Với các mục tiêu giảm phát thải do liên bang công bố gần đây, thúc đẩy quá trình khử cacbon trong ngành điện quốc gia và giảm mạnh chi phí năng lượng mặt trời và gió, Hoa Kỳ đã sẵn sàng triển khai một lượng lớn năng lượng tái tạo và nhanh chóng.
Ở quy mô nhỏ hơn, hàng trăm thành phố, tiểu bang và tập đoàn của Hoa Kỳ đã có hành động táo bạo trong việc đặt ra mục tiêu địa phương của mình là đạt 100% năng lượng tái tạo—và với những phân tích gần đây như Nghiên cứu 100% năng lượng tái tạo ở Los Angeles (LA100), chúng tôi ngày càng tin tưởng rằng lưới điện đáng tin cậy, 100% năng lượng tái tạo là khả thi.
Nhưng việc mở rộng mục tiêu cuối cùng này trên toàn nước Mỹ sẽ đưa ra một loạt thách thức không kém - và tính hợp lý của việc làm đó đã là một chủ đề tranh luận sôi nổi giữa cộng đồng nghiên cứu năng lượng trong những năm gần đây. Giờ đây, một nhóm gồm 17 chuyên gia về hệ thống điện từ Phòng thí nghiệm Năng lượng Tái tạo Quốc gia (NREL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (NREL) và Văn phòng Hiệu quả Năng lượng và Năng lượng Tái tạo (EERE) của DOE đang bắt tay vào cuộc.
Nghiên cứu đưa ra quan điểm rút ra từ kinh nghiệm thực tế trong việc triển khai năng lượng tái tạo có thể thay đổi, tài liệu và kinh nghiệm của nhóm chúng tôi nghiên cứu chi tiết các vấn đề này trong hai thập kỷ qua ở nhiều quy mô khác nhau — từ Nghiên cứu tương lai về điện tái tạo quy mô quốc gia năm 2012 của chúng tôi Năm 2021, hãy làm việc trên LA100, ”Paul Denholm, nhà phân tích năng lượng chính của NREL và là tác giả chính của bài báo cho biết. “Trong khi trọng tâm của chúng tôi ở đây là hệ thống quyền lực của Hoa Kỳ, nhiều vấn đề đã được giải quyết và các bài học kinh nghiệm để áp dụng chung hơn cho các khu vực khác — và đây là những thách thức đa ngành, phức tạp sẽ đòi hỏi rất nhiều sự hợp tác giữa cộng đồng nghiên cứu để giải quyết.”
Điều đầu tiên trước tiên: Xác định ý nghĩa của chúng tôi về lưới điện tái tạo 100%
Khi xem xét những thách thức trong việc đạt được lưới điện sử dụng 100% năng lượng tái tạo ở quy mô quốc gia, điều quan trọng trước tiên là phải xác định chính xác ý nghĩa của cụm từ đó. Đối với bài viết này, các tác giả giải thích hai khía cạnh chính của định nghĩa: công nghệ loại và ranh giới hệ thống.
“Loại công nghệ về cơ bản thiết lập định nghĩa của từ tái tạo — có thể thay đổi dựa trên các thông số của một nghiên cứu hoặc các ưu tiên của một cộng đồng đặt ra mục tiêu hoặc chính sách có thể tái tạo,” Denholm nói. “Ở đây, chúng tôi phân biệt giữa hai loại công nghệ chung: cái mà chúng tôi gọi là công nghệ biến đổi phụ thuộc vào điều kiện thời tiết ngắn hạn và thường sử dụng bộ biến tần, như quang điện gió và mặt trời [PV]; và những loại ít hơn — hoặc không hề — có thể thay đổi và thường sử dụng máy phát điện đồng bộ truyền thống, bao gồm thủy điện, sinh khối, địa nhiệt và năng lượng mặt trời tập trung. ”
Trong bài báo này, các hệ thống tái tạo 100% không chỉ giới hạn ở các công nghệ biến đổi như điện mặt trời và gió. Tuy nhiên, vì các nguồn tài nguyên tái tạo không thay đổi thường bị hạn chế về mặt địa lý, các tác giả thường giả định rằng những tài nguyên có thể thay đổi sẽ chiếm một phần lớn trong lưới điện tái tạo 100% ở quy mô quốc gia.
Khi nói đến việc xác định ranh giới hệ thống, các tác giả yêu cầu lưới điện phải hoạt động vật lý với nguồn cung cấp 100% năng lượng tái tạo tại mọi thời điểm. Điều này trái ngược với các hệ thống, doanh nghiệp hoặc tổ chức công ty đạt được mục tiêu 100% năng lượng tái tạo bằng cách sử dụng tín dụng năng lượng tái tạo, bù đắp hoặc các cơ chế tài chính khác.
Những gì chúng tôi biết, những gì chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi biết và những gì chúng tôi không biết
Để đưa ra các câu hỏi quan trọng nhất và đề xuất một chương trình nghiên cứu hướng tới các giải pháp, các tác giả khám phá sự đóng góp ngày càng tăng của năng lượng tái tạo trong hệ thống điện của Hoa Kỳ theo ba đường: 1) những gì chúng tôi biết dựa trên kinh nghiệm thực tế, 2) những gì chúng tôi nghĩ rằng chúng tôi biết dựa trên các nghiên cứu về quy hoạch và vận hành lưới điện, và 3) những gì chúng tôi chưa biết nếu không có nghiên cứu hoặc kinh nghiệm bổ sung.
“Chúng tôi nhấn mạnh vào những câu hỏi mà chúng tôi cho rằng có thể được giải quyết thông qua phát triển công nghệ và kỹ thuật, nhưng chúng tôi nhận ra rằng các chủ đề khác là cực kỳ quan trọng - từ việc cân nhắc lựa chọn đến các mối quan tâm về công bằng năng lượng, đến các thách thức về chính sách, quy định và thiết kế thị trường,” Denholm nói. “Chúng tôi muốn tạo ra một con đường giải quyết các vấn đề kinh tế và kỹ thuật để chúng tôi có thể giải quyết tốt hơn các khía cạnh phức tạp khác của quá trình chuyển đổi hệ thống điện.”
Thay vì chỉ tập trung vào mục tiêu cuối cùng của lưới điện tái tạo 100%, nhóm nghiên cứu xem xét những thách thức của việc kết hợp năng lượng tái tạo thay đổi như thế nào với việc tăng cường triển khai. Điều này một phần là do thiếu phân tích kỹ thuật chi tiết của các hệ thống tái tạo 100% ở quy mô quốc gia - nhưng cũng do các kế hoạch thực tế để đạt được mục tiêu sẽ không được phát triển từ một bảng trống. Các giải pháp tái tạo 100% mạnh mẽ phải xem xét cách sử dụng tối ưu các tài sản của hệ thống điện hiện có.
Denholm nói: “Cuối cùng, các thách thức kỹ thuật, chi phí và lợi ích của năng lượng tái tạo khác nhau tùy thuộc vào tỷ trọng của chúng trong hỗn hợp thế hệ. “100% chỉ là một điểm trong quá trình liên tục, vì vậy việc khám phá chi phí và lợi ích ở tất cả các cấp độ của việc triển khai tái tạo là rất hữu ích.”
Trong khuôn khổ này, bài báo sắp xếp các thách thức kinh tế-kỹ thuật trong việc đạt được 100% năng lượng tái tạo trên mọi phạm vi thời gian thành hai loại: 1) duy trì cân bằng cung và cầu về mặt kinh tế (gọi là Thách thức Cân bằng) và 2) thiết kế về mặt kỹ thuật đáng tin cậy và ổn định lưới điện sử dụng phần lớn các nguồn dựa trên biến tần như gió và mặt trời (được gọi là Thử thách biến tần).
Thách thức về cân bằng: Kết hợp kinh tế giữa cung và cầu
Thử thách Cân bằng tập trung vào việc đảm bảo hệ thống điện có thể cân bằng kinh tế cung và cầu ở nhiều khoảng thời gian khác nhau — từ quy mô giây đến phút quan trọng cần thiết để chịu được sự cố mất điện đột xuất, đến quy mô theo mùa phù hợp với việc bảo trì và cúp điện nhà máy điện theo lịch trình với thời kỳ nhu cầu thấp hơn.
Denholm cho biết: “Các nguồn tài nguyên biến đổi chỉ là - biến - vì vậy chúng vốn dĩ dao động trong các khoảng thời gian khác nhau,” Denholm nói. “Có những gì chúng tôi gọi là sự không phù hợp trong ngày giữa thời điểm nhu cầu cao điểm và khi năng lượng mặt trời và gió tạo ra cao nhất trong ngày, điều mà chúng ta thấy trong các hiện tượng như đường cong con vịt. Ngoài ra, có một sự không phù hợp theo mùa đáng kể giữa các mô hình gió, năng lượng mặt trời và nhu cầu, thậm chí còn nhiều thách thức hơn để giải quyết. ”
Biểu đồ từ bài báo này minh họa một cách khái niệm Thách thức Cân bằng về mức độ chi phí và thách thức dự kiến có thể thay đổi với việc triển khai ngày càng nhiều năng lượng tái tạo. Ở mức độ hiện tại, năng lượng tái tạo có khả năng cạnh tranh về chi phí so với các nguồn phát điện truyền thống ở nhiều vùng của Hoa Kỳ vì ngành công nghiệp tiện ích đã có thể giải quyết sự thay đổi theo giờ và dưới giờ một cách hiệu quả.
Ngoài các cấp độ này, chúng tôi tiếp cận khu vực thứ hai, nơi các nghiên cứu đã khám phá cách giải quyết vấn đề không phù hợp vào ban ngày có thể được giải quyết một cách hiệu quả về chi phí để đạt được mức đóng góp hàng năm trong phạm vi 80% năng lượng tái tạo. Nhưng ngoài điểm này, trong khu vực thứ ba, vấn đề không phù hợp theo mùa có thể đòi hỏi các công nghệ chưa được triển khai ở quy mô lớn - vì vậy chi phí và yêu cầu của chúng là không rõ ràng.
Thách thức về biến tần: Thiết kế lưới điện ổn định, đáng tin cậy dựa vào tài nguyên dựa trên biến tần
Thử thách Biến tần tương tự như Thử thách Cân bằng ở chỗ cả hai đều liên quan đến việc cân bằng cung và cầu trên các khoảng thời gian khác nhau. Nhưng Thách thức Biến tần khác ở chỗ các mối quan tâm tập trung hẹp vào một loạt các cân nhắc kỹ thuật cụ thể, trái ngược với các vấn đề kinh tế rộng hơn liên quan đến Thách thức Cân bằng.
Thử thách Biến tần là tất cả về các vấn đề liên quan đến việc chuyển đổi sang lưới điện bị chi phối bởi các nguồn tài nguyên dựa trên biến tần (IBR) - chủ yếu là tạo ra điện mặt trời và gió, cùng với việc lưu trữ pin.
Hầu hết năng lượng điện ở Hoa Kỳ hiện nay được lấy từ tuabin được ghép nối với máy phát điện đồng bộ; các máy phát điện được ghép nối tiếp điện và quay cùng tần số. Để cung cấp một lưới điện ổn định và đáng tin cậy, các nhà hoạch định và vận hành hệ thống đã tận dụng một số đặc tính vốn có của máy phát điện đồng bộ, bao gồm quán tính quay (động năng tích trữ trong các khối lượng quay lớn) và khả năng đưa một lượng lớn dòng điện vào lưới. Những đặc điểm này là cơ sở của sự ổn định và bảo vệ hệ thống điện truyền thống.
Ben Kroposki, Giám đốc Kỹ thuật Hệ thống Điện của NREL cho biết: “Nguồn dựa trên biến tần có những đặc điểm rất khác so với máy phát điện đồng bộ, bao gồm thiếu phản ứng quán tính kết hợp vật lý và về mặt lịch sử, khả năng cung cấp một lượng lớn dòng điện trong điều kiện sự cố bị hạn chế. Trung tâm và đồng tác giả của bài báo. “Vì vậy, khi chúng tôi phụ thuộc nhiều hơn vào các nguồn dựa trên biến tần, họ sẽ cần cung cấp các dịch vụ hiện được cung cấp bởi các máy phát điện đồng bộ — điều này có thể có nghĩa là những thay đổi trong cách hệ thống điện được điều khiển và bảo vệ.”
Vì vậy, những gì chúng ta không biết?
Bài báo khám phá chi tiết cả Thách thức Cân bằng và Thách thức Biến tần — bao gồm cả những câu hỏi quan trọng chưa được trả lời khi nói đến việc tiến gần hoặc đạt được 100% năng lượng tái tạo ở quy mô quốc gia cho tất cả các giờ trong năm.
Denholm nói: “Không có câu trả lời đơn giản cho việc chúng ta có thể tăng cường triển khai năng lượng tái tạo bao xa trước khi chi phí tăng đột ngột hoặc độ tin cậy bị tổn hại”. “Cho đến 'vài phần trăm cuối cùng' của con đường đạt 100%, vẫn chưa có sự đồng thuận về một lộ trình rõ ràng hiệu quả về chi phí để giải quyết cả Thách thức Cân bằng và Thách thức Biến tần ở quy mô quốc gia.
“Các nghiên cứu đã không tìm thấy ngưỡng kỹ thuật cụ thể mà tại đó lưới 'bị phá vỡ,' và chúng tôi không thể ngoại suy từ các phân tích chi phí trước đó bởi vì, khi nói đến tương lai, có rất nhiều điểm phi tuyến tính và những ẩn số chưa biết - những thứ chúng tôi thậm chí còn không biết là chúng tôi chưa biết. ”
Các tác giả cho biết cần có nghiên cứu bổ sung để đánh giá bộ công nghệ có thể giúp đảm bảo nguồn cung tái tạo phù hợp với các mô hình nhu cầu trong mọi khoảng thời gian — và rằng chúng ta sẽ cần kỹ thuật và thiết kế quan trọng để chuyển đổi lưới điện từ một lưới điện phụ thuộc vào máy móc đồng bộ đó là dựa trên biến tần.
Chúng ta sẽ đi đâu từ đây? Kêu gọi cộng tác — và liên tục đánh giá lại
Nhận ra một tương lai điện tái tạo cao cho Hoa Kỳ sẽ đòi hỏi nhiều hơn là chỉ giải quyết các Thách thức về Cân bằng và Biến tần — bao gồm giải quyết các vấn đề về tiếp cận tài nguyên, môi trường, thị trường và hành vi của con người mà bản thân chúng có thể ảnh hưởng đến thiết kế và tốc độ đạt được 100% điện tái tạo . Đây là những thách thức phức tạp, đa ngành mà không một thực thể nào có thể giải quyết được và sẽ đòi hỏi sự hợp tác giữa các cộng đồng nghiên cứu kỹ thuật, học viện, phòng thí nghiệm và ngành.
Dan Bilello, Giám đốc Trung tâm Phân tích Năng lượng Chiến lược của NREL và đồng tác giả của bài báo cho biết: “Các câu hỏi chưa được trả lời trong bài báo của chúng tôi cung cấp một chương trình nghiên cứu về phân tích, nghiên cứu và phát triển công nghệ và kỹ thuật cần thiết để đạt được các hệ thống tái tạo 100% hiệu quả về chi phí”. . “Chúng tôi không chỉ cần các công cụ và bộ dữ liệu mới để thúc đẩy các nghiên cứu trong tương lai, mà chúng tôi cần thuật ngữ thống nhất hơn và tạo điều kiện tương tác giữa các nhà nghiên cứu và các tổ chức nghiên cứu, đặc biệt là trên các lĩnh vực khác nhau.”
Hơn nữa, các tác giả chỉ ra sự cần thiết phải liên tục kiểm tra lại con đường hiệu quả nhất hướng tới các mục tiêu giảm phát thải và khử cacbon của quốc gia — cho dù đó là thông qua 100% điện tái tạo hay thông qua một tổ hợp công nghệ carbon thấp khác.
Denholm nói: “Ngay bây giờ, rất khó để thiết lập một cơ sở kinh tế để đạt được những lợi ích môi trường này trong một lưới điện hoàn toàn được cung cấp bởi năng lượng tái tạo. “Giảm phát thải tổng thể về mặt kinh tế có thể sẽ liên quan đến việc đạt được rất cao - nhưng có khả năng dưới 100% - tạo ra có thể tái sinh trong khi cũng tập trung vào khử cacbon các lĩnh vực khác, hoặc giữ các nguồn tài nguyên không tái tạo nhưng có hàm lượng các-bon thấp trong hỗn hợp. "
Nghiên cứu LA100 — mặc dù không ở quy mô quốc gia — phát hiện ra rằng điện khí hoá các lĩnh vực xe cộ và tòa nhà có thể dẫn đến những cải thiện đáng kể về chất lượng không khí — và nhận ra những lợi ích này về cơ bản là đạt được hiệu suất năng lượng cao và điện khí hóa, không phụ thuộc vào bất kỳ năng lượng tái tạo cụ thể nào. đường năng lượng cho ngành điện. LA100 cũng nhận thấy rằng các hạn chế về công nghệ dẫn đến chi phí cao hơn khi đáp ứng 10% nhu cầu điện cuối cùng bằng năng lượng tái tạo - với mức giảm phát thải gia tăng tối thiểu.
“Sắp tới, việc tiếp tục nghiên cứu, phân tích và cách tiếp cận thích ứng với các giải pháp công nghệ sẽ giúp định hướng ngành điện và tăng khả năng đạt được các mục tiêu khử cacbon mà chúng tôi đang nhắm tới khi nói về 100% năng lượng tái tạo,” Denholm nói.