ด้วยเป้าหมายการลดการปล่อยมลพิษของรัฐบาลกลางที่ประกาศเมื่อเร็ว ๆ นี้การผลักดันให้เกิดการลดคาร์บอนในภาคพลังงานของประเทศและการลดต้นทุนลมและพลังงานแสงอาทิตย์สหรัฐฯพร้อมที่จะปรับใช้พลังงานหมุนเวียนจำนวนมากและรวดเร็ว
ในระดับที่เล็กกว่า เมือง รัฐ และบริษัทในสหรัฐฯ หลายร้อยแห่งได้ดำเนินการอย่างกล้าหาญในการกำหนดเป้าหมายท้องถิ่นของตนเอง 100% พลังงานทดแทน—และจากการวิเคราะห์ล่าสุด เช่น การศึกษาพลังงานทดแทน 100% ในลอสแอนเจลิส (LA100) เรามีความมั่นใจเพิ่มมากขึ้นว่าโครงข่ายพลังงานหมุนเวียน 100% ที่เชื่อถือได้นั้นมีความเป็นไปได้
แต่การขยายเป้าหมายสุดท้ายนี้ไปทั่วทั้งสหรัฐอเมริกานำเสนอชุดของความท้าทายที่ขยายตัวอย่างเท่าเทียมกันและความเป็นไปได้ของการทำเช่นนั้นเป็นหัวข้อที่มีการถกเถียงกันอย่างมากในแวดวงการวิจัยด้านพลังงานในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ขณะนี้ทีมผู้เชี่ยวชาญด้านระบบไฟฟ้า 17 คนจากห้องปฏิบัติการพลังงานหมุนเวียนแห่งชาติ (NREL) ของกระทรวงพลังงานสหรัฐฯ (NREL) และสำนักงานประสิทธิภาพพลังงานและพลังงานทดแทน (EERE) ของ DOE กำลังเข้าร่วมด้วยการดำเนินการใหม่ ๆ
งานวิจัยนี้นำเสนอมุมมองที่มาจากประสบการณ์ในโลกแห่งความเป็นจริงในการปรับใช้พลังงานหมุนเวียนแบบผันแปรวรรณกรรมและประสบการณ์ของทีมงานของเราที่ศึกษาประเด็นเหล่านี้โดยละเอียดในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมาในระดับต่างๆจากการศึกษาอนาคตการผลิตไฟฟ้าทดแทนระดับประเทศในปี 2012 ไปจนถึง 2021 ทำงานเกี่ยวกับ LA100” Paul Denholm นักวิเคราะห์พลังงานหลักของ NREL และผู้เขียนนำบทความกล่าว “ ในขณะที่เรามุ่งเน้นไปที่ระบบไฟฟ้าของสหรัฐฯ แต่หลายประเด็นที่ได้รับการแก้ไขและบทเรียนที่ได้เรียนรู้เพื่อนำไปใช้โดยทั่วไปในภูมิภาคอื่น ๆ และสิ่งเหล่านี้เป็นความท้าทายที่ซับซ้อนและเป็นสหสาขาวิชาชีพซึ่งจะต้องอาศัยความร่วมมืออย่างมากระหว่างชุมชนการวิจัยเพื่อแก้ไข”
สิ่งแรกสิ่งแรก: การกำหนดสิ่งที่เราหมายถึงโดยกริดหมุนเวียน 100%
เมื่อพิจารณาถึงความท้าทายในการบรรลุโครงข่ายไฟฟ้าที่ใช้พลังงานหมุนเวียน 100% ในระดับชาติ สิ่งสำคัญคือต้องให้คำจำกัดความอย่างแม่นยำก่อนว่าวลีนั้นหมายถึงอะไร สำหรับบทความนี้ ผู้เขียนจะอธิบายประเด็นสำคัญสองประการของคำจำกัดความ: เทคโนโลยี ประเภทและขอบเขตของระบบ
“ ประเภทเทคโนโลยีกำหนดนิยามของคำว่าพลังงานหมุนเวียนเป็นหลักซึ่งอาจแตกต่างกันไปตามพารามิเตอร์ของการศึกษาวิจัยหรือลำดับความสำคัญของชุมชนที่กำหนดเป้าหมายหรือนโยบายในการหมุนเวียน” เดนโฮล์มกล่าว “ ที่นี่เราแยกความแตกต่างระหว่างเทคโนโลยีทั่วไป XNUMX ประเภทคือสิ่งที่เราเรียกว่าเทคโนโลยีแบบผันแปรซึ่งขึ้นอยู่กับสภาพอากาศในระยะสั้นและโดยทั่วไปจะใช้อินเวอร์เตอร์เช่นพลังงานลมและโซลาร์เซลล์แสงอาทิตย์ [PV]; และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสที่น้อยกว่าหรือไม่มีเลย - โดยทั่วไปจะใช้เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสแบบเดิม ได้แก่ พลังน้ำชีวมวลความร้อนใต้พิภพและพลังงานแสงอาทิตย์ที่มีสมาธิ”
ในบทความนี้ระบบหมุนเวียน 100% ไม่ได้ จำกัด เฉพาะเทคโนโลยีที่ผันแปรเช่น Solar PV และลมเท่านั้น อย่างไรก็ตามเนื่องจากทรัพยากรหมุนเวียนที่ไม่ผันแปรมักมีข้อ จำกัด ทางภูมิศาสตร์ผู้เขียนโดยทั่วไปถือว่าตัวแปรจะประกอบขึ้นเป็นเศษส่วนขนาดใหญ่ของตารางหมุนเวียน 100% ในระดับประเทศ
เมื่อพูดถึงการกำหนดขอบเขตของระบบผู้เขียนต้องการให้กริดทำงานทางกายภาพด้วยแหล่งจ่ายพลังงานหมุนเวียน 100% ตลอดเวลา สิ่งนี้แตกต่างกับระบบธุรกิจหรือหน่วยงานองค์กรที่บรรลุเป้าหมายการหมุนเวียน 100% โดยใช้เครดิตพลังงานหมุนเวียนการชดเชยหรือกลไกทางการเงินอื่น ๆ
สิ่งที่เรารู้สิ่งที่เราคิดว่าเรารู้และสิ่งที่เราไม่รู้
เพื่อกำหนดคำถามที่สำคัญที่สุดและเสนอวาระการวิจัยเพื่อหาแนวทางแก้ไขผู้เขียนได้สำรวจการมีส่วนร่วมที่เพิ่มขึ้นของพลังงานหมุนเวียนในระบบไฟฟ้าของสหรัฐอเมริกาตามสามบรรทัด: 1) สิ่งที่เรารู้จากประสบการณ์ในโลกแห่งความเป็นจริง 2) สิ่งที่เราคิดว่าเรารู้ ขึ้นอยู่กับการวางแผนกริดและการศึกษาการดำเนินงานและ 3) สิ่งที่เราไม่รู้โดยไม่ต้องศึกษาหรือประสบการณ์เพิ่มเติม
“ ความสำคัญของเราอยู่ที่คำถามที่เราคิดว่าสามารถแก้ไขได้ผ่านการพัฒนาเทคโนโลยีและวิศวกรรม แต่เราตระหนักดีว่าหัวข้ออื่น ๆ มีความสำคัญอย่างยิ่งตั้งแต่การพิจารณาประเด็นต่างๆไปจนถึงประเด็นด้านความเท่าเทียมกันของพลังงานไปจนถึงความท้าทายด้านนโยบายกฎระเบียบและการออกแบบตลาด” เดนโฮล์มกล่าว “ เราต้องการเคลียร์เส้นทางในการแก้ไขปัญหาทางเทคนิคและเศรษฐกิจเพื่อที่เราจะสามารถจัดการกับแง่มุมที่ซับซ้อนอื่น ๆ ของการเปลี่ยนแปลงระบบไฟฟ้าได้ดีขึ้น”
แทนที่จะมุ่งเน้นไปที่เป้าหมายสุดท้ายของกริดหมุนเวียน 100% แต่เพียงอย่างเดียวทีมงานจะพิจารณาว่าความท้าทายในการผสมผสานพลังงานหมุนเวียนเปลี่ยนไปอย่างไรเมื่อมีการใช้งานที่เพิ่มขึ้น สาเหตุส่วนหนึ่งมาจากการขาดการวิเคราะห์ทางวิศวกรรมโดยละเอียดของระบบหมุนเวียน 100% ในระดับประเทศ แต่ยังเป็นเพราะแผนการปฏิบัติในการบรรลุเป้าหมายจะไม่ได้รับการพัฒนาจากกระดานชนวนเปล่า โซลูชันที่หมุนเวียนได้ 100% ที่แข็งแกร่งจะต้องพิจารณาถึงวิธีการใช้ทรัพย์สินระบบไฟฟ้าที่มีอยู่ให้เกิดประโยชน์สูงสุด
“ ท้ายที่สุดแล้วความท้าทายด้านวิศวกรรมต้นทุนและผลประโยชน์ของพลังงานหมุนเวียนแตกต่างกันไปตามส่วนแบ่งของการผสมผสานของคนรุ่นนี้” เดนโฮล์มกล่าว “ 100% เป็นเพียงจุดเดียวในการสร้างความต่อเนื่องดังนั้นการสำรวจต้นทุนและผลประโยชน์ในทุกระดับของการปรับใช้งานทดแทนจึงมีประโยชน์”
ภายในกรอบนี้เอกสารจะจัดระเบียบความท้าทายทางเศรษฐกิจเทคโนโลยี่ในการบรรลุ 100% พลังงานหมุนเวียนในทุกช่วงเวลาแบ่งออกเป็นสองประเภท: 1) การรักษาสมดุลของอุปสงค์และอุปทานในเชิงเศรษฐกิจ (เรียกว่า Balance Challenge) และ 2) การออกแบบที่เชื่อถือได้และมีเสถียรภาพทางเทคนิค กริดโดยใช้ทรัพยากรที่ใช้อินเวอร์เตอร์เป็นหลักเช่นลมและแสงอาทิตย์ (เรียกว่า Inverter Challenge)
ความท้าทายด้านความสมดุล: การจับคู่อุปทานกับอุปสงค์ในเชิงเศรษฐกิจ
ความท้าทายด้านการปรับสมดุลจะทำให้แน่ใจว่าระบบไฟฟ้าสามารถสร้างสมดุลระหว่างอุปทานและอุปสงค์ในช่วงเวลาต่างๆได้ตั้งแต่ระดับวินาทีถึงนาทีที่สำคัญซึ่งจำเป็นต่อการทนต่อการหยุดทำงานที่ไม่คาดคิดไปจนถึงระดับตามฤดูกาลที่ตรงกับการหยุดทำงานของโรงไฟฟ้าและการบำรุงรักษาตามกำหนดเวลา ด้วยช่วงเวลาที่มีความต้องการลดลง
“ ทรัพยากรที่เปลี่ยนแปลงได้นั้นเป็นตัวแปร - ดังนั้นพวกมันจึงผันผวนโดยเนื้อแท้ในช่วงเวลาต่างๆ” เดนโฮล์มกล่าว “ มีสิ่งที่เราเรียกว่าความไม่ตรงกันรายวันระหว่างช่วงเวลาของความต้องการสูงสุดและเมื่อการผลิตแสงอาทิตย์และลมสูงสุดในระหว่างวันซึ่งเราเห็นในปรากฏการณ์เช่นเส้นโค้งเป็ด นอกเหนือจากนั้นยังมีความไม่ตรงกันตามฤดูกาลอย่างมีนัยสำคัญระหว่างรูปแบบลมแสงอาทิตย์และอุปสงค์ที่ท้าทายยิ่งกว่าในการจัดการ”
แผนภูมิจากเอกสารนี้แสดงให้เห็นแนวความคิดของ Balance Challenge ในแง่ของค่าใช้จ่ายและความท้าทายที่คาดว่าจะเปลี่ยนไปตามการใช้พลังงานหมุนเวียนที่เพิ่มขึ้น ในระดับปัจจุบันพลังงานหมุนเวียนสามารถแข่งขันด้านต้นทุนได้กับแหล่งกำเนิดแบบดั้งเดิมในหลายภูมิภาคของสหรัฐอเมริกาเนื่องจากอุตสาหกรรมสาธารณูปโภคสามารถจัดการกับความแปรปรวนรายชั่วโมงและรายชั่วโมงรายชั่วโมงและรายชั่วโมงได้อย่างคุ้มค่า
นอกเหนือจากระดับเหล่านี้เราไปถึงโซนที่สองซึ่งการศึกษาได้สำรวจว่าปัญหาความไม่ตรงกันในแต่ละวันอาจได้รับการแก้ไขอย่างคุ้มค่าเพื่อให้บรรลุผลงานรายปีในช่วงพลังงานหมุนเวียน 80% แต่นอกเหนือจากจุดนี้ในโซนที่สามปัญหาความไม่ตรงกันตามฤดูกาลอาจต้องใช้เทคโนโลยีที่ยังไม่ได้นำไปใช้ในปริมาณมากดังนั้นค่าใช้จ่ายและข้อกำหนดจึงไม่ชัดเจน
ความท้าทายของอินเวอร์เตอร์: การออกแบบกริดที่เสถียรและเชื่อถือได้ซึ่งอาศัยทรัพยากรที่ใช้อินเวอร์เตอร์
Inverter Challenge คล้ายกับ Balance Challenge ตรงที่ทั้งคู่เกี่ยวข้องกับการสร้างสมดุลระหว่างอุปสงค์และอุปทานในช่วงเวลาต่างๆ แต่ Inverter Challenge นั้นแตกต่างกันตรงที่ความกังวลนั้นมุ่งเน้นไปที่ชุดของการพิจารณาด้านวิศวกรรมที่เฉพาะเจาะจงซึ่งตรงข้ามกับประเด็นทางเศรษฐกิจในวงกว้างที่เกี่ยวข้องกับ Balance Challenge
Inverter Challenge เป็นข้อมูลเกี่ยวกับปัญหาที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนไปใช้กริดที่ถูกครอบงำโดยทรัพยากรที่ใช้อินเวอร์เตอร์ (IBR) ซึ่งโดยพื้นฐานแล้วการสร้าง PV ลมและพลังงานแสงอาทิตย์พร้อมกับการจัดเก็บแบตเตอรี่
ปัจจุบันพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่ในสหรัฐอเมริกาได้มาจากกังหันคู่กับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส เครื่องกำเนิดไฟฟ้าจะเชื่อมต่อด้วยไฟฟ้าและหมุนด้วยความถี่เดียวกัน เพื่อให้กริดที่เชื่อถือได้และมีเสถียรภาพนักวางแผนระบบและผู้ปฏิบัติงานได้ใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติโดยธรรมชาติหลายประการของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสรวมถึงความเฉื่อยในการหมุน (พลังงานจลน์ที่เก็บไว้ในมวลหมุนขนาดใหญ่) และความสามารถในการฉีดกระแสจำนวนมากเข้าไปในกริด ลักษณะเหล่านี้เป็นพื้นฐานของเสถียรภาพและการป้องกันระบบไฟฟ้าแบบดั้งเดิม
“ ทรัพยากรที่ใช้อินเวอร์เตอร์มีลักษณะที่แตกต่างกันมากเมื่อเทียบกับเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสรวมถึงการขาดการตอบสนองความเฉื่อยควบคู่ไปกับทางกายภาพและในอดีตความสามารถที่ จำกัด ในการจัดหากระแสไฟฟ้าจำนวนมากภายใต้สภาวะความผิดปกติ” Ben Kroposki ผู้อำนวยการฝ่ายวิศวกรรมระบบไฟฟ้าของ NREL กล่าว จัดกึ่งกลางและผู้ร่วมเขียนบทความ “ ดังนั้นเมื่อเราพึ่งพาทรัพยากรที่ใช้อินเวอร์เตอร์มากขึ้นพวกเขาจะต้องให้บริการที่จัดหาโดยเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัสในปัจจุบันซึ่งอาจหมายถึงการเปลี่ยนแปลงวิธีการควบคุมและป้องกันระบบไฟฟ้า”
แล้วเราไม่รู้อะไร?
บทความนี้จะสำรวจทั้ง Balance Challenge และ Inverter Challenge โดยละเอียดรวมถึงคำถามที่ยังไม่ได้รับคำตอบที่สำคัญซึ่งยังคงอยู่เมื่อต้องเข้าใกล้หรือได้รับพลังงานหมุนเวียน 100% ในระดับประเทศตลอดทุกชั่วโมงของปี
“ ไม่มีคำตอบง่ายๆว่าเราสามารถเพิ่มการใช้งานทดแทนได้ไกลแค่ไหนก่อนที่ต้นทุนจะเพิ่มขึ้นอย่างมากหรือความน่าเชื่อถือถูกลดทอนลง” เดนโฮล์มกล่าว “ เท่าที่ผ่านมา 'ไม่กี่เปอร์เซ็นต์' ของเส้นทางสู่ 100% ไม่มีฉันทามติเกี่ยวกับเส้นทางที่ประหยัดต้นทุนที่ชัดเจนเพื่อจัดการกับทั้ง Balance Challenge และ Inverter Challenge ในระดับประเทศ
“ การศึกษาไม่พบเกณฑ์ทางเทคนิคที่เฉพาะเจาะจงที่ทำให้กริด 'หยุด' และเราไม่สามารถคาดการณ์จากการวิเคราะห์ต้นทุนก่อนหน้านี้ได้เนื่องจากในอนาคตมีความไม่เป็นเชิงเส้นและสิ่งที่ไม่ทราบจำนวนมากซึ่งเป็นสิ่งที่เราไม่ได้ทำด้วยซ้ำ รู้ว่าเรายังไม่รู้”
ผู้เขียนกล่าวว่าจำเป็นต้องมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อประเมินชุดเทคโนโลยีที่สามารถช่วยให้แน่ใจว่าอุปทานหมุนเวียนตรงกับรูปแบบอุปสงค์ในทุกช่วงเวลาและเราจะต้องมีวิศวกรรมและการออกแบบที่สำคัญในการเปลี่ยนกริดจากเครื่องที่ขึ้นอยู่กับเครื่องซิงโครนัสเป็นเครื่องเดียว ที่ขึ้นอยู่กับอินเวอร์เตอร์
เราจะไปที่ไหนจากที่นี่? การเรียกร้องให้มีการทำงานร่วมกันและการประเมินซ้ำอย่างต่อเนื่อง
การตระหนักถึงอนาคตของไฟฟ้าหมุนเวียนที่สูงสำหรับสหรัฐอเมริกาจะต้องใช้มากกว่าแค่การจัดการกับความท้าทายด้านความสมดุลและอินเวอร์เตอร์ซึ่งรวมถึงการจัดการกับการเข้าถึงทรัพยากรสิ่งแวดล้อมตลาดและปัญหาพฤติกรรมมนุษย์ซึ่งอาจส่งผลต่อการออกแบบและการก้าวไปสู่การผลิตไฟฟ้าหมุนเวียน 100% . สิ่งเหล่านี้เป็นความท้าทายแบบสหสาขาวิชาชีพที่ซับซ้อนซึ่งไม่สามารถแก้ไขได้โดยหน่วยงานใดองค์กรหนึ่งและจะต้องอาศัยความร่วมมือระหว่างชุมชนการวิจัยทางเทคนิคสถาบันการศึกษาห้องปฏิบัติการและอุตสาหกรรม
“ คำถามที่ยังไม่มีคำตอบในเอกสารของเราเป็นวาระการวิจัยสำหรับการวิเคราะห์การวิจัยและพัฒนาเทคโนโลยีและวิศวกรรมที่จำเป็นเพื่อให้ได้ระบบหมุนเวียน 100% ที่คุ้มทุน” Dan Bilello ผู้อำนวยการศูนย์วิเคราะห์พลังงานเชิงกลยุทธ์ของ NREL และผู้ร่วมเขียนบทความกล่าว . “ เราไม่เพียง แต่ต้องการเครื่องมือและชุดข้อมูลใหม่ ๆ เพื่อพัฒนาการศึกษาในอนาคตเท่านั้น แต่เรายังต้องการคำศัพท์ที่เหมือนกันมากขึ้นและอำนวยความสะดวกในการปฏิสัมพันธ์ระหว่างนักวิจัยและองค์กรวิจัยโดยเฉพาะในสาขาต่างๆ”
ยิ่งไปกว่านั้นผู้เขียนยังชี้ให้เห็นถึงความจำเป็นในการตรวจสอบเส้นทางที่มีประสิทธิภาพสูงสุดในการลดการปล่อยก๊าซและเป้าหมายการลดคาร์บอนในประเทศอีกครั้งไม่ว่าจะเป็นพลังงานไฟฟ้าหมุนเวียน 100% หรือผ่านเทคโนโลยีคาร์บอนต่ำอื่น ๆ
“ ตอนนี้มันยากที่จะสร้างพื้นฐานทางเศรษฐกิจเพื่อให้บรรลุผลประโยชน์ด้านสิ่งแวดล้อมเหล่านี้ในตารางที่ขับเคลื่อนโดยพลังงานหมุนเวียนโดยเฉพาะ” เดนโฮล์มกล่าว “ การลดการปล่อยมลพิษโดยรวมในเชิงเศรษฐกิจน่าจะเกี่ยวข้องกับการบรรลุเป้าหมายที่สูงมาก แต่อาจต่ำกว่า 100% - การสร้างใหม่ได้ในขณะเดียวกันก็มุ่งเน้นไปที่ การลดคาร์บอน ภาคส่วนอื่น ๆ หรือการรักษาทรัพยากรที่ไม่หมุนเวียน แต่มีคาร์บอนต่ำไว้ในส่วนผสม”
การศึกษา LA100 แม้ว่าจะไม่ได้อยู่ในระดับประเทศ แต่พบว่าการใช้พลังงานไฟฟ้าในภาคส่วนยานยนต์และอาคารสามารถนำไปสู่การปรับปรุงคุณภาพอากาศได้อย่างมากและการตระหนักถึงประโยชน์เหล่านี้เป็นหลักในการบรรลุประสิทธิภาพการใช้พลังงานและพลังงานไฟฟ้าที่สูงโดยไม่ขึ้นกับพลังงานหมุนเวียนใด ๆ โดยเฉพาะ เส้นทางพลังงานสำหรับภาคจ่ายไฟ นอกจากนี้ LA100 ยังพบว่าข้อ จำกัด ด้านเทคโนโลยีส่งผลให้ต้นทุนสูงขึ้นเมื่อต้องตอบสนองความต้องการไฟฟ้า 10% สุดท้ายด้วยพลังงานหมุนเวียนโดยลดการปล่อยก๊าซที่เพิ่มขึ้นน้อยที่สุด
“ การมองไปข้างหน้าการวิจัยการวิเคราะห์อย่างต่อเนื่องและแนวทางที่ปรับเปลี่ยนได้สำหรับโซลูชันเทคโนโลยีจะช่วยเป็นแนวทางในอุตสาหกรรมไฟฟ้าและเพิ่มโอกาสในการบรรลุเป้าหมายการลดคาร์บอนที่เราตั้งเป้าหมายไว้ในท้ายที่สุดเมื่อเราพูดถึงพลังงานหมุนเวียน 100%” เดนโฮล์มกล่าว