最便宜的方式扩大风能和太阳能?

最便宜的方式扩大风能和太阳能?

风能和太阳能是减少碳排放的一种方式,但这些发电源依赖于天气的变幻莫测,这意味着风和太阳能都不能在一天中的所有时间按需生产电力。 这种可变性导致许多人认为,大幅扩大风能和太阳能以减少碳排放将导致电力成本急剧上升并需要昂贵的能源储存。

我和我的同事刚刚发表了一篇文章 新的研究 表明这种假设是不正确的。 事实上,如果美国转向国家48国家电力系统,而不是现在的区域电力系统,该国将能够在全国范围内运输更多的可再生能源。 在没有使用任何存储技术的情况下,这一变化可以使CO2以比现在更低的成本降低78%。

使用计算机模型,我们发现这个更大的电力系统将更有效地利用电力,而不管其中的发电机。 我们建模的国家风格系统与目前分为大约130地区的系统之间的成本降低每年为47亿。 这相当于每千瓦时(kWh)的8.5和10.2之间的电力成本,而目前的全国平均水平为 每千瓦时12.7美分.

电子高速公路

我们的研究基于一个名为国家能源与天气系统(NEWS)模拟器的模型。 NEWS模拟器是一种成本优化模型,可以不懈地寻求最低成本的解决方案。

它包括电网的功能,例如传输,发电机,电力需求,土地使用限制,发电机行为,天气数据和发电机的成本数据。 为了弄清楚如何最大限度地降低成本,NEWS模型将根据长距离输送电力的可用发电机和输电线路计算如何每一小时供电一整年。

我们的模型有一些独特之处:高压直流(HVDC)传输覆盖。

在概念上,这与覆盖在道路网络上的州际公路系统非常相似。 与传统电力线相比,高压直流输电技术具有一大优势:从一个点到另一个点传输电力的能量损失更少。 它通过使用直流电而不是交流电并在更高的电压下工作来实现这一点。

HVDC今天在美国使用。 但是,它被部署为单个(或少数)发电机到远程市场的点对点系统。 其中最着名的是太平洋直流交通枢纽(Pacific DC intertie),它将太平洋西北部的电力输送到洛杉矶,提供丰富的水力发电。 高峰需求时数的48%功率。 NEWS模型的不同之处在于HVDC部署在网络中,而不是简单的点对点配置,这允许更多地利用线路以使电力在多个方向上的区域之间流动。

美国红色的风电潜力估计显示高潜力,蓝色低。 Chris Clack / CIRES,作者提供 美国红色的风电潜力估计显示高潜力,蓝色低。 Chris Clack / CIRES,作者提供 重要的是,NEWS模型并未假设应将更多传输线添加到当前网格中。 但如果模型认为经济实惠,它确实会引入新的传输容量。 有趣的是,NEWS模型总是选择HVDC传输。 为什么? 高压直流输电线路的可用性允许形成更大的市场,然后从规模经济中受益。

实际上,这意味着平原州的风力发电机可以向需求旺盛的国家(如大城市)输出更多电力。 就像现在一样,风力发电机仅在区域内支持电力,有时提供比一天中某些时间所需的电力更多的电力。

在一个区域系统中,堪称堪萨斯州,风能和太阳能的规模往往是生产过剩期和生产期。 这导致成本增加,因为风能和太阳能发电机在过度生产期间需要缩减或关闭。 为了应对生产中的失误,电网运营商需要依靠化石燃料电厂的备用发电。

通过国家系统,发电机可以战略性地放置在相邻的美国,以减少这种影响并降低总体成本。 高压直流输电有助于将电力从远距离移动到比传统交流电损耗更低的城市。

可再生能源方案

为了进行这项研究,从2006到2008,编制了三年中每小时的高分辨率天气数据。 然后将天气数据用作复杂功率算法的输入,以估算美国各地风力涡轮机和太阳能光伏板可能产生的功率。

此外,我们在美国各地编制了电力需求数据。由于天气是电力需求的基本驱动因素,因此需要数据。 然后我们将需求数据预测到2030。

由于风能和太阳能的部署受到许多限制,我们将土地利用考虑因素纳入模型。 编制了土地利用数据集,以确定可以部署风能和太阳能的地点,而不会干扰受保护的土地。

使用这些不同的数据集以及2030中的预计发电成本,我们进行了不同的模拟,以研究这些因素如何影响区域发电机组合,同时最大限度地降低总成本。

减少排放最多的情景是风力和太阳能光伏发电; 在523中,371千兆瓦(GW)的风和60千兆瓦的太阳能PV与2.5 GW和2012 GW相比。 在这种情况下,只有461 GW的天然气(比今天少)。

这相当于风的38%,风的17%,天然气的21%,核电和水电的余量。 在2012中,风量占3.5%,太阳能占1%,天然气占30%。

同样,这个解决方案是最便宜的解决方案。

要达到这种水平的太阳能和风能 - 从今天的水平上大幅提升 - 确实需要在模型中使用新的传输线。

该模型建造的新型高压直流输电量为139万兆瓦英里,这是一项重大的基础设施建设。 这听起来很大,但它只代表每年系统总成本的4%。

储能怎么样?

NEWS模型在集成更高水平的风能和太阳能的研究中是独一无二的,因为它处理大量的天气数据,同时计算电网的重要方面,例如对发电机的限制,发电机的停机时间,发电机的功率流。输电线路,电力损耗在系统周围改变电力,满足每个市场每小时的需求和其他运行限制。 此外,它包括所有技术选项; 它只寻求最低成本的选择。

电可以以多种方式存储,例如从水库抽水和重新浇水或安装大型电池组。 在初始模型运行中,与添加传输或天然气发电机(纯粹基于成本)相比,使用2030的成本估算,电存储没有竞争力。

NEWS模型是一种工具,有助于了解如何在保持低成本的同时转换电网。 低成本绝对必要,因为增加能源成本以减少碳减排可能会带来经济困难。

发展脱碳经济和社会有许多不利因素。 但是,NEWS模型已经表明,风能和太阳能光伏发电与高压直流输电相结合,实际上可以大大减少电力行业的排放。

即使没有新的奇迹电池或电存储行业的创新,这也是事实,尽管廉价,有效的电存储将有助于整合可再生能源。

要从整个经济中去除碳,必须首先对电力进行脱碳处理。 如果可以低成本完成,那么其他部门也可以效仿。 将风能,太阳能,天然气和输电相结合是实现零排放未来的可能桥梁。

关于作者谈话

克里斯托弗克拉克,国家海洋和大气管理局研究科学家。 他是研究风能和太阳能现场优化的团队的技术负责人。 目标是确定美国在多大程度上可以支持可再生能源,以及在何处放置这些来源,以提供最便宜,最有效的发电系统,同时尽可能减少对环境的影响。

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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