最近発表された連邦の排出削減目標、国の電力セクターの脱炭素化の推進、風力と太陽光のコストの急落により、米国は大量の再生可能エネルギーを迅速に導入する態勢を整えています。
小規模では、米国の何百もの都市、州、企業がすでに、100% という独自の地域目標を設定する大胆な行動を取っています。 再生可能エネルギーそして、ロサンゼルス 100% 再生可能エネルギー調査 (LA100) などの最近の分析により、信頼性の高い 100% 再生可能エネルギー送電網が実現可能であるという確信が高まっています。
しかし、この最終目標を米国全体に拡大することは、同様に広範な一連の課題を提示します。そうすることの妥当性は、近年、エネルギー研究コミュニティの間で熱心な議論のトピックとなっています。 現在、米国エネルギー省（DOE）の国立再生可能エネルギー研究所（NREL）とDOEのエネルギー効率再生可能エネルギー局（EERE）の17人の電力システム専門家のチームが新たな意見を取り入れています。
この調査は、可変再生可能エネルギーの導入における実際の経験、文献、および過去2012年間、さまざまな規模でこれらの問題を詳細に調査したチームの経験から引き出された視点を提供します。2021年の全国規模の再生可能エネルギー未来調査から100年はLAXNUMXに取り組んでいます」と、NRELの主なエネルギーアナリストで論文の筆頭著者であるPaulDenholm氏は述べています。 「ここでは米国の電力システムに焦点を当てていますが、対処された問題の多くと教訓は他の地域により一般的に適用されることを学びました。これらは複雑で学際的な課題であり、解決するには研究コミュニティ間の多くの協力が必要になります。」
まず最初に：100％再生可能グリッドの意味を定義する
国家規模の 100% 再生可能エネルギーによる送電網を実現するという課題を考える際には、まずこの言葉が何を意味するのかを正確に定義することが重要です。この論文では、著者は定義の XNUMX つの重要な側面について説明します。 テクノロジー タイプとシステム境界。
「テクノロジーの種類は、基本的に再生可能という言葉の定義を確立します。これは、調査研究のパラメーターや、再生可能な目標や方針を設定するコミュニティの優先順位に基づいて変わる可能性があります」とデンホルム氏は述べています。 「ここでは、XNUMXつの一般的なタイプのテクノロジーを区別します。短期的な気象条件に依存し、通常は風力や太陽光発電[PV]などのインバーターを使用する可変テクノロジーと呼ばれるものです。 そして、変動が少ないか、まったく変動せず、通常、水力、バイオマス、地熱、集光型太陽光発電などの従来の同期発電機を使用するものです。」
この論文では、100％再生可能システムは、太陽光発電や風力などの可変技術だけに限定されません。 ただし、非可変の再生可能資源は通常地理的に制約されているため、著者は一般に、可変の資源が全国規模で100％再生可能グリッドの大部分を占めると想定しています。
システム境界の定義に関しては、著者はグリッドが常に100％再生可能エネルギー供給で物理的に動作することを要求しています。 これは、再生可能エネルギーのクレジット、オフセット、またはその他の金融メカニズムを使用して100％再生可能目標を達成するシステム、企業、または企業体とは対照的です。
私たちが知っていること、私たちが知っていると思うこと、そして私たちが知らないこと
最も重要な質問を組み立て、解決策に向けた研究アジェンダを提案するために、著者は1つの線に沿って米国の電力システムにおける再生可能エネルギーの貢献の増加を調査します：2）実際の経験に基づいて私たちが知っていること、3）私たちが知っていると思うことグリッドの計画と運用の調査に基づいており、XNUMX）追加の調査または経験なしではわからないこと。
「私たちの重点は、技術開発とエンジニアリングを通じて対処できると思われる質問にありますが、立地の考慮からエネルギーの公平性の懸念、政策、規制、市場設計の課題まで、他のトピックが非常に重要であることを認識しています」とデンホルム氏は述べています。 「私たちは、電力システムの移行の他の複雑な側面により適切に対処できるように、技術的および経済的問題を解決するための道を切り開きたいと考えています。」
チームは、100％再生可能グリッドの最終目標だけに焦点を合わせるのではなく、展開の増加に伴って再生可能エネルギーを組み込むという課題がどのように変化するかを調べます。 これは、国規模での100％再生可能システムの詳細なエンジニアリング分析が不足していることも一因ですが、目標を達成するための実際的な計画が白紙の状態から作成されないことも原因です。 堅牢な100％再生可能ソリューションは、既存の電力システム資産を最適に使用する方法を検討する必要があります。
「最終的に、再生可能エネルギーのエンジニアリング上の課題、コスト、および利点は、世代構成のシェアの関数として変化します」とデンホルム氏は述べています。 「100％は連続体のXNUMXつのポイントにすぎないため、再生可能エネルギーの導入のすべてのレベルでコストとメリットを調査することは有用です。」
このフレームワーク内で、このペーパーは、すべてのタイムスケールで100％再生可能エネルギーを達成するという技術経済的課題を、1）需要と供給のバランスを経済的に維持すること（バランス課題と呼ばれる）と2）技術的に信頼性が高く安定した設計を行うことのXNUMXつのカテゴリに分類します。風力や太陽光などの主にインバーターベースのリソースを使用するグリッド（インバーターチャレンジと呼ばれます）。
バランスの課題：需要と供給を経済的に一致させる
バランスの課題は、電力システムが、予期しない停止に耐えるために必要な重要な秒単位から分単位のスケールから、スケジュールされた発電所の停止とメンテナンスに一致する季節スケールまで、さまざまなタイムスケールで需要と供給のバランスを経済的に確保できるようにすることです。需要が少ない時期。
「変動するリソースはまさにそれであり、変動するため、本質的にさまざまなタイムスケールで変動します」とデンホルム氏は述べています。 「ピーク需要のタイミングと、日中の太陽光発電と風力発電が最も高い時期との間には、日中のミスマッチと呼ばれるものがあります。これは、ダックカーブなどの現象で見られます。 それを超えて、風力、太陽光、需要のパターンの間には季節ごとの重大なミスマッチがあり、対処するのはさらに困難です。」
論文のこのグラフは、再生可能エネルギーの導入の増加に伴って予想されるコストと課題がどのように変化するかという観点から、バランスの課題を概念的に示しています。 現在のレベルでは、再生可能エネルギーは、米国の多くの地域で従来の発電源とコスト競争力があります。これは、公益事業業界がXNUMX時間ごとおよびXNUMX時間未満の変動に費用効果的に対処できるためです。
これらのレベルを超えて、私たちは80番目のゾーンに到達します。そこでは、XNUMX％の再生可能エネルギーの範囲で年間の貢献に到達するために、日中の不一致の問題に費用効果的に対処する方法を調査しました。 しかし、この時点を超えて、第XNUMXゾーンでは、季節的な不一致の問題により、まだ大規模に展開されていないテクノロジーが必要になる可能性があるため、コストと要件は不明確です。
インバーターの課題：インバーターベースのリソースに依存する信頼性の高い安定したグリッドの設計
インバーターチャレンジは、さまざまなタイムスケールで需要と供給のバランスを取るという点でバランスチャレンジに似ています。 しかし、インバーターチャレンジは、バランスチャレンジに関連するより広範な経済的問題とは対照的に、懸念が特定のエンジニアリング上の考慮事項のセットに狭く焦点を合わせているという点で異なります。
インバーターチャレンジは、インバーターベースのリソース（IBR）が支配的なグリッドへの移行に関連する問題に関するものです。主に風力発電と太陽光発電、および蓄電池です。
現在、米国のほとんどの電気エネルギーは、同期発電機に結合されたタービンから得られています。 発電機は電気的に結合され、同じ周波数で回転します。 信頼性が高く安定したグリッドを提供するために、システムプランナーとオペレーターは、回転慣性（大きな回転質量に蓄積された運動エネルギー）やグリッドに大量の電流を注入する機能など、同期発電機のいくつかの固有の特性を活用しました。 これらの特性は、従来の電力システムの安定性と保護の基礎です。
「インバーターベースのリソースは、物理的に結合された慣性応答の欠如や、歴史的に、障害状態で大量の電流を供給する能力が限られているなど、同期発電機とは非常に異なる特性を持っています」と、NRELの電力システムエンジニアリングのディレクターであるベンクロポスキーは述べています。センターと論文の共著者。 「したがって、インバーターベースのリソースに依存するようになると、同期発電機によって現在提供されているサービスを提供する必要があります。これは、電力システムの制御と保護の方法が変わる可能性があることを意味します。」
では、何がわからないのでしょうか。
このホワイトペーパーでは、バランスチャレンジとインバーターチャレンジの両方について詳しく説明します。これには、年間を通じて全国規模で100％再生可能エネルギーに近づいたり、XNUMX％再生可能エネルギーを達成したりする際に残る重要な未回答の質問が含まれます。
「コストが劇的に上昇したり、信頼性が損なわれたりする前に、再生可能エネルギーの導入をどこまで増やすことができるかについての簡単な答えはありません」とデンホルム氏は述べています。 「100％への道の「最後の数パーセント」に関しては、全国規模でバランスチャレンジとインバーターチャレンジの両方に取り組むための明確な費用効果の高い道筋についてのコンセンサスはありません。
「調査では、グリッドが壊れる特定の技術的しきい値は見つかりませんでした」。将来に関しては、多くの非線形性と未知の未知数が存在するため、以前のコスト分析から推定することはできません。まだわからないことを知っています。」
著者は、再生可能エネルギーの供給がすべての期間にわたって需要パターンと一致することを保証するのに役立つ一連のテクノロジーを評価するために追加の研究が必要であり、グリッドを同期機に依存するものからXNUMXつに移行するための重要なエンジニアリングと設計が必要になると述べていますそれはインバーターに基づいています。
ここからどこにいきますか？ コラボレーションの呼びかけと継続的な再評価
米国の高い再生可能電力の未来を実現するには、バランスとインバーターの課題に取り組むだけでなく、100％再生可能電力に到達するための設計とペースに影響を与える可能性のある資源アクセス、環境、市場、人間行動の問題に取り組む必要があります。 。 これらは複雑で学際的な課題であり、XNUMXつのエンティティでは解決できず、技術研究コミュニティ、学界、研究室、および業界全体でのコラボレーションが必要になります。
「私たちの論文の未回答の質問は、費用対効果の高い100％再生可能システムを実現するために必要な分析、技術R＆D、およびエンジニアリングの研究課題を提供します」と、NRELの戦略的エネルギー分析センターのディレクターで論文の共著者であるDanBilelloは述べています。 。 「将来の研究を進めるために新しいツールとデータセットが必要なだけでなく、特に異なる分野にわたって、より統一された用語と研究者と研究組織間の相互作用を促進する必要があります。」
さらに、著者らは、100％再生可能電力によるものであれ、低炭素技術の別の組み合わせによるものであれ、国の排出削減と脱炭素化の目標に向けた最も効果的な経路を継続的に再検討する必要があると指摘しています。
「現在、再生可能エネルギーのみを動力源とするグリッドでこれらの環境上のメリットを達成するための経済的基盤を確立することは困難です」とデンホルム氏は述べています。 「経済的に全体的な排出量を削減するには、非常に高い（ただし100％未満になる可能性がある）再生可能エネルギーの生成を達成すると同時に、 脱炭素化 他のセクター、または再生不可能であるが低炭素の資源を混合して維持すること。」
LA100の調査では、全国規模ではありませんが、車両や建物のセクターを電化することで大気質を大幅に改善できることがわかりました。これらのメリットを実現するには、主に、特定の再生可能エネルギーに関係なく、高いエネルギー効率と電化を実現する必要があります。電力セクターのエネルギー経路。 LA100はまた、技術的な制限により、電力需要の最後の10％を再生可能エネルギーで満たす場合、最小限の増分排出削減でコストが高くなることを発見しました。
「将来を見据えて、継続的な研究、分析、およびテクノロジーソリューションへの適応可能なアプローチは、電力業界を導き、100％再生可能エネルギーについて話すときに最終的に目標とする脱炭素目標を達成する可能性を高めるのに役立ちます」とデンホルム氏は述べています。