如何获得高可再生电网

如何获得高可再生电网 扩大太阳能发电潜力超过其需要可以取代更昂贵的能源储存。 Jamey Stillings, 创用CC BY-SA

着名的发明家埃德温兰德 说过,“我们不需要新的想法,但我们需要停止使用旧的想法。”他似乎在告诉我们,解决方案超出了我们过去的思维习惯。

世界各地的城市,州和国家都致力于清洁能源经济,这些经济体的可再生能源水平非常高 - 甚至是100%。 仅在纽约州就有四个相互竞争的法案目标 50%到100%可再生能源 在2040之前或之前。

实际上,只有两种可再生能源 足够大了 在美国供应方面实现这些非常高渗透率的目标 - 太阳能(到目前为止)和风能。

然而,两者都是可变资源,受天气以及日常和季节周期的驱动。 因此,必须“坚定” - 即能够按需交付电力 - 以替换可根据需要发送的化石资源。 根据我们的研究,我们认为,如果我们不再有旧的想法,这种坚定的权力转型不仅是可能的,而且也是可以承受的。

一个根深蒂固,非常普遍的想法 - 可能是历史上高可再生能源价格的结果 - 是可再生资源产生的所有电力必须在产生时出售。 放弃可用的风能或太阳能输出的想法是令人厌恶的,当这些来源的生产超过电网可以接受的时,强加给电力生产商。

这个古老的想法忽略了一个基本命题: 超大并主动减少风能和太阳能。 然而,我们的同事和我们进行的一项研究表明,这些步骤对于通过太阳能和风能主导电网的最便宜之路至关重要。

称重能量储存

过度供应太阳能和风能的原因很简单:

  • 储能 当太阳不发光或风不吹时,它是填补可再生能源变化所需的一种必不可少的成分。 这些差距包括日内时段,例如白天和夜晚的高峰需求时段,更重要的是,持续的低日照或低风条件下的较大的多日和季节性差距。 对于存储,电网运营商 - 确保电力供应在白天上升和下降时匹配需求的组织 - 通常依赖于称为水库的水库 抽水电站 或者,对于较短的时间,电池。

  • 存储越来越便宜,但即使假设最乐观的长期成本预测,我们的 根据一项研究, 我们得出的结论是,由于多日和季节性差距的大小,仅将储存单独应用于坚固的风能或太阳能将仍然过于昂贵。 风能和太阳能也变得便宜得多, 尤其是太阳能到了过度建设越来越便宜的程度。 即使风能和太阳能发电机的输出基本上被倾倒或“缩减”而没有输入电网,情况也是如此。

  • 超大尺寸减少了生产差距,因为在太阳能和风能可用性较低的时期可获得更多的能量输出。 过度建造还降低了存储要求。

如何获得高可再生电网 该图表显示如何提供来自风能和太阳能的全天候储能仅比天然气供应电力(B)的“电网平价”贵得多。 但是存储与过剩的风能和太阳能相结合,在30%的时间内缩减,可能比电网平价更便宜并且按需提供电力(C)。 理查德佩雷斯,卡尔R.拉巴戈, CC BY-ND

产能过剩'紧缩'

今天,目前太阳能和风力发电的监管实践有利于最大限度地提高产量。 经营这些设施的公司寻求以最高价格出售所有产品,因此削减产量被视为收入损失。

这种旧的操作理念抑制了依赖太阳能和风能作为坚固的按需源的过渡,因为它们的所有输出仅在可用时才使用。 这种方法也使可再生能源保持在边际。

具有过度建造的太阳能和风能资源的电网如何在实践中发挥作用? 假设一个区域电网的运营商需要X兆瓦时/天才能满足需求。 今天,该地区的太阳能发电场只能在最高产量的日子里满足或超过这一需求,例如夏季的晴天。 在其他日子,存储满足了生产差距。

相比之下,当太阳能资源超大时,该太阳能发电机可以满足一年中更多天的X MWh /天需求,并且间隙更少 - 因此填充空隙所需的能量存储次数更少。

一旦通过过度供应和存储相结合,可变可再生能源变得有效可分配 - 能够在需要时提供电力 - 并且在功能上等同于传统发电厂。 通过这种方式,可再生能源可以替代这些发电机,而无需进行大规模的电网再造。

我们的团队建模了一个 高太阳能和过度建设的解决方案 因为明尼苏达州并不是特别阳光明媚的州。 目标是确定提供全天候全年能源服务所需的最低成本的并网太阳能,风能和存储组合。

这项研究表明,克服了自然变化太阳能和风能可以在低于当前电网成本(所谓的“电网平价”)的费用由过度建设太阳能和风能资源,采用允许约20%至40%的电网经营战略来实现减少多余的能源生产。 我们的模型中也使用了能量存储,但是优越的经济效益直接来自于将过多的可再生能源替换为更昂贵的存储。

一个合理的问题是全面部署超大型太阳能光伏所需的面积。 明尼苏达州,在最极端的100%光伏发电情景假设加大尺寸的一个因素的2 - 或,以满足当前的需求所需要的太阳能倍增 - 此区域将相当于435平方英里,假设太阳能电池板与国家的最先进的20%的效率。 这个区域代表 低于该州的1% 栽培作物和高密度和中密度城市化空间的一半。

如何获得高可再生电网 电网运营商可以通过在区域基础上管理风能和太阳能而受益,因为他们的高产量时期可以相互补充。 例如,冬季风在夜间通常最强,而太阳能产量在夏季最高。 IIP照片档案, CC BY-NC

调整大型电网的运行方式

除了超大尺寸,缩减和存储优化之外,还有一些业务和规划实践(其中一些现已完成)将进一步提高高太阳能电网的价值和性能,并以最小的中断促进其实现。 他们包括:

  • 利用太阳能和风能的互补性能和可变运行曲线。 在大多数地区,风能和太阳能具有互补的昼夜和季节性生产特征 - 夜间和冬季风力较高,夏季白天PV较高。

  • 利用需求管理 - 减少电力客户位置的电力使用的做法 - 作为减少供需差距的一种方式。

  • 使电网运营商能够对其所在地区内的可再生能源选址和生产管理拥有权力,以便在限制发生或应用存储时做出决策,以区域为基础,最大限度地减少供需缺口。

当可变太阳能发电极其昂贵且坚固的解决方案更加昂贵时,最大化可再生能源生产和避免缩减的态度是有意义的。 然而,最近和预测的交钥匙太阳能,电网管理和存储成本的减少正在改变最佳解决方案集,从过度建造太阳能开始。

清洁能源研究员的高级研究员马克·佩雷斯(Marc Perez)在哥伦比亚大学撰写了关于这一主题的论文,他对本文做出了贡献。 REsurety太阳能分析副总裁Morgan Putnam也做出了贡献。谈话

关于作者

Richard Perez,大气科学研究中心高级研究员, 纽约州立大学奥尔巴尼分校 和法学教授Karl R. Rabago; 佩斯能源与气候中心执行主任, 佩斯大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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