A forma mais barata para incrementar energia eólica e solar?

A forma mais barata para incrementar energia eólica e solar?

A energia eólica e solar é uma forma de reduzir as emissões de carbono, mas essas fontes de geração dependem dos caprichos do clima, o que significa que nem a energia eólica nem a solar podem produzir eletricidade sob demanda a qualquer hora do dia. Essa variabilidade levou muitos a supor que a expansão eólica e solar em grande escala para reduzir as emissões de carbono fará com que os custos de eletricidade disparem e exijam armazenamento de energia caro.

Meus colegas e eu acabamos de publicar um novo estudo para mostrar que essa suposição não está correta. Na verdade, se os EUA se mudassem para um sistema elétrico nacional 48, ao invés do regional, agora o país seria capaz de transportar mais energia renovável pelo país. Essa alteração poderia reduzir o CO2 em 78% a custos mais baixos do que os atuais sem usar nenhuma tecnologia de armazenamento.

Usando um modelo de computador, descobrimos que esta sistemas elétricos maiores iria utilizar a energia de forma mais eficiente, independentemente dos geradores dentro dele. A redução de custo entre o sistema de estilo nacional modelamos e o atual, que é dividido em cerca de 130 regiões, é de R $ 47 bilhões por ano. Isso se traduz em um custo de electricidade de entre 8.5 e 10.2 ¢ por quilowatt-hora (kWh), em comparação com a média nacional atual de Centavos 12.7 por kWh.

supervia Electron

Nosso estudo foi baseado em um modelo chamado National Energy with Weather System (NEWS). O simulador NEWS é um modelo de otimização de custos que busca implacavelmente a solução de menor custo.

Ele inclui recursos da rede elétrica, como transmissão, geradores, demanda elétrica, restrições de uso da terra, comportamento do gerador, dados meteorológicos e dados de custo para geradores. Para descobrir como minimizar os custos, o modelo NEWS calculará como fornecer energia a cada hora durante um ano inteiro, com base nos geradores e linhas de transmissão disponíveis que transportam energia por longas distâncias.

Nosso modelo tinha algo único, embora: a de alta tensão de corrente contínua (HVDC) sobreposição de transmissão.

Em conceito, isso é muito semelhante ao sistema de rodovias interestaduais sobreposto à rede viária. A tecnologia HVDC tem uma grande vantagem em relação às linhas de energia tradicionais: há menos energia perdida no transporte de energia de um ponto para outro. Ele faz isso usando corrente contínua, em vez de corrente alternada, e operando em voltagens mais altas.

O HVDC está sendo usado nos EUA hoje. No entanto, está sendo implantado como um sistema ponto-a-ponto para geradores únicos (ou alguns) para mercados distantes. Uma das mais proeminentes é chamada de interdição do Pacific DC, que envia energia do noroeste do Pacífico com sua abundante energia hidrelétrica até Los Angeles, fornecendo 48% de energia durante horas de pico de demanda. A diferença no modelo NEWS é que o HVDC é implantado em uma rede, em vez de uma simples configuração ponto a ponto, o que permite uma utilização muito maior das linhas para que a energia flua entre regiões em várias direções.

A energia eólica estimativas potenciais para o Red EUA indica um elevado potencial, o azul é baixa. Chris Clack / CIRES, Autor fornecida A energia eólica estimativas potenciais para o Red EUA indica um elevado potencial, o azul é baixa. Chris Clack / CIRES, Autor fornecida Criticamente, o modelo NEWS não assume que mais linhas de transmissão devam ser adicionadas à rede atual. Mas introduz nova capacidade de transmissão se o modelo julgar econômico. Curiosamente, o modelo NEWS sempre seleciona a transmissão HVDC quando pode. Por quê? A disponibilidade de linhas de HVDC permite a formação de mercados maiores, que então se beneficiam de economias de escala.

Na prática, isso significaria que os geradores eólicos nos estados das Planícies, por exemplo, poderiam exportar mais energia para lugares no país onde há forte demanda, como as grandes cidades. Como agora, os geradores eólicos apenas suportam energia regionalmente e às vezes fornecem mais energia do que a necessária em algumas horas do dia.

Em um sistema regional, o tamanho do Kansas, da energia eólica e solar tende a ser períodos de produção excedente e em produção. Isso resulta em aumento de custos porque os geradores eólicos e solares precisam ser reduzidos ou desligados durante o excesso de produção. Para atender lapsos na produção, os operadores da rede precisam confiar na geração de back-up de usinas de combustíveis fósseis.

Com um sistema nacional, os geradores podem ser estrategicamente colocado sobre o contíguos dos EUA para reduzir esse efeito e reduzir os custos gerais. A HVDC facilita o movimento desta electricidade a partir atinge distantes para cidades com perdas menores do que tradicional AC.

Cenário de energias renováveis

Para realizar o estudo, dados climáticos de alta resolução foram compilados para cada hora dos três anos, do 2006 até o 2008. Os dados meteorológicos foram então usados ​​como entradas em sofisticados algoritmos de energia para estimar a energia que poderia ser gerada por turbinas eólicas e painéis solares fotovoltaicos nos EUA.

Além disso, compilamos dados sobre a demanda de eletricidade durante esses períodos nos EUA. Os dados eram necessários porque o tempo é um fator fundamental para a demanda elétrica. Em seguida, projetamos dados de demanda para o 2030.

Como a implantação de energia eólica e solar está sujeita a muitas restrições, criamos considerações sobre o uso da terra no modelo. O conjunto de dados de uso da terra foi compilado para identificar locais onde o vento e a energia solar podem ser implantados sem interferir em áreas protegidas.

Usando esses diferentes conjuntos de dados, juntamente com o custo projetado para a geração de energia em 2030, corremos diferentes simulações para investigar como esses fatores afetam o mix de geradores de energia a nível regional, minimizando o custo total.

O cenário que mais reduz as emissões tem significativo aumento de energia eólica e solar fotovoltaica; 523 gigawatts (GW) de vento e 371 gigawatts de PV solar em comparação com 60 GW e 2.5 GW respectivamente em 2012. Nesse cenário, havia apenas 461 GW de gás natural (menos que hoje).

Isso se traduz em 38% de eletricidade proveniente do vento, 17% do vento, 21% do gás natural, o restante de energia nuclear e hidrelétrica. No 2012, o vento representava 3.5%, solar por menos de 1% e gás natural por 30%.

Mais uma vez, esta solução é a solução mais barato possível.

Chegar a este nível de energia solar e eólica - um salto significativo dos níveis de hoje - requer novas linhas de transmissão no modelo.

A quantidade de novas transmissões de HVDC que é construída pelo modelo é de 139 milhões de MW-milhas, o que é um grande empreendimento de infraestrutura. Isso soa como uma quantidade enorme, mas representaria apenas 4% do custo total do sistema anualmente.

E sobre o armazenamento de energia?

O modelo NEWS é único no estudo da integração de níveis mais altos de energia eólica e solar porque manipula grandes volumes de dados meteorológicos, enquanto computa os aspectos importantes da rede elétrica, como restrições de rampa nos geradores, tempos de inatividade dos geradores, fluxo de energia no linhas de transmissão, perdas elétricas de embaralhamento de energia ao redor do sistema, atendimento da demanda a cada hora em todos os mercados e outras restrições operacionais. Além disso, inclui todas as opções de tecnologia; procura apenas as opções de menor custo.

A eletricidade pode ser armazenada de várias maneiras, como bombeamento e reaproveitamento de água de reservatórios ou instalação de grandes bancos de baterias. Nas execuções iniciais do modelo, o armazenamento elétrico não foi competitivo usando estimativas de custo para 2030 em comparação com a adição de geradores de transmissão ou de gás natural (puramente baseados no custo).

O modelo NEWS é uma ferramenta para ajudar a entender como uma rede elétrica poderia ser transformado, mantendo os custos baixos. Baixo custo é absolutamente essencial porque o aumento dos custos de energia para reduzir as reduções de carbono pode causar dificuldades económicas.

Existem numerosos factores adversos para o desenvolvimento de uma economia de carbonizada-e sociedade. Mas, o modelo NEWS mostrou que o vento ea energia solar fotovoltaica, combinado com alta tensão de transmissão de corrente contínua pode realmente ir um longo caminho na redução de emissões no setor elétrico.

Isso é verdade mesmo sem uma nova bateria milagrosa ou inovação dentro da indústria de armazenamento elétrico, embora o armazenamento elétrico eficiente e barato seja útil na integração de energias renováveis.

Para remover o carbono de toda a economia, a eletricidade deve ser descarbonizada primeiro. Se isso puder ser feito a baixo custo, outros setores poderão seguir o exemplo. A combinação de energia eólica, solar, gás natural e transmissão é uma possível ponte para um futuro de emissões zero.

Sobre o autorA Conversação

Christopher Clack, Pesquisador Científico, Administração Nacional Oceânica e Atmosférica. Ele é o líder técnico em uma equipe que estuda otimização de sites para energia eólica e solar. O objetivo é determinar em que nível os Estados Unidos podem se sustentar em fontes de energia renováveis, e onde colocar essas fontes, para fornecer o sistema de geração mais eficiente e econômico com o menor impacto ambiental possível.

Este artigo foi originalmente publicado em A Conversação. Leia o artigo original.

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