Du har hørt om vandtørke. Kunne energitørke være næste gang?

Priserne på vedvarende energi er faldet med mere end 70 procent i det sidste årti, hvilket har fået flere amerikanere til at opgive fossile brændstoffer til grønnere, mindre forurenende energikilder. Men efterhånden som vind- og solenergi fortsætter med at gøre indtog, kan netoperatører være nødt til at planlægge store udsving i tilgængeligheden.

Advarslen kommer fra Upmanu Lall, en professor ved Columbia Engineering og Columbia Climate School, som for nylig har vendt blikket fra bæredygtig vandbrug til bæredygtige vedvarende energikilder i skub mod netto-nul kulstofemissioner.

"Designere af vedvarende energisystemer bliver nødt til at være opmærksomme på skiftende vind- og solmønstre over uger, måneder og år, på samme måde som vandforvaltere gør," sagde han. "Du vil ikke være i stand til at styre variabilitet som denne med batterier. Du skal bruge mere kapacitet."

I en ny modelundersøgelse i tidsskriftet Patterns , Lall og Columbia Ph.D. studerende Yash Amonkar viser, at sol- og vindpotentialet varierer meget over dage og uger, for ikke at nævne måneder til år. De fokuserede på Texas, som er førende i landet med at generere elektricitet fra vindkraft og er den femtestørste solcelleproducent. Texas kan også prale af et selvstændigt net, der er lige så stort som mange lande, sagde Lall, hvilket gør det til et ideelt laboratorium til at kortlægge løftet og faren ved vedvarende energisystemer.

Med udgangspunkt i 70 års historiske vind- og solenergidata byggede forskerne en AI-model til at forudsige sandsynligheden for en "tørke" i netværksskala, når den daglige produktion af vedvarende energi faldt under en måltærskel. Under en tærskel, der er sat til den 30. percentil, hvor omkring en tredjedel af alle dage er dage med lav produktion, fandt forskerne ud af, at Texas kunne stå over for en daglig energitørke i op til fire måneder i træk.

Batterier ville ikke være i stand til at kompensere for en tørke af denne længde, sagde Lall, og hvis systemet var afhængig af solenergi alene, kunne tørken forventes at vare dobbelt så længe - i otte måneder. "Disse resultater tyder på, at energiplanlæggere bliver nødt til at overveje alternative måder at lagre eller generere elektricitet på eller dramatisk øge kapaciteten af ​​deres vedvarende systemer," sagde han.

Foregribe fremtidige "energi"-tørker i Texas og på tværs af det kontinentale USA

Forskningen begyndte for seks år siden, da Lall og en tidligere kandidatstuderende, David Farnham, undersøgte vind- og solvariabilitet i otte amerikanske lufthavne, hvor vejrrekorder har en tendens til at være længere og mere detaljerede. De ønskede at se, hvor meget variation der kunne forventes under et hypotetisk 100 % vedvarende energinet.

Resultaterne, som Farnham offentliggjorde i sin ph.d. afhandling, var ikke en overraskelse. Farnham og Lall fandt ud af, at sol- og vindpotentialet, ligesom nedbør, er meget varierende baseret på årstiden og det sted, hvor vindmøller og solpaneler er blevet placeret. På tværs af otte byer fandt de ud af, at potentialet for vedvarende energi steg og faldt fra det langsigtede gennemsnit med så meget som en tredjedel på nogle sæsoner.

"Vi opfandt udtrykket 'energi'-tørker, da en 10-årig cyklus med så stor variation fra det langsigtede gennemsnit ville blive set som en stor tørke," sagde Lall. "Det var begyndelsen på energitørkearbejdet."

I den aktuelle undersøgelse valgte Lall at zoome ind på Texas, en stat, der er veludstyret med både sol og vind. Lall og Amonkar fandt ud af, at vedvarende tørker med vedvarende energi kunne vare så længe som et år, selvom sol- og vindgeneratorer var spredt over hele staten. Konklusionen, sagde Lall, er, at vedvarende energi står over for et lagerproblem, som kun realistisk kan løses ved at tilføje yderligere kapacitet eller energikilder.

"I en fuldt vedvarende verden ville vi være nødt til at udvikle nukleart brændsel eller brintbrændsel eller kulstofgenanvendelse eller tilføje meget mere kapacitet til at generere vedvarende energi, hvis vi vil undgå at brænde fossile brændstoffer," sagde han.

I tider med lav nedbør, holder vandforvaltere ferskvand strømme gennem studsen ved at tappe kommunale reservoirer eller underjordiske grundvandsmagasiner. Sol- og vindenergisystemer har ingen tilsvarende backup. De batterier, der bruges til at opbevare overskydende sol- og vindenergi på usædvanligt lyse og blæsende dage holder en opladning i kun et par timer og højst et par dage. Vandkraftværker giver en potentiel buffer, sagde Lall, men ikke længe nok til at bære systemet gennem en længere tør periode med intermitterende sol og vind.

"Vi løser ikke problemet ved at bygge et større netværk," sagde han. "Elnetoperatører har et mål om 99,99% pålidelighed, mens vandforvaltere stræber efter 90% pålidelighed. Du kan se, hvilket udfordrende spil dette vil være for energiindustrien, og hvor værdifulde sæsonbestemte og længere prognoser kunne være."

I den næste fase af forskningen vil Lall arbejde sammen med Columbia Engineering-professorerne Vijay Modi og Bolun Xu for at se, om de kan forudsige både energitørke og "oversvømmelser", når systemet genererer et overskud af vedvarende energi. Bevæbnet med disse fremskrivninger håber de at forudsige stigningen og faldet i energipriserne.