von wechselrichterbasierten Ressourcen (IBRs) dominiert wird - hauptsächlich Wind- und Solar-PV-Erzeugung sowie Batteriespeicherung.
Die meiste elektrische Energie in den Vereinigten Staaten wird derzeit von Turbinen gewonnen, die an Synchrongeneratoren gekoppelt sind. Die Generatoren sind elektrisch gekoppelt und drehen sich mit der gleichen Frequenz. Um ein zuverlässiges und stabiles Netz bereitzustellen, haben Systemplaner und -betreiber verschiedene inhärente Eigenschaften von Synchrongeneratoren genutzt, darunter die Rotationsträgheit (gespeicherte kinetische Energie in großen rotierenden Massen) und die Fähigkeit, große Strommengen in das Netz einzuspeisen. Diese Eigenschaften bilden die Grundlage für die Stabilität und den Schutz des traditionellen Stromversorgungssystems.
"Wechselrichterbasierte Ressourcen weisen im Vergleich zu Synchrongeneratoren sehr unterschiedliche Eigenschaften auf, einschließlich eines Mangels an physikalisch gekoppelter Trägheitsreaktion und einer historisch begrenzten Fähigkeit, unter Fehlerbedingungen große Strommengen bereitzustellen", sagte Ben Kroposki, Direktor von NRELs Power Systems Engineering Zentrum und Mitautor des Papiers. "Da wir uns mehr auf Wechselrichter-basierte Ressourcen verlassen, müssen diese Dienste bereitstellen, die derzeit von Synchrongeneratoren bereitgestellt werden. Dies kann Änderungen in der Art und Weise bedeuten, wie das Stromversorgungssystem gesteuert und geschützt wird."
Was wissen wir also nicht?
Das Papier befasst sich ausführlich mit der Balance Challenge und der Inverter Challenge - einschließlich der wichtigen unbeantworteten Fragen, die noch offen sind, wenn es darum geht, 100% erneuerbare Energien auf nationaler Ebene für alle Stunden des Jahres zu erreichen oder zu erreichen.
"Es gibt keine einfache Antwort darauf, wie weit wir den Einsatz erneuerbarer Energien steigern können, bevor die Kosten dramatisch steigen oder die Zuverlässigkeit beeinträchtigt wird", sagte Denholm. „In Bezug auf die‚ letzten paar Prozent 'des Weges zu 100% besteht kein Konsens über einen klaren, kostengünstigen Weg, um sowohl die Balance Challenge als auch die Inverter Challenge auf nationaler Ebene anzugehen.
„Studien haben keine spezifische technische Schwelle gefunden, bei der das Netz bricht“, und wir können nicht einfach aus früheren Kostenanalysen extrapolieren, da es in Bezug auf die Zukunft viele Nichtlinearitäten und unbekannte Unbekannte gibt - Dinge, die wir nicht einmal tun Ich weiß, wir wissen es noch nicht. “
Die Autoren sagen, dass zusätzliche Forschung erforderlich ist, um die Reihe von Technologien zu bewerten, die dazu beitragen können, dass das Angebot an erneuerbaren Energien über alle Zeiträume hinweg den Nachfragemustern entspricht - und dass wir ein umfangreiches Engineering und Design benötigen, um das Netz von einem von Synchronmaschinen abhängigen Netz auf ein anderes umzustellen das basiert auf Wechselrichtern.
Was machen wir jetzt? Ein Aufruf zur Zusammenarbeit - und kontinuierliche Neubewertung
Die Verwirklichung einer Zukunft mit hohem Anteil an erneuerbarem Strom für die USA erfordert mehr als nur die Bewältigung der Herausforderungen in Bezug auf Gleichgewicht und Wechselrichter - einschließlich der Behandlung von Problemen mit dem Zugang zu Ressourcen, der Umwelt, dem Markt und dem menschlichen Verhalten, die sich selbst auf das Design und die Geschwindigkeit auswirken können, mit der 100% erneuerbarer Strom erzeugt wird . Dies sind komplexe, multidisziplinäre Herausforderungen, die von keinem Unternehmen gelöst werden können und die eine Zusammenarbeit zwischen technischen Forschungsgemeinschaften, Hochschulen, Labors und der Industrie erfordern.
"Die unbeantworteten Fragen in unserem Papier bieten eine Forschungsagenda für die Analyse, technologische Forschung und Entwicklung sowie das Engineering, die erforderlich sind, um kostengünstige 100% erneuerbare Systeme zu erreichen", sagte Dan Bilello, Direktor des Strategic Energy Analysis Center von NREL und Mitautor des Papiers . "Wir brauchen nicht nur neue Tools und Datensätze, um zukünftige Studien voranzutreiben, sondern wir brauchen auch eine einheitlichere Terminologie und eine erleichterte Interaktion zwischen Forschern und Forschungseinrichtungen, insbesondere in verschiedenen Bereichen."
Darüber hinaus weisen die Autoren auf die Notwendigkeit hin, den effektivsten Weg zur Erreichung der nationalen Emissionsminderungs- und Dekarbonisierungsziele kontinuierlich zu überprüfen - sei es durch 100% erneuerbaren Strom oder durch eine andere Kombination kohlenstoffarmer Technologien.
"Derzeit ist es schwierig, eine wirtschaftliche Grundlage für die Erreichung dieser Umweltvorteile in einem Netz zu schaffen, das ausschließlich mit erneuerbaren Energien betrieben wird", sagte Denholm. „Die wirtschaftliche Reduzierung der Gesamtemissionen wird wahrscheinlich eine sehr hohe - aber möglicherweise unter 100% - erneuerbare Erzeugung beinhalten und sich gleichzeitig darauf konzentrieren dekarbonisieren andere Sektoren oder nicht erneuerbare, aber kohlenstoffarme Ressourcen im Mix zu halten. “
Die LA100-Studie ergab - obwohl nicht auf nationaler Ebene -, dass die Elektrifizierung des Fahrzeug- und Gebäudesektors zu erheblichen Verbesserungen der Luftqualität führen kann - und dass die Realisierung dieser Vorteile in erster Linie von der Erzielung einer hohen Energieeffizienz und Elektrifizierung unabhängig von bestimmten erneuerbaren Energien abhängt Energiepfad für den Energiesektor. LA100 stellte außerdem fest, dass technologische Einschränkungen zu höheren Kosten führen, wenn es darum geht, die letzten 10% des Strombedarfs mit erneuerbaren Energien zu decken - mit minimalen inkrementellen Emissionsreduzierungen.
"Mit Blick auf die Zukunft werden fortgesetzte Forschung, Analyse und ein anpassungsfähiger Ansatz für Technologielösungen dazu beitragen, die Elektrizitätsindustrie zu leiten und unsere Chancen zu erhöhen, die Dekarbonisierungsziele zu erreichen, die wir letztendlich anstreben, wenn wir über 100% erneuerbare Energien sprechen", sagte Denholm.