Hvordan vil vandkraft styrke en verden med vedvarende energi?

I de sidste par år har de amerikanske somre set lidt apokalyptiske ud. Naturbrande rasede over vestkysten. Oversvømmelser stjal hjem. I juli 2021 blev jordens varmeste måned nogensinde registreret, og elnettene flimrede, hvilket forårsagede udbredte strømafbrydelser, der lukkede for aircondition, luftrensere og iltmaskiner. Sådanne strømsvigt udgør en ny, potentielt dødelig risiko for mennesker i hele den opvarmende verden.

Men noget, der kaldes pumpet vandkraft, kan hjælpe. Fremstillet ved at forbinde to reservoirer, det ene i en højere højde end det andet, pumper disse anlæg vand op ad bakke, lagrer det i det øverste reservoir, før det frigives ned gennem en turbine, som roterer en generator og pumper energi tilbage i nettet. Disse systemer leverer allerede 93 % af USA's energilager i netskala; og i nutidens varmere, mere flygtige klima kan de genopbygge elektricitet under strømafbrydelser forårsaget af hedebølger, orkaner eller cyberangreb og holde vedvarende energi flydende, når solen går ned og vinden ikke blæser. Kort sagt gør de elnettet mere modstandsdygtigt.

Så kunne din by eller by snart bruge en af ​​disse faciliteter? Det er svært at sige.

Indtil nu eksisterede der kun få data om, hvor pumpede vandkraftværker kunne bygges i USA. Og selvom vandkraftens stabile energi allerede supplerer andre vedvarende energikilder, er det ikke klart, hvordan det vil understøtte et fremtidigt rent energinet, der kører på masser af vindenergi og solenergi.

Nu hjælper to nye rapporter fra forskere ved National Renewable Energy Laboratory (NREL) med at udfylde begge datahuller. Den første undersøgelse identificerer amerikanske steder, der kunne understøtte pumpede vandkraftværker, samt hvor meget de kan koste, og hvor meget energi de kunne producere. Den anden (udgives snart som en teknisk NREL-rapport) bruger dette datasæt og yderligere ressourcer til at undersøge, hvordan vandkraftens billige, fleksible energi kan understøtte morgendagens net. Arbejdet blev finansieret af U.S. Department of Energy's Water Power Technologies Office og er en del af Hydro Water Innovation for a Resilient Electricity System Initiative.

Hvor i verden kan vi bygge pumpet vandkraft?

Det er der et kort til.

Det er relativt nemt at vælge et sted til at installere en vindmølle eller solpanel. Er vinden stærk og stabil? Skinner solen oftere end ikke? Hvis svaret er ja, fungerer det websted muligvis. Installation af et pumpet vandkraftværk er lidt mere kompliceret. Du har brug for to store søer, den ene højt over den anden, til at lagre energi. Og for at bygge mere miljøvenlige planter skal ingen af ​​dem forbindes til en flod.

Det er svært at finde websteder til at understøtte disse faciliteter – eller det plejede at være.

"Med dette kort kunne folk, der bor i Wyoming, zoome ind på en bjergkæde og se, hvor nogle af de bedste steder er," sagde Stuart Cohen, en modelingeniør hos NREL og medforfatter til begge rapporter. "Ingen producerer et produkt med denne rækkevidde og granularitet for USA."

I 2017 udviklede Australian National University et datasæt af potentielle pumpede vandkraftanlæg rundt om i verden, der identificerede omkring 616.000 potentielle lokationer. Nu har Cohen sammen med et team af forskere tilpasset universitetets originale algoritme for at skabe mere detaljerede geospatiale data om potentielle steder i USA.

Forskere fra både Australian National University og NREL måtte tage nogle tekniske designbeslutninger på forhånd. Hvert reservoir har for eksempel brug for en dæmning. Og begge dæmninger kunne have et uendeligt antal potentielle højder. "Du kan forestille dig," sagde Cohen, "hvordan det problem eksploderer, hvis du har et uendeligt antal valgmuligheder."

For at tøjle deres datasæt fik NRELs forskere faste parametre som dæmningshøjde og lagringsvarighed, idet de valgte en 10-timers energilagringsvarighed, for eksempel, fordi det har en tendens til at være mere omkostningskonkurrencedygtigt (til sammenligning giver dagens batterier omkring 4 timers energi opbevaring). Ved hjælp af deres geospatiale algoritme søgte holdet efter alle mulige steder i landet og parerede dem derefter til en endelig liste, der overholdt yderligere tekniske, miljømæssige og økonomiske overvejelser. For at finde det bedste sted kan enhver vandkraftelsker derefter sortere og filtrere disse steder efter hovedhøjde (forskellen i højde mellem de to reservoirer), energikapacitet og omkostninger.

Mens den første dataudgivelse er afhængig af disse faste parametre, planlægger Cohen og teamet snart at bygge en opdateret version af deres kort, der giver brugerne mere kontrol. "Vi vil bygge et interaktivt kort, hvor du kan markere afkrydsningsfelter til og fra for at vælge mellem 12-timers eller 8-timers opbevaring, 40-meter eller 60-meters dæmningshøjde. Uanset hvad folk ønsker."

Så, når en udvikler har lokaliseret et websted, kan værktøjet anslå, hvor meget deres anlæg kan koste at bygge. Også baseret på Australian National Universitys originale model er NRELs omkostningsmodel tilpasset til finansielle og økonomiske forhold i USA, så udviklere kan vurdere, om de skal bygge deres anlæg (eller ej).

Forudsigelse af vandkraftens rolle i et rent energinet

Efterhånden som klimaet ændrer sig, kunne pumpet lagringsvandkraft give pålidelig backup-energi. Men konventionelle vandkraftværker kan også både producere og lagre energi, og de kan tænde og slukke efter behov og trække energi fra den strøm, der er lagret i deres reservoirer. Så hvordan medvirker disse fleksible planter til en renere fremtid?

"Vi taler ikke om at bygge nye Hoover-dæmninger," sagde Cohen. Eller nye dæmninger, for den sags skyld. I USA kunne eksisterende vandkraftværker levere endnu mere fleksibel og pålidelig elektricitet, end de allerede gør. Med nogle modifikationer kan disse faciliteter starte hurtigt som reaktion på ændringer i mængden eller typen af ​​elektricitet på nettet, afbalancere det variable energiinput fra f.eks. vindmøller og solpaneler eller levere mere elektricitet i vintermånederne, når de vedvarende energikilder har en tendens til at svinde ind.

For at analysere, hvordan en udvidelse af vandkraftkapaciteten kunne tjene dette udviklende energinet, udviklede Cohen og hans NREL-kolleger nye kapacitetsudvidelsesmodelleringsmuligheder for mere præcist at repræsentere vandkraftens rolle i elsystemer.

"Det kunne faktisk gøre en stor forskel, meget større end jeg havde forventet," sagde Cohen. (Som en bonus gør data fra hans kort over pumpede vandkraftanlæg disse kapacitetsmodeller endnu mere nøjagtige).

Dagens vandkraftflåde har dæmninger nok til at producere op til 80 gigawatt elektricitet. "Mere end halvdelen af ​​det er allerede ret fleksibelt," sagde Cohen, hvilket betyder, at operatører nemt kan tilføje elproduktion til flådens andre vitale roller, såsom vandforvaltning, kunstvanding eller rekreation.

"Det spændende er, når du lader resten af ​​flåden blive mere fleksibel," sagde Cohen. "Hvis det sker, kan disse faciliteter gøre en stor forskel i økonomi og emissioner på landsplan."