Цены на возобновляемые источники энергии упали более чем на 70 процентов за последнее десятилетие, в результате чего все больше американцев отказываются от ископаемого топлива в пользу более экологичных и менее загрязняющих окружающую среду источников энергии. Но по мере того, как ветровая и солнечная энергия продолжают наступать, операторам сетей, возможно, придется планировать большие колебания доступности.
Предупреждение исходит от Упману Лалла, профессора Колумбийского инженерного факультета и Колумбийской школы климата, который недавно переключил свое внимание с устойчивого водопользования на устойчивые возобновляемые источники энергии в стремлении к нулевым выбросам углерода.
«Проектировщики систем возобновляемой энергии должны будут обращать внимание на изменение ветровых и солнечных режимов в течение недель, месяцев и лет, как это делают менеджеры по водным ресурсам», - сказал он. «Вы не сможете справиться с такой изменчивостью с батареями. Вам понадобится больше емкости».
В новом исследовании моделирования, опубликованном в журнале Patterns, Лалл и аспирант Колумбийского университета Яш Амонкар показали, что солнечный и ветровой потенциал сильно различаются в течение дней и недель, не говоря уже о месяцах и годах. Они сосредоточились на Техасе, который лидирует в стране по выработке электроэнергии за счет энергии ветра и является пятым по величине производителем солнечной энергии. Техас также может похвастаться автономной энергосистемой, размер которой не уступает многим другим странам», - сказал Лалл, что делает его идеальной лабораторией для определения перспектив и опасностей систем возобновляемой энергии.
Опираясь на 70-летние исторические данные о ветровой и солнечной энергии, исследователи построили модель ИИ для прогнозирования вероятности «засухи» в масштабе сети, когда ежедневное производство возобновляемых источников энергии падает ниже целевого порога. Исследователи обнаружили, что при пороговом уровне, установленном на уровне 30-го процентиля, когда примерно треть всех дней приходится на дни низкой производительности, Техас может столкнуться с ежедневной нехваткой энергии на срок до четырех месяцев подряд..
Батарейки не смогли бы компенсировать засуху такой продолжительности, сказал Лалл, и если бы система полагалась только на солнечную энергию, можно было бы ожидать, что засуха продлится вдвое дольше - в течение восьми месяцев. «Эти результаты показывают, что специалистам по планированию энергетики придется рассмотреть альтернативные способы хранения или производства электроэнергии или резко увеличить мощность своих возобновляемых систем», - сказал он..
Предвидя будущие «энергетические» засухи - в Техасе и по всей континентальной части США
Исследование началось шесть лет назад, когда Лалл и бывший аспирант Дэвид Фарнхэм изучили изменчивость ветра и солнца в восьми аэропортах США, где записи о погоде, как правило, длиннее и детальнее. Они хотели увидеть, каких вариаций можно ожидать от гипотетической сети, полностью основанной на возобновляемых источниках энергии.
Результаты, которые Фарнэм опубликовал в своей докторской диссертации, не стали неожиданностью. Фарнхем и Лалл обнаружили, что солнечный и ветровой потенциал, как и количество осадков, сильно различаются в зависимости от времени года и места, где были установлены ветряные турбины и солнечные батареи. В восьми городах они обнаружили, что потенциал возобновляемых источников энергии то увеличивался, то падал по сравнению с долгосрочным средним значением на треть в некоторые сезоны.
«Мы придумали термин «энергетическая» засуха, поскольку 10-летний цикл с таким большим отклонением от долгосрочного среднего значения можно было бы рассматривать как сильную засуху», - сказал Лалл. «Это было началом работы по энергетической засухе».
В текущем исследовании Лалл решил увеличить изображение Техаса, штата, изобилующего как солнцем, так и ветром. Лалл и Амонкар обнаружили, что постоянные засухи от возобновляемых источников энергии могут длиться до года, даже если солнечные и ветряные генераторы будут разбросаны по всему штату. Вывод, по словам Лалла, заключается в том, что возобновляемые источники энергии сталкиваются с проблемой хранения, которую реально решить только путем добавления дополнительных мощностей или источников энергии.
«В полностью возобновляемом мире нам нужно будет разработать ядерное топливо или водородное топливо, или переработку углерода, или добавить гораздо больше мощностей для производства возобновляемых источников энергии, если мы хотим избежать сжигания ископаемого топлива», - сказал он.
Во время маловодья водные менеджеры обеспечивают подачу свежей воды через кран, используя муниципальные резервуары или подземные водоносные горизонты. Солнечные и ветряные энергетические системы не имеют эквивалентного резерва. Аккумуляторы, используемые для хранения избыточной солнечной и ветровой энергии в исключительно яркие и ветреные дни, держат заряд всего несколько часов, а самое большее - несколько дней. Гидроэлектростанции обеспечивают потенциальный буфер, сказал Лалл, но недостаточно долго, чтобы выдержать систему во время затяжных засушливых периодов прерывистого солнца и ветра.
«Мы не решим проблему, построив большую сеть», - сказал он. «Операторы электросетей поставили цель обеспечить надежность на уровне 99,99%, в то время как водители стремятся к надежности на уровне 90%. Вы видите, какой сложной будет эта игра для энергетической отрасли, и насколько ценными могут быть сезонные и долгосрочные прогнозы».
На следующем этапе исследования Лалл будет работать с профессорами инженерного дела Колумбийского университета Виджаем Моди и Болуном Сюй, чтобы выяснить, смогут ли они предсказать энергетические засухи и «наводнения», когда система генерирует избыток возобновляемых источников энергии. Вооружившись этими прогнозами, они надеются предсказать рост и падение цен на энергоносители.