Sofistikerede modeller giver en køreplan for det sydlige Afrikas fremtid for ren energi

Økonomien i det sydlige Afrika udvikler sig hurtigt, hvilket driver en voksende efterspørgsel efter elektricitet. En effektiv opfyldelse af denne efterspørgsel vil kræve afvejning af sociale, økonomiske, geografiske, teknologiske og miljømæssige hensyn.

Forskere ved UC Santa Barbara ledede et internationalt hold, der analyserede regionens ressourcer og elnet. Ved hjælp af disse data udviklede de en energiportefølje, der mest effektivt opfylder det sydlige Afrikas energikrav i 2040, og fandt ud af, at vind og sol er regionens mest omkostningseffektive muligheder. Hvad mere er, fryser deres models forslag effektivt drivhusgasemissioner på 2020-niveauer, mens den fordobler mængden af ​​elektricitet, som nettet kan producere. En detaljeret analyse vises i tidsskriftet Joule .

I øjeblikket bruger det sydlige Afrikas 315 millioner mennesker omkring 275 terawatt-timer, nogenlunde samme mængde som Californien. "Men det forventes, at det sydlige Afrika vil fordoble sin efterspørgsel efter elektricitet inden 2040," sagde medleder og tilsvarende forfatter Ranjit Deshmukh, en adjunkt i UCSB's Environmental Studies Program. "At udvikle regionens fremragende vind-, sol- og naturgasressourcer er den billigste løsning for dets forbrugere og kan imødekomme denne efterspørgsel uden at øge regionens kulstofemissioner i elsektoren."

Deshmukh og hans kolleger fandt også ud af, at på trods af en fordobling af sin elefterspørgsel, har Southern Africa Power Pool (SAPP) muligvis ikke brug for nogen kulkraftværker, og den ville heller ikke have brug for halvdelen af ​​sine planlagte vandkraftprojekter, som begge har potentielt enorme miljøpåvirkninger .

For at nå disse konklusioner brugte teamet en række modeller, der tager højde for en række strukturelle, klimatiske og økonomiske faktorer. Deshmukh og medforfatter Grace Wu, også ved UC Santa Barbara, udviklede et af værktøjerne, kaldet MapRE, i 2020. "MapRE giver os mulighed for at identificere egnede steder for vind- og solprojekter baseret på vindhastighed, solstråling, nærhed til transmissionslinjer og vejinfrastruktur og arealanvendelse," sagde Deshmukh, der leder Clean Energy Transformation Lab (CETlab) og er forskningsmedarbejder ved Environmental Markets Lab (emLab).

Hovedforfatter AFM Kamal Chowdhury, en postdoc-forsker i Deshmukhs gruppe, skabte en vandkraftmodel kaldet VIC-Res-Southern-Africa. Denne model estimerer den månedlige elproduktion fra eksisterende og planlagte vandkraftdæmninger.

Forfatterne tog dataene fra MapRE og VIC-Res, såvel som eksisterende og planlagt produktions- og transmissionskapacitet, og førte dem til en elplanlægningsmodel kaldet GridPath, som blev udviklet af Deshmukh og medforfatter Ana Mileva. Denne model udsender en anbefalet energiportefølje. Både modellen og datasættene er opensource og offentligt tilgængelige.

Resultaterne var opmuntrende. "Hvis teknologi- og brændstofomkostninger følger forventede tendenser," skrev forfatterne, "vil vind- og solteknologi sandsynligvis dominere fremtidige investeringer i elproduktion i det sydlige Afrika og dermed være den dominerende kilde til elektricitet i regionen i 2040."

Navnlig foreslog modellen, at kulkraft ikke vil være konkurrencedygtig med disse vedvarende energikilder. "Den nuværende flåde af kulkraftværker er gamle og dyre i drift," sagde medforfatter Kudakwashe Ndhlukula. "Med en dybere regional integration ville det alligevel være uøkonomisk at drive disse kraftværker." Ndhlukula er administrerende direktør for Southern African Development Community Center for Renewable Energy and Energy Efficiency (SACREEE), en mellemstatslig organisation, der omfatter de 12 lande i Southern African Power Pool.

Med finansiel støtte fra globale klimafonde, såsom Green Climate Fund, kunne regionens kulfyrede kraftværker endda pensioneres førtidigt, bemærkede forfatterne. Modellen forudsagde, at at tage kraftværkerne offline 10 år for tidligt ville øge elomkostningerne med kun 4 % årligt. Dette kan yderligere reducere drivhusgasemissionerne med 22 % sammenlignet med 2020-niveauer.

Forskerne fandt også ud af, at det sydlige Afrika kræver meget mindre vandkraft end forventet. Der er en masse ekstra vandkraft i Southern African Power Pool-planen, og der er masser af potentiale til at udvikle denne ressource, bemærkede Deshmukh. "Men ved at bruge SAPP's omkostningsantagelser for vandkraft - og de seneste vind-, sol- og batterilagringsomkostninger - fandt vi ud af, at vores model ikke valgte næsten halvdelen af ​​de planlagte vandkraftprojekter," sagde han. "Som udgangspunkt er det ikke omkostningseffektivt at investere i de projekter."

Holdet kørte også en model, der indeholdt et mål for 80 % ren energi. Under dette mål vil en optimal portefølje halvere regionens emissioner i 2020 i 2040, mens omkostningerne kun vil øges med omkring 6 %, eller 3 USD pr. megawatttime.

Ud over at planlægge, hvordan det sydlige Afrika vil generere elektricitet, vil det kræve internationalt samarbejde om effektivt at opfylde dets energibehov. "Regional integration er nøglen til at frigøre vedvarende energis enorme potentiale for et omkostningskonkurrencedygtigt elsystem i regionen," sagde Ndhlukula.

Et robust elmarked og transmissionskapaciteten til at understøtte det vil også være afgørende. "Wind and natural gas resources are unevenly spread out across southern Africa," Deshmukh said. "Having a robust transmission system will help countries to trade and benefit from each other's resources."

Fortunately, the region already has an electricity market with interconnected transmission lines in the form of the SAPP. "It's a question of expanding and scaling that market," Deshmukh said. The model suggests that this can be accomplished with a moderate increase in transmission infrastructure.

The SAPP has 12 mainland countries, nine of which are physically interconnected through a shared grid as of now. Malawi's connection will be completed by 2023, and there are plans to add the remaining two:Angola and Tanzania.

This is the first of four papers the team has produced as part of a larger project focused on Southern Africa's energy future. They are currently analyzing the results of a stakeholder and policymaker survey to understand barriers to introducing renewable energy in the region. And they are looking at the possible biodiversity impacts of different renewable energy sources. Lastly, the group plans to assess how climate change could impact the energy sector.

"This particular paper is based on current environmental conditions," Deshmukh said. "The next paper will include the influences from climate change." + Udforsk yderligere

India has an ambitious plan for developing more renewable energy; researchers say the country can aim even higher