Sådan får du et helt fornyeligt elnet

Hovedløsningen til klimaændringer er velkendt - stop med at forbrænde fossile brændstoffer. Hvordan man gør dette er mere kompliceret, men som en lærd, der laver energimodellering, Jeg og andre ser omridset af en fremtid efter fossilt brændstof:Vi laver elektricitet med vedvarende kilder og elektrificerer næsten alt.

Det betyder at køre biler og tog på elektricitet, opvarmning af bygninger med elektriske varmepumper, elektrificering af industrielle applikationer såsom stålproduktion og anvendelse af vedvarende elektricitet til fremstilling af brint (svarende til naturgas) til andre krav. Så fokus er på at forsyne elnettet med vedvarende kilder.

Der er debat, selvom, om, hvorvidt fuldt fornybare elsystemer er gennemførlige, og hvor hurtigt overgangen kan foretages. Her argumenterer jeg for, at gennemførligheden er klar, så kun overgangsspørgsmålet er relevant.

Kendte teknologier

Min forskning fokuserer på økonomien i vedvarende energi. For at demonstrere gennemførlighed og estimere omkostninger ved vedvarende elsystemer, forskere bruger computermodeller, der beregner potentiel produktion fra forskellige teknologier på hvert tidspunkt, baseret på skiftende vejrforhold. En model afslører, hvilken kombination af elektricitetskilder og energilagringssystemer, der har de laveste omkostninger, mens den altid opfylder efterspørgslen.

Mange undersøgelser viser, at fuldt fornyelige elektriske net er mulige i USA, Europa, Australien og andre steder. Mine kolleger og jeg afsluttede for nylig en lille undersøgelse af ø-nationen Mauritius. Øer er attraktive steder for indledende vedvarende overgange på grund af deres lille skala, relativ enkelhed og afhængighed af importerede brændstoffer.

Der er en række måder at lave vedvarende elektricitet på:vandkraft, vind, solcelleanlæg, geotermisk og brændende forskellige former for biomasse (plantemateriale), udover at forbedre effektiviteten for at bruge mindre energi. Det er modne teknologier med kendte omkostninger.

Andre muligheder omfatter bølge, tidevand og koncentreret solenergi, hvor reflektorer fokuserer solstråler for at producere strøm. Selvom disse kan bruges i fremtiden, behovet for at imødegå klimaændringer er presserende, og efter min vurdering, de modne teknologier er tilstrækkelige.

Meningerne om atomkraft er stærke, hvilket er en anden samtale. Men modeller viser, at USA ikke har brug for atomkraft for at trække fossile brændstoffer tilbage.

Fremtidens gitter

Vedvarende energisystemer er stedsspecifikke:Det bedste system afhænger af en lokations ressourcer (er det blæsende?), dets tidsmønster (hvor ofte er det ikke blæsende?) og tilgængelighed af komplementære kilder (er der vandkraft til backup?). På trods af denne lokalitetsfølsomhed, undersøgelser forskellige steder finder lignende resultater.

At have en mangfoldighed af vedvarende kilder kan reducere omkostningerne. I særdeleshed, sol og vind er komplementære, hvis den solrige sæson ikke er den blæsende sæson; modeller finder, at en kombination af begge typisk er billigere end enten alene.

For de fleste teknologier, større skala reducerer omkostningerne. For eksempel, i USA, store solparker kan være mere end 1, 000 gange større end hustagssystemer og omkring halvdelen af ​​omkostningerne. For at minimere omkostningerne, vi bygger store systemer.

Fordi sol- og vindforhold varierer på tværs af landskabet, systemomkostninger falder, når et produktionsområde vokser, så der skal være et robust elektrisk net til at flytte elektricitet fra steder, hvor der er forsyning til steder med efterspørgsel. Vi har også brug for mere elektricitet til applikationer som transport, der i øjeblikket bruger fossile brændstoffer. Det betyder, at nettet skal vokse.

Undersøgelser viser, at drift af et elektrisk net med variabel vedvarende energi vil omfatte ikke at bruge, eller dumping, lidt energi til tider, en strategi, der reducerer omkostninger i forhold til altid at lagre overskydende energi.

Stadig, en eller anden form for elopbevaring er nødvendig. Batterier fungerer godt til at udjævne kortsigtede udsving, men for at lagre energi i mange timer eller dage, pumpet vandkraftlagring er billigere. Pumpet hydro bruger enhver ekstra energi i nettet til at pumpe vand op ad bakke, og når der er brug for energi, vandet løber tilbage for at generere strøm i en turbine. USA har nogle eksisterende eksempler og mange mulige steder. Med netudvidelse, lager kan være placeret i en afstand fra brugerne.

Vandkraft og biomassekraft er tilgængelig på forespørgsel, så at have disse i et vedvarende elnet reducerer behovet for energilagring og reducerer omkostningerne. Begge har miljøeffekter, der skal håndteres.

Vandkraft kan ændre lokale økosystemer. Brændende biomasse afgiver kuldioxid, men en undersøgelse, jeg arbejdede med, viser, at biomasseemissioner er reversible og klart er carbon-foretrukne frem for fossile brændstofemissioner. Bæredygtighed afhænger også kritisk af forvaltningen af ​​biomassemarker og skove; den menneskelige track record på dette har ikke været fantastisk.

Vedvarende energisystemer kræver jord. En amerikansk undersøgelse viser, at levering af al elektricitet fra vind, vand og sol ville have brug for 0,42% af landarealet, plus 1,6% af areal til plads mellem vindmøller. Biomasseenergi kræver meget mere jord end vind eller sol, så biomasse skal være en lille del af den vedvarende energiløsning.

De reelle barrierer er politiske og kulturelle

Et fremtidigt vedvarende elnet med tilhørende elektrificering kan måske reducere energiomkostningerne. Men at undgå de værste virkninger af klimaændringer betyder, at man stopper fossile brændstoffer, om dette sparer penge. Stadig, den vedvarende omstilling vil være hurtigere og politisk lettere, hvis den er billigere.

I Mauritius, vores undersøgelse finder udgifter til vedvarende elektricitet til at ligne de nuværende omkostninger der, baseret på aktuelle kapitalomkostninger til vedvarende energi. Nogle undersøgelser finder også, at omkostninger til fremtidig vedvarende elektricitet er lavere end de nuværende omkostninger til fossilt brændstof, i det sandsynlige tilfælde, at omkostningerne falder, når vi bygger flere vedvarende energisystemer og bliver bedre til at gøre det.

Og det er det, fra et teknisk perspektiv. En kombination af vedvarende kilder og energilagring - den specifikke kombination afhængig af lokale forhold og præferencer - kan levere al den nødvendige elektricitet til en overkommelig pris, og vil reducere luftforurening ved opstart.

Men regeringens politikker er nødvendige for at foretage en overgang til vedvarende energi. Klimaændringer er en ekstern omkostning - båret af samfundet frem for energiproducenter - så markedskræfterne alene vil ikke foretage overgangen. Udover at sætte en pris på kulstof (måske med udbytte returneret til offentligheden), regeringen kunne gøre det lettere at bygge den nødvendige infrastruktur. Og der er brug for offentlig støtte:F.eks. offentlig accept af transmissionsledninger til at flytte elektricitet fra de blæsende Great Plains til bymidter er en anden udfordring for et helt fornyeligt net.

Et projekt i omfanget af omdannelse af energisystemet vil skabe arbejdspladser - mange arbejdspladser - hvilket måske er det økonomiske mål af størst betydning for borgerne.

Undersøgelser fra mig og andre viser, at fuldt fornyelige elektriske net er muligt med den nuværende teknologi til aktuelle priser; barrierer for at bruge vedvarende elektricitet er mere politiske og kulturelle end teknologiske eller økonomiske.

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons -licens. Læs den originale artikel.