Yakın zamanda açıklanan federal emisyon azaltma hedefleri, ulusal enerji sektörünün karbonsuzlaştırılmasına yönelik çabalar ve düşen rüzgar ve güneş enerjisi maliyetleriyle birlikte, ABD büyük miktarda yenilenebilir enerjiyi hızlı bir şekilde kullanmaya hazırlanıyor.
Daha küçük ölçeklerde, yüzlerce ABD şehri, eyaleti ve şirketi, %100'e ulaşmak için kendi yerel hedeflerini belirleme konusunda şimdiden cesur adımlar attı. yenilenebilir enerji—ve Los Angeles %100 Yenilenebilir Enerji Çalışması (LA100) gibi son analizler sayesinde güvenilir, %100 yenilenebilir enerji şebekelerinin mümkün olduğuna dair güvenimiz artıyor.
Ancak bu nihai hedefi Amerika Birleşik Devletleri'nin tamamına yaymak, aynı derecede kapsamlı zorlukları da beraberinde getiriyor ve bunu yapmanın makul olup olmadığı, son yıllarda enerji araştırma topluluğu arasında hararetli bir tartışma konusu oldu. Şimdi, ABD Enerji Bakanlığı'nın (DOE'nin) Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı'ndan (NREL) ve DOE'nin Enerji Verimliliği ve Yenilenebilir Enerji Ofisi'nden (EERE) 17 güç sistemi uzmanından oluşan bir ekip, yeni bir yaklaşımla devreye giriyor.
Araştırma, değişken yenilenebilir enerji kaynaklarının dağıtımındaki gerçek dünya deneyiminden, literatürden ve ekibimizin bu konuları son yirmi yıl boyunca çeşitli ölçeklerde ayrıntılı olarak inceleyen deneyiminden (2012 ulusal ölçekli Yenilenebilir Elektrik Vadeli İşlemleri Çalışmamızdan bizim çalışmamıza kadar) elde edilen bir perspektif sunuyor. NREL'in baş enerji analisti ve makalenin baş yazarı Paul Denholm, "LA2021 üzerinde 100 çalışması var" dedi. "Burada odak noktamız ABD enerji sistemi olsa da, ele alınan konuların ve öğrenilen derslerin çoğu diğer bölgelere daha genel olarak uygulanmak üzere - ve bunlar, çözülmesi için araştırma topluluğu arasında çok fazla işbirliği gerektiren karmaşık, çok disiplinli zorluklardır."
İlk önce yapılacaklar: %100 yenilenebilir şebeke ile ne kastettiğimizi tanımlamak
Ulusal ölçekte, %100 yenilenebilir enerjiye sahip bir şebekeye ulaşmanın zorluklarına bakarken, öncelikle bu ifadeyle ne kastettiğimizi tam olarak tanımlamak önemlidir. Bu makale için yazarlar tanımın iki temel yönünü açıklıyorlar: teknoloji Tür ve sistem sınırı.
Denholm, "Teknoloji türü esas olarak yenilenebilir kelimesinin tanımını oluşturuyor; bu, bir araştırma çalışmasının parametrelerine veya yenilenebilir bir hedef veya politika belirleyen bir topluluğun önceliklerine göre değişiklik gösterebilir" dedi. “Burada iki genel teknoloji türünü birbirinden ayırıyoruz: kısa vadeli hava koşullarına bağlı olan ve genellikle rüzgar ve güneş fotovoltaikleri [PV] gibi invertörler kullanan değişken teknolojiler dediğimiz; ve daha az değişken olan ya da hiç değişken olmayan ve tipik olarak hidro, biyokütle, jeotermal ve konsantre güneş enerjisi gibi geleneksel senkron jeneratörleri kullananlar.”
Bu yazıda %100 yenilenebilir sistemler yalnızca güneş PV ve rüzgar gibi değişken teknolojilerle sınırlı değildir. Bununla birlikte, değişken olmayan yenilenebilir kaynaklar genellikle coğrafi olarak kısıtlı olduğundan, yazarlar genellikle değişken olanların ulusal ölçekte %100 yenilenebilir bir şebekenin büyük bir kısmını oluşturacağını varsaymaktadır.
Sistem sınırını tanımlamaya gelince, yazarlar şebekenin fiziksel olarak her zaman %100 yenilenebilir enerji kaynağıyla çalışmasını şart koşuyor. Bu, yenilenebilir enerji kredileri, denkleştirmeler veya diğer mali mekanizmaları kullanarak %100 yenilenebilir hedeflere ulaşan sistemler, işletmeler veya kurumsal varlıklarla çelişmektedir.
Bildiklerimiz, bildiğimizi sandıklarımız ve bilmediklerimiz
En kritik soruları çerçevelemek ve çözümlere yönelik bir araştırma gündemi önermek için yazarlar, ABD elektrik sisteminde yenilenebilir enerjinin artan katkısını üç çizgide inceliyorlar: 1) gerçek dünya deneyimlerine dayanarak bildiklerimiz, 2) bildiğimizi düşündüklerimiz şebeke planlama ve işletme çalışmalarına dayanmaktadır ve 3) ek çalışma veya deneyim olmaksızın bilmediklerimiz.
Denholm, "Teknoloji geliştirme ve mühendislik yoluyla ele alınabileceğini düşündüğümüz sorulara vurgu yapıyoruz, ancak konumlandırma hususlarından enerji eşitliği endişelerine, politika, düzenleme ve pazar tasarımı zorluklarına kadar diğer konuların da kritik derecede önemli olduğunun farkındayız" dedi. "Güç sistemi geçişinin diğer karmaşık yönlerini daha iyi ele alabilmek için teknik ve ekonomik sorunların çözümüne yönelik yolu açmak istiyoruz."
Ekip, yalnızca %100 yenilenebilir bir şebekenin nihai hedefine odaklanmak yerine, yenilenebilir enerjilerin entegrasyonundaki zorlukların artan dağıtımla birlikte nasıl değiştiğini inceliyor. Bunun nedeni kısmen ulusal ölçekte %100 yenilenebilir sistemlerin ayrıntılı mühendislik analizinin olmayışıdır; ama aynı zamanda hedefe ulaşmaya yönelik pratik planların boş bir sayfadan geliştirilmemesidir. %100 yenilenebilir sağlam çözümler, mevcut güç sistemi varlıklarının en iyi şekilde nasıl kullanılacağını dikkate almalıdır.
Denholm, "Sonuçta, yenilenebilir enerji kaynaklarının mühendislik zorlukları, maliyetleri ve faydaları, üretim karışımındaki paylarına göre değişiklik gösteriyor" dedi. "%100 bir süreklilikteki yalnızca bir noktadır, bu nedenle yenilenebilir dağıtımın tüm düzeylerinde maliyet ve faydaları araştırmak faydalıdır."
Bu çerçevede, makale tüm zaman ölçeklerinde %100 yenilenebilir enerjiye ulaşmanın tekno-ekonomik zorluklarını iki kategoride organize ediyor: 1) arz ve talep dengesini ekonomik olarak sürdürmek (Denge Mücadelesi olarak anılır) ve 2) teknik olarak güvenilir ve istikrarlı tasarım yapmak Rüzgar ve güneş gibi büyük ölçüde invertör tabanlı kaynakları kullanan şebekeler (İnvertör Mücadelesi olarak anılır).
Denge sorunu: Arzı taleple ekonomik olarak eşleştirmek
Denge Mücadelesi, güç sisteminin çeşitli zaman ölçeklerinde arz ve talebi ekonomik olarak dengeleyebilmesini sağlamaya yöneliktir - beklenmedik kesintilere dayanmak için gereken kritik saniyelerden dakikalara kadar olan ölçekten, planlı enerji santrali kesintileri ve bakımıyla eşleşen mevsimsel ölçeğe kadar. talebin daha düşük olduğu dönemlerle.
Denholm, "Değişken kaynaklar tam da budur - değişkendir - dolayısıyla doğası gereği çeşitli zaman ölçeklerinde dalgalanırlar" dedi. “Talebin en yüksek zamanlaması ile gün içinde güneş ve rüzgar üretiminin en yüksek olduğu zaman arasında günlük bir uyumsuzluk dediğimiz bir durum var ve bunu ördek eğrisi gibi olgularda görüyoruz. Bunun ötesinde rüzgar, güneş ve talep modelleri arasında ele alınması daha da zor olan önemli bir mevsimsel uyumsuzluk var.”
Makaledeki bu grafik, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artmasıyla birlikte beklenen maliyetlerin ve zorlukların nasıl değişebileceği açısından Denge Zorluğunu kavramsal olarak göstermektedir. Mevcut seviyelerde yenilenebilir enerji, Amerika Birleşik Devletleri'nin birçok bölgesinde geleneksel üretim kaynaklarıyla maliyet açısından rekabetçidir çünkü kamu hizmeti sektörü saatlik ve saat altı değişkenliği maliyet etkin bir şekilde ele alabilmiştir.
Bu seviyelerin ötesinde, %80 yenilenebilir enerji aralığında yıllık katkılara ulaşmak için günlük uyumsuzluk sorununun maliyet etkin bir şekilde nasıl çözülebileceğinin araştırıldığı ikinci bölgeye ulaşıyoruz. Ancak bu noktanın ötesinde, üçüncü bölgede, mevsimsel uyumsuzluk sorunu henüz geniş ölçekte uygulamaya konmamış teknolojiler gerektirebilir; dolayısıyla bunların maliyetleri ve gereksinimleri belirsizdir.
İnvertör sorunu: İnvertör tabanlı kaynaklara dayanan güvenilir, istikrarlı şebekeler tasarlamak
Inverter Challenge, Denge Challenge'a benzer çünkü her ikisi de çeşitli zaman ölçeklerinde arz ve talebin dengelenmesini içerir. Ancak Inverter Mücadelesi, Denge Mücadelesi ile ilişkili daha geniş ekonomik sorunların aksine, endişelerin dar bir şekilde bir dizi spesifik mühendislik hususuna odaklanmış olması bakımından farklıdır.
İnvertör Mücadelesi, batarya depolamanın yanı sıra başta rüzgar ve güneş PV üretimi olmak üzere, invertör tabanlı kaynakların (IBR'ler) hakim olduğu bir şebekeye geçişle ilgili sorunlarla ilgilidir.
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki elektrik enerjisinin çoğu şu anda senkron jeneratörlere bağlı türbinlerden elde edilmektedir; jeneratörler elektriksel olarak bağlanmıştır ve aynı frekansta dönmektedir. Güvenilir ve istikrarlı bir şebeke sağlamak için, sistem planlayıcıları ve operatörler, senkron jeneratörlerin, dönme eylemsizliği (büyük dönen kütlelerde depolanan kinetik enerji) ve şebekeye büyük miktarlarda akım enjekte etme yeteneği dahil olmak üzere, bazı doğal özelliklerinden yararlandılar. Bu özellikler geleneksel güç sistemi kararlılığının ve korumasının temelini oluşturur.
NREL'in Güç Sistemleri Mühendisliği direktörü Ben Kroposki şunları söyledi: "İnvertör tabanlı kaynaklar, senkron jeneratörlerle karşılaştırıldığında çok farklı özelliklere sahiptir; bunlar arasında fiziksel olarak eşleştirilmiş atalet yanıtının olmaması ve tarihsel olarak arıza koşulları altında büyük miktarlarda akım sağlama konusunda sınırlı bir yetenek vardır." Makalenin merkezi ve ortak yazarı. "Dolayısıyla, invertör tabanlı kaynaklara daha fazla güvendiğimiz için, onların şu anda senkron jeneratörler tarafından sağlanan hizmetleri sağlaması gerekecek; bu da güç sisteminin kontrol ve korunma biçiminde değişiklikler anlamına gelebilir."
Peki neyi bilmiyoruz?
Makale, yılın her saati ulusal ölçekte %100 yenilenebilir enerjiye yaklaşma veya bu enerjiye ulaşma konusunda kalan önemli cevaplanmamış sorular da dahil olmak üzere hem Denge Mücadelesini hem de İnverter Mücadelesini ayrıntılı olarak ele alıyor.
Denholm, "Maliyetler önemli ölçüde artmadan veya güvenilirlik tehlikeye girmeden önce yenilenebilir enerji dağıtımını ne kadar artırabileceğimizin basit bir cevabı yok" dedi. “%100'e giden yolun 'son birkaç yüzdesine' gelince, ulusal ölçekte hem Denge Sorununu hem de İnverter Sorununu ele alacak net, uygun maliyetli bir yol üzerinde fikir birliğine varılamadı.
"Çalışmalar, şebekenin 'kırıldığı' spesifik bir teknik eşik bulamadı ve önceki maliyet analizlerinden çıkarımlarda bulunamıyoruz çünkü konu geleceğe geldiğinde, pek çok doğrusal olmayan durum ve bilinmeyen bilinmeyenler var; hatta bizim bile yapmadığımız şeyler. henüz bilmediğimizi biliyorum.”
Yazarlar, yenilenebilir arzın tüm zaman dilimlerindeki talep kalıplarıyla eşleşmesini sağlamaya yardımcı olabilecek teknoloji paketini değerlendirmek için ek araştırmaya ihtiyaç duyulduğunu ve şebekeyi senkronize makinelere bağımlı bir sistemden tek bir makineye dönüştürmek için önemli mühendislik ve tasarıma ihtiyacımız olacağını söylüyorlar. bu invertörlere dayanmaktadır.
Buradan nereye gidiyoruz? İşbirliği çağrısı ve sürekli yeniden değerlendirme
Amerika Birleşik Devletleri için yenilenebilir elektriğin yüksek olduğu bir geleceği gerçekleştirmek, Denge ve İnverter Zorluklarını ele almaktan daha fazlasını gerektirecektir; bunlar arasında kaynak erişimi, çevre, pazar ve %100 yenilenebilir elektriğe ulaşmanın tasarımını ve hızını etkileyebilecek insan davranışı konularının ele alınması da bulunmaktadır. . Bunlar, herhangi bir kuruluş tarafından çözülemeyen karmaşık, çok disiplinli zorluklardır ve teknik araştırma toplulukları, akademi, laboratuvarlar ve endüstri arasında işbirliği gerektirecektir.
NREL'in Stratejik Enerji Analiz Merkezi direktörü ve makalenin ortak yazarı Dan Bilello, "Makalemizdeki cevaplanmamış sorular, uygun maliyetli %100 yenilenebilir sistemler elde etmek için gereken analiz, teknoloji Ar-Ge ve mühendislik için bir araştırma gündemi sağlıyor" dedi. . "Gelecekteki çalışmaları ilerletmek için yalnızca yeni araçlara ve veri setlerine ihtiyacımız yok, aynı zamanda özellikle farklı alanlarda araştırmacılar ve araştırma kuruluşları arasında daha tek tip bir terminolojiye ve kolaylaştırılmış etkileşime ihtiyacımız var."
Dahası, yazarlar, ulusal emisyon azaltımı ve karbondan arındırma hedeflerine yönelik en etkili yolun, ister %100 yenilenebilir elektrik, isterse düşük karbonlu teknolojilerin başka bir kombinasyonu yoluyla olsun, sürekli olarak yeniden incelenmesi gerektiğine işaret ediyor.
Denholm, "Şu anda, yalnızca yenilenebilir enerji kaynaklarıyla desteklenen bir şebekede bu çevresel faydaları elde etmek için ekonomik bir temel oluşturmak zor" dedi. “Genel emisyonların ekonomik olarak azaltılması, büyük olasılıkla çok yüksek (ancak potansiyel olarak %100'ün altında) yenilenebilir enerji üretimine ulaşmayı içerecektir. karbondan arındırma diğer sektörler veya yenilenemeyen ancak düşük karbonlu kaynakların karışımda tutulması."
LA100 çalışması (ulusal ölçekte olmasa da) araç ve bina sektörlerinin elektrikli hale getirilmesinin hava kalitesinde önemli iyileşmelere yol açabileceğini ve bu faydaları gerçekleştirmenin esas olarak herhangi bir yenilenebilir enerji kaynağından bağımsız olarak yüksek enerji verimliliği ve elektrifikasyon elde edilmesi meselesi olduğunu ortaya çıkardı. Enerji sektörü için enerji yolu. LA100 ayrıca, elektrik talebinin son %10'unun yenilenebilir enerjiyle karşılanması söz konusu olduğunda teknoloji kısıtlamalarının daha yüksek maliyetlere yol açtığını ve minimum düzeyde artan emisyon azaltımına yol açtığını da buldu.
Denholm, "İleriye baktığımızda, sürekli araştırma, analiz ve teknoloji çözümlerine uyarlanabilir bir yaklaşım, elektrik endüstrisine rehberlik etmeye yardımcı olacak ve %100 yenilenebilir enerjiden bahsederken nihai olarak hedeflediğimiz karbondan arındırma hedeflerine ulaşma şansımızı artıracaktır" dedi.