В соответствии с основным законом, принятым в конце августа, Калифорния взяла на себя обязательство создать 100-процентную безуглеродную электросеть, вновь лидируя среди других стран, штатов и городов в разработке агрессивной политики по сокращению выбросов парниковых газов. Теперь исследование, проведенное исследователями из Массачусетского технологического института, дает рекомендации по экономически эффективным и надежным способам создания такой системы электроснабжения с нулевым выбросом углерода.
Лучший способ сократить выбросы от электричества, как показало исследование, - это использовать наиболее инклюзивное сочетание низкоуглеродных источников электроэнергии.
Затраты на энергию ветра, солнечную энергию и аккумуляторные батареи в последние годы быстро снизились, что побудило некоторых исследователей, политиков и сторонников предположить, что только эти источники могут питать безуглеродную сеть. Но новое исследование показывает, что в широком диапазоне сценариев и мест, сочетая эти источники со стабильными безуглеродными ресурсами, на которые можно рассчитывать для удовлетворения спроса в любое время года и в течение длительного периода времени, такими как ядерная, геотермальная, биоэнергия и природные ресурсы. газ с улавливанием углерода - это менее затратный и безопасный путь к безуглеродной сети.
Новые результаты описаны в статье, опубликованной сегодня в журнале Joule, докторантом Массачусетского технологического института Нестором Сепульведой, Джесси Дженкинсом, доктором философии '18, Фернандо де Систернес, доктором философии '14, профессором ядерной науки и техники и помощником ректора. Ричард Лестер.
Потребность в экономической эффективности
«В этой статье мы ищем надежные стратегии, которые помогут нам получить электроэнергию с нулевым выбросом углерода, что является стержнем в общих усилиях по снижению риска изменения климата в экономике», - говорит Дженкинс. Для этого «нам нужно не только добиться нулевых выбросов в электроэнергетическом секторе, но и сделать это при достаточно низких затратах, чтобы электроэнергия стала привлекательной заменой нефти, природного газа и угля в транспорте,, а также в промышленных секторах, где декарбонизация, как правило, еще более сложна, чем в электроэнергетике.
Sepulveda также подчеркивает важность рентабельных путей к безуглеродному электричеству, добавляя, что в современном мире «у нас так много проблем, и изменение климата является очень сложной и важной, но не единственной проблемой. Таким образом, каждый лишний доллар, который мы тратим на борьбу с изменением климата, - это еще один доллар, который мы не можем использовать для решения других насущных социальных проблем, таких как искоренение бедности или болезней. Таким образом, для исследований важно не только определить технически достижимые варианты обезуглероживания электроэнергии, но и найти способы добиться сокращения выбросов углерода при максимально разумных затратах.
Чтобы оценить стоимость различных стратегий глубокой декарбонизации производства электроэнергии, команда рассмотрела около 1000 различных сценариев, включающих различные предположения о доступности и стоимости низкоуглеродных технологий, географических различиях в доступности возобновляемых источников энергии. ресурсы и различные политики их использования.
Что касается политик, команда сравнила два разных подхода. «Ограничительный» подход позволял использовать только солнечную и ветровую генерацию плюс аккумуляторные батареи, дополненные мерами по сокращению и смещению сроков спроса на электроэнергию, а также междугородними линиями электропередачи, чтобы помочь сгладить местные и региональные различия. «Инклюзивный» подход использовал все эти технологии, но также допускал возможность постоянного использования безуглеродных источников, таких как ядерная энергия, биоэнергия и природный газ, с системой улавливания и хранения выбросов углерода. В каждом случае, изученном командой, более широкий набор источников оказался более доступным.
Экономия средств при более инклюзивном подходе по сравнению с более ограниченным случаем была существенной. Включение постоянных или «стабильных» низкоуглеродных ресурсов в безуглеродную смесь ресурсов снизило затраты где-то с 10 процентов до 62 процентов во многих проанализированных сценариях. Авторы подчеркивают, что это важно знать, потому что во многих случаях существующие и предлагаемые правила и экономические стимулы благоприятствуют или даже предписывают более ограниченный спектр энергетических ресурсов.
«Результаты этого исследования бросают вызов общепринятому мнению обеих сторон в дебатах об изменении климата», - говорит Лестер. «Вопреки опасениям, что эффективные усилия по смягчению последствий изменения климата будут слишком дорогими, наша работа показывает, что даже глубокая декарбонизация электроэнергетического сектора достижима при относительно скромных дополнительных затратах. Только ветровая, солнечная энергия и аккумуляторные батареи, наш анализ ясно показывает, что социальные затраты на достижение глубокой декарбонизации таким образом, вероятно, будут намного выше, чем это необходимо."
Новая классификация источников электроэнергии
Исследуя варианты новой генерации электроэнергии в различных сценариях, команда обнаружила, что традиционный способ описания различных типов источников питания в электротехнической промышленности - «базовая нагрузка», «отслеживание нагрузки» и «пиковые» ресурсы - устарел и больше не полезен, учитывая то, как используются новые ресурсы.
Скорее, считают они, правильнее думать об источниках энергии в трех новых категориях: «топливосберегающие» ресурсы, к которым относятся солнечные, ветряные и речные (то есть без плотин) гидроэнергетика; «быстродействующие» ресурсы, обеспечивающие быстрое, но краткосрочное реагирование на колебания спроса и предложения электроэнергии, включая аккумуляторные батареи и технологии, а также стратегии ценообразования для повышения скорости реагирования на спрос; и «устойчивые» ресурсы, такие как атомная энергия, гидроэнергия с большими резервуарами, биогаз и геотермальная энергия.
«Поскольку мы не можем с уверенностью знать будущую стоимость и доступность многих из этих ресурсов, - отмечает Сепульведа, - изученные случаи охватывают широкий спектр возможностей, чтобы сделать общие выводы исследования. устойчив в этом диапазоне неопределенностей."
Сценарии
Группа использовала ряд прогнозов, сделанных такими агентствами, как Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии, в отношении ожидаемых затрат на различные источники энергии в ближайшие десятилетия, включая затраты, аналогичные сегодняшним, и ожидаемое снижение затрат по мере появления новых или разрабатываются и внедряются улучшенные системы. Для каждой технологии исследователи выбрали прогнозируемую среднюю стоимость, а также оценку минимальной и максимальной стоимости, а затем изучили множество комбинаций этих возможных будущих затрат.
При каждом сценарии случаи, которые были ограничены использованием технологий экономии топлива и технологий быстрого взрыва, имели более высокую общую стоимость электроэнергии, чем случаи, в которых также использовались надежные низкоуглеродные источники, «даже при самом оптимистичном наборе предположений. о будущем снижении затрат», - говорит Сепульведа.
Это правда, добавляет Дженкинс, «даже если предположить, например, что атомная энергия остается такой же дорогой, как и сегодня, а энергия ветра, солнца и аккумуляторов становится намного дешевле».
Авторы также обнаружили, что во всех случаях, когда используются только ветряные и солнечные батареи, стоимость электроэнергии быстро растет по мере того, как системы движутся к нулевым выбросам, но когда также доступны надежные источники энергии, стоимость электроэнергии возрастает гораздо больше. постепенно по мере снижения выбросов до нуля.
«Если мы решим проводить декарбонизацию в первую очередь с помощью ветра, солнца и батарей, - говорит Дженкинс, - мы фактически «идем ва-банк» и делаем ставку на планету на достижение очень низких затрат на все эти ресурсы». а также возможность строить высоковольтные линии электропередачи континентального масштаба и обеспечивать гораздо более гибкий спрос на электроэнергию.
Напротив, «энергетическая система, которая использует твердые низкоуглеродные ресурсы вместе с солнцем, ветром и хранением, может обеспечить нулевые выбросы с лишь скромным увеличением стоимости даже при пессимистичных предположениях о том, насколько дешевыми становятся эти безуглеродные ресурсы. или наша способность разблокировать гибкий спрос или расширить сеть», - говорит Дженкинс. Это показывает, что добавление надежных низкоуглеродных ресурсов «является эффективной стратегией хеджирования, которая снижает как стоимость, так и риск» для полной декарбонизации энергетических систем, говорит он..
Несмотря на то, что в большинстве регионов до полностью безуглеродного электроснабжения еще далеко, важно провести этот анализ сегодня, говорит Сепульведа, потому что решения, принимаемые сейчас о строительстве электростанций, инвестициях в исследования или климатической политике, имеют последствия. что может длиться десятилетиями.
«Если мы не начнем сейчас» с разработки и внедрения широчайшего спектра безуглеродных альтернатив, говорит он, «это может существенно снизить вероятность достижения нулевых выбросов».
Исследование получило поддержку от MIT Energy Initiative, Семейного фонда Мартина и ВМС Чили.