В своей статье, опубликованной в виде рукописи на этой неделе в журнале «Возобновляемая энергия», исследователи предлагают три различных метода обеспечения согласованного энергоснабжения всех секторов энергетики — транспорт; отопление и охлаждение; промышленность; и сельское хозяйство, лесное хозяйство и рыболовство — в 20 регионах мира, охватывающих 139 стран, после того, как все отрасли были переведены на 100-процентную чистую возобновляемую энергию. Якобсон и его коллеги ранее разработали дорожные карты для перехода 139 стран на 100-процентную чистую возобновляемую энергию к 2050 году, при этом 80 процентов этого перехода будет завершено к 2030 году. В настоящем исследовании изучаются способы сохранения стабильности энергосистемы с помощью этих дорожных карт.
«Основываясь на этих результатах, я могу более уверенно заявить, что нет никаких технических или экономических препятствий для перехода всего мира на 100-процентную чистую возобновляемую энергию со стабильной электросетью по низкой цене», — сказал Якобсон, который также является старшим научным сотрудником. в Стэнфордском институте энергетики Прекурта и Стэнфордском Вудском институте окружающей среды. «Это решение будет иметь большое значение для устранения глобального потепления и от 4 до 7 миллионов смертей, связанных с загрязнением воздуха, которые происходят во всем мире каждый год, а также обеспечит энергетическую безопасность».Этот документ основан на предыдущем исследовании 2015 года, проведенном Якобсоном и его коллегами, в котором изучалась способность энергосистемы оставаться стабильной в 48 смежных Соединенных Штатах.
Это исследование включало только один сценарий достижения целей. Некоторые критиковали этот документ за то, что он слишком сильно полагался на добавление турбин к существующим плотинам гидроэлектростанций, что группа предложила для увеличения пикового производства электроэнергии без изменения количества или размера плотин. Предыдущую статью также критиковали за то, что она слишком полагалась на хранение избыточной энергии в воде, льду и подземных породах. Решения в данной статье направлены на устранение этих критических замечаний, предлагая несколько различных решений для стабилизации энергии, производимой из 100% чистых возобновляемых источников, включая решения без дополнительных гидроэнергетических турбин и без хранилищ в воде, льду или камнях.
«Наш главный результат состоит в том, что существует несколько решений проблемы», — сказал Якобсон. «Это важно, потому что самым большим препятствием на пути широкомасштабного внедрения экологически чистой возобновляемой энергии является восприятие людьми того, что слишком сложно держать свет включенным при случайной ветровой и солнечной энергии».Спрос и предложениеВ основе этого исследования лежит необходимость согласования энергии, поставляемой с помощью ветровой, водной и солнечной энергии и накопителей, с тем, что, по прогнозам исследователей, будет спросом в 2050 году. Для этого они сгруппировали 139 стран, для которых они создали энергетические дорожные карты в предыдущее исследование — на 20 регионов на основе географической близости и некоторых геополитических соображений.
В отличие от предыдущего исследования по 139 странам, в котором предложение энергии сопоставлялось со среднегодовым спросом, настоящее исследование сопоставляет спрос и предложение с 30-секундными интервалами в течение 5 лет (2050-2054 гг.), Чтобы учесть изменчивость ветровой и солнечной энергии. как изменчивость спроса по часам и сезонам.Для исследования исследователи использовали две программы вычислительного моделирования.
Первая программа предсказывала глобальные погодные условия с 2050 по 2054 год. На основании этого они далее предсказали количество энергии, которое может быть произведено из связанных с погодой источников энергии, таких как береговые и морские ветряные турбины, солнечные фотоэлектрические установки на крышах и электростанциях, концентрированная солнечная энергия. электростанции и солнечные тепловые станции с течением времени. Эти типы источников энергии изменчивы и не обязательно производят энергию, когда спрос на них самый высокий.
Затем группа объединила данные первой модели со второй моделью, которая включала энергию, производимую более стабильными источниками электричества, такими как геотермальные электростанции, приливные и волновые устройства, гидроэлектростанции, и тепла, например геотермальными резервуарами. Вторая модель также включала способы хранения энергии при ее избытке, например, в накоплении электричества, тепла, холода и водорода. Кроме того, модель включала прогнозы спроса на энергию с течением времени.С помощью этих двух моделей группа смогла предсказать, сколько энергии может быть произведено с помощью более изменчивых источников энергии, и насколько хорошо другие источники могут уравновесить колеблющуюся энергию для удовлетворения потребностей.
Как избежать отключений электроэнергииСценарии, основанные на данных моделирования, позволили избежать отключений по низкой цене во всех 20 регионах мира за все пять изученных лет и при трех различных сценариях хранения. Один сценарий включает тепловые насосы, которые используются вместо нагревателей и охладителей на основе сжигания, но без накопления горячей или холодной энергии; два не добавляют гидроэнергетических турбин к существующим плотинам гидроэлектростанций; а у одного нет аккумуляторной батареи. Тот факт, что при трех различных сценариях отключений не произошло, предполагает, что возможны многие возможные решения для стабильности сети с использованием 100-процентной энергии ветра, воды и солнечной энергии, что противоречит предыдущим утверждениям о том, что сеть не может оставаться стабильной при таком высоком проникновении только возобновляемых источников энергии.
В целом, исследователи обнаружили, что стоимость единицы энергии — включая стоимость с точки зрения здоровья, климата и энергии — в каждом сценарии была примерно на четверть от того, что было бы, если мир продолжит свой нынешний энергетический путь. Это во многом связано с сокращением затрат на ископаемое топливо для здоровья и климата. Кроме того, за счет сокращения водяного пара ветряные турбины, включенные в дорожные карты, компенсируют около 3 процентов глобального потепления на сегодняшний день.
Хотя стоимость производства единицы энергии в сценариях дорожной карты и сценарии невмешательства схожа, исследователи обнаружили, что дорожные карты примерно вдвое сокращают количество энергии, необходимое для системы. Таким образом, потребители фактически будут платить меньше.
Огромная экономия энергии достигается за счет отказа от энергии, необходимой для добычи, транспортировки и очистки ископаемого топлива, преобразования сжигания в прямое электричество и использования тепловых насосов вместо обычных обогревателей и кондиционеров.«Одна из самых больших проблем, с которыми сталкиваются энергетические системы, полностью основанные на чистой ветровой, водной и солнечной энергии с нулевым уровнем выбросов, — это соответствие спроса и предложения с почти идеальной надежностью при разумной цене», — сказал Марк Делукки, соавтор статьи, и научный сотрудник Калифорнийского университета в Беркли. «Наша работа показывает, что это может быть достигнуто практически во всех странах мира с помощью установленных технологий».
Работать вместеДжейкобсон и его коллеги заявили, что остающейся проблемой реализации их дорожных карт является то, что они требуют координации вне политических границ.
«В идеале вы должны сотрудничать в принятии решения, где вы собираетесь разместить ветряные электростанции, где вы собираетесь разместить солнечные панели, где вы собираетесь разместить аккумулятор», — сказал Якобсон. «Вся система наиболее эффективна, когда она спланирована заранее, а не выполняется по частям».В свете этого геополитического осложнения они также работают над небольшими дорожными картами, чтобы помочь отдельным городам, многие из которых уже взяли на себя обязательство достичь 100-процентного использования возобновляемых источников энергии.
Дополнительными соавторами этой статьи являются Мэри А. Кэмерон из Стэнфорда и Брайан В. Матизен из Ольборгского университета в Дании.