Решениям в области возобновляемых источников энергии часто препятствуют несоответствия энергии, производимой ветром, водой и солнечным светом, а также постоянно колеблющийся спрос на энергию. Новое исследование, проведенное Марком З. Джейкобсоном, профессором гражданской и экологической инженерии в Стэнфордском университете, и его коллегами из Калифорнийского университета в Беркли и Ольборгского университета в Дании, находит несколько решений, позволяющих сделать чистую возобновляемую энергию достаточно надежной для питания как минимум 139 страны.
В своей статье, опубликованной в виде рукописи на этой неделе в журнале Renewable Energy, исследователи предлагают три различных метода обеспечения согласованной мощности во всех секторах энергетики - транспорт; отопление и охлаждение; промышленность; а также сельское хозяйство, лесное хозяйство и рыболовство - в 20 регионах мира, охватывающих 139 стран, после того, как все сектора были переведены на 100-процентно чистую, возобновляемую энергию. Джейкобсон и его коллеги ранее разработали дорожные карты по переходу 139 стран на 100 процентно чистые возобновляемые источники энергии к 2050 году, при этом 80 % этого перехода будут завершены к 2030 году. В настоящем исследовании рассматриваются способы сохранения стабильности энергосистемы с помощью этих дорожных карт.
«Основываясь на этих результатах, я могу с большей уверенностью заявить, что нет никаких технических или экономических препятствий для перехода всего мира на 100-процентно чистую, возобновляемую энергию со стабильной электрической сетью по низкой цене», - сказал Якобсон, который также является старшим научным сотрудником Стэнфордского института энергетики и Стэнфордского института окружающей среды Вудса. «Это решение будет иметь большое значение для устранения глобального потепления и от 4 до 7 миллионов смертей, связанных с загрязнением воздуха, которые происходят во всем мире каждый год, а также для обеспечения энергетической безопасности».
Документ основан на предыдущем исследовании, проведенном Джейкобсоном и его коллегами в 2015 году, в котором изучалась способность энергосистемы оставаться стабильной в 48 континентальных Соединенных Штатах. Это исследование включало только один сценарий достижения целей. Некоторые критиковали этот документ за то, что он слишком сильно полагался на добавление турбин к существующим плотинам гидроэлектростанций, что группа предложила для увеличения пиковой выработки электроэнергии без изменения количества или размера плотин. Предыдущую статью также критиковали за то, что она слишком сильно полагалась на хранение избыточной энергии в воде, льду и подземных породах. Решения, изложенные в данной статье, учитывают эту критику, предлагая несколько различных решений для стабилизации энергии, производимой из 100-процентно чистых, возобновляемых источников, включая решения без дополнительных гидротурбин и без хранения в воде, льду или камнях.
«Наш главный результат заключается в том, что у проблемы есть несколько решений», - сказал Джейкобсон. «Это важно, потому что самым большим препятствием для крупномасштабного внедрения экологически чистых возобновляемых источников энергии является восприятие людьми того, что слишком сложно поддерживать свет при случайном ветре и солнечной энергии."
Спрос и предложение
В основе этого исследования лежит необходимость сопоставить энергию, поступающую от ветра, воды и солнца, с тем, что, по прогнозам исследователей, будет спрос в 2050 году. Для этого они сгруппировали 139 стран, для которых они создала энергетические дорожные карты в предыдущем исследовании - в 20 регионов на основе географической близости и некоторых геополитических соображений. В отличие от предыдущего исследования, проведенного в 139 странах, в котором предложение энергии сопоставлялось со среднегодовым спросом, настоящее исследование сопоставляет спрос и предложение с шагом в 30 секунд в течение 5 лет (2050-2054 гг.), чтобы учесть изменчивость ветровой и солнечной энергии. как изменчивость спроса по часам и сезонам.
Для исследования исследователи использовали две программы компьютерного моделирования. Первая программа предсказывала глобальные погодные условия с 2050 по 2054 год. Исходя из этого, они далее предсказывали количество энергии, которое может быть произведено из источников энергии, связанных с погодой, таких как наземные и морские ветряные турбины, солнечные фотоэлектрические элементы на крышах и на электростанциях, концентрированная солнечная энергия. электростанций и солнечных тепловых станций с течением времени. Эти типы источников энергии изменчивы и не обязательно производят энергию, когда спрос на нее самый высокий.
Затем группа объединила данные первой модели со второй моделью, которая включала энергию, вырабатываемую более стабильными источниками электроэнергии, такими как геотермальные электростанции, приливные и волновые устройства, гидроэлектростанции, а также тепло, например геотермальные электростанции. водохранилища. Вторая модель также включала способы хранения энергии при ее избытке, например, хранение электричества, тепла, холода и водорода. Кроме того, модель включала прогнозы спроса на энергию с течением времени.
С помощью двух моделей группа смогла предсказать, сколько энергии может быть произведено за счет более изменчивых источников энергии, и насколько хорошо другие источники могут сбалансировать колеблющуюся энергию для удовлетворения потребностей.
Как избежать отключения электроэнергии
Сценарии, основанные на данных моделирования, позволяли избежать отключений электроэнергии при низких затратах во всех 20 регионах мира в течение всех пяти изученных лет и при трех различных сценариях хранения. Один сценарий включает тепловые насосы, которые используются вместо обогревателей и охладителей, работающих на сжигании, но без хранения горячей или холодной энергии; два не добавляют гидротурбины к существующим плотинам гидроэлектростанций; и у одного нет аккумуляторной батареи. Тот факт, что в трех разных сценариях не было отключений электроэнергии, предполагает, что возможны многие возможные решения для обеспечения стабильности сети со 100-процентной ветровой, водной и солнечной энергией, вывод, который противоречит предыдущим утверждениям о том, что сеть не может оставаться стабильной при таком высоком проникновении только возобновляемых источников энергии.
В целом, исследователи обнаружили, что стоимость единицы энергии, включая стоимость с точки зрения здоровья, климата и энергии, в каждом сценарии составляла около одной четверти того, что было бы, если бы мир продолжал следовать своему нынешнему энергетическому пути.. Это в значительной степени связано с устранением затрат на здоровье и климат, связанных с ископаемым топливом. Кроме того, за счет уменьшения количества водяного пара ветряные турбины, включенные в дорожные карты, на сегодняшний день компенсируют около 3 процентов глобального потепления.
Хотя стоимость производства единицы энергии одинакова в сценариях дорожной карты и сценарии невмешательства, исследователи обнаружили, что дорожные карты примерно вдвое сокращают количество энергии, необходимой в системе. Таким образом, потребители фактически будут платить меньше. Большая часть этой экономии энергии достигается за счет отказа от энергии, необходимой для добычи, транспортировки и переработки ископаемого топлива, перехода от сжигания к прямому электричеству и использования тепловых насосов вместо обычных обогревателей и кондиционеров.
«Одна из самых больших проблем, стоящих перед энергетическими системами, полностью основанными на чистой энергии ветра, воды и солнца с нулевым уровнем выбросов, заключается в том, чтобы обеспечить соответствие спроса и предложения с почти идеальной надежностью по разумной цене», - сказал Марк Делукки, соавтор автор статьи и научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. «Наша работа показывает, что этого можно добиться практически во всех странах мира с помощью отработанных технологий».
Работаем вместе
Джейкобсон и его коллеги сказали, что остающаяся проблема реализации их дорожных карт заключается в том, что они требуют координации через политические границы.
"В идеале, вы должны сотрудничать в решении того, где вы собираетесь разместить ветряные электростанции, где вы собираетесь разместить солнечные панели, где вы собираетесь разместить аккумулятор", - сказал он. Джейкобсон. «Вся система наиболее эффективна, когда ее планируют заранее, а не делают по частям».
В свете этого геополитического осложнения они также работают над небольшими дорожными картами, чтобы помочь отдельным городам, многие из которых уже взяли на себя обязательство по достижению 100-процентного использования возобновляемых источников энергии.
Дополнительными соавторами этой статьи являются Мэри А. Кэмерон из Стэнфорда и Брайан В. Матисен из Ольборгского университета в Дании.