Tilføjelse af strømvalg reducerer omkostninger og risiko for kulstoffri elektricitet, undersøgelse finder

I større lovgivning vedtaget i slutningen af ​​august, Californien forpligtede sig til at skabe et 100 procent kulstoffrit elnet - igen førende andre nationer, stater, og byer i at opstille aggressive politikker for at reducere drivhusgasemissionerne. Nu, en undersøgelse foretaget af MIT-forskere giver retningslinjer for omkostningseffektive og pålidelige måder at bygge sådan et kulstoffrit elektricitetssystem på.

Den bedste måde at tackle emissioner fra elektricitet, undersøgelsen finder, er at bruge den mest inkluderende blanding af kulstoffattige elkilder.

Omkostningerne er faldet hurtigt for vindkraft, solenergi, og energilagringsbatterier i de seneste år, leder nogle forskere, politikere, og fortaler for at foreslå, at disse kilder alene kan drive et kulstoffrit net. Men den nye undersøgelse finder, at på tværs af en lang række scenarier og steder, at parre disse kilder med stabile kulstoffrie ressourcer, som man kan regne med for at imødekomme efterspørgslen på alle årstider og over lange perioder – såsom nuklear, geotermisk, bioenergi, og naturgas med kulstoffangst - er en billigere og mindre risikofyldt rute til et kulstoffrit net.

De nye resultater er beskrevet i et papir offentliggjort i dag i tidsskriftet Joule , af MIT ph.d.-studerende Nestor Sepulveda, Jesse Jenkins Ph.D. '18, Fernando de Sisternes Ph.D. '14, og professor i nuklear videnskab og teknik og associeret prost Richard Lester.

Behovet for omkostningseffektivitet

"I denne avis, vi leder efter robuste strategier for at få os til en kulstoffri elforsyning, som er omdrejningspunktet i den overordnede indsats for at afbøde risikoen for klimaændringer på tværs af økonomien, " siger Jenkins. For at opnå det, "Vi skal ikke kun nå nul emissioner i elsektoren, men vi skal også gøre det til en så lav pris, at elektricitet er en attraktiv erstatning for olie, naturgas, og kul i transporten, varme, og industrisektorer, hvor dekarbonisering typisk er endnu mere udfordrende end i elektricitet. "

Sepulveda understreger også vigtigheden af ​​omkostningseffektive veje til kulstoffri elektricitet, tilføjer, at i dagens verden, "Vi har så mange problemer, og klimaændringer er meget kompleks og vigtig, men ikke den eneste. Så hver ekstra dollar, vi bruger på at håndtere klimaændringer, er også en anden dollar, vi ikke kan bruge til at tackle andre presserende samfundsproblemer, såsom at fjerne fattigdom eller sygdom." Således, Det er vigtigt for forskningen ikke kun at identificere teknisk opnåelige muligheder for at dekarbonisere elektricitet, men også for at finde måder at opnå kulstofreduktioner til den mest rimelige mulige pris.

For at evaluere omkostningerne ved forskellige strategier for dyb dekarbonisering af elproduktion, holdet så på næsten 1, 000 forskellige scenarier, der involverer forskellige antagelser om tilgængeligheden og omkostningerne ved lavemissionsteknologier, geografiske variationer i tilgængeligheden af ​​vedvarende ressourcer, og forskellige politikker for deres brug.

Med hensyn til politikkerne, holdet sammenlignede to forskellige tilgange. Den "restriktive" tilgang tillod kun brugen af ​​sol- og vindproduktion plus batterilagring, suppleret med foranstaltninger til at reducere og flytte timingen af ​​efterspørgslen efter elektricitet, samt langdistancetransmissionsledninger for at hjælpe med at udjævne lokale og regionale variationer. Den "inklusive" tilgang brugte alle disse teknologier, men tillod også muligheden for at bruge vedvarende kulstoffrie kilder, såsom atomkraft, bioenergi, og naturgas med et system til opsamling og lagring af kulstofemissioner. Under hvert tilfælde, som holdet studerede, den bredere blanding af kilder viste sig at være mere overkommelig.

Omkostningsbesparelserne ved den mere inkluderende tilgang i forhold til den mere begrænsede sag var betydelige. Herunder løbende, eller "fast, "kulstoffattige ressourcer i et kulstoffrit ressourcemix sænkede omkostningerne alt fra 10 procent til så meget som 62 procent, på tværs af de mange analyserede scenarier. Det er vigtigt at vide, Forfatterne understreger, fordi eksisterende og foreslåede reguleringer og økonomiske incitamenter i mange tilfælde favoriserer, eller endda mandat, et mere begrænset udvalg af energiressourcer.

"Resultaterne af denne forskning udfordrer, hvad der er blevet til konventionel visdom på begge sider af klimaændringsdebatten, " siger Lester. "I modsætning til frygten for, at en effektiv indsats for at begrænse klimaet vil være lammende dyr, vores arbejde viser, at selv dyb dekarbonisering af elsektoren kan opnås til relativt beskedne meromkostninger. Men i modsætning til troen på, at kulstoffri elektricitet kan genereres nemt og billigt med vind, solenergi, og batterier alene, vores analyse gør det klart, at de samfundsmæssige omkostninger ved at opnå dyb dekarbonisering på den måde sandsynligvis vil være langt dyrere end nødvendigt."

En ny taksonomi for elektricitetskilder

Når man ser på muligheder for ny elproduktion i forskellige scenarier, holdet fandt ud af, at den traditionelle måde at beskrive forskellige typer strømkilder i den elektriske industri - "baseload, " "indlæs følgende, " og "peaking" ressourcer - er forældede og ikke længere nyttige, givet den måde, nye ressourcer bliver brugt på.

Hellere, de foreslår, det er mere passende at tænke på strømkilder i tre nye kategorier:"brændstofbesparende" ressourcer, som omfatter solenergi, vind og afløb (dvs. uden dæmninger) vandkraft; "hurtigt eksploderende" ressourcer, at give hurtige, men kortvarige reaktioner på udsving i efterspørgsel og udbud af elektricitet, herunder batteriopbevaring og teknologier og prisstrategier for at øge efterspørgslens reaktionsevne; og "faste" ressourcer, såsom nukleare, vandkraft med store reservoirer, biogas, og geotermisk.

"Fordi vi ikke med sikkerhed kan vide de fremtidige omkostninger og tilgængeligheden af ​​mange af disse ressourcer, "Sepulveda bemærker, "de undersøgte tilfælde dækkede en bred vifte af muligheder, for at gøre de overordnede konklusioner af undersøgelsen robuste på tværs af denne række af usikkerheder."

Vifte af scenarier

Gruppen brugte en række projektioner, lavet af agenturer som National Renewable Energy Laboratory, med hensyn til de forventede omkostninger ved forskellige strømkilder i de kommende årtier, herunder omkostninger svarende til nutidens og forventede omkostningsreduktioner, efterhånden som nye eller forbedrede systemer udvikles og bringes online. For hver teknologi, forskerne valgte en forventet mellempris, sammen med et estimat af lave og høje omkostninger, og derefter studeret mange kombinationer af disse mulige fremtidige omkostninger.

Under hvert scenarie, sager, der var begrænset til at bruge brændstofbesparende og hurtigsprængende teknologier, havde en højere samlede elpris end sager, der også brugte faste kulstoffattige kilder, "selv med det mest optimistiske sæt af antagelser om fremtidige omkostningsreduktioner, " siger Sepulveda.

Det er rigtigt, Jenkins tilføjer, "selv når vi antager, for eksempel, at atomkraft forbliver så dyrt, som det er i dag, og vind og sol og batterier bliver meget billigere."

Forfatterne fandt også, at på tværs af alle tilfældene kun vind-sol-batterier, prisen på elektricitet stiger hurtigt, efterhånden som systemerne bevæger sig mod nul-emissioner, men når faste strømkilder også er tilgængelige, elomkostningerne stiger meget mere gradvist, efterhånden som emissionerne falder til nul.

"Hvis vi beslutter os for at forfølge dekarbonisering primært med vind, solceller, og batterier, " siger Jenkins, "Vi 'går i virkeligheden all in' og satser planeten på at opnå meget lave omkostninger for alle disse ressourcer, " Samt evnen til at bygge højspændingsledninger på kontinental skala og inducere en meget mere fleksibel efterspørgsel efter elektricitet.

I modsætning, "et elektricitetssystem, der bruger faste kulstoffattige ressourcer sammen med solenergi, vind, og lager kan opnå nul-emissioner med kun beskedne stigninger i omkostningerne selv under pessimistiske antagelser om, hvor billige disse kulstoffrie ressourcer bliver, eller vores evne til at låse op for fleksibel efterspørgsel eller udvide nettet, " siger Jenkins. Dette viser, hvordan tilføjelsen af ​​faste kulstoffattige ressourcer "er en effektiv afdækningsstrategi, der reducerer både omkostningerne og risikoen" for fuldt dekarbonisering af kraftsystemer, han siger.

Selvom en fuldstændig kulstoffri elforsyning er år væk i de fleste regioner, det er vigtigt at lave denne analyse i dag, Sepulveda siger, fordi beslutninger truffet nu om kraftværksbyggeri, forskningsinvesteringer, eller klimapolitikker har virkninger, der kan vare i årtier.

"Hvis vi ikke starter nu" med at udvikle og implementere det bredeste udvalg af kulstoffrie alternativer, han siger, "det kunne væsentligt reducere sandsynligheden for at nå nul emissioner."