Največji izziv sončne energije je bil odkrit pred 10 leti. Izgleda kot raca.

Raziskovalec razpravlja o krivulji race, ki jo je pomagal odkriti.

Leta 2008 je skupina raziskovalcev v Nacionalnem laboratoriju za obnovljivo energijo (NREL) opazila smešno obliko v svojem modeliranju.

Začeli so resno jemati sončne fotonapetostne (PV) plošče in izvajali projekcije, kaj bi se lahko zgodilo, če bi fotovoltaične (PV) razširile v velikem obsegu. Opazili so, da je obsežna uvedba imela poseben učinek na krivuljo obremenitve z električno energijo, obliko, ki jo ima povpraševanje po elektriki čez dan.



Tipična krivulja obremenitve izgleda nekako takole:

krivulja električne obremenitve EIA

Kot lahko vidite, povpraševanje naraste zjutraj (ko se vsi zbudijo) in znova zvečer (ko se vsi vrnejo iz službe), preden se ponoči zmanjšajo.

Ta krivulja je iz Nove Anglije, jeseni. Krivulja je v različnih regijah in v različnih letnih časih videti nekoliko drugače – obstajajo različno veliki vrhovi in ​​rampe –, vendar običajno spada v dokaj ozek in predvidljiv razpon.

Dokler ne pride sončna PV!

Morda se zdi protiintuitivno, vendar ljudje, ki upravljajo električno omrežje, v resnici ne razmišljajo o sončni energiji kot o konvencionalni oskrbi. Ne morejo ga nadzorovati ali odpreti po lastnem urniku. Pride in gre s soncem; morajo to ugoditi. Torej z vidika operaterja omrežja več sončne (ali vetrne) energije izgleda kot zmanjšanje povpraševanja po njihovi dispečljivi moči.

Skupna obremenitev minus obnovljiva energija je znana kot neto obremenitev. To so ciljne službe, ki jih morajo zadeti s svojimi viri, ki jih je mogoče odpreti.

Ker je v omrežje vključenih vedno več solarnih PV, začne dramatično zmanjševati neto obremenitev sredi dneva, ko je sonce zunaj. Krivulja neto obremenitve se sredi dneva spusti (kot trebuh) in se nato dvigne nazaj, ko sonce zaide (kot vrat). Takole:

cali duck krivulja januar OVITEK

To je tako kot tista prva krivulja obremenitve, ki sem vam jo pokazal – vrh zjutraj, vrh zvečer – le vmes je ogromen upad, ki postane večji, ko se doda več sonca.

Takrat je kalifornijski neodvisni operater storitev (CAISO, operater kalifornijskega energetskega omrežja) opazil isto stvar. Spoznali so, da visoke ravni sončne penetracije začnejo ustvarjati krivuljo neto obremenitve, ki izgleda ... no, kot raca. Tako je račja krivulja .

kalifornijska krivulja race. OVITEK

Se ne vidi čisto? Evo, naj pomagam:

račja krivulja CAISO/Jordan Wirfs-Brock

Zdaj je minilo 10 let od usodnega odkritja NREL, vmes pa je krivulja račje postala resna grožnja soncu in skupna obsedenost skupnosti čiste energije.

Če se ne reši, se lahko stvari pokvarijo. V bližnji prihodnosti bi lahko komunalna podjetja redno povečali svoje odpremljive obrate za jutranji vrhunec, nato zmanjšali ali zaprli skoraj vse te elektrarne, ko je sonce zunaj, in jih nato vse (hitro) znova vključili v sonce zahaja.

Vse to napenjanje in zaustavitev-zagon je drago in neznano za upravljavce številnih elektrarn na fosilna goriva. Če napetost postane previsoka, se lahko sončna ekspanzija zaduši.

Na srečo je rešitev za krivuljo račje veliko – vse vrste možnosti za bolj prilagodljivo mrežo ter zmehčanje vrhov in ramp. Deloma zahvaljujoč zgodnjim opozorilom oblikovalcev energetskih modelov se komunalna podjetja in operaterji omrežij začenjajo prebujati glede tega vprašanja in sprejemati ukrepe za njegovo reševanje.

Za 10. rojstni dan račje krivulje sem poklical Paula Denholma, raziskovalca, ki je marca vodil prvotno skupino na NREL. V laboratoriju je od leta 2004, preučuje elektroenergetske sisteme in solarno integracijo in ima veliko za povedati o tem, kako najbolje ravnati z raco - nekaj je nerazumljivo. (Na primer, v redu je, da tu in tam zapravi malo sončne energije.)

Pogovor, ki sem ga uredil zaradi dolžine in jasnosti, postane precej energičen. Če pa imate radi uganke, vam bo ta všeč.

Zgodovina račje krivulje

David Roberts

Povej mi malo o zgodovini račje krivulje.

Paul Denholm

Ena prvih stvari, ki sem jih naredil, ko sem se pridružil [NREL], je bila delo Robert Margolis modelirati, kako bi potrošniki lahko sprejeli PV. Ko smo vnesli projekcije [cene], ki smo jih dobili od solarnega programa [NREL], je bilo nekako tako, vau, to bi se dejansko lahko zgodilo! Kalifornija bi lahko dejansko začela uvajati znatne količine sončne energije v časovnem okviru 2010, '15, '20.

Hkrati s tem je vetrni program podpiral nekatere prve študije integracije vetrnih elektrarn. In solarni program je mislil, hej, tudi to moramo storiti. Če se bo to dejansko zgodilo, moramo začeti preučevati tudi sončno energijo na omrežju.

Tako smo naslednji večji projekt, na katerem sem delal, začeli simulirati sončno energijo na omrežju in izvedli nekaj prvih študij sončne integracije. Začeli smo modelirati, kaj se zgodi, če Kalifornija doseže 10, 15 odstotkov sončne energije. Takrat smo opazili te čudne oblike, ki so se dogajale spomladi.

Nismo imeli vpogleda ali umetniške sposobnosti, da bi si izmislili kul ime. [smeh] CAISO je to naredil. [CAISO je pripravil krivuljo race.] Toda to obliko smo ustvarili februarja 2008.

zgodnja krivulja race

Najstarejša znana predstavitev strašne race iz leta 2008.

NREL

Naučiti se narediti elektrarne z osnovno obremenitvijo bolj prilagodljive

David Roberts

Ko gledate 10 let naprej na res hudo krivuljo race, kaj vidite kot najbolj učinkovite rešitve?

Paul Denholm

Veliko ljudi v industriji uporablja ta koncept krivulje ponudbe prilagodljivosti, ki pomeni, da najprej uporabite najbolj stroškovno učinkovito možnost prilagodljivosti.

Če pomislimo nazaj na zgodnji del 2000-ih, ko so ljudje zaradi vetra začeli skrbeti za to, skladiščenje ni bilo niti približno stroškovno učinkovito. Med skladiščniki in vetrnimi ljudmi je bilo veliko nesoglasij, saj se veter res upira skladiščenju, menim, da je upravičeno. Rekli so, počakajte sekundo, obstajajo veliko bolj stroškovno učinkoviti ukrepi za obvladovanje omejevanja vetra in izzivov integracije.

Prvih osem let sem bil torej osredotočen na stroškovno učinkovitejše ukrepe. Veliko jih je precej dolgočasnih in ne dobijo veliko pozornosti. Naučite se bolje povečati svoje elektrarne na premog in plin – to je resnična stvar, res je pomembna, vendar ni seksi.

David Roberts

Misliš, da bi jih tehnično ali ekonomsko bolje izboljšali?

Paul Denholm

Oboje. Imate elektrarne na premog ali plin, ki so bile zasnovane kot osnovna obremenitev ali vmesna obremenitev z malo zmožnosti sledenja obremenitvi, operaterji pa preprosto niso bili navajeni premikati te naprave v velikem razponu.

Tehnično bi lahko. Pogledate specifikacije, kaj proizvajalci pravijo, da zmorejo, in pravijo, da lahko rastline udobno dvignejo več kot 50 odstotkov svojega obsega. A operaterji v to nikoli niso bili prisiljeni, zato je bilo, odkrito povedano, veliko institucionalnih vprašanj.

Delo NREL in drugih je spodbujalo ekonomijo, rekoč, hej, če vaš obrat povečate za dodatnih 10 točk na dan, ja, bo to naložilo malo dodatnih stroškov kolesarjenja, vendar korist izogibanja zmanjševanju močno odtehta te stroške.

Če bi imeli ta pogovor pred petimi leti, bi rekel, da se mora institucionalna kultura začeti spreminjati. Ampak to je v teku. Zdaj je veliko manj odpora. Te službe se zdaj pogovarjajo med seboj in se učijo, kaj lahko storijo in kakšni so izzivi.

premogovnik

Ramp hitreje.

Shutterstock

David Roberts

Verjetno se zavedate ogrevan razprava o tem, kako prilagodljive so lahko jedrske elektrarne, ali lahko sledijo obremenitvi. Kakšno je vaše mnenje o tem?

Paul Denholm

Poglejte, Francozi že leta napenjajo svojo jedrsko bombo. To počnejo vsak dan. Večkrat sem se pogovarjal z ljudmi iz Électricité de France in pravijo, da ni nič hudega. Je del institucionalne kulture.

Toda govoril sem z nekaterimi jedrskimi ljudmi tukaj v ZDA in imajo upravičene pomisleke. Tukaj nismo naredili [naloži naslednje]. Obstajajo varnostne težave, toplotna obremenitev v elektrarni in nekatere od teh rastlin dosegajo konec svoje življenjske dobe.

Torej na splošno bom dal jedrske elektrarne vstopnico. V tej državi ni toliko jedrskih elektrarn, da bi bile največja prioriteta. Večja prednostna naloga je maksimiranje inherentne fleksibilnosti fosilne termalne flote.

Pokrivanje širšega geografskega območja z obnovljivimi viri in energetskimi trgi

David Roberts

Vendar pa hitrejše rampe ne morejo slediti večno, kajne?

Paul Denholm

Tako je. Ne gre za eno samo rešitev; res je nabor možnosti.

Ena stvar, o kateri govorimo, je prostorska raznolikost [tj. širjenje obnovljivih virov energije na večjem geografskem ozemlju] in vloga večjih odtisov [tj. večjih povezanih energetskih trgov] – stvari, kot so trg energetskih neravnovesij (EIM), kjer lahko Kalifornija proda presežek energije svojim sosedom.

kako dobiti tableto za splav

Če obstaja način, da delite sonce z kraji, ki nimajo toliko sonca, to pomaga vsem. Veterniki o tem govorijo že več kot desetletje.

Prostorska raznolikost je omejena. Imamo le tri ali štiri ure časa sončna prostorska raznolikost po vsej državi, od vzhoda proti zahodu – ko je v Maineu 4 zjutraj, je v Kaliforniji polnoč – tako da boste prišli le tako daleč.

Toda naredimo vse te stvari, ki ne stanejo veliko. Uvedba trgov je precej poceni rešitev.

David Roberts

V kolikšni meri so uporabni regulativni modeli ovira pri reševanju tega problema?

Paul Denholm

[žalosten smeh] Razširitev [dereguliranih] trgov ISO/RTO je prinesla veliko prednosti za delovanje sistema. Imamo učinkovitejšo ekonomsko dispečiranje sistema, veliko večjo preglednost.

Toda to je en primer, ko imajo vertikalno integrirani pripomočki rahlo prednost. Lahko gledajo na sistem kot celoto – ne samo na to posamezno elektrarno, temveč na 12 elektrarn ter njihovo floto vetrnih in sončnih elektrarn. Lahko pogledajo skupne stroške vsega tega. Ko imate lastnika ene rastline, so izzivi.

Več načinov, kako zrediti ali sploščiti raco: prilagodljivost, EV in prestavljanje povpraševanja

David Roberts

Kaj pa zmanjšanje neprilagodljive zmogljivosti osnovne obremenitve [premog in jedrske elektrarne], da bi naredili več prostora za obnovljive vire energije?

Paul Denholm

Govorimo o pitanju race ali sploščenju race. Pita je početje vseh stvari, ki puščajo račji trebuh rasti, in zmanjšanje nefleksibilnosti je ena od teh stvari. Če govorite o obstoječih jedrskih elektrarnah, je malo čudno, da jih umaknete, da povečate sonce - en vir brez ogljika menjate za drugega.

David Roberts

Kako veliko vlogo bo pri izravnavanju race igralo prestavljanje? Ali lahko prestavimo veliko povpraševanja pod trebuh, da vpijemo nekaj te moči?

Paul Denholm

Očitno bi rad imel super fleksibilno povpraševanje. Okoli tega je treba načrtovati, pa tudi družbeno sprejemljive metode, da bi ljudem omogočili uporabo električne energije na ekonomsko najbolj učinkovit način.

Zanima me, kaj bomo dobili, ko bomo stranke začeli izpostavljati različnim cenam? Preliminarne številke, ki sem jih videl, so razočarano nizke. Zelo zanimivo bo videti, koliko povpraševanja lahko premaknemo.

David Roberts

Kaj pa električna vozila (EV)? Intuitivno se zdi, da bi ogromna, razpršena flota baterij lahko pomagala črpati obnovljivo energijo v času presežka.

Paul Denholm

[NREL] je opravil kar nekaj dela na tem, saj je preučil, kako pošiljate prave signale o ceni, tako da so ljudje spodbujeni, da zaračunavajo na pravi način.

vozilo na omrežje

Ali delaš prav?

Shutterstock

Splošna ideja je, da prideš domov, priklopiš avto in tvoj inteligentni avto pošilja signale. Piše, ne polni zdaj. Ura je 17, 18:00, zdaj je najslabši čas za polnjenje. Avto bo vedel, da njegova oseba večino časa ne potrebuje avta do 6. ure zjutraj, zato bo [polnila] prekinila do polnoči ali 1. ure zjutraj, upajmo, da večinoma ali v celoti izven konice veter.

Pelješ se v službo in se priklopiš, ura je 8, 9 zjutraj, sonca še ni dovolj, tako da bo [avto] spet počakal do 11. ure. Vedel bo, da so cene nizke in se zaračunavajo do 14, 15. ure.

Če narediš to matematiko, EV-ji zelo pomagajo. Na srečo način, kako ljudje uporabljajo svoje avtomobile, ustreza. Potrebovali bomo samo pravo inteligenco v sistemu, pošiljanje pravih ekonomskih signalov [tj. zaračunavanje različnih stopenj čez dan, več, ko je električna energija draga, manj, če je cenejša].

Veter dopolnjuje sonce, vendar ne dovolj

David Roberts

Ali obstaja kakšna analogna živalska krivulja, ki jo povzroča moč vetra?

Paul Denholm

Veter je samo drugačen. Pri soncu, ki ga hkrati otežuje in olajša, je, da je sredi dneva močan udarec. Veter je veliko bolj razpršen in iz dneva v dan ne vidite značilnega vzorca.

Največji izziv pri vetru je, da ponavadi piha več ponoči, izven vrha, kar vodi do te sinergije med vetrom in soncem – veter pokriva več vaše nočne obremenitve, PV pokriva več vaše dnevne obremenitve.

To do določene mere drži, vendar tega pojava ne želim pretiravati. Spomladi imamo toliko vetra in toliko sončne energije spomladi, ko je povpraševanje nizko [zaradi nižjih temperatur], tako da ja, v nekem smislu se dopolnjujeta, vendar sezonska narava vetra in sonca pomeni, da ni. Ni tako super, kot bi si marsikdo želel, da bi bilo. Ampak jaz ga bom vzel!

David Roberts

Veter in sonce se torej dopolnjujeta, vendar ne dovolj, da bi rešili problem ali pokrili vrzeli.

Paul Denholm

Ne bomo prišli do 100 odstotkov [obnovljive energije] samo z vetrom in soncem, ne da bi naredili nekaj drugega.

Zakaj bomo morda morali zavreči nekaj sončne energije

David Roberts

Račja krivulja se bo le še poslabšala in zdi se, da rešitve ne prihajajo na splet tako hitro kot sončna energija, ki nenehno pada v ceno. Se bo kaj zlomilo?

Paul Denholm

Ko govorimo o nečem, moramo biti zelo previdni. Edina stvar, ki se bo zlomila, je ekonomija sončne energije. Luči bodo ostale prižgane. Vse, na kar pride, je večja omejitev.

Če bi bilo vse strešno solarno, bi bil to velik problem, ker ISO tega ne more nadzorovati. Na srečo je dovolj velik delež sončne energije uporabna lestvica, ki jo lahko ISO končno izklopi. In prav to se bo zgodilo, čedalje več zmanjševanja, dokler ljudje ne rečejo, da je dovolj [in prenehajo graditi sončno energijo] ali da se uvedejo ekonomske rešitve.

sončna omejitev KQED

Tam sem vesel, da sem optimist glede cene shranjevanja energije. Želim si, da bi se vse te stvari zgodile, izboljšanje na strani prožnosti, rast trga energetskega neravnovesja, vse napol dolgočasne stvari, o katerih sem govoril. Toda na koncu je največje kladivo v orodju shranjevanje energije.

Vse projekcije, ki jih vidim, pravijo, da bi morale do leta 2020 štiriurne baterije biti konkurenčne največjim virom v večjem delu Kalifornije. Potem imate potencialno večmegavatni ali celo več gigavatni pomivalnik za vsaj nekaj te zmanjšane sončne energije. To je – držim pesti – rešitev, za katero se zdi, da bi lahko prišla v poštev.

Toda na svet krčenja se bomo morali navaditi. Ko se preselimo v svet, bogat z obnovljivimi viri energije, bodo velike količine zmanjšanja spomladi postale običajen način delovanja.

zakaj je zdrava hrana tako draga

David Roberts

Zmanjšanje se mi zdi noro. Zagotovo je kakršna koli uporaba sončne energije bolj ekonomična kot jo zavreči. Ali zniževanje vidite kot znak neuspeha?

Paul Denholm

Nad mizo imam napis, ki pravi: Ne boj se zmanjšanja. [smeh] Tako dolgo se ukvarjam s tem.

Je to znak, da nekaj ni čisto v redu? ja. Če povprečnega potrošnika izpostavite resničnim cenam električne energije – recimo, da bo opoldne poceni in 0,50 USD/kWh ob 18. uri – potem ja, boste opazili premik v vedenju potrošnikov.

Toda kolikšen delež porabnikov električne energije v državi je izpostavljen dejanskim veleprodajnim cenam v realnem času? Če niste velik industrijski potrošnik, ni pomembno.

Na pomivalnem stroju imam gumb, ki mi omogoča, da odložim začetek za dve ali štiri ali šest ur, in nimam spodbude, da bi pritisnil na ta gumb [ker so cene fiksne in se ves dan nespremenljive]. Tukaj v Koloradu vem, da omejujemo veter, vendar ne morem vedeti, kdaj. Neke noči bi [služba] lahko odvrgla veter; drugo noč bi lahko bil premog na robu. Raje bi nekaj naredil s tem prostim vetrom, a nimam pojma, kdaj ga moj lokalni komunalni servis zavrže. Naj pritisnem ta gumb!

vetrna energija

Vrzi stran.

Shutterstock

Vseeno morate razmisliti o tem, koliko zmanjševanja je in kaj to pomeni. Če omejimo 2 odstotka vetra ali sonca in 98 odstotkov časa ne, je svet v redu.

Nikoli ne govorimo o zmanjševanju elektrarn na premog ali plin. Rudniška elektrarna na premog, nekatere od teh elektrarn so nekoč lahko proizvedle za 5 $/MWh in bi še vedno morale rasti, ker ni bilo dovolj povpraševanja. Namesto da bi imeli 95-odstotni faktor zmogljivosti, bi morda delovali z 80 ali 85. Nihče ni kričal o tem, čeprav smo zmanjševali zmogljivosti premogovniške elektrarne.

David Roberts

Ko omejite elektrarno na premog, imate še vedno gorivo. Ne zapravljaš.

Paul Denholm

Toda kolikšen delež LCOE [uravnanih stroškov energije] premogovne elektrarne v rudniku je gorivo? To je majhen delček. Stroški elektrarne so glavni sestavni del LCOE, zato, ko omejim proizvodnjo iz te premogovne elektrarne, izgubljam priložnost, da povrnem stroške naložbe v to res drago sredstvo.

To je eden od razlogov, zakaj pravim, da se ne bojte zmanjšanja. Lahko je del ekonomije elektroenergetskega sistema. Ko začneš zmanjševati 30 ali 40 ali 50 odstotkov, je to problem. Ampak te majhne količine zmanjšanja sem ter tja me ne skrbi preveč.

So pokazatelji, da moramo nekaj storiti glede tega, poslabšalo se bo, zato bodimo inteligentni, poskrbimo za ekonomiste, da oblikujejo ustrezne trge in strukture ocen, naj inženirji pripravijo rešitve, pustimo industriji, da pripravi zanimivi in ​​novi načini uporabe električne energije.

Sveti gral: cenovno ugodno shranjevanje energije

David Roberts

Pogosto se trdi, da bo sistem, ki temelji na vetru in soncu, potreboval ogromno prostora za shranjevanje – ne le na uro, ampak dnevno ali celo sezonsko – in da baterije niso kos nalogi. Zato bomo morali bodisi omejiti obseg obnovljivih virov energije ali poiskati kakšno drugo poceni, obsežno, dolgoročno skladišče. Kakšno je vaše mnenje?

Paul Denholm

Tu za mizo za kosilo porabimo ogromno časa za pogovor o tej temi – za to se porabi veliko kalorij. Zato vam bom povedal, kar bi rekel, da je neformalno splošno soglasje o scenarijih obnovljivih virov energije z izjemno visoko penetracijo.

Pojavlja se soglasje, da lahko verjetno naredimo 80 odstotkov [obnovljivih virov energije] z neko kombinacijo prostorske raznolikosti in kratkotrajnega shranjevanja.

Dnevne izmene se lahko spopademo s kratkotrajnim skladiščenjem in ne preveč. Ko smo naredili svoje Prihodnost električne energije iz obnovljivih virov študijo leta 2012 smo dobili do 80 odstotkov obnovljivih virov energije s samo približno 100 GW dodatnega prostora za shranjevanje. Ni to veliko.

NREL 80-odstotni scenarij obnovljivih virov energije

Krivulja obremenitve v scenariju NREL 80 odstotkov obnovljivih virov energije.

NREL

Kaj je torej zadnjih 20 odstotkov?

Nekateri bi lahko rekli, zakaj 80 odstotkov ni dovolj dobro? Osemdeset odstotkov obnovljivih virov energije in 20 odstotkov plina, v veliki meri ste dekarbonizirali sektor električne energije, elektrificirali ste transportni park, vsi so zadovoljni. Kaj pa, če to ni dovolj dobro in moramo iti še dlje?

Za 100 odstotkov mislim, da pravzaprav ne vemo, katera je prava stroškovno optimalna rešitev. Težava je sezonska narava vetra in sonca.

David Roberts

Toda tudi za dosego 80 odstotkov je potrebno vsedržavno prenosno omrežje, kajne?

Paul Denholm

Zgradili smo veliko prenosov. Naredili smo nekaj primerov, ko nismo dovolili toliko prenosa, in smo samo zgradili več fotovoltaične energije in več prostora za shranjevanje. Očitno me družbene skrbi glede novega prenosa res skrbijo. Rad bi videl več prenosa.

Ampak ja, sezonska narava težave bo nekaj zahtevala. Mogoče gre za proizvodnjo [sintetičnih] goriv, ​​morda za sezonsko skladiščenje, ne vem. Če bi imel odgovor izdelan, verjetno ne bi imel več službe.

Nismo še 100-odstotni. Nismo niti pri 80 ali 50. Nadaljujmo s tem, kar vemo, nadaljujmo z razvojem sončne energije in vetra ter baterij, drugih strategij brez obžalovanja. Mislim, da lahko nadaljujemo po tej poti in rad bi mislil, da bomo tja prišli.