Dengan target pengurangan emisi federal yang baru-baru ini diumumkan, dorongan untuk dekarbonisasi sektor listrik nasional, dan anjloknya biaya angin dan matahari, Amerika Serikat siap untuk menyebarkan energi terbarukan dalam jumlah besar, dan dengan cepat.
Pada skala yang lebih kecil, ratusan kota, negara bagian, dan perusahaan di Amerika telah mengambil tindakan berani dengan menetapkan target lokal mereka sendiri sebesar 100%. energi terbarukan—dan dengan analisis terbaru seperti Studi 100% Energi Terbarukan di Los Angeles (LA100), kami semakin yakin bahwa jaringan listrik yang 100% terbarukan dan andal adalah hal yang layak dilakukan.
Namun, memperluas tujuan akhir ini di seluruh Amerika Serikat menghadirkan serangkaian tantangan yang sama luasnya — dan hal yang masuk akal untuk melakukannya telah menjadi topik perdebatan yang sengit di antara komunitas penelitian energi dalam beberapa tahun terakhir. Sekarang, sebuah tim yang terdiri dari 17 ahli sistem tenaga dari National Renewable Energy Laboratory (NREL) Departemen Energi AS (DOE) dan Kantor Efisiensi Energi dan Energi Terbarukan (EERE) DOE ikut serta dengan masukan baru.
Penelitian ini menawarkan perspektif yang diambil dari pengalaman dunia nyata dalam menerapkan variabel energi terbarukan, literatur, dan pengalaman tim kami mempelajari masalah ini secara mendetail selama dua dekade terakhir pada berbagai skala — dari Studi Masa Depan Listrik Terbarukan berskala nasional 2012 hingga kami 2021 bekerja pada LA100, ”kata Paul Denholm, analis energi utama NREL dan penulis utama makalah tersebut. "Meskipun fokus kami di sini adalah pada sistem tenaga AS, banyak masalah yang ditangani dan pelajaran yang dipetik untuk diterapkan secara lebih umum ke wilayah lain — dan ini adalah tantangan multidisiplin yang kompleks yang akan membutuhkan banyak kolaborasi di antara komunitas penelitian untuk menyelesaikannya."
Hal pertama yang pertama: Mendefinisikan apa yang kami maksud dengan jaringan 100% terbarukan
Dalam melihat tantangan dalam mencapai jaringan listrik berskala nasional yang 100% menggunakan energi terbarukan, pertama-tama penting untuk mendefinisikan dengan tepat apa yang kami maksud dengan frasa tersebut. Untuk makalah ini, penulis menjelaskan dua aspek utama dari definisi tersebut: teknologi jenis dan batas sistem.
“Jenis teknologi pada dasarnya menetapkan definisi dari kata terbarukan — yang dapat bervariasi berdasarkan parameter studi penelitian atau prioritas komunitas yang menetapkan target atau kebijakan terbarukan,” kata Denholm. “Di sini, kami membedakan antara dua jenis teknologi umum: apa yang kami sebut teknologi variabel yang bergantung pada kondisi cuaca jangka pendek dan biasanya menggunakan inverter, seperti angin dan fotovoltaik surya [PV]; dan yang kurang — atau tidak sama sekali — variabel dan biasanya menggunakan generator sinkron tradisional, termasuk tenaga air, biomassa, panas bumi, dan tenaga surya yang terkonsentrasi. ”
Dalam makalah ini, 100% sistem terbarukan tidak terbatas hanya pada teknologi variabel seperti panel surya dan angin. Namun, karena sumber daya terbarukan non-variabel biasanya dibatasi secara geografis, penulis umumnya berasumsi bahwa sumber daya variabel akan menjadi sebagian besar dari 100% jaringan terbarukan di skala nasional.
Dalam hal menentukan batas sistem, penulis mengharuskan jaringan listrik beroperasi secara fisik dengan 100% pasokan energi terbarukan setiap saat. Ini berbeda dengan sistem, bisnis, atau entitas perusahaan yang mencapai 100% target terbarukan menggunakan kredit energi terbarukan, offset, atau mekanisme keuangan lainnya.
Apa yang kita tahu, apa yang kita pikir kita ketahui, dan apa yang tidak kita ketahui
Untuk membingkai pertanyaan paling kritis dan mengusulkan agenda penelitian menuju solusi, penulis mengeksplorasi peningkatan kontribusi energi terbarukan dalam sistem kelistrikan AS di sepanjang tiga jalur: 1) apa yang kita ketahui berdasarkan pengalaman dunia nyata, 2) apa yang kita pikir kita ketahui berdasarkan studi perencanaan dan pengoperasian jaringan, dan 3) apa yang tidak kita ketahui tanpa studi atau pengalaman tambahan.
“Penekanan kami adalah pada pertanyaan yang menurut kami dapat diatasi melalui pengembangan dan rekayasa teknologi, tetapi kami menyadari bahwa topik lain sangat penting — mulai dari pertimbangan penentuan lokasi hingga masalah ekuitas energi, hingga tantangan kebijakan, peraturan, dan desain pasar,” kata Denholm. “Kami ingin membuka jalan untuk menyelesaikan masalah teknis dan ekonomi sehingga kami dapat mengatasi aspek kompleks lain dari transisi sistem tenaga dengan lebih baik.”
Daripada hanya berfokus pada tujuan akhir dari jaringan 100% terbarukan, tim melihat bagaimana tantangan menggabungkan energi terbarukan berubah dengan peningkatan penerapan. Hal ini sebagian disebabkan oleh kurangnya analisis teknis yang rinci dari 100% sistem terbarukan di skala nasional — tetapi juga karena rencana praktis untuk mencapai target tidak akan dikembangkan dari lembaran kosong. Solusi kuat terbarukan 100% harus mempertimbangkan cara menggunakan aset sistem tenaga yang ada secara optimal.
“Pada akhirnya, tantangan teknik, biaya, dan manfaat dari energi terbarukan bervariasi sebagai fungsi dari bagian mereka dalam bauran pembangkit,” kata Denholm. “100% hanyalah satu titik dalam satu kontinum, jadi menjelajahi biaya dan manfaat di semua tingkat penerapan yang dapat diperbarui itu berguna.”
Dalam kerangka kerja ini, makalah ini mengatur tantangan tekno-ekonomi untuk mencapai 100% energi terbarukan di semua skala waktu menjadi dua kategori: 1) secara ekonomis menjaga keseimbangan penawaran dan permintaan (disebut sebagai Tantangan Keseimbangan) dan 2) merancang secara teknis dapat diandalkan dan stabil jaringan menggunakan sumber daya yang sebagian besar berbasis inverter seperti angin dan matahari (disebut sebagai Tantangan Inverter).
Tantangan keseimbangan: Secara ekonomi menyesuaikan penawaran dengan permintaan
Balance Challenge bermuara pada memastikan sistem tenaga dapat secara ekonomis menyeimbangkan pasokan dan permintaan pada berbagai skala waktu — dari skala detik-ke-menit penting yang diperlukan untuk menahan pemadaman yang tidak terduga, hingga skala musiman yang sesuai dengan pemadaman dan pemeliharaan pembangkit listrik terjadwal dengan periode permintaan yang lebih rendah.
“Sumber daya variabel hanyalah — variabel — jadi mereka secara inheren berfluktuasi di berbagai rentang waktu,” kata Denholm. “Ada yang kami sebut ketidakcocokan diurnal antara waktu puncak permintaan dan saat tenaga surya dan angin paling tinggi pada siang hari, yang kita lihat dalam fenomena seperti kurva bebek. Selain itu, ada ketidakcocokan musiman yang signifikan antara angin, matahari, dan pola permintaan yang bahkan lebih sulit untuk diatasi. ”
Bagan dari makalah ini secara konseptual menggambarkan Tantangan Keseimbangan dalam hal bagaimana biaya dan tantangan yang diharapkan dapat berubah dengan meningkatnya penggunaan energi terbarukan. Pada tingkat saat ini, energi terbarukan bersaing dengan biaya dengan sumber pembangkit tradisional di banyak wilayah di Amerika Serikat karena industri utilitas telah mampu mengatasi variabilitas per jam dan sub-jam secara hemat biaya.
Di luar level ini, kami mencapai zona kedua, di mana penelitian telah mengeksplorasi bagaimana masalah ketidakcocokan diurnal dapat ditangani secara hemat biaya untuk mencapai kontribusi tahunan dalam kisaran 80% energi terbarukan. Namun di luar titik ini, di zona ketiga, masalah ketidakcocokan musiman mungkin memerlukan teknologi yang belum diterapkan dalam skala besar — sehingga biaya dan persyaratannya tidak jelas.
Tantangan inverter: Merancang grid yang andal dan stabil yang mengandalkan sumber daya berbasis inverter
Tantangan Inverter mirip dengan Tantangan Keseimbangan karena keduanya melibatkan penyeimbangan penawaran dan permintaan pada berbagai rentang waktu. Tetapi Tantangan Inverter berbeda karena perhatian difokuskan secara sempit pada serangkaian pertimbangan teknis tertentu, sebagai lawan dari masalah ekonomi yang lebih luas yang terkait dengan Tantangan Keseimbangan.
Tantangan Inverter adalah semua tentang masalah yang terkait dengan transisi ke jaringan yang didominasi oleh sumber daya berbasis inverter (IBR) —terutama pembangkit listrik tenaga angin dan solar PV, bersama dengan penyimpanan baterai.
Sebagian besar energi listrik di Amerika Serikat saat ini berasal dari turbin yang digabungkan ke generator sinkron; generator digabungkan secara elektrik dan berputar pada frekuensi yang sama. Untuk menyediakan jaringan yang andal dan stabil, perencana sistem dan operator telah memanfaatkan beberapa karakteristik yang melekat pada generator sinkron, termasuk inersia rotasi (energi kinetik yang disimpan dalam massa yang berputar besar) dan kemampuan untuk menyuntikkan sejumlah besar arus ke dalam jaringan. Karakteristik ini adalah dasar dari stabilitas dan perlindungan sistem tenaga tradisional.
"Sumber daya berbasis inverter memiliki karakteristik yang sangat berbeda dibandingkan dengan generator sinkron, termasuk kurangnya respons inersia yang digabungkan secara fisik dan, secara historis, kemampuan terbatas untuk menyediakan arus dalam jumlah besar dalam kondisi gangguan," kata Ben Kroposki, direktur Teknik Sistem Tenaga NREL Pusatkan dan rekan penulis makalah. “Jadi, karena kami lebih mengandalkan sumber daya berbasis inverter, mereka perlu menyediakan layanan yang saat ini disediakan oleh generator sinkron — yang mungkin berarti perubahan dalam cara sistem daya dikontrol dan dilindungi.”
Jadi apa yang tidak kita ketahui?
Makalah ini membahas Balance Challenge dan Inverter Challenge secara mendetail — termasuk pertanyaan signifikan yang belum terjawab yang tetap ada saat mendekati atau mencapai 100% energi terbarukan pada skala nasional untuk semua jam sepanjang tahun.
“Tidak ada jawaban sederhana tentang seberapa jauh kami dapat meningkatkan penerapan terbarukan sebelum biaya meningkat secara dramatis atau keandalan menjadi terganggu,” kata Denholm. “Sejauh 'beberapa persen terakhir' dari jalur menuju 100%, tidak ada konsensus tentang jalur hemat biaya yang jelas untuk mengatasi Tantangan Keseimbangan dan Tantangan Inverter pada skala nasional.
"Studi tidak menemukan ambang teknis khusus di mana grid 'rusak", dan kami tidak bisa hanya mengekstrapolasi dari analisis biaya sebelumnya karena, ketika datang ke masa depan, ada banyak nonlinier dan ketidaktahuan yang tidak diketahui — hal-hal yang bahkan tidak kami tahu kita belum tahu. "
Para penulis mengatakan penelitian tambahan diperlukan untuk mengevaluasi rangkaian teknologi yang dapat membantu memastikan pasokan terbarukan sesuai dengan pola permintaan di semua periode waktu — dan bahwa kita akan membutuhkan rekayasa dan desain yang signifikan untuk mentransisikan jaringan dari yang bergantung pada mesin sinkron ke satu. yang didasarkan pada inverter.
Kemana kita pergi dari sini? Panggilan untuk kolaborasi — dan evaluasi ulang terus menerus
Mewujudkan masa depan listrik terbarukan yang tinggi untuk Amerika Serikat akan membutuhkan lebih dari sekadar mengatasi Tantangan Keseimbangan dan Pembalik — termasuk menangani masalah akses sumber daya, lingkungan, pasar, dan perilaku manusia yang dengan sendirinya dapat memengaruhi rancangan dan kecepatan untuk mencapai 100% listrik terbarukan . Ini adalah tantangan multidisiplin yang kompleks yang tidak dapat diselesaikan oleh satu entitas mana pun dan akan membutuhkan kolaborasi lintas komunitas penelitian teknis, akademisi, laboratorium, dan industri.
“Pertanyaan yang belum terjawab dalam makalah kami memberikan agenda penelitian untuk analisis, R&D teknologi, dan teknik yang diperlukan untuk mencapai sistem terbarukan 100% yang hemat biaya,” kata Dan Bilello, direktur Pusat Analisis Energi Strategis NREL dan salah satu penulis makalah tersebut . “Kami tidak hanya membutuhkan alat dan kumpulan data baru untuk memajukan studi di masa depan, tetapi kami membutuhkan terminologi yang lebih seragam dan interaksi yang difasilitasi antara peneliti dan organisasi riset, terutama di berbagai bidang.”
Terlebih lagi, penulis menunjukkan perlunya untuk terus memeriksa kembali jalur yang paling efektif menuju pengurangan emisi nasional dan tujuan dekarbonisasi — apakah itu melalui 100% listrik terbarukan atau melalui kombinasi lain dari teknologi rendah karbon.
“Saat ini, sulit untuk membangun basis ekonomi untuk mencapai manfaat lingkungan ini dalam jaringan yang ditenagai secara eksklusif oleh energi terbarukan,” kata Denholm. “Secara ekonomi, pengurangan emisi secara keseluruhan kemungkinan akan melibatkan pencapaian yang sangat tinggi — tetapi berpotensi di bawah 100% —pembangkitan terbarukan sambil juga berfokus pada dekarbonisasi sektor lain, atau tetap menggabungkan sumber daya yang tidak terbarukan tetapi rendah karbon. "
Studi LA100 — meski tidak berskala nasional — menemukan bahwa melistriki kendaraan dan sektor bangunan dapat menyebabkan peningkatan substansial dalam kualitas udara — dan menyadari manfaat ini pada prinsipnya adalah masalah pencapaian efisiensi energi dan elektrifikasi yang tinggi, terlepas dari energi terbarukan tertentu. jalur energi untuk sektor kelistrikan. LA100 juga menemukan bahwa pembatasan teknologi mengakibatkan biaya yang lebih tinggi ketika harus memenuhi 10% terakhir dari permintaan listrik dengan energi terbarukan — dengan pengurangan emisi tambahan yang minimal.
"Ke depan, penelitian lanjutan, analisis, dan pendekatan yang dapat disesuaikan untuk solusi teknologi akan membantu memandu industri kelistrikan dan meningkatkan peluang kami untuk mencapai tujuan dekarbonisasi yang pada akhirnya kami targetkan ketika kami berbicara tentang 100% energi terbarukan," kata Denholm.