På vej mod 100 % ren elektricitet:Seks potentielle strategier til at bryde igennem de sidste 10 %

En voksende mængde forskning har vist, at omkostningseffektive høj-vedvarende energisystemer er mulige, men omkostningerne stiger, efterhånden som systemerne nærmer sig 100% kulstoffri elektricitet - det, der er blevet kendt som "det sidste 10%-problem."

Stigningen i omkostningerne er i høj grad drevet af et sæsonbetinget misforhold mellem tidspunktet for variabel vedvarende energiproduktion og efterspørgsel. Det er udfordrende og dyrt at imødekomme efterspørgslen efter spidsbelastning for alle elsystemer, men at løse problemet med sæsonbetinget mismatch for høj-vedvarende energisystemer kan kræve teknologier, der endnu ikke er blevet implementeret i stor skala. Det gør deres omkostninger og krav uklare.

For at hjælpe med at bevæge sig mod potentielle løsninger på denne udfordring har et hold af forskere fra National Renewable Energy Laboratory (NREL) studeret afvejninger af seks mulige teknologistrategier for at få fra 90 % til 100 % kulstoffri elektricitet i USA. Dette værk er udgivet i en Joule artikel og kan hjælpe med at informere beslutningstagning i dag.

"Ingen af ​​strategierne er perfekte, og der er stadig megen usikkerhed, men undersøgelsen fremhæver nøgleudfordringer med de sidste 10 % og undersøger alle de store teknologiske muligheder," siger Trieu Mai, NREL-analytiker og hovedforfatter af undersøgelsen. "Mere forskning og udvikling vil være vigtig for at komme tættere på en klar løsning for de sidste 10 % og fremskridt USA mod en dekarboniseret energisektor."

Hvad vi ved indtil videre om den sidste 10 %-udfordring

NREL har studeret en række spørgsmål relateret til at opnå 100 % vedvarende produktion i USA.

I en tidligere Joule artiklen skitserede NREL de tekno-økonomiske udfordringer ved at opnå 100 % vedvarende energi på tværs af alle tidsskalaer. Undersøgelsen undersøgte to typer udfordringer:En relateret til økonomisk opretholdelse af en balance mellem udbud og efterspørgsel og en anden udfordring relateret til at designe teknisk pålidelige og stabile net ved hjælp af stort set inverter-baserede ressourcer som vind og sol.

I en opfølgende undersøgelse brugte NREL state-of-the-art modelleringsevner til at forstå mulige veje og systemomkostninger ved overgang til et 100 % vedvarende elnet. Resultater, offentliggjort i en anden Joule artikel, viser, at omkostningerne er væsentligt lavere, hvis der er en omkostningseffektiv kilde til fast kapacitet - ressourcer, der kan levere energi i perioder med lavere vind- og solenergiproduktion, ekstremt høj efterspørgsel og uplanlagte hændelser som transmissionsledningsudfald. Andre ressourcer udover vind-, sol- og døgnlagring eller belastningsfleksibilitet kan være vigtige for at overvinde de sidste par procent til et 100 % vedvarende elnet.

I Los Angeles 100% Renewable Energy Study (LA100) brugte NREL flere modeller til at undersøge, hvilke ressourcer der kunne bruges til at hjælpe med at opfylde de sidste 10% og opretholde pålideligheden for byen Los Angeles. NREL afsluttede også for nylig en skelsættende undersøgelse om at opnå 100 % kulstoffri elektricitet i 2035. Analysen viser, at der er flere veje til at nå målet, hvor de miljømæssige og samfundsmæssige fordele overstiger omkostningerne.

Denne seneste Joule artiklen bygger på NREL høj-vedvarende generations elnetundersøgelser ved at udforske afvejninger af potentielle tekniske løsninger, der kunne implementeres for de sidste par procent.

Seks strategier for de sidste 10 %

Den ideelle teknologiløsning for de sidste 10 % har tre primære egenskaber. For det første har den ideelle løsning en høj kapacitetskredit, så kapacitet er tilgængelig i perioder med høj stress og kan understøtte ressourcetilstrækkelighed – en af ​​de "tre R'er for strømsystempålidelighed", der skal være vellykket for et sikkert og pålideligt strømsystem. For det andet har den ideelle løsning relativt lave kapitalomkostninger, fordi den ikke vil blive brugt ofte. Og for det tredje er den afhængig af bredt tilgængelige ressourcer og kan implementeres i stor skala. NREL undersøgte seks teknologistrategier, der har potentialet til at opfylde de tre primære karakteristika.

1. Variabel vedvarende energi, transmission og daglig lagring

En mulig strategi for at nå de sidste 10 % er afhængig af eksisterende teknologier, der i øjeblikket er ved at blive implementeret. Denne strategi bygger mere variabel vedvarende energi, transmission og daglig (mindre end ca. 24-timers) lagring. I denne mulighed er variabel vedvarende energi og transmissionskapacitet dimensioneret til at imødekomme efterspørgslen i daglige stressende perioder på nettet, med lager udfylder timelige forsyningshuller og begrænser overskydende variabel vedvarende energi (få mere at vide om begrænsning i en NREL-forklaringsvideo).

Denne strategi kunne være mere omkostningskonkurrencedygtig, hvis der er større langdistancetransmission for at flytte variabel vedvarende energi af høj værdi til efterspørgselscentre, og hvis vind- og solteknologier fortsætter med at forbedre sig. Denne tilgang kan dog være vanskeligere, hvis arealanvendelse af vind- og solenergi og lokalitetsbegrænsninger øges over tid - et andet emne, NREL har studeret, herunder den nylige udgivelse af et nyt omfattende datasæt af lokale bekendtgørelser for placering af vind- og solenergiprojekter.

2. Anden vedvarende energi

En anden mulig strategi for de sidste 10 % bruger geotermisk, vandkraft og biomasse - teknologier, der alle kan spille vigtige roller i en nul-emissionskraftsektor. Disse teknologier er ikke afhængige af variable sol- og vindressourcer og kan potentielt overvinde det sæsonmæssige misforhold. Imidlertid kan ressourcetilgængelighed, især på steder med høj efterspørgsel efter elektricitet, indsnævre deres udnyttelse til kun at omfatte udvalgte regioner. Disse ressourcer har også relativt høje kapitalomkostninger, som kan være økonomisk udfordrende som en sidste 10 %-strategi.

Biomassebaseret produktion kunne være en anden mulighed for at producere vedvarende elektricitet for de sidste 10 %. Denne mulighed har relativt lave kapitalomkostninger, men der er usikkerheder og begrænsninger på en stabil og bæredygtig råvareforsyning og omkostningerne ved biomassekonvertering.

3. Nukleare og fossile med kulstoffangst

Nukleart og fossilt brændstof med CO2-opsamling og -lagring (CCS) nævnes i vid udstrækning som potentielt vigtige ressourcer i et dekarboniseret elektricitetssystem, fordi de ofte regnes med pålideligt hele året. Fossile CCS-anlæg er endnu ikke blevet installeret i stor skala, men nogle undersøgelser finder et betydeligt udrulningspotentiale.

Men denne strategi byder på udfordringer:begrænset nylig implementering, omkostningsusikkerhed og miljø- og sikkerhedshensyn – og de høje kapitalomkostninger for lav udnyttelse kan skabe økonomiske barrierer.

4. Sæsonbestemt opbevaring

Sæsonopbevaring refererer til at bruge elektricitet til at producere et lagerbart brændstof, der kan bruges til produktion over længere perioder, endda op til hele sæsoner af året. Brint eller andre brintafledte brændstoffer er i øjeblikket de mest lovende muligheder for sæsonopbevaring. Omdannelse af brint til elektricitet kan ske ved hjælp af brændselsceller eller forbrændingsteknologier, som omdannes til brint. Disse elproduktionsmuligheder drevet af brint kan have lave kapitalomkostninger i fremtiden og være levedygtige som sidste 10 %-strategier. Nøgle usikkerhedsmomenter med denne strategi omfatter tilgængeligheden af ​​brændstof (brint) forsynings- og leveringsinfrastruktur.

5. Fjernelse af kuldioxid

Teknologier til fjernelse af kuldioxid kan kompensere for emissioner fra kulstofemitterende elproduktionsteknologier ved at trække kulstof ned i atmosfæren. Denne sidste 10 %-strategi er unik, fordi den udnytter andre generationsaktiver til at understøtte ressourcetilstrækkeligheden på nettet.

Selvom der er en unik værdi med teknologier til fjernelse af kuldioxid, har denne sidste 10 %-mulighed implementeringsudfordringer. Meget lidt kuldioxidfjernelse er blevet implementeret endnu på verdensplan, og fremtidige teknologiomkostninger er stadig usikre.

6. Ressourcer på efterspørgselssiden

Ressourcer på efterspørgselssiden, også kaldet efterspørgselsrespons eller efterspørgselsfleksibilitet, er en unik sidste 10 %-løsning sammenlignet med de fem andre undersøgte strategier.

Ressourcer på efterspørgselssiden reducerer elforbruget i tider med systemstress og hjælper med at undgå investeringer i ny spidskapacitet. Gennem fleksibel planlægning eller afbrydelse af elforbruget kan de også reducere driftsomkostningerne eller bruges til vigtige netpålidelige tjenester. Kapitalomkostninger til kontrol på efterspørgselssiden og kommunikationsudstyr kan være lave, og de direkte driftsomkostninger er beskedne.

Anvendelse af muligheder på efterspørgselssiden som en sidste 10 %-strategi kræver dog, at ressourcerne er pålidelige tilgængelige over længere perioder med flere dage. Omfanget af den nødvendige reaktion på dage med ekstreme begivenheder kan overstige efterspørgsels-respons-potentialet, og fleksibilitet fra nye elektrificerede belastninger er usikker.

"I betragtning af de nuværende teknologiomkostninger og parathed kan der ske betydelige emissionsreduktioner gennem accelereret udbredelse af vind-, sol-, døgnlagring, transmission og andre vedvarende energiteknologier," siger Paul Denholm, NREL-analytiker og medforfatter af undersøgelsen. "Andre teknologier kan også spille en stor rolle, hvis de bliver omkostningskonkurrencedygtige og bredt tilgængelige. Vi vil fortsætte med at undersøge disse mulige løsninger, men indtil videre er vejen til omkring 90 % kulstoffri elektricitet mere og mere klar. 100 % kræver først at opnå 90 %." + Udforsk yderligere

Video:Hvordan have mere end nok vedvarende energikapacitet kan gøre nettet mere fleksibelt