Dengan sasaran pengurangan pelepasan persekutuan yang diumumkan baru-baru ini, desakan untuk penyahkarbonan sektor tenaga nasional, dan penurunan kos angin dan solar, Amerika Syarikat bersedia menggunakan sejumlah besar bahan terbarukan, dan cepat.
Pada skala yang lebih kecil, ratusan bandar, negeri dan syarikat AS telah mengambil tindakan berani dalam menetapkan sasaran tempatan mereka sendiri untuk 100% tenaga yang boleh diperbaharui—dan dengan analisis terbaru seperti Kajian Tenaga Boleh Diperbaharui 100% Los Angeles (LA100), kami semakin yakin bahawa grid kuasa boleh diperbaharui 100% boleh dipercayai boleh dilaksanakan.
Tetapi memperluas matlamat akhir ini ke seluruh Amerika Syarikat menghadirkan sekumpulan cabaran yang sama luasnya - dan masuk akal untuk melakukannya telah menjadi topik perdebatan sengit di kalangan komuniti penyelidikan tenaga dalam beberapa tahun terakhir. Kini, sekumpulan 17 pakar sistem tenaga dari Makmal Tenaga Diperbaharui Nasional (DOE) Jabatan Tenaga AS (NREL) dan Pejabat Kecekapan Tenaga dan Tenaga Diperbaharui (EERE) DOE bersaing dengan pengambilan baru.
Penyelidikan ini menawarkan perspektif yang diambil dari pengalaman dunia nyata dalam menggunakan pembaharuan yang boleh diperbaharui, literatur, dan pengalaman pasukan kami mempelajari isu-isu ini secara terperinci selama dua dekad yang lalu pada pelbagai skala — dari Kajian Masa Depan Elektrik Boleh Diperbaharui berskala nasional 2012 hingga kajian kami 2021 mengusahakan LA100, ”kata Paul Denholm, penganalisis tenaga utama NREL dan pengarang utama makalah tersebut. "Walaupun fokus kami di sini adalah pada sistem kuasa AS, banyak masalah yang ditangani dan pelajaran yang dapat diterapkan secara lebih umum ke wilayah lain - dan ini adalah cabaran yang kompleks dan pelbagai disiplin yang memerlukan banyak kolaborasi di antara komuniti penyelidikan untuk diselesaikan."
Perkara pertama yang pertama: Menentukan maksud kita dengan grid yang boleh diperbaharui 100%
Dalam melihat cabaran untuk mencapai grid berskala nasional, 100% dikuasakan boleh diperbaharui, adalah penting untuk mentakrifkan dengan tepat apa yang kami maksudkan dengan frasa tersebut. Untuk kertas ini, penulis menerangkan dua aspek utama definisi: teknologi jenis dan sempadan sistem.
"Jenis teknologi pada dasarnya menetapkan definisi kata yang dapat diperbaharui - yang dapat bervariasi berdasarkan parameter kajian penyelidikan atau keutamaan masyarakat yang menetapkan sasaran atau kebijakan yang dapat diperbaharui," kata Denholm. "Di sini, kita membezakan antara dua jenis teknologi umum: apa yang kita panggil teknologi berubah-ubah yang bergantung pada keadaan cuaca jangka pendek dan biasanya menggunakan penyongsang, seperti fotovoltaik angin dan solar [PV]; dan yang kurang — atau tidak sama sekali — berubah-ubah dan biasanya menggunakan penjana segerak tradisional, termasuk hidro, biojisim, panas bumi, dan tenaga solar pekat. ”
Dalam makalah ini, sistem pembaharuan 100% tidak terhad kepada teknologi berubah-ubah seperti solar PV dan angin. Walau bagaimanapun, kerana sumber boleh diperbaharui yang tidak berubah biasanya dibatasi secara geografis, penulis pada umumnya menganggap sumber yang berubah-ubah akan membentuk sebahagian besar grid 100% yang dapat diperbaharui pada skala nasional.
Ketika hendak menentukan batas sistem, penulis memerlukan grid untuk beroperasi secara fizikal dengan bekalan tenaga boleh diperbaharui 100% setiap masa. Ini berbeza dengan sistem, perniagaan, atau entiti korporat yang mencapai 100% sasaran yang boleh diperbaharui menggunakan kredit tenaga boleh diperbaharui, offset, atau mekanisme kewangan lain.
Apa yang kita tahu, apa yang kita fikir kita tahu, dan apa yang kita tidak tahu
Untuk menyusun soalan yang paling kritikal dan mencadangkan agenda penyelidikan ke arah penyelesaian, penulis meneroka peningkatan sumbangan tenaga boleh diperbaharui dalam sistem elektrik AS di tiga garis: 1) apa yang kita ketahui berdasarkan pengalaman dunia nyata, 2) apa yang kita rasa kita tahu berdasarkan kajian perancangan dan operasi grid, dan 3) apa yang tidak kita ketahui tanpa kajian atau pengalaman tambahan.
"Penekanan kami adalah pada pertanyaan-pertanyaan yang menurut kami dapat ditangani melalui pengembangan teknologi dan kejuruteraan, tetapi kami menyedari bahawa topik-topik lain sangat penting — mulai dari pertimbangan mengenai masalah ekuiti tenaga, hingga tantangan dasar, peraturan, dan reka bentuk pasaran," kata Denholm. "Kami ingin membersihkan jalan untuk menyelesaikan masalah teknikal dan ekonomi sehingga kami dapat mengatasi aspek kompleks lain dari peralihan sistem kuasa."
Daripada hanya memusatkan perhatian pada tujuan akhir grid yang dapat diperbaharui 100%, pasukan melihat bagaimana cabaran menggabungkan tenaga boleh diperbaharui berubah dengan peningkatan penggunaan. Ini sebahagiannya disebabkan oleh kurangnya analisis kejuruteraan terperinci mengenai sistem yang dapat diperbaharui 100% pada skala nasional - tetapi juga kerana rancangan praktikal untuk mencapai sasaran tidak akan dikembangkan dari jalan kosong. Penyelesaian 100% yang boleh diperbaharui yang kuat mesti mempertimbangkan cara menggunakan aset sistem kuasa yang ada secara optimum.
"Pada akhirnya, tantangan kejuruteraan, biaya, dan manfaat pembaharuan boleh berubah-ubah sebagai fungsi dari bahagian mereka dalam campuran generasi," kata Denholm. "100% hanya satu titik pada kontinum, jadi meneroka kos dan faedah di semua tahap penggunaan yang dapat diperbaharui berguna."
Dalam kerangka ini, makalah ini menyusun cabaran tekno-ekonomi untuk mencapai 100% pembaharuan di semua skala masa menjadi dua kategori: 1) menjaga keseimbangan penawaran dan permintaan secara ekonomi (disebut sebagai Balance Challenge) dan 2) merancang teknikal yang boleh dipercayai dan stabil grid menggunakan sebahagian besar sumber berasaskan penyongsang seperti angin dan solar (disebut sebagai Cabaran Inverter).
Cabaran keseimbangan: Memadankan penawaran dengan permintaan secara ekonomi
Balance Challenge bermula untuk memastikan sistem tenaga dapat menyeimbangkan penawaran dan permintaan secara ekonomi pada pelbagai skala masa - dari skala detik hingga minit kritikal yang diperlukan untuk menahan gangguan yang tidak dijangka, hingga skala musiman yang sesuai dengan pemadaman dan pemeliharaan loji janakuasa yang dijadualkan dengan tempoh permintaan yang lebih rendah.
"Sumber yang berubah-ubah hanya itu - berubah-ubah - jadi mereka secara semula jadi berfluktuasi dalam pelbagai skala masa," kata Denholm. "Ada apa yang kita sebut ketidakcocokan diurnal antara waktu permintaan puncak dan ketika penjanaan solar dan angin paling tinggi pada siang hari, yang kita lihat dalam fenomena seperti kurva itik. Di luar itu, terdapat ketidakcocokan musiman yang signifikan antara corak angin, solar, dan permintaan yang bahkan lebih mencabar untuk ditangani. "
Carta ini dari makalah ini secara konseptual menggambarkan Balance Challenge dari segi bagaimana kos dan cabaran yang diharapkan dapat berubah dengan peningkatan penggunaan pembaharuan. Pada tahap semasa, tenaga boleh diperbaharui adalah kompetitif dari segi kos dengan sumber penjanaan tradisional di banyak wilayah di Amerika Syarikat kerana industri utiliti dapat menangani perubahan harga setiap jam dan sub-jam secara efektif.
Di luar tahap ini, kita mencapai zon kedua, di mana kajian telah meneroka bagaimana masalah ketidakcocokan diurnal dapat ditangani secara efektif untuk mencapai sumbangan tahunan dalam kisaran 80% pembaharuan. Tetapi di luar tahap ini, di zon ketiga, masalah ketidakcocokan bermusim mungkin memerlukan teknologi yang belum digunakan secara besar-besaran - sehingga biaya dan keperluannya tidak jelas.
Cabaran penyongsang: Merancang grid yang boleh dipercayai dan stabil yang bergantung pada sumber berasaskan penyongsang
Inverter Challenge mirip dengan Balance Challenge kerana keduanya melibatkan penyeimbangan penawaran dan permintaan pada berbagai skala waktu. Tetapi Inverter Challenge berbeza kerana keprihatinan tertumpu pada sekumpulan pertimbangan kejuruteraan tertentu, berbanding dengan masalah ekonomi yang lebih luas yang berkaitan dengan Balance Challenge.
Inverter Challenge adalah mengenai masalah yang berkaitan dengan peralihan ke grid yang dikuasai oleh sumber berasaskan inverter (IBR) - terutamanya penjanaan PV angin dan solar, bersama dengan penyimpanan bateri.
Sebilangan besar tenaga elektrik di Amerika Syarikat kini berasal dari turbin yang digabungkan dengan penjana segerak; penjana digabungkan secara elektrik dan berpusing pada frekuensi yang sama. Untuk menyediakan grid yang boleh dipercayai dan stabil, perancang sistem dan pengendali telah menggunakan beberapa ciri yang wujud dari generator segerak, termasuk inersia putaran (tenaga kinetik yang tersimpan dalam jisim berputar yang besar) dan kemampuan untuk menyuntikkan arus yang banyak ke dalam grid. Ciri-ciri ini adalah asas kestabilan dan perlindungan sistem kuasa tradisional.
"Sumber berasaskan penyongsang mempunyai ciri yang sangat berbeza dibandingkan dengan penjana segerak, termasuk kekurangan tindak balas inersia yang digabungkan secara fizikal dan, secara historis, kemampuan terhad untuk menyediakan arus yang banyak dalam keadaan kesalahan," kata Ben Kroposki, pengarah Kejuruteraan Sistem Kuasa NREL Pusat dan pengarang bersama makalah tersebut. "Oleh itu, kerana kita lebih bergantung pada sumber daya berdasarkan penyongsang, mereka perlu menyediakan perkhidmatan yang saat ini disediakan oleh penjana segerak - yang mungkin bermaksud perubahan dalam cara sistem kuasa dikendalikan dan dilindungi."
Jadi apa yang kita tidak tahu?
Makalah ini meneroka Balance Challenge dan Inverter Challenge secara terperinci - termasuk persoalan penting yang belum terjawab yang masih ada ketika datang untuk mendekati atau mencapai 100% pembaharuan pada skala nasional untuk semua jam sepanjang tahun.
"Tidak ada jawaban sederhana untuk sejauh mana kita dapat meningkatkan penggunaan yang dapat diperbaharui sebelum biaya meningkat secara mendadak atau kebolehpercayaan menjadi terganggu," kata Denholm. "Sejauh 'beberapa persen terakhir' jalan menuju 100%, tidak ada konsensus mengenai jalur hemat biaya yang jelas untuk menangani Balance Challenge dan Inverter Challenge pada skala nasional.
"Kajian tidak menemui ambang teknikal yang spesifik di mana grid 'pecah," dan kita tidak boleh hanya mengekstrapolasi dari analisis kos sebelumnya kerana, ketika datang ke masa depan, ada banyak nonlinearities dan tidak diketahui yang tidak diketahui-perkara yang kita bahkan tidak tahu kita belum tahu. "
Penulis mengatakan kajian tambahan diperlukan untuk menilai rangkaian teknologi yang dapat membantu memastikan bekalan yang boleh diperbaharui sesuai dengan corak permintaan sepanjang masa - dan bahawa kita memerlukan kejuruteraan dan reka bentuk yang signifikan untuk mengalihkan grid dari grid yang bergantung pada mesin segerak ke satu yang berdasarkan penyongsang.
Dari mana kita pergi dari sini? Panggilan untuk bekerjasama - dan penilaian semula berterusan
Menyedari masa depan elektrik yang boleh diperbaharui yang tinggi untuk Amerika Syarikat akan memerlukan lebih dari sekadar menangani Cabaran Keseimbangan dan Penyongsang — termasuk menangani masalah akses sumber, persekitaran, pasaran, dan tingkah laku manusia yang mereka sendiri boleh mempengaruhi reka bentuk dan kadar mendapatkan 100% tenaga elektrik yang boleh diperbaharui . Ini adalah cabaran yang kompleks dan pelbagai disiplin yang tidak dapat diselesaikan oleh mana-mana entiti dan memerlukan kolaborasi di seluruh komuniti penyelidikan teknikal, akademik, makmal, dan industri.
"Pertanyaan yang tidak dijawab dalam makalah kami menyediakan agenda penyelidikan untuk analisis, teknologi R&D, dan kejuruteraan yang diperlukan untuk mencapai 100% sistem yang dapat diperbaharui yang efektif," kata Dan Bilello, pengarah Pusat Analisis Tenaga Strategik NREL dan pengarang bersama makalah tersebut . "Kami tidak hanya memerlukan alat dan set data baru untuk memajukan kajian masa depan, tetapi kami juga memerlukan terminologi yang lebih seragam dan memudahkan interaksi antara penyelidik dan organisasi penyelidikan, terutama di berbagai bidang."
Lebih-lebih lagi, penulis menunjukkan perlunya untuk terus mengkaji kembali jalan yang paling efektif menuju tujuan pengurangan pelepasan nasional dan penyaharbonan — sama ada melalui 100% tenaga elektrik yang boleh diperbaharui atau melalui kombinasi teknologi rendah karbon yang lain.
"Buat masa ini, sukar untuk membangun asas ekonomi untuk mencapai manfaat persekitaran ini dalam grid yang digerakkan secara eksklusif oleh sumber tenaga baru," kata Denholm. “Pengurangan pelepasan secara keseluruhan secara ekonomi mungkin melibatkan pencapaian yang sangat tinggi - tetapi berpotensi di bawah 100% — generasi yang dapat diperbaharui sambil juga fokus penyahkarbonan sektor lain, atau mengekalkan sumber yang tidak boleh diperbaharui tetapi rendah karbon dalam campuran. "
Kajian LA100 - walaupun tidak pada skala nasional - mendapati bahawa menggerakkan sektor kenderaan dan bangunan dapat menyebabkan peningkatan yang besar dalam kualiti udara - dan bahawa menyedari faedah ini pada dasarnya adalah masalah untuk mencapai kecekapan dan elektrifikasi tenaga yang tinggi, bebas dari mana-mana yang boleh diperbaharui. jalan tenaga untuk sektor tenaga. LA100 juga mendapati bahawa sekatan teknologi menghasilkan kos yang lebih tinggi ketika memenuhi permintaan elektrik 10% terakhir dengan tenaga yang dapat diperbaharui — dengan pengurangan pelepasan tambahan yang minimum.
"Melihat ke depan, penyelidikan, analisis, dan pendekatan yang dapat disesuaikan untuk penyelesaian teknologi akan membantu memandu industri elektrik dan meningkatkan peluang kita untuk mencapai matlamat dekarbonisasi yang akhirnya kita sasarkan ketika kita berbicara tentang 100% bahan terbarukan," kata Denholm.