Met onlangs aangekondigde federale emissiereductiedoelstellingen, een drang naar decarbonisatie van de nationale energiesector en dalende kosten voor wind en zonne-energie, zijn de Verenigde Staten klaar om grote hoeveelheden hernieuwbare energiebronnen in te zetten, en snel.
Op kleinere schaal hebben honderden Amerikaanse steden, staten en bedrijven al gedurfde actie ondernomen door hun eigen lokale doelstellingen voor 100% vast te stellen. hernieuwbare energie– en met recente analyses zoals de Los Angeles 100% Renewable Energy Study (LA100) hebben we steeds meer vertrouwen dat betrouwbare, 100% hernieuwbare elektriciteitsnetten haalbaar zijn.
Maar het uitbreiden van dit einddoel over de hele Verenigde Staten brengt een even uitgebreide reeks uitdagingen met zich mee - en de aannemelijkheid hiervan is de afgelopen jaren een onderwerp van felle discussie geweest binnen de energieonderzoeksgemeenschap. Nu komt een team van 17 experts op het gebied van energiesystemen van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het Office of Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE) van DOE met een nieuwe kijk.
Het onderzoek biedt perspectief dat is ontleend aan praktijkervaring met het inzetten van variabele hernieuwbare energiebronnen, de literatuur en de ervaring van ons team bij het in detail bestuderen van deze kwesties in de afgelopen twee decennia op verschillende schaalniveaus - van ons onderzoek naar de toekomst van hernieuwbare elektriciteit op nationale schaal uit 2012 tot onze 2021 werken aan LA100, ”zei Paul Denholm, hoofd energieanalist bij NREL en hoofdauteur van het artikel. "Hoewel onze focus hier op het Amerikaanse energiesysteem ligt, zijn veel van de aangepakt en geleerde lessen meer in het algemeen van toepassing op andere regio's - en dit zijn complexe, multidisciplinaire uitdagingen die veel samenwerking tussen de onderzoeksgemeenschap vereisen om op te lossen."
Eerste dingen eerst: definiëren wat we bedoelen met een 100% hernieuwbaar netwerk
Als we kijken naar de uitdagingen van het realiseren van een landelijk, 100% duurzaam elektriciteitsnet, is het belangrijk om eerst precies te definiëren wat we met die zin bedoelen. Voor dit artikel leggen de auteurs twee belangrijke aspecten van de definitie uit: technologie type en systeemgrens.
"Het technologietype bepaalt in wezen de definitie van het woord hernieuwbaar - dat kan variëren op basis van de parameters van een onderzoeksstudie of de prioriteiten van een gemeenschap die een doel of beleid voor hernieuwbare energie bepaalt", zei Denholm. “Hier maken we onderscheid tussen twee algemene soorten technologieën: wat we variabele technologieën noemen die afhankelijk zijn van weersomstandigheden op korte termijn en die typisch omvormers gebruiken, zoals fotovoltaïsche zonne-energie en fotovoltaïsche zonne-energie [PV]; en degenen die minder (of helemaal niet) variabel zijn en doorgaans traditionele synchrone generatoren gebruiken, waaronder waterkracht, biomassa, geothermische energie en geconcentreerde zonne-energie. "
In dit document zijn 100% hernieuwbare systemen niet beperkt tot alleen variabele technologieën zoals zon-PV en wind. Omdat niet-variabele hernieuwbare bronnen meestal geografisch beperkt zijn, gaan de auteurs er over het algemeen van uit dat variabele bronnen een groot deel uitmaken van een 100% hernieuwbaar net op nationale schaal.
Als het gaat om het definiëren van de systeemgrens, eisen de auteurs dat het net te allen tijde fysiek werkt met een 100% hernieuwbare energievoorziening. Dit staat in contrast met systemen, bedrijven of bedrijfsentiteiten die 100% hernieuwbare doelstellingen behalen met behulp van kredieten voor hernieuwbare energie, compensaties of andere financiële mechanismen.
Wat we weten, wat we denken te weten en wat we niet weten
Om de meest kritische vragen te formuleren en een onderzoeksagenda voor oplossingen voor te stellen, onderzoeken de auteurs de toenemende bijdrage van hernieuwbare energiebronnen in het Amerikaanse elektriciteitssysteem langs drie lijnen: 1) wat we weten op basis van praktijkervaring, 2) wat we denken te weten gebaseerd op netplanning en operationele studies, en 3) wat we niet weten zonder aanvullende studie of ervaring.
"Onze nadruk ligt op vragen waarvan we denken dat ze kunnen worden aangepakt door middel van technologische ontwikkeling en engineering, maar we erkennen dat andere onderwerpen van cruciaal belang zijn - van overwegingen voor de situering tot bezorgdheid over energiegelijkheid, tot uitdagingen op het gebied van beleid, regelgeving en marktontwerp," zei Denholm. "We willen een pad vrijmaken voor het oplossen van de technische en economische problemen, zodat we andere complexe aspecten van de transitie van het energiesysteem beter kunnen aanpakken."
In plaats van zich uitsluitend te concentreren op het einddoel van een 100% hernieuwbaar netwerk, kijkt het team naar hoe de uitdagingen van het integreren van hernieuwbare energiebronnen veranderen naarmate de implementatie toeneemt. Dit is gedeeltelijk te wijten aan het gebrek aan gedetailleerde technische analyse van 100% hernieuwbare systemen op nationale schaal - maar ook omdat praktische plannen om het doel te bereiken niet van een schone lei zouden worden ontwikkeld. Robuuste 100% hernieuwbare oplossingen moeten nadenken over hoe de bestaande vermogenssysteemactiva optimaal kunnen worden gebruikt.
"Uiteindelijk variëren de technische uitdagingen, kosten en voordelen van hernieuwbare energiebronnen als een functie van hun aandeel in de productiemix", zei Denholm. "100% is slechts één punt op een continuüm, dus het is nuttig om de kosten en baten op alle niveaus van hernieuwbare inzet te onderzoeken."
Binnen dit kader organiseert de paper de technisch-economische uitdagingen van het realiseren van 100% hernieuwbare energiebronnen in alle tijdschema's in twee categorieën: 1) het economisch handhaven van een evenwicht tussen vraag en aanbod (de Balance Challenge genoemd) en 2) het ontwerpen van technisch betrouwbaar en stabiel netten die grotendeels op omvormers gebaseerde bronnen gebruiken, zoals wind en zonne-energie (ook wel de Inverter Challenge genoemd).
De evenwichtsuitdaging: vraag en aanbod economisch afstemmen
De Balance Challenge komt erop neer dat het energiesysteem vraag en aanbod economisch in evenwicht kan brengen op verschillende tijdschema's - van de kritieke seconden-tot-minuten schaal die nodig is om onverwachte uitval te weerstaan, tot de seizoensschaal die past bij geplande uitval en onderhoud van elektriciteitscentrales. met periodes van lagere vraag.
"Variabele resources zijn precies dat - variabel - dus ze fluctueren inherent over verschillende tijdschalen," zei Denholm. “Er is wat we een dagelijkse mismatch noemen tussen de timing van de piekvraag en het moment waarop de zonne- en windproductie overdag het hoogst is, wat we zien in verschijnselen als de eendcurve. Daarnaast is er een aanzienlijke seizoensgebonden discrepantie tussen wind-, zonne- en vraagpatronen, die nog moeilijker aan te pakken is. "
Deze grafiek uit de paper illustreert conceptueel de Balance Challenge in termen van hoe verwachte kosten en uitdagingen kunnen veranderen met de toenemende inzet van hernieuwbare energiebronnen. Op het huidige niveau is hernieuwbare energie in veel regio's van de Verenigde Staten kostenconcurrerend met traditionele opwekkingsbronnen, omdat de nutssector de variabiliteit op uur- en subuurniveau op een kosteneffectieve manier heeft kunnen aanpakken.
Buiten deze niveaus bereiken we de tweede zone, waar studies hebben onderzocht hoe het probleem van de dagelijkse mismatch op kosteneffectieve wijze kan worden aangepakt om een jaarlijkse bijdrage van 80% hernieuwbare energiebronnen te bereiken. Maar na dit punt, in de derde zone, kan het probleem van seizoensgebonden mismatch technologieën vereisen die nog op grote schaal moeten worden geïmplementeerd - dus hun kosten en vereisten zijn onduidelijk.
De uitdaging van de omvormer: het ontwerpen van betrouwbare, stabiele netten die afhankelijk zijn van op omvormers gebaseerde bronnen
De Inverter Challenge is vergelijkbaar met de Balance Challenge omdat ze beide betrekking hebben op het balanceren van vraag en aanbod op verschillende tijdschalen. Maar de Inverter Challenge is anders in die zin dat de bezorgdheid nauw gericht is op een reeks specifieke technische overwegingen, in tegenstelling tot de bredere economische kwesties die verband houden met de Balance Challenge.
De Inverter Challenge gaat over kwesties die verband houden met de overgang naar een net dat gedomineerd wordt door inverter-based resources (IBR's) - voornamelijk wind- en zonne-PV-opwekking, samen met batterijopslag.
De meeste elektrische energie in de Verenigde Staten is momenteel afkomstig van turbines die zijn gekoppeld aan synchrone generatoren; de generatoren zijn elektrisch gekoppeld en draaien met dezelfde frequentie. Om een betrouwbaar en stabiel net te bieden, hebben systeemplanners en operators gebruikgemaakt van verschillende inherente kenmerken van synchrone generatoren, waaronder rotatietraagheid (opgeslagen kinetische energie in grote roterende massa's) en de mogelijkheid om grote hoeveelheden stroom in het net te injecteren. Deze kenmerken vormen de basis van de traditionele stabiliteit en bescherming van het stroomsysteem.
"Op omvormers gebaseerde bronnen hebben heel andere kenmerken in vergelijking met synchrone generatoren, waaronder een gebrek aan fysiek gekoppelde traagheidsrespons en, historisch gezien, een beperkt vermogen om grote hoeveelheden stroom te leveren onder foutcondities", aldus Ben Kroposki, directeur van NREL's Power Systems Engineering Centrum en co-auteur van het artikel. "Dus, aangezien we meer afhankelijk zijn van op omvormers gebaseerde bronnen, zullen ze services moeten leveren die momenteel worden geleverd door synchrone generatoren, wat kan leiden tot veranderingen in de manier waarop het voedingssysteem wordt bestuurd en beschermd."
Dus wat weten we niet?
De paper gaat in detail in op zowel de Balance Challenge als de Inverter Challenge - inclusief de belangrijke onbeantwoorde vragen die overblijven als het gaat om het benaderen of bereiken van 100% hernieuwbare energiebronnen op nationale schaal voor alle uren van het jaar.
"Er is geen eenvoudig antwoord op de vraag in hoeverre we de inzet van hernieuwbare energiebronnen kunnen verhogen voordat de kosten dramatisch stijgen of de betrouwbaarheid in het gedrang komt", aldus Denholm. “Wat betreft de 'laatste paar procent' van het pad naar 100%, is er geen consensus over een duidelijk kosteneffectief pad om zowel de Balance Challenge als de Inverter Challenge op nationale schaal aan te pakken.
'Studies hebben geen specifieke technische drempel gevonden waarop het raster' breekt ', en we kunnen niet zomaar extrapoleren uit eerdere kostenanalyses, omdat er, als het op de toekomst aankomt, veel niet-lineariteiten en onbekende onbekenden zijn - dingen die we niet eens weten weet dat we het nog niet weten. "
De auteurs zeggen dat er aanvullend onderzoek nodig is om de reeks technologieën te evalueren die ervoor kunnen zorgen dat het aanbod van hernieuwbare energie overeenkomt met de vraagpatronen over alle tijdsperioden - en dat we aanzienlijke engineering en ontwerp nodig hebben om het net over te zetten van een netwerk dat afhankelijk is van synchrone machines naar een. dat is gebaseerd op omvormers.
Hoe gaan we verder? Een oproep tot samenwerking - en voortdurende herevaluatie
Om een toekomst met veel hernieuwbare elektriciteit voor de Verenigde Staten te realiseren, is meer nodig dan alleen het aanpakken van de uitdagingen op het gebied van balans en omvormers - inclusief het aanpakken van problemen met de toegang tot hulpbronnen, het milieu, de markt en het menselijk gedrag die zelf van invloed kunnen zijn op het ontwerp en het tempo om tot 100% hernieuwbare elektriciteit te komen . Dit zijn complexe, multidisciplinaire uitdagingen die niet door één entiteit kunnen worden opgelost en waarvoor samenwerking tussen technische onderzoeksgemeenschappen, de academische wereld, laboratoria en de industrie nodig is.
"De onbeantwoorde vragen in onze paper bieden een onderzoeksagenda voor de analyse, technologische R&D en engineering die nodig zijn om kosteneffectieve 100% hernieuwbare systemen te realiseren", aldus Dan Bilello, directeur van NREL's Strategic Energy Analysis Center en co-auteur van de paper. . "We hebben niet alleen nieuwe tools en datasets nodig om toekomstige studies vooruit te helpen, maar we hebben ook meer uniforme terminologie en een gefaciliteerde interactie tussen onderzoekers en onderzoeksorganisaties nodig, vooral tussen verschillende vakgebieden."
Bovendien wijzen de auteurs op de noodzaak om de meest effectieve weg naar nationale doelstellingen voor emissiereductie en decarbonisatie voortdurend opnieuw te onderzoeken - of dat nu is door 100% hernieuwbare elektriciteit of door een andere combinatie van koolstofarme technologieën.
"Op dit moment is het moeilijk om een economische basis te leggen voor het behalen van deze milieuvoordelen in een net dat uitsluitend wordt aangedreven door hernieuwbare energiebronnen", zei Denholm. “Om de totale uitstoot economisch te verminderen, moet waarschijnlijk een zeer hoge - maar mogelijk minder dan 100% - hernieuwbare opwekking worden bereikt, terwijl ook aandacht wordt besteed aan decarboniseren andere sectoren, of door niet-hernieuwbare maar koolstofarme bronnen in de mix te houden. "
Uit het LA100-onderzoek - hoewel niet op nationale schaal - bleek dat het elektrificeren van de voertuigen- en gebouwensector kan leiden tot substantiële verbeteringen in de luchtkwaliteit - en dat het realiseren van deze voordelen voornamelijk een kwestie is van het bereiken van een hoge energie-efficiëntie en elektrificatie, onafhankelijk van een bepaalde hernieuwbare energiebron. energietraject voor de energiesector. LA100 ontdekte ook dat technologische beperkingen leiden tot hogere kosten als het gaat om het voldoen aan de laatste 10% van de elektriciteitsvraag met hernieuwbare energie - met minimale incrementele emissiereducties.
"Vooruitkijkend, zullen verder onderzoek, analyse en een aanpasbare benadering van technologische oplossingen de elektriciteitsindustrie helpen begeleiden en onze kansen vergroten om de doelstellingen voor het koolstofarm maken te bereiken die we uiteindelijk nastreven als we het hebben over 100% hernieuwbare energiebronnen", zei Denholm.