עם יעדי הפחתת פליטות פדרליים שהוכרזו לאחרונה, דחיפה להפחתת פחמן לאומית של מגזר החשמל וצניחת עלויות רוח ושמש, ארצות הברית עומדת לפרוס כמויות גדולות של מתחדשים במהירות.
בהיקפים קטנים יותר, מאות ערים, מדינות ותאגידים בארה"ב כבר נקטו בפעולה נועזת בקביעת יעדים מקומיים משלהם ב-100% אנרגיה מתחדשת- ועם ניתוחים אחרונים כמו מחקר לוס אנג'לס 100% אנרגיה מתחדשת (LA100), יש לנו ביטחון הולך וגובר שרשתות חשמל אמינות ומתחדשות ב-100% אפשריות.
אולם הרחבת מטרת הקצה הזו ברחבי ארצות הברית כולה מציגה מערך אתגרים רחב לא פחות - והסבירות לכך הייתה נושא לדיון נלהב בקרב קהילת חוקרי האנרגיה בשנים האחרונות. כעת, צוות של 17 מומחי מערכות חשמל ממעבדת האנרגיה המתחדשת הלאומית לאנרגיה מתחדשת (NREL) של משרד האנרגיה האמריקני (DOE) ומשרד יעילות האנרגיה והאנרגיה המתחדשת (DOE) של DOE נכנס למראה חדש.
המחקר מציע נקודת מבט הנובעת מניסיון בעולם האמיתי בפריסת מתחדשים משתנים, הספרות וניסיון הצוות שלנו בחקר נושאים אלה בפירוט בשני העשורים האחרונים במגוון קנה מידה - החל ממחקר העתיד הלאומי שלנו בנושא התחדשות חשמל מתחדשת לשנת 2012 וכלה במחקר שלנו. 2021 עבד על LA100, "אמר פול דנהולם, אנליסט אנרגיה ראשי של NREL והמחבר הראשי של העיתון. "בעוד שההתמקדות שלנו כאן היא במערכת החשמל בארה"ב, רבים מהנושאים שעוסקים בשיעורים והלקחים נלווים להחיל באופן כללי יותר על אזורים אחרים - ומדובר באתגרים מורכבים ורב תחומיים שדורשים שיתוף פעולה רב בקרב קהילת המחקר כדי לפתור."
ראשית הדברים הראשונים: הגדרת הכוונה לרשת 100% מתחדשת
בהסתכלות על האתגרים של השגת רשת בקנה מידה ארצי, 100% אנרגיה מתחדשת, חשוב קודם כל להגדיר במדויק למה אנחנו מתכוונים בביטוי הזה. עבור מאמר זה, המחברים מסבירים שני היבטים מרכזיים של ההגדרה: טֶכנוֹלוֹגִיָה סוג וגבול מערכת.
"סוג הטכנולוגיה למעשה קובע את ההגדרה של המילה מתחדשת - שיכולה להשתנות בהתאם לפרמטרים של מחקר מחקר או לפי סדר העדיפויות של קהילה שקובעת יעד או מדיניות מתחדשת", אמר דנהולם. "כאן אנו מבחינים בין שני סוגים כלליים של טכנולוגיות: מה שאנו מכנים טכנולוגיות משתנות התלויים בתנאי מזג אוויר קצרי טווח ובדרך כלל משתמשים בממירים, כמו פוטו-וולטאיקה רוחית ושמש [PV]; ואלה שמשתנים פחות - או בכלל לא - ומשתמשים בדרך כלל בגנרטורים סינכרוניים מסורתיים, כולל הידרו, ביומסה, אנרגיה סולארית וריכוז אנרגיה סולארית. "
במאמר זה, מערכות מתחדשות של 100% אינן מוגבלות רק לטכנולוגיות משתנות כמו PV סולארי ורוח. עם זאת, מכיוון שמשאבים מתחדשים שאינם משתנים מוגבלים בדרך כלל מבחינה גיאוגרפית, המחברים מניחים בדרך כלל שמשתנים מהווים חלק גדול מרשת המתחדשת של 100% בקנה מידה לאומי.
בכל הנוגע להגדרת גבול המערכת, הכותבים דורשים שהרשת תפעל פיזית עם אספקת אנרגיה מתחדשת של 100% בכל עת. זה מנוגד למערכות, עסקים או גופים תאגידיים שמשיגים 100% יעדים מתחדשים באמצעות זיכויים באנרגיה מתחדשת, קיזוזים או מנגנונים פיננסיים אחרים.
מה אנו יודעים, מה אנו חושבים שאנו יודעים ומה איננו יודעים
כדי למסגר את השאלות הקריטיות ביותר ולהציע סדר יום מחקרי לפתרונות, החוקרים בוחנים את התרומה הגוברת של מתחדשים במערכת החשמל בארה"ב בשלושה קווים: 1) מה שאנחנו יודעים על סמך ניסיון בעולם האמיתי, 2) מה שאנחנו חושבים שאנחנו יודעים בהתבסס על לימודי תכנון רשת ותפעול, ו- 3) מה שאיננו יודעים ללא לימודים או ניסיון נוסף.
"הדגש שלנו הוא על שאלות שלדעתנו ניתן להתמודד באמצעות פיתוח וטכנולוגיה הנדסית, אך אנו מכירים בכך שנושאים אחרים הם חשובים ביותר - משיקולי מקום ועד חששות להון אנרגיה, וכלה באתגרי מדיניות, רגולציה ועיצוב שוק", אמר דנהולם. "אנו רוצים לפנות דרך לפתרון הבעיות הטכניות והכלכליות כדי שנוכל לטפל טוב יותר בהיבטים מורכבים אחרים של מעבר מערכת החשמל."
במקום להתמקד אך ורק במטרה הסופית של רשת 100% מתחדשת, הצוות בוחן כיצד האתגרים של שילוב מתחדשים משתנים עם פריסה גוברת. זה נובע בין השאר מהיעדר ניתוח הנדסי מפורט של 100% מערכות מתחדשות בקנה מידה לאומי - אך גם מכיוון שתוכניות מעשיות להשגת היעד לא יפותחו מלוח ריק. פתרונות חזקים של 100% מתחדשים חייבים לשקול כיצד להשתמש בצורה אופטימלית בנכסי מערכת החשמל הקיימים.
"בסופו של דבר, האתגרים ההנדסיים, העלויות והיתרונות של מתחדשים משתנים כתלות בחלקם בתמהיל הדור," אמר דנהולם. "100% הם רק נקודה אחת על הרצף, ולכן חקר העלויות והיתרונות בכל רמות הפריסה המתחדשת הוא שימושי."
במסגרת זו המאמר מארגן את האתגרים הטכנולוגיים-כלכליים של השגת 100% מתחדשים בכל לוחות הזמנים לשתי קטגוריות: 1) שמירה כלכלית על איזון בין היצע וביקוש (המכונה אתגר האיזון) ו- 2) תכנון אמין ויציב מבחינה טכנית. רשתות המשתמשות בעיקר במשאבים מבוססי מהפך כמו רוח ושמש (המכונה אתגר המהפך).
אתגר האיזון: התאמה כלכלית של היצע לביקוש
אתגר האיזון מסתכם בכך שהוא מוודא שמערכת החשמל יכולה לאזן מבחינה כלכלית בין ביקוש לביקוש במגוון לוחות זמנים - החל בסולם השניות והדקות הקריטי הנדרש לעמידה בהפסקות בלתי צפויות, ועד לסולם העונתי התואם להפסקות ותחזוקת תחנות הכוח המתוזמנות. עם תקופות של ביקוש נמוך יותר.
"משאבים משתנים הם בדיוק זה - משתנה - ולכן הם משתנים מטבעם לאורך לוחות זמנים שונים", אמר דנהולם. "יש מה שאנחנו מכנים חוסר התאמה יומי בין עיתוי הביקוש לשיא ומתי ייצור השמש והרוח הוא הגבוה ביותר במהלך היום, שאנו רואים בתופעות כמו עקומת הברווז. מעבר לכך, יש חוסר התאמה עונתי משמעותי בין דפוסי רוח, שמש ודרישה שמאתגר עוד יותר להתייחס אליהם. "
תרשים זה מתוך הנייר ממחיש באופן רעיוני את אתגר האיזון במונחים כיצד העלויות והאתגרים הצפויים עשויים להשתנות עם פריסתם המתגברת של מתחדשים. ברמות הנוכחיות, אנרגיה מתחדשת היא תחרותית בעלות עם מקורות ייצור מסורתיים באזורים רבים בארצות הברית מכיוון שתעשיית השירות הצליחה להתמודד בצורה משתלמת עם השונות לפי שעה ותת-שעה.
מעבר לרמות אלה, אנו מגיעים לאזור השני, שם מחקרים בדקו כיצד ניתן לטפל ביעילות בחוסר התאמה יומי כדי להגיע לתרומות שנתיות בטווח של 80% מתחדשים. אך מעבר לנקודה זו, באזור השלישי, נושא חוסר ההתאמה העונתי עשוי לדרוש טכנולוגיות שטרם נפרשו בקנה מידה גדול - כך שעלויותיהן ודרישותיהן אינן ברורות.
אתגר המהפך: תכנון רשתות אמינות ויציבות הנשענות על משאבים מבוססי מהפך
אתגר המהפך דומה לאתגר המאזן בכך ששניהם כוללים איזון בין היצע לביקוש במועדי זמן שונים. אולם אתגר המהפך שונה בכך שהדאגות ממוקדות באופן צר במכלול שיקולים הנדסיים ספציפיים, בניגוד לנושאים הכלכליים הרחבים יותר הקשורים לאתגר האיזון.
האתגר המהפך עוסק בסוגיות הקשורות במעבר לרשת הנשלטת על ידי משאבים מבוססי מהפך (IBR) - בעיקר ייצור סולארית ברוח ובשמש, יחד עם אחסון סוללות.
מרבית האנרגיה החשמלית בארצות הברית מופקת כיום מטורבינות המצמידים לגנרטורים סינכרוניים; הגנרטורים מחוברים חשמליים ומסובבים באותה תדר. כדי לספק רשת אמינה ויציבה, מתכנני המערכת והמפעילים מינו כמה מאפיינים טבועים של גנרטורים סינכרוניים, כולל אינרציה סיבובית (אנרגיה קינטית מאוחסנת בהמונים מסתובבים גדולים) ויכולת הזרמת כמויות גדולות של זרם לרשת. מאפיינים אלה הם הבסיס ליציבות והגנה מסורתיים של מערכת החשמל.
"למשאבים מבוססי מהפך יש מאפיינים שונים מאוד בהשוואה לגנרטורים סינכרוניים, כולל היעדר תגובה אינרציאלית מצומדת פיזית, והיסטורית, יכולת מוגבלת לספק כמויות גדולות של זרם בתנאי תקלה", אמר בן קרופוסקי, מנהל הנדסת מערכות החשמל של NREL. מרכז ומחבר משותף של העיתון. "לכן, ככל שאנו מסתמכים יותר על משאבים מבוססי מהפך, הם יצטרכו לספק שירותים הניתנים כיום על ידי גנרטורים סינכרוניים - מה שמשמעותו שינויים באופן שבו מערכת החשמל נשלטת ומוגנת."
אז מה אנחנו לא יודעים?
העיתון בוחן בפירוט את אתגר האיזון ואת אתגר המהפך - כולל השאלות המשמעותיות ללא מענה שנותרו בכל הנוגע להתקרבות או השגה של 100% מתחדשים בקנה מידה ארצי לכל שעות השנה.
"אין תשובה פשוטה עד כמה נוכל להגדיל את הפריסה המתחדשת לפני שהעלויות יעלו באופן דרמטי או שהאמינות תיפגע," אמר דנהולם. "ככל 'האחוזים האחרונים' של הדרך ל -100%, אין הסכמה על מסלול חסכוני ברור לטיפול הן באתגר המאזן והן באתגר המהפך בקנה מידה לאומי.
"מחקרים לא מצאו שום סף טכני ספציפי שבו הרשת 'נשברת', ואנחנו לא יכולים פשוט להקצין מניתוחי עלויות קודמים מכיוון שכשמדובר בעתיד יש הרבה לא ליניאריות ואלמונים לא ידועים - דברים שאנחנו אפילו לא יודע שאנחנו עדיין לא יודעים. ”
החוקרים אומרים כי יש צורך במחקרים נוספים כדי להעריך את מערך הטכנולוגיות שיכולות לסייע להבטיח היצע מתחדש התואם את דפוסי הביקוש בכל תקופות הזמן - וכי נצטרך הנדסה ועיצוב משמעותיים בכדי לעבור את הרשת מכזו שתלויה במכונות סינכרוניות לאחת. שמבוסס על ממירים.
לאן אנחנו הולכים מכאן? קריאה לשיתוף פעולה - והערכה חוזרת ונשנית
מימוש עתיד חשמלי מתחדש של ארצות הברית ידרוש לא רק מענה לאתגרי האיזון והמהפך - כולל טיפול בגישה למשאבים, סוגיות סביבתיות, שוק והתנהגות אנושית שבעצמן יכולים להשפיע על העיצוב והקצב של הגעה ל 100% חשמל מתחדש. . מדובר באתגרים מורכבים ורב תחומיים שלא ניתן לפתור על ידי גורם אחד ויחייבו שיתוף פעולה בין קהילות מחקר טכניות, אקדמיה, מעבדות ותעשייה.
"השאלות שטרם נענו במאמרנו מספקות סדר יום מחקרי לניתוח, מו"פ וטכנולוגיה הדרושים להשגת מערכות חסכוניות בשיעור 100% מתחדשות," אמר דן ביללו, מנהל המרכז לניתוח אנרגיה אסטרטגית של NREL ומחבר משותף של העיתון. . "לא רק שאנו זקוקים לכלים ומערכות נתונים חדשים כדי לקדם מחקרים עתידיים, אלא אנו זקוקים לטרמינולוגיה אחידה יותר ולהקל על האינטראקציה בין חוקרים וארגוני מחקר, במיוחד בתחומים שונים."
יתרה מכך, המחברים מצביעים על צורך לבחון מחדש באופן רציף את המסלול היעיל ביותר לעבר הפחתת פליטת הפחמן ויעדי הפחתת הפחמן - בין אם זה באמצעות 100% חשמל מתחדש ובין אם באמצעות שילוב אחר של טכנולוגיות דלות פחמן.
"נכון לעכשיו, קשה לבסס בסיס כלכלי להשגת יתרונות סביבתיים אלה ברשת המופעלת אך ורק על ידי מתחדשים," אמר דנהולם. "הפחתה כלכלית של פליטות כלכליות תכלול ככל הנראה השגה גבוהה מאוד - אך פוטנציאלית מתחת ל 100% - ייצור מתחדש תוך התמקדות גם מפחמן מגזרים אחרים, או שמירה על משאבים שאינם מתחדשים אך נמוכים בפחמן. "
המחקר של LA100 - אמנם לא בקנה מידה לאומי - מצא כי חישמול תחומי הרכבים והמבנים יכול להוביל לשיפור משמעותי באיכות האוויר - וכי מימוש היתרונות הללו הוא בעיקר עניין של השגת יעילות אנרגיה גבוהה וחשמול, ללא תלות בכל התחדשות מסוימת. מסלול אנרגיה לתחום החשמל. LA100 מצא גם כי מגבלות טכנולוגיות גורמות לעלויות גבוהות יותר בכל הנוגע לעמידה ב -10% האחרונים של הביקוש לחשמל עם אנרגיה מתחדשת - עם הפחתות פליטות מצטברות מינימליות.
"בהסתכלות קדימה, המשך המחקר, הניתוח וגישה הניתנת להתאמה לפתרונות טכנולוגיים יסייעו להנחות את תעשיית החשמל ולהגדיל את הסיכויים שלנו להשיג את יעדי ה decarbonization שאליהם אנו מכוונים בסופו של דבר כשמדברים על 100% מתחדשים", אמר דנהולם.