С недавно объявленными федеральными целевыми показателями по сокращению выбросов, толчком к декарбонизации национального сектора энергетики и резким падением затрат на ветровую и солнечную энергию, Соединенные Штаты готовы быстро развернуть большое количество возобновляемых источников энергии.
В меньших масштабах сотни городов, штатов и корпораций США уже предприняли смелые действия, установив свои собственные местные цели на 100%. Возобновляемая энергия- и благодаря недавним анализам, таким как Исследование 100% возобновляемой энергии в Лос-Анджелесе (LA100), у нас растет уверенность в том, что надежные, 100% возобновляемые энергосистемы осуществимы.
Но распространение этой конечной цели на все Соединенные Штаты представляет собой не менее обширный набор проблем, и в последние годы возможность этого является предметом горячих споров в сообществе исследователей энергетики. Теперь команда из 17 экспертов по энергетическим системам из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики США (DOE) и Управления по энергоэффективности и возобновляемой энергии (EERE) при Министерстве энергетики США вносит новый вклад.
Исследование предлагает точку зрения, основанную на реальном опыте использования переменных возобновляемых источников энергии, литературе и опыте нашей команды, подробно изучающем эти вопросы за последние два десятилетия в различных масштабах - от нашего национального исследования будущего возобновляемой энергетики в 2012 году до нашего В 2021 году будут работать над LA100 », - сказал Пол Денхолм, главный энергетический аналитик NREL и ведущий автор статьи. «В то время как мы сосредоточены здесь на энергосистеме США, многие из рассматриваемых вопросов и извлеченные уроки применимы в более общем плане к другим регионам - и это сложные, многопрофильные проблемы, для решения которых потребуется активное сотрудничество между исследовательским сообществом»
Перво-наперво: определение того, что мы подразумеваем под 100% возобновляемой сетью
Рассматривая проблемы создания общенациональной сети, работающей на 100% от возобновляемых источников, важно сначала точно определить, что мы подразумеваем под этой фразой. В этой статье авторы объясняют два ключевых аспекта определения: technology тип и граница системы.
«Тип технологии, по сути, устанавливает определение слова« возобновляемые источники энергии », которое может варьироваться в зависимости от параметров исследования или приоритетов сообщества, устанавливающего цель или политику в отношении возобновляемых источников энергии», - сказал Денхольм. «Здесь мы различаем два общих типа технологий: то, что мы называем переменными технологиями, которые зависят от краткосрочных погодных условий и обычно используют инверторы, такие как ветряные и солнечные фотоэлектрические установки [PV]; и те, которые менее или совсем не изменчивы и обычно используют традиционные синхронные генераторы, в том числе гидроэнергетические, биомассовые, геотермальные и концентрирующие солнечные энергии ».
В этой статье 100% возобновляемые системы не ограничиваются только переменными технологиями, такими как солнечная энергия и ветер. Однако, поскольку неизменяемые возобновляемые ресурсы обычно географически ограничены, авторы обычно предполагают, что переменные ресурсы будут составлять большую часть 100% возобновляемой сети в национальном масштабе.
Когда дело доходит до определения границ системы, авторы требуют, чтобы сеть всегда физически работала со 100% возобновляемой энергией. Это контрастирует с системами, предприятиями или корпоративными структурами, которые достигают 100% целей в области возобновляемых источников энергии с помощью кредитов, компенсаций или других финансовых механизмов для возобновляемых источников энергии.
Что мы знаем, что мы думаем, что знаем и чего не знаем
Чтобы сформулировать наиболее важные вопросы и предложить программу исследований для поиска решений, авторы исследуют возрастающий вклад возобновляемых источников энергии в энергосистему США по трем направлениям: 1) то, что мы знаем на основе реального опыта, 2) то, что мы думаем, что знаем основанные на планировании сети и исследованиях эксплуатации, и 3) то, чего мы не знаем без дополнительных исследований или опыта.
«Мы делаем упор на вопросы, которые, по нашему мнению, могут быть решены с помощью разработки технологий и инженерных разработок, но мы признаем, что критически важны и другие темы - от соображений выбора площадки до проблем энергетической справедливости, политических, нормативных и рыночных проблем», - сказал Денхолм. «Мы хотим расчистить путь для решения технических и экономических проблем, чтобы мы могли лучше решать другие сложные аспекты перехода энергосистемы».
Вместо того, чтобы сосредотачиваться исключительно на конечной цели сети 100% возобновляемых источников энергии, команда смотрит на то, как проблемы включения возобновляемых источников энергии меняются по мере увеличения масштабов развертывания. Частично это связано с отсутствием детального инженерного анализа 100% возобновляемых систем в национальном масштабе, но также и потому, что практические планы по достижению цели не будут разрабатываться с чистого листа. Надежные решения на 100% возобновляемых источниках энергии должны учитывать, как оптимально использовать существующие активы энергосистемы.
«В конечном итоге инженерные задачи, затраты и преимущества возобновляемых источников энергии меняются в зависимости от их доли в структуре генерации», - сказал Денхольм. «100% - это всего лишь одна точка в континууме, поэтому полезно изучить затраты и выгоды на всех уровнях внедрения возобновляемых источников энергии».
В рамках этой структуры в документе технико-экономические задачи достижения 100% возобновляемых источников энергии во всех временных масштабах разделены на две категории: 1) экономическое поддержание баланса спроса и предложения (называемое проблемой баланса) и 2) разработка технически надежного и стабильного сети, использующие в основном инверторные ресурсы, такие как ветер и солнце (так называемая Inverter Challenge).
Задача баланса: экономичное согласование спроса и предложения
Задача баланса сводится к тому, чтобы убедиться, что энергосистема может экономически сбалансировать спрос и предложение в различных временных масштабах - от критических секунд до минут, необходимых для выдерживания неожиданных отключений, до сезонных масштабов, которые соответствуют запланированным отключениям электростанции и техническому обслуживанию. с периодами пониженного спроса.
«Переменные ресурсы - это всего лишь переменные, поэтому они по своей природе колеблются в различных временных масштабах», - сказал Денхольм. «Существует то, что мы называем суточным несоответствием между временем пикового спроса и временем, когда солнечная и ветровая генерация наиболее высока в течение дня, что мы видим в таких явлениях, как кривая утки. Кроме того, существует значительное сезонное несоответствие между моделями ветра, солнца и спроса, которые еще сложнее устранить ».
Эта диаграмма из документа концептуально иллюстрирует проблему баланса с точки зрения того, как ожидаемые затраты и проблемы могут измениться с расширением использования возобновляемых источников энергии. На текущих уровнях возобновляемые источники энергии являются конкурентоспособными по стоимости с традиционными источниками генерации во многих регионах США, потому что коммунальные предприятия смогли экономически эффективно решить проблему почасовой и субчасовой изменчивости.
За пределами этих уровней мы попадаем во вторую зону, где в исследованиях изучается, как можно экономически эффективно решить проблему суточного несоответствия для достижения годового вклада в диапазоне 80% возобновляемых источников энергии. Но за пределами этой точки, в третьей зоне, проблема сезонного несоответствия может потребовать технологий, которые еще предстоит развернуть в большом масштабе, поэтому их стоимость и требования неясны.
Задача инвертора: проектирование надежных, стабильных сетей, основанных на ресурсах инверторов.
Задача инвертора похожа на задачу баланса в том, что обе они включают балансирование спроса и предложения в различных временных масштабах. Но Inverter Challenge отличается тем, что проблемы узко сосредоточены на ряде конкретных инженерных соображений, в отличие от более широких экономических проблем, связанных с Balance Challenge.
Задача инвертора связана с проблемами, связанными с переходом к сети, в которой преобладают инверторные ресурсы (IBR) - в первую очередь, солнечная и ветровая генерация солнечных батарей, а также аккумуляторы.
Большая часть электроэнергии в США в настоящее время вырабатывается турбинами, соединенными с синхронными генераторами; генераторы электрически связаны и вращаются с одинаковой частотой. Чтобы обеспечить надежную и стабильную сеть, проектировщики систем и операторы использовали несколько неотъемлемых характеристик синхронных генераторов, включая инерцию вращения (накопленную кинетическую энергию в больших вращающихся массах) и способность вводить большие количества тока в сеть. Эти характеристики являются основой устойчивости и защиты традиционной энергосистемы.
«Ресурсы на основе инвертора имеют очень разные характеристики по сравнению с синхронными генераторами, включая отсутствие физически связанной инерционной реакции и, исторически, ограниченную способность обеспечивать большие токи в условиях неисправности», - сказал Бен Кропоски, директор подразделения Power Systems Engineering NREL. Центр и соавтор статьи. «Итак, поскольку мы больше полагаемся на инверторные ресурсы, им необходимо будет предоставлять услуги, которые в настоящее время предоставляются синхронными генераторами, что может означать изменения в способах управления и защиты энергосистемы».
Итак, чего мы не знаем?
В документе подробно рассматриваются как проблема баланса, так и проблема инвертора, включая важные без ответа вопросы, которые остаются, когда речь идет о приближении или достижении 100% возобновляемых источников энергии в национальном масштабе в любое время года.
«Нет простого ответа на вопрос, насколько мы можем увеличить развертывание возобновляемых источников энергии, прежде чем резко вырастут затраты или снизится надежность», - сказал Денхольм. «Что касается« последних нескольких процентов »пути к 100%, нет единого мнения о четком экономически эффективном пути решения как проблемы баланса, так и проблемы инвертора в национальном масштабе.
«Исследования не обнаружили конкретного технического порога, при котором сетка« ломается », и мы не можем просто экстраполировать результаты предыдущего анализа затрат, потому что, когда дело доходит до будущего, существует много нелинейностей и неизвестных неизвестных - вещей, которые мы даже не знаем. знаю, что еще не знаем ».
Авторы говорят, что необходимы дополнительные исследования для оценки набора технологий, которые могут помочь обеспечить соответствие предложения возобновляемых источников энергии моделям спроса во все периоды времени - и что нам потребуются серьезные инженерные и дизайнерские решения для перехода от энергосистемы, зависящей от синхронных машин, к единой. который основан на инверторах.
Куда мы отправимся отсюда? Призыв к сотрудничеству и постоянной переоценке
Для реализации будущего развития возобновляемой электроэнергии в Соединенных Штатах потребуется нечто большее, чем просто решение проблем баланса и инвертора, в том числе решение проблем доступа к ресурсам, окружающей среды, рынка и поведения человека, которые сами по себе могут повлиять на дизайн и темпы перехода на 100% возобновляемую электроэнергию. . Это сложные, междисциплинарные задачи, которые не могут быть решены каким-либо одним подразделением, и они потребуют сотрудничества между сообществами технических исследований, академическими кругами, лабораториями и промышленностью.
«Оставшиеся без ответа вопросы в нашей статье представляют собой программу исследований для анализа, технологических НИОКР и инженерных разработок, необходимых для создания рентабельных 100% возобновляемых систем», - сказал Дэн Билелло, директор Центра стратегического анализа энергии NREL и соавтор статьи. . «Нам нужны не только новые инструменты и наборы данных для продвижения будущих исследований, но и более единообразная терминология и облегченное взаимодействие между исследователями и исследовательскими организациями, особенно в различных областях».
Более того, авторы указывают на необходимость постоянного пересмотра наиболее эффективных путей достижения национальных целей по сокращению выбросов и декарбонизации - будь то 100% возобновляемая электроэнергия или другая комбинация низкоуглеродных технологий.
«В настоящее время трудно создать экономическую основу для достижения этих экологических преимуществ в сети, работающей исключительно на возобновляемых источниках энергии», - сказал Денхольм. «Экономическое сокращение общих выбросов, вероятно, будет связано с достижением очень высокого - но потенциально ниже 100% - возобновляемой генерации с одновременным упором на обезуглероживание в других секторах или сохранении невозобновляемых, но низкоуглеродных ресурсов ».
Исследование LA100 - хотя и не в национальном масштабе - показало, что электрификация секторов транспортных средств и зданий может привести к существенному улучшению качества воздуха, и что реализация этих преимуществ в основном связана с достижением высокой энергоэффективности и электрификации, независимо от каких-либо конкретных возобновляемых источников энергии. энергетический путь для электроэнергетики. LA100 также обнаружил, что технологические ограничения приводят к более высоким затратам, когда дело доходит до удовлетворения последних 10% спроса на электроэнергию с помощью возобновляемых источников энергии - с минимальным дополнительным сокращением выбросов.
«Заглядывая в будущее, постоянные исследования, анализ и адаптируемый подход к технологическим решениям помогут направить электроэнергетику и повысить наши шансы на достижение целей декарбонизации, на которые мы в конечном итоге нацелены, когда говорим о 100% возобновляемых источниках энергии», - сказал Денхольм.