Во всем мире на энергетические системы все больше воздействуют последствия изменения климата. Энергетические системы, особенно электроэнергетическая система, уязвимы для естественных факторов стресса, таких как лесные пожары, сильные штормы, экстремальные температуры и долгосрочные нарушения гидрологического цикла..
«Как мы видели в последние годы, на наши системы оказывалось все больше и больше естественных факторов стресса, таких как резкое похолодание в Техасе в прошлом году и лесные пожары и засухи на Западе», - сказал Морт Вебстер, профессор энергетика.«Эти факторы стресса все чаще вызывают серьезные перебои в электроснабжении в регионах, и есть веские основания полагать, что в будущем с усилением изменения климата они могут увеличиться».
Влияние связанного с климатом нехватки воды и изменений температуры может распространяться каскадом на энергетические системы, хотя модели еще не учитывают это совокупное воздействие. Группа исследователей во главе с Penn State разработала совместную модель экономии воды, энергии и энергии, чтобы зафиксировать эти важные взаимодействия в исследовании превышения пороговых значений температуры воды для производства электроэнергии.
«Модели обычно работают независимо друг от друга», - сказала Карен Фишер-Ванден, профессор экономики окружающей среды и ресурсов, а также государственной политики, директор Института устойчивого сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды (SAFES). главный исследователь Программы связанных систем человека и Земли (PCHES), проекта, поддерживаемого Министерством энергетики США, который финансировал эту работу.«При различных сценариях изменения погодных условий и экстремальных явлений воздействие на человеческие и природные системы может различаться, а взаимодействие между системами может быть критическим. Это исследование объединяет несколько существующих моделей для учета взаимодействий и обратной связи».
Команда провела тематическое исследование для западной части Соединенных Штатов на основе системы надежности Western Electricity Coordinating Council, которая соответствует 12 штатам Соединенных Штатов, расположенным к западу от Скалистых гор, а также частям Британской Колумбии., Альберта и север Мексики, чтобы изучить, насколько уязвима система, а также когда и где она уязвима. Их выводы опубликованы в журнале Nature Energy.
«Наша команда разработала структуру для изучения того, что нам нужно сделать, чтобы наши системы были готовы к потрясениям в течение следующих 50-100 лет, и как сделать их более устойчивыми», - сказал Вебстер, ведущий автор исследования.. «Например, хроническая нехватка воды на западе Соединенных Штатов не ослабевает, а учащение и усиление засух и периодов сильной жары могут привести к недостаточному количеству охлаждающей воды для тепловых генераторов, что приведет к ограничению энергоснабжения."
Многосекторные динамические системы, такие как объединенная система гидроэнергетики в этом исследовании, состоят из перекрывающихся и пересекающихся сетей. Пересекающаяся структура в этом исследовании рассматривала региональную сеть водоразделов и бассейнов, электроэнергетическую сеть и региональную экономику.
«Наше исследование является первым, в котором рассматривается, как нехватка воды в подробном представлении влияет на энергосистему вплоть до экономических потерь», - сказал Вебстер. «Основа нашей объединенной модели отражает взаимодействие водных, энергетических и экономических систем, сохраняя при этом пространственные, временные и отраслевые детали».
Проведенный группой анализ воздействия ряда факторов, влияющих на изменение климата, на объединенную водо-энерго-экономическую систему продемонстрировал, что повышение температуры воды может привести к причинно-следственной цепочке событий, начиная с отключения генераторов электроэнергии из-за пределов температуры охлаждающей воды на входе, к более высоким затратам на электроэнергию и неудовлетворенному спросу на электроэнергию, к экономической корректировке и снижению производительности в секторах, использующих электроэнергию.
Команда обнаружила, что многие климатические условия, приводящие к отключению генераторов из-за повышения температуры воды, не приводят к каким-либо значительным воздействиям. Для любого конкретного внешнего шока взаимосвязанные сети в гидроэнергоэкономической системе смягчают воздействие, обеспечивая избыточность и пространственно перенося воздействие.
«Важным следствием этого результата является то, что сокращение доступной генерирующей мощности в данный день не обязательно указывает на какие-либо значительные затраты», - сказал Вебстер. «Наша система довольно устойчива, поскольку мы встроили в нее много избыточности. Требуется большой шок, чтобы действительно нарушить работу, чтобы энергия не попала к потребителю».
По мнению исследователей, большинство экономических последствий связано со спросом на электроэнергию, который не может быть удовлетворен в определенное время и в определенном месте.
«Мы обнаружили, что периодические перебои в подаче электроэнергии в критические моменты дня, недели и года являются причиной значительной части экономических последствий», - сказал Вебстер.«Потери чистого потребления могут достигать 0,3% в год в масштабах региональной экономики, при этом средняя стоимость электроэнергии увеличивается на 3%, а потери производства в региональном производстве составляют более 1%».
Они также обнаружили, что воздействие может происходить в разных местах по сравнению с первоначальным водным стрессом.
Поскольку взаимозависимые системы становятся все более напряженными из-за множества стрессоров, возникающих одновременно, все, что требуется, - это еще один толчок, чтобы создать проблему, и эта проблема может проявиться где-то еще, потому что система представляет собой единую взаимосвязанную сеть. - сказал Вебстер. «Поскольку лесные пожары, засухи, наводнения и резкие похолодания нагружают систему, мы можем наблюдать более частые последствия. Хотя за последние 50 лет у нас не было очень много катастрофических отключений, нам нужно подготовиться к тому, что может произойти и встроить в систему еще больше избыточности, чем сейчас».
Результаты подчеркивают важность учета обратной связи между перекрывающимися и взаимодействующими системными сетями. Важно отметить, что этот тип подхода на основе связанных моделей позволяет исследователям сохранить пространственное, временное и секторальное богатство, представленное в каждой из этих отдельных моделей, которое было бы недостижимо в одной всеобъемлющей модели, где детали обычно приносятся в жертву вычислительной гибкости..
Институт вычислений и наук о данных Университета штата Пенсильвания предоставил вычислительные консультации и поддержку в разработке программного обеспечения для этой работы.
Другими авторами исследования являются Виджей Кумар и Джозеф Перла, аспиранты Пенсильванского университета, и Ричард Б. Ламмерс из Университета Нью-Гэмпшира.
Это исследование было проведено в рамках пятилетнего проекта стоимостью 20 миллионов долларов США с Министерством энергетики США. Команда недавно получила от Министерства энергетики соглашение о совместных исследованиях на сумму 17 миллионов долларов для изучения климатических рисков и стратегий адаптации.