In belangrijke wetgeving die eind augustus werd aangenomen, Californië zet zich in voor het creëren van een 100 procent koolstofvrij elektriciteitsnet - opnieuw leidend in andere landen, staten, en steden bij het vaststellen van agressief beleid om de uitstoot van broeikasgassen te verminderen. Nutsvoorzieningen, een onderzoek door MIT-onderzoekers biedt richtlijnen voor kosteneffectieve en betrouwbare manieren om zo'n koolstofvrij elektriciteitssysteem te bouwen.

De beste manier om de uitstoot van elektriciteit aan te pakken, de studie vindt, is om de meest inclusieve mix van koolstofarme elektriciteitsbronnen te gebruiken.

De kosten voor windenergie zijn snel gedaald, zonne-energie, en energieopslagbatterijen in de afgelopen jaren, enkele onderzoekers leiden, politici, en pleit ervoor om te suggereren dat alleen deze bronnen een koolstofvrij netwerk van stroom kunnen voorzien. Maar uit de nieuwe studie blijkt dat in een breed scala aan scenario's en locaties, het koppelen van deze bronnen aan stabiele koolstofvrije bronnen waarop kan worden gerekend om in alle seizoenen en gedurende lange perioden aan de vraag te voldoen, zoals kernenergie, geothermisch, bio-energie, en aardgas met koolstofafvang, is een goedkopere en minder risicovolle route naar een koolstofvrij netwerk.

De nieuwe bevindingen worden beschreven in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Joule , door MIT-promovendus Nestor Sepulveda, Jesse Jenkins Ph.D. '18, Fernando de Sisternes Ph.D. '14, en hoogleraar nucleaire wetenschap en techniek en Associate Provost Richard Lester.

De noodzaak van kosteneffectiviteit

"In deze krant, we zoeken naar robuuste strategieën om een ​​koolstofvrije elektriciteitsvoorziening te bereiken, die de spil vormt in de algemene inspanningen om de risico's van klimaatverandering in de hele economie te beperken, " zegt Jenkins. Om dat te bereiken, "we moeten niet alleen naar nul uitstoot in de elektriciteitssector, maar we moeten dit ook doen tegen zo lage kosten dat elektriciteit een aantrekkelijk alternatief is voor olie, natuurlijk gas, en kolen in het transport, warmte, en industriële sectoren, waar decarbonisatie doorgaans nog uitdagender is dan bij elektriciteit. "

Sepulveda benadrukt ook het belang van kosteneffectieve paden naar koolstofvrije elektriciteit, eraan toevoegend dat in de wereld van vandaag, "we hebben zoveel problemen, en klimaatverandering is een zeer complexe en belangrijke, maar niet de enige. Dus elke extra dollar die we uitgeven om klimaatverandering aan te pakken, is ook een andere dollar die we niet kunnen gebruiken om andere dringende maatschappelijke problemen aan te pakken. zoals het uitbannen van armoede of ziekte." het is belangrijk voor onderzoek om niet alleen technisch haalbare opties te identificeren om elektriciteit koolstofarm te maken, maar ook om manieren te vinden om CO2-reductie te bereiken tegen de meest redelijk mogelijke kosten.

Om de kosten van verschillende strategieën voor verregaande decarbonisatie van elektriciteitsopwekking te evalueren, het team keek naar bijna 1, 000 verschillende scenario's met verschillende veronderstellingen over de beschikbaarheid en kosten van koolstofarme technologieën, geografische variaties in de beschikbaarheid van hernieuwbare hulpbronnen, en verschillende beleidsregels voor het gebruik ervan.

Wat het beleid betreft, het team vergeleek twee verschillende benaderingen. De "beperkende" benadering stond alleen het gebruik van zonne- en windopwekking plus batterijopslag toe, aangevuld met maatregelen om de vraag naar elektriciteit te verminderen en te verschuiven, evenals langeafstandstransmissielijnen om lokale en regionale variaties uit te vlakken. De "inclusieve" benadering maakte gebruik van al deze technologieën, maar bood ook de mogelijkheid om continu koolstofvrije bronnen te gebruiken, zoals kernenergie, bio-energie, en aardgas met een systeem voor het opvangen en opslaan van koolstofemissies. Onder elk geval dat het team bestudeerde, de bredere mix van bronnen bleek goedkoper te zijn.

De kostenbesparingen van de meer inclusieve benadering ten opzichte van de meer beperkte casus waren aanzienlijk. Inclusief continue, of "stevig, " koolstofarme hulpbronnen in een mix van koolstofvrije hulpbronnen verlaagden de kosten van 10 procent tot maar liefst 62 procent, over de vele scenario's die zijn geanalyseerd. Dat is belangrijk om te weten, de auteurs benadrukken, omdat in veel gevallen bestaande en voorgestelde regelgeving en economische prikkels gunstig zijn, of zelfs mandaat, een beperkter aanbod van energiebronnen.

"De resultaten van dit onderzoek dagen uit wat conventionele wijsheid is geworden aan beide kanten van het debat over klimaatverandering, " zegt Lester. "In tegenstelling tot de vrees dat effectieve inspanningen voor klimaatmitigatie verlammend duur zullen zijn, ons werk toont aan dat zelfs een verregaande decarbonisatie van de elektriciteitssector haalbaar is tegen relatief bescheiden extra kosten. Maar in tegenstelling tot de overtuiging dat koolstofvrije elektriciteit gemakkelijk en goedkoop kan worden opgewekt met wind, zonne energie, en alleen accu's, onze analyse maakt duidelijk dat de maatschappelijke kosten van het bereiken van een verregaande decarbonisatie op die manier waarschijnlijk veel duurder zullen zijn dan nodig is."

Een nieuwe taxonomie voor elektriciteitsbronnen

Bij het bekijken van opties voor nieuwe energieopwekking in verschillende scenario's, het team ontdekte dat de traditionele manier om verschillende soorten stroombronnen in de elektrische industrie te beschrijven - "basislast, " "laad volgende, " en "piek"-bronnen - is verouderd en niet langer nuttig, gezien de manier waarop nieuwe middelen worden gebruikt.

Liever, Ze stellen voor, het is passender om aan stroombronnen te denken in drie nieuwe categorieën:"brandstofbesparende" bronnen, waaronder zonne-, wind en run-of-the-river (dat wil zeggen, zonder dammen) waterkracht; "snelle burst"-bronnen, snelle maar kortdurende reacties op fluctuaties in vraag en aanbod van elektriciteit, inclusief batterijopslag en -technologieën en prijsstrategieën om de respons op de vraag te verbeteren; en "vaste" middelen, zoals nucleair, waterkrachtcentrale met grote reservoirs, biogas, en geothermie.

"Omdat we de toekomstige kosten en beschikbaarheid van veel van deze bronnen niet met zekerheid kunnen weten, " Sepulveda merkt op, "de bestudeerde gevallen bestreken een breed scala aan mogelijkheden, om de algemene conclusies van de studie robuust te maken over dat bereik van onzekerheden."

Scenario's

De groep gebruikte een reeks projecties, gemaakt door instanties zoals het National Renewable Energy Laboratory, wat betreft de verwachte kosten van verschillende energiebronnen in de komende decennia, inclusief kosten die vergelijkbaar zijn met de huidige en verwachte kostenbesparingen als nieuwe of verbeterde systemen worden ontwikkeld en online gebracht. Voor elke technologie, de onderzoekers kozen voor een geprojecteerde gemiddelde prijs, samen met een low-end en high-end kostenraming, en bestudeerde vervolgens vele combinaties van deze mogelijke toekomstige kosten.

Onder elk scenario, gevallen die beperkt waren tot het gebruik van brandstofbesparende en snelle-burst-technologieën hadden ook hogere totale elektriciteitskosten dan gevallen waarin vaste koolstofarme bronnen werden gebruikt, "zelfs met de meest optimistische aannames over toekomstige kostenbesparingen, ' zegt Sepulveda.

Dat is waar, Jenkins voegt eraan toe, "zelfs als we aannemen, bijvoorbeeld, dat kernenergie even duur blijft als nu, en wind en zon en batterijen worden veel goedkoper."

De auteurs ontdekten ook dat in alle gevallen met alleen wind-zonne-batterijen, de kosten van elektriciteit stijgen snel naarmate systemen evolueren naar nul-emissies, maar als er ook stevige stroombronnen beschikbaar zijn, elektriciteitskosten stijgen veel geleidelijker naarmate de uitstoot tot nul daalt.

"Als we besluiten om decarbonisatie voornamelijk met wind na te streven, zonne, en batterijen, "Jenkins zegt, "We gaan in feite 'all-in' en zetten de planeet in op het bereiken van zeer lage kosten voor al deze hulpbronnen, " evenals het vermogen om hoogspanningstransmissielijnen op continentale schaal uit te bouwen en een veel flexibelere elektriciteitsvraag te induceren.

In tegenstelling tot, "een elektriciteitssysteem dat gebruikmaakt van stevige koolstofarme bronnen samen met zonne-, wind, en opslag kan nul-emissies bereiken met slechts bescheiden kostenstijgingen, zelfs onder pessimistische veronderstellingen over hoe goedkoop deze koolstofvrije hulpbronnen worden of ons vermogen om flexibele vraag te ontsluiten of het netwerk uit te breiden, ", zegt Jenkins. Dit laat zien hoe de toevoeging van stevige koolstofarme hulpbronnen "een effectieve hedgingstrategie is die zowel de kosten als het risico vermindert" voor het volledig koolstofarm maken van energiesystemen, hij zegt.

Hoewel een volledig koolstofvrije elektriciteitsvoorziening in de meeste regio's jaren weg is, het is belangrijk om deze analyse vandaag te doen, Sepulveda zegt, omdat er nu beslissingen worden genomen over de bouw van energiecentrales, onderzoeksinvesteringen, of klimaatbeleid heeft gevolgen die tientallen jaren kunnen aanhouden.

"Als we niet nu beginnen" bij het ontwikkelen en inzetten van het breedste scala aan koolstofvrije alternatieven, hij zegt, "Dat zou de kans om tot nul uitstoot te komen aanzienlijk kunnen verminderen."