為了獲得高可再生電網(wǎng) 建造更多的太陽能和風(fēng)能

著名的發(fā)明家埃德溫·蘭德說：“我們不需要新的想法，但我們需要停止舊觀念。” 他似乎在告訴我們，解決方案遠遠超出了我們舊的思維習(xí)慣。

世界各地的城市，州和國家都致力于清潔能源經(jīng)濟，這些經(jīng)濟體的可再生能源水平非常高，甚至100%。僅在紐約州，四個相互競爭的法案就在2040年或之前達到50%至100%的可再生能源。

實際上，只有兩種可再生能源足夠大，可以滿足美國太陽能(遠期)和風(fēng)能供應(yīng)方面的這些非常高滲透率的目標。

然而，兩者都是可變資源，受天氣以及日常和季節(jié)周期的驅(qū)動。因此，他們必須“堅定 - 即能夠按需交付電力 - 以替換可根據(jù)需要發(fā)送的化石資源。根據(jù)我們的研究，我們認為這種堅定的電力轉(zhuǎn)型不僅是可能的，它是也是負擔(dān)得起的 - 如果我們不再有舊想法。

一個根深蒂固，非常普遍的想法 - 可能是歷史上高可再生能源價格的結(jié)果 - 是可再生資源產(chǎn)生的所有電力必須在其產(chǎn)生時出售。放棄可用的風(fēng)能或太陽能輸出的想法是令人厭惡的，當這些來源的生產(chǎn)超過電網(wǎng)可以接受的時，強加給電力生產(chǎn)商。

這個古老的想法忽略了一個基本命題：超大并主動減少風(fēng)能和太陽能。然而，我們的同事和我們進行的一項研究表明，這些步驟對于通過太陽能和風(fēng)能主導(dǎo)電網(wǎng)的最便宜之路至關(guān)重要。

稱重能量儲存

過度供應(yīng)太陽能和風(fēng)能的原因很簡單：

當太陽不發(fā)光或風(fēng)不吹時，儲能是填補可再生能源變化所需的一種必不可少的成分。這些差距包括日內(nèi)時段，例如白天和夜晚的高峰需求時段，更重要的是，持續(xù)的低日照或低風(fēng)條件下的較大的多日和季節(jié)性差距。對于存儲，電網(wǎng)運營商 - 確保電力供應(yīng)的組織在白天上升和下降時匹配需求 - 通常依賴于稱為抽水蓄能器的蓄水池，或者在較短時間內(nèi)蓄電池。

存儲越來越便宜，但即使假設(shè)最樂觀的長期成本預(yù)測，我們的研究也使我們得出結(jié)論，由于多日和季節(jié)性差距的大小，僅將儲存單獨應(yīng)用于風(fēng)能或太陽能將仍然過于昂貴。風(fēng)能和太陽能也變得便宜得多，特別是太陽能，以至于過度建設(shè)越來越便宜。即使風(fēng)能和太陽能發(fā)電機的輸出基本上被傾倒或“縮減”而沒有輸入電網(wǎng)，情況也是如此。

超大尺寸減少了生產(chǎn)差距，因為在太陽能和風(fēng)能可用性較低的時期可獲得更多的能量輸出。過度建造還降低了存儲要求。

“緊縮”產(chǎn)能過剩

今天，目前太陽能和風(fēng)力發(fā)電的監(jiān)管實踐有利于最大限度地提高產(chǎn)量。經(jīng)營這些設(shè)施的公司尋求以最高價格出售所有產(chǎn)品，因此削減產(chǎn)量被視為收入損失。

這種舊的操作理念抑制了依賴太陽能和風(fēng)能作為堅固的按需源的過渡，因為它們的所有輸出僅在可用時才使用。這種方法也使可再生能源保持在邊際。

具有過度建造的太陽能和風(fēng)能資源的電網(wǎng)如何在實踐中發(fā)揮作用?假設(shè)一個區(qū)域電網(wǎng)的運營商需要X兆瓦時/天才能滿足需求。今天，該地區(qū)的太陽能發(fā)電場只能在最高產(chǎn)量的日子里滿足或超過這一需求，例如夏季的晴天。在其他日子，存儲滿足了生產(chǎn)差距。

相比之下，當太陽能資源超大時，該太陽能發(fā)電機可以滿足一年中更多天的X MWh /天需求，并且間隙更少 - 因此填充間隙所需的能量存儲的次數(shù)更少。

一旦通過過度供應(yīng)和存儲的組合確定，可變的可再生能源變得有效地可調(diào)度 - 能夠在需要時提供電力并且在功能上等同于傳統(tǒng)發(fā)電廠。通過這種方式，可再生能源可以替代這些發(fā)電機，而無需進行大規(guī)模的電網(wǎng)再造。

我們的團隊為明尼蘇達州特別陽光明媚的州建立了一個高太陽能和過度建造的解決方案。目標是確定提供全天候全年能源服務(wù)所需的最低成本的并網(wǎng)太陽能，風(fēng)能和存儲組合。

該研究表明，克服太陽能和風(fēng)能的自然變化可以通過過度建造太陽能和風(fēng)能資源以及采用允許約20%至40%的電網(wǎng)運行策略，以低于當前電網(wǎng)成本(所謂的“電網(wǎng)平價”)的成本來實現(xiàn)。減少多余的能源生產(chǎn)。我們的模型中也使用了能量存儲，但是優(yōu)越的經(jīng)濟效益直接來自于將過多的可再生能源替換為更昂貴的存儲。

一個合理的問題是全面部署超大型太陽能光伏所需的面積。對于明尼蘇達州來說，在最極端的100%光伏發(fā)電場景中，假設(shè)超大兩倍或者是滿足當前需求所需太陽能的兩倍 - 這個面積將達到435平方英里，假設(shè)太陽能電池板具有最先進的技術(shù)水平效率為20%。該地區(qū)占該州耕地作物的不到1%，占高密度和中密度城市化空間的一半。

調(diào)整大型電網(wǎng)的運行方式

除了超大，縮減和存儲優(yōu)化之外，現(xiàn)在已經(jīng)完成了一些操作和規(guī)劃實踐，其中一些已經(jīng)完成，將進一步提高高太陽能電網(wǎng)的價值和性能，并以最小的中斷促進其實現(xiàn)。他們包括：

利用太陽能和風(fēng)能的互補性能和可變運行曲線。在大多數(shù)地區(qū)，風(fēng)能和太陽能具有互補的晝夜和季節(jié)性生產(chǎn)特征 - 夜間和冬季風(fēng)力較高，夏季白天PV較高。

利用需求管理 - 減少電力客戶位置的電力使用的做法 - 作為減少供需差距的一種方式。

使電網(wǎng)運營商能夠?qū)ζ渌诘貐^(qū)內(nèi)的可再生能源選址和生產(chǎn)管理擁有權(quán)力，以便在限制發(fā)生或應(yīng)用存儲時做出決策，以區(qū)域為基礎(chǔ)，最大限度地減少供需缺口。

當可變太陽能發(fā)電極其昂貴且堅固的解決方案更加昂貴時，最大化可再生能源生產(chǎn)和避免縮減的態(tài)度是有意義的。然而，最近和預(yù)測的交鑰匙太陽能，電網(wǎng)管理和存儲成本的減少正在改變最佳解決方案集，從過度建造太陽能開始。