Sprievodca pre začiatočníkov diskusiou o 100 % obnoviteľnej energii

Je to ten správny cieľ? Je to vôbec možné?

vietor a slnko

Dosť?

( Shutterstock )

Predstavte si, že poháňate civilizáciu výlučne energiou z obnoviteľných zdrojov: vetra, slnka, vody (vodná elektrina), prirodzene sa vyskytujúceho tepla (geotermálna) a rastlín.



Žiadne uhoľné bane, ropné vrty, potrubia ani uhoľné vlaky. Žiadne emisie skleníkových plynov, výfukové plyny z áut alebo znečistené toky. Žiadne vojny o ropu, závislosť od zahraničných dodávateľov či nedostatok zdrojov.

Znie to pekne, však?

Rastúci počet aktivistov tvrdí, že je na dosah. Táto myšlienka inšpirovala k ambicióznym záväzkom od an rastúci počet miest , vrátane Madison, Wisconsin, San Diego a Salt Lake City. Obhajcovia sú tlačiacich štátov na podporu cieľa.

Milovníci čistej energie často nárokovať si že môžeme ísť väčší, že je to možné pre celý svet poháňať obnoviteľné zdroje – len nám chýbajú politická vôľa .

Takže, je to pravda? Vieme, ako sa dostať k systému plne obnoviteľných zdrojov?

Ešte nie. Nie naozaj. Súčasné modelovanie silne naznačuje, že budeme potrebovať širšie portfólio nízkouhlíkových možností, vrátane jadrovej energie a prípadne uhlia alebo zemného plynu so zachytávaním a sekvestráciou uhlíka (CCS), aby sme dosiahli výrazné zníženie uhlíka.

To je však len aktuálny modeling. Existuje veľa dôvodov na otázku, čo nám modely hovoria o budúcnosti o tri, štyri, päť desaťročí. Zvyčajne podcenili obnoviteľné zdroje energie a pravdepodobne stále podceňujú. Veľa sa diskutuje nielen o tom, aké modely ukazujú, ale aké ponaučenie by sme si z nich mali vziať a ako by sme mali pristupovať k úlohe dekarbonizácie.

Ale to všetko je trochu v burine. Predtým, ako sa dostaneme do hlúpeho tam a späť - ako to urobím v nasledujúcom príspevku - urobme krok späť.

V tomto príspevku chcem jednoducho predstaviť diskusiu o 100 percentách obnoviteľnej energie tým, ktorí ju nepoznajú. Považujte to za základnú polohu pozemku, aby ste sa mohli zorientovať.

Nie je to o tom, či ísť na nulu uhlíka, ale ako sa tam dostať

Najdôležitejšie politické rozdelenie vo svete klimatických zmien je medzi tými, ktorí akceptujú naliehavosť problému, a tými, ktorí nie. Tí, ktorí nie, sú zodpovední za federálnu vládu v týchto dňoch. Ich energetické plány sú oslavou fosílnych palív.

ako vyvolať potrat doma

Debata o 100 percentách obnoviteľnej energie nie je o tomto rozdelení. Ide o spor medzi ľuďmi, ktorí akceptujú imperatív rýchleho zníženia emisií uhlíka, ktoré je dostatočné na to, aby sa globálne priemerné teploty udržiavali pod úrovňou 2 stupne Celzia (3,6 stupňa Fahrenheita) nad predindustriálnymi úrovňami. Na dosiahnutie tohto celosvetovo dohodnutého cieľa je potrebná hlboká dekarbonizácia – zníženie celkových emisií uhlíka o 80 až 100 percent – ​​na celom svete do polovice storočia alebo krátko potom.

PWC 2 stupne

Vyzerá tvrdo.

( PriceWaterhouseCoopers )

Obe strany v tomto spore súhlasia s tým, že akýkoľvek scenár hlbokej dekarbonizácie bude zásadne zahŕňať všetko elektrizujúce . Konkrétne pôjde o dve veci naraz: a) odstránenie uhlíkových emisií z elektroenergetiky ab) presun čo najväčšieho počtu iných energetických služieb (doprava, vykurovanie a priemysel) na elektrinu.

(Áno, som si vedomý toho, že všetko je prehnané – pravdepodobne vždy budú úlohy, ktoré si vyžadujú spaľovanie kvapalného paliva – ale ako hovorieval môj starý otec, je to dosť blízko pre vládnu prácu.)

Ak to urobíte – využívaním elektriny na pohyb, vykurovanie budov a prevádzku našich tovární – sa zvýši dopyt po energii. Rôzne modely predpovedajú rôzne veci, ale na najvyššej úrovni hovoríme o raste dopytu po energii o 150 percent alebo viac do polovice storočia.

To znamená, že elektrická sieť bude musieť byť väčšia, sofistikovanejšia, efektívnejšia a spoľahlivejšia – kým sa dekarbonizuje . To je hlavná výzva hlbokej dekarbonizácie.

Aký je teda najlepší spôsob, ako sa tam dostať?

Tu prichádza spor. Na jednej strane sú tí, ktorí hovoria, že by sme mali prejsť na elektrickú sústavu poháňanú výlučne obnoviteľnými zdrojmi energie, najmä Projekt riešení , na základe práce o Mark Jacobson zo Stanfordu , podporovaný radou vysokoprofilových zelených vrátane Van Jonesa, Marka Ruffala a samotného Jacobsona.

Na druhej strane sú tí, ktorí hovoria, že primárnym cieľom by mala byť nula uhlíka, nie 100 percent obnoviteľných zdrojov. Hovorí sa, že okrem veternej, solárnej a ostatných technológií, ktoré milujú klimatickí jastrabi, budeme potrebovať aj značné množstvo jadrovej energie a energie z fosílnych palív s CCS.

To je ten spor. Niektorí klimatickí jastrabi sú proti jadrovej energii a CCS. Iní – s rôznymi postojmi od nadšenia až po unavenú rezignáciu – veria, že budú potrebné na hlbokú dekarbonizáciu.

(Ak pokrčíte plecami a poviete, že je príliš skoro na to, aby ste to vedeli, máte pravdu, ale nie je zábavné s vami polemizovať.)

Jadro výzvy obnoviteľných zdrojov: kompenzácia variability

Celý spor sa točí okolo jednoduchého faktu: Najvýdatnejšie zdroje bezuhlíkovej energie, vietor a slnko, sú rôzne. Slnko nie vždy svieti; vietor nie vždy fúka.

pomáha vám hot joga schudnúť

To, že sú variabilné, znamená, že nie sú odoslateľné — ľudia prevádzkujúci elektrickú sieť ich nemôžu zapínať a vypínať podľa potreby. Sila prichádza, keď príde, a nie, keď nepríde. Operátori siete sa prispôsobujú im, nie naopak.

Keďže stále viac energie siete pochádza z variabilnej obnoviteľnej energie (VRE), začínajú sa objavovať dva druhy problémov.

Jeden súbor problémov je technický (vysvetlený podrobnejšie tu ). So zvyšujúcou sa kapacitou VRE sa prevádzkovatelia sietí musia čoraz viac vyrovnávať s veľkými skokmi vo výkone (povedzme počas slnečného a veterného dňa), niekedy výrazne nad 100 percent dopytu. Ak neexistuje spôsob, ako absorbovať túto prebytočnú energiu, je obmedzená, t. j. plytvá.

Musia sa tiež vysporiadať s veľkými poklesmi VRE. Stáva sa to každý deň, keď slnko zapadá, ale odchýlky v dodávke VRE sa môžu vyskytnúť aj v týždenných, mesačných, sezónnych a dokonca desaťročných časových rámcoch.

A nakoniec, prevádzkovatelia siete sa musia vysporiadať s rýchlym nárastom, t. j. VRE, ktorý prechádza od výroby takmer žiadnej energie k výrobe tony alebo naopak v krátkom časovom období. To si vyžaduje rýchle, flexibilné krátkodobé zdroje, ktoré môžu v reakcii stúpať alebo klesať.

kalifornská kačacia krivka.

Veľmi diskutovaná (medzi odborníkmi na elektrinu) kačacia krivka – dopyt po elektrine počas jedného dňa v CA, keď sa VRE zvyšuje.

CASE

To je technická výzva. Je tu aj ekonomický problém (vysvetlený podrobnejšie tu ).

Ako každý nový megawatt (MW) VRE prichádza online, postupne znižuje hodnotu do siete Ďalšie MW VRE. Nový MW veternej kapacity bude generovať energiu len vtedy, keď druhá veterná kapacita generuje energiu. To isté so solárnym.

Ako stále viac a viac vetra a slnka prichádza do siete, hodnota zdrojov, ktoré môžu poskytnúť energiu, keď VRE nie je generovanie porastie; zodpovedajúcim spôsobom klesne hraničná hodnota ďalšej jednotky VRE. To znamená, že najmä slnečné žiarenie musí vyčistiť a stále vyššia ekonomická latka .

Teraz, aby bolo jasné: Existujú nástroje na riešenie týchto technických a ekonomických problémov. Veľa nástrojov, každý deň viac. V tejto oblasti prebieha celý rozkvitnutý, bzučivý roj výskumu a inovácií. (Viac o tom tu .)

Spor sa týka toho, či sa tieto problémy dajú vyriešiť bez jadrovej energie a CCS.

Najťažších je posledných 10 až 20 percent dekarbonizácie

Je možné dosiahnuť podstatnú dekarbonizáciu pomocou dobre pochopených technológií a politík.

Veľa sa dá dosiahnuť len nahradením uhoľných elektrární s kombinovaným cyklom na zemný plyn. Kým sa to deje, pestujete obnoviteľné zdroje a udržiavate svoju existujúcu jadrovú a hydroelektrickú flotilu. To je, prakticky povedané, spôsob, akým USA v posledných rokoch znížili emisie uhlíka.

Stratégia chvíľu funguje skvele. Elektrárne na zemný plyn sú oveľa flexibilnejšie ako uhoľné elektrárne, takže fungujú ako pekný doplnok k VRE a vyrovnávajú variabilitu.

Ale pokiaľ ide o hlbokú dekarbonizáciu, stratégia nakoniec vedie do slepej uličky. Zemný plyn je čistejší ako uhlie (približne o polovicu, v závislosti od toho, ako meriate únik metánu), ale stále je to fosílne palivo. Prinajmenšom bez CCS je nekompatibilný s dekarbonizáciou nad 60 percent alebo tak.

Ak postavíte veľa zariadení na zemný plyn, aby ste získali do 60 percent, potom ich musíte vypnúť, aby ste získali minulosti 60 percent.

Bolo by veľmi ťažké zastaviť všetky tieto aktíva. Bol by tam a veľa odporu. Je to len jeden príklad závislosti na ceste v energii – voľby, ak sa raz urobia, majú tendenciu sa udržiavať zotrvačnosťou. Prílišné naklonenie sa zemnému plynu v nasledujúcich 20 rokoch sťaží jeho stiahnutie v nasledujúcich 20 rokoch.

Skladovanie zemného plynu a plynovody.

Zemný plyn, ty zlatá, sladká siréna.

Shutterstock

Vyhnúť sa tejto slepej uličke znamená, začať hneď teraz, ako nahradiť všetok ten zemný plyn inými vyrovnávacími zdrojmi, ktoré neprodukujú uhlík.

Vyvažovací akt na dosiahnutie bezuhlíkovej elektriny

Predstavte si bezuhlíkovú sieť ako rovnováhu dvoch druhov zdrojov elektrickej energie, dispečerských a nedistribuovateľných.

Ako sme už uviedli, neodoslateľné prostriedky VRE – veterná energia na pobreží a na mori, solárna fotovoltaická energia, solárna termálna, prietoková vodná elektráreň, čokoľvek na základe počasia – ktoré nemožno zapnúť a vypnúť.

VRE môže byť o niečo menej variabilné prepojením zdrojov v širokej geografickej oblasti s viacerými prenosovými vedeniami. Na dostatočne veľkej ploche je zvyčajne niekde slnečno alebo veterno. Ale v obmedzenej sieti, neodoslateľné zdroje vo všeobecnosti potrebujú vyváženie s odbaviteľnými zdrojmi.

Dispatchable je široká (a stále širšia) kategória – znamená čokoľvek, čo môžu prevádzkovatelia siete použiť na aktívne riadenie rovnováhy medzi ponukou a dopytom po elektrine.

Existujú tri základné odrody:

  • Expedičná dodávka , t. j. elektrárne – v rodine s nízkymi až žiadnymi emisiami uhlíka sem patria jadrové (zďaleka najbežnejšie, generujúce 11 percent svetovej elektriny od roku 2012), fosílne palivá s CCS, vodné nádrže, biomasa (hoci je to kontroverzné) a geotermálne zdroje.
  • Odoslateľný dopyt — Dopyt po energii je možné v čoraz väčšej miere riadiť, buď ho znížiť, alebo presunúť do rôznych častí dňa/týždňa.
  • Skladovanie energie — skladovanie je zaujímavé, pretože z pohľadu prevádzkovateľa siete môže slúžiť buď ako dispečingový dopyt (absorbuje prebytok VRE) alebo dispečerný zdroj (uvoľňujúci energiu v čase nízkej VRE). A existuje stále viac spôsobov, ako uchovávať energiu. Najstaršia a najvyššia kapacita je čerpaná hydro , pričom sa voda čerpá do kopca, aby sa uložila energia, a potom steká dole cez turbíny, aby sa uvoľnila. (Spoločnosť na americkom západe sa pokúša o variáciu na suchej zemi, tlačenie obrovských blokov do kopca na vlakových tratiach .) Existujú aj batérie, ktoré sú stále lacnejšie. A nad rámec tejto energie môže byť uložená ako teplo (napr. v roztavenej soli), ako chlad (v ľade) alebo ako vodík (dlhý príbeh). Toto je tiež oblasť zúrivého výskumu.

V rámci týchto troch kategórií sa zdroje pohybujú od vysokej kapacity (dostatočný výkon na pokrytie dopytu na týždne alebo mesiace) po nízke (hodiny alebo minúty) a od rýchlych (schopné reagovať okamžite alebo v sekundách) po pomalé (hodiny alebo dni).

árov

Skladovanie energie na báze vlaku a obrieho betónového bloku.

( ARES )

Každý dispečingový zdroj bude mať mierne odlišnú hodnotu pre prevádzkovateľov siete v závislosti od podmienok a dennej doby.

Veľké expedičné zdroje dodávok môžu pokryť VRE, ktorá je neočakávane nízka niekoľko týždňov alebo dokonca rokov.

Dopyt po odoslaní je stále v rodiacej sa, rýchlo sa rozvíjajúcej fáze, a aspoň zatiaľ je relatívne pomalý a má nízku kapacitu, ale to sa zmení; bude to rýchle, hoci aký veľký je stále otvorenou otázkou.

Najväčší zásobník energie, ktorý je v súčasnosti v prevádzke (prečerpávacia vodná elektráreň), môže zvyčajne pokryť len niekoľko hodín dopytu, ale menší zásobník môže pokryť hodinové alebo minútové výkyvy vo VRE.

Tu narážame na spor. Budeme potrebovať jadrovú energiu a zachytávanie a skladovanie CO2 na zabezpečenie rovnováhy, alebo to zvládneme aj bez nich?

Atomovať alebo nie?

Ľudia z projektu Solutions Project tvrdia, že môžeme – a na základe úplnej analýzy nákladov a výnosov, ktorá zohľadňuje všetky vplyvy na životné prostredie – vyvážiť VRE bez použitia jadrovej energie alebo CCS. (Jacobson tiež vylučuje biomasu, hoci niekoľko ďalších 100 percent s ním nesúhlasí.)

Bill Clinton vyhodil riaditeľa FBI

Bude to zahŕňať tri veci. Po prvé, VRE bude musieť byť masívne prestavané. Pretože jeho kapacitný faktor (čas, počas ktorého beží) je relatívne nízky, na úplné uspokojenie dopytu bude musieť celková kapacita mnohonásobne prekročiť celkový dopyt.

Po druhé, prenosové linky budú musieť byť rozšírené všade po celom svete, aby sa prepojili zdroje VRE s dopytom a vyhladila ponuka. A distribučné siete bude potrebné modernizovať. rýchlo.

A tri zostávajúce disponibilné zdroje – riadenie dopytu, skladovanie, vodné elektrárne, možno biomasa – sa budú musieť radikálne, radikálne rozšíriť. Najmä úložisko bude musieť rásť exponenciálne.

Na druhej strane sporu sú ľudia, z ktorých mnohí sú výskumníci v oblasti energetiky, ktorí jednoducho neveria, že vyššie uvedený scenár je uskutočniteľný, alebo ak áno, že je to najúspornejší alebo najefektívnejší spôsob, ako sa dostať k nule uhlíka. Hovoria, že jadrová energia a CCS by mali zostať na stole.

projekt kemper ccs

Projekt Kemper CCS v Mississippi, teraz divoko prehnaný rozpočet .

Wikipedia

Toto je vášnivá a zložitá debata. Neodvažujem sa to vyriešiť, ale v ďalšom príspevku sa pustím do literatúry a tam a späť a pokúsim sa vyvodiť nejaké predbežné závery.

Nateraz však stačí pochopiť podobu problému, ktorý je napokon jednou z hlavných výziev, ktorým ľudstvo v 21. storočí čelí.