De beroemde uitvinder Edwin Land zei:"Het is niet dat we nieuwe ideeën nodig hebben, maar we moeten stoppen met het hebben van oude ideeën." Hij leek ons ​​te vertellen dat oplossingen net buiten onze oude denkgewoonten liggen.

Steden, staten en landen over de hele wereld zetten zich in voor schone energie-economieën die draaien op een zeer hoog niveau - zelfs 100% - van hernieuwbare energie. Alleen al in de staat New York, vier concurrerende wetsvoorstellen zijn gericht op 50% tot 100% hernieuwbare energie tegen of vóór 2040.

Realistisch, slechts twee hernieuwbare energiebronnen zijn groot genoeg om aan deze zeer hoge penetratiedoelstellingen aan de aanbodzijde in de VS te voldoen:zonne-energie (verreweg) en wind.

Beide, echter, zijn variabele bronnen, gedreven door het weer en door dagelijkse en seizoenscycli. Daarom, ze moeten worden "vastgemaakt - dat wil zeggen, in staat om op afroep kracht te leveren - om fossiele hulpbronnen te vervangen die naar behoefte kunnen worden verzonden. Op basis van ons onderzoek, we stellen dat deze krachtige machtstransformatie niet alleen mogelijk is, het is ook betaalbaar - als we stoppen met oude ideeën te hebben.

Een verankerd, en zeer wijdverbreid, idee - waarschijnlijk een gevolg van historisch hoge prijzen voor hernieuwbare energie - is dat alle stroom die door hernieuwbare bronnen wordt opgewekt, moet worden verkocht zoals het wordt opgewekt. Het idee om de beschikbare wind- of zonne-energie weg te gooien is een gruwel, opgelegd aan elektriciteitsproducenten wanneer de productie uit deze bronnen groter is dan wat het net kan accepteren.

Dit oude idee negeert een fundamentele propositie:overdimensionering en proactief inperken van wind en zon. Hoe contra-intuïtief ook, een onderzoek dat onze collega's en wij hebben uitgevoerd, toont aan dat deze stappen de sleutel zijn tot de goedkoopste weg naar een elektriciteitsnet dat grotendeels wordt aangedreven door zonne- en windenergie.

Afwegen tegen energieopslag

De redenering achter overprovisioning van zonne- en windenergie is eenvoudig:

• Energieopslag is het enige essentiële ingrediënt dat nodig is om de variabiliteit van hernieuwbare energie op te vullen wanneer de zon niet schijnt of de wind niet waait. Deze hiaten omvatten intra-day perioden, zoals piekuren overdag en 's nachts, en nog belangrijker, grotere meerdaagse en seizoensgebonden hiaten door aanhoudende omstandigheden met weinig zon of weinig wind. Voor opslag, netbeheerders - de organisaties die ervoor zorgen dat de stroomvoorziening overeenkomt met de vraag terwijl deze gedurende de dag stijgt en daalt - vertrouwen meestal op waterreservoirs die gepompte waterkracht worden genoemd of, voor kortere periodes, batterijen.
• Opslag wordt steeds goedkoper maar zelfs uitgaande van de meest optimistische kostenprognoses op lange termijn, ons onderzoek bracht ons tot de conclusie dat het alleen toepassen van opslag op harde wind of zonne-energie onbetaalbaar zal blijven vanwege de omvang van meerdaagse en seizoensgebonden onderbrekingen. Wind en zon worden ook veel goedkoper, vooral zonne, tot het punt waar overbouwen steeds betaalbaarder wordt. Dit geldt zelfs wanneer de output van wind- en zonnegeneratoren in wezen wordt gedumpt, of "beperkt, " en niet teruggeleverd aan het net.
• Overdimensionering verkleint productiekloven omdat er meer energie beschikbaar is tijdens perioden van lage beschikbaarheid van zonne- en windenergie. Overbouw vermindert ook de opslagvereisten.

'Verstevigen' met overcapaciteit

Vandaag, de huidige regelgevende praktijk voor door zonne- en wind opgewekte elektriciteit bevordert te allen tijde een maximale productie. De bedrijven die deze faciliteiten exploiteren, proberen al hun productie tegen de hoogste prijzen te verkopen, dus het inperken van de output wordt gezien als een inkomstenverlies.

Dat oude operationele idee remt de overgang naar het vertrouwen op zon en wind als stevig, bronnen op aanvraag, omdat al hun output alleen wordt gebruikt wanneer deze beschikbaar is. Door deze aanpak blijft duurzame energie ook in de marge.

Hoe zou een net met overgebouwde zonne- en windbronnen in de praktijk werken? Stel dat de beheerder van een regionaal elektriciteitsnet X megawattuur/dag nodig heeft om aan de vraag te voldoen. Tegenwoordig kunnen de zonneparken in die regio alleen aan deze vraag voldoen of deze overtreffen op dagen met de hoogste productie, zoals heldere dagen in de zomer. Op andere dagen, de productielacunes worden opgevangen door opslag.

Daarentegen, wanneer de zonnebron te groot is, die zonnegenerator kan meer dagen van het jaar aan de vraag van X MWh/dag voldoen en er zijn minder hiaten - vandaar dat er minder keren energieopslag nodig is om de hiaten op te vullen.

Eenmaal gestabiliseerd door een combinatie van overprovisioning en opslag, variabele hernieuwbare energiebronnen worden effectief inzetbaar - in staat om stroom te leveren wanneer dat nodig is - en functioneel gelijkwaardig aan traditionele energiecentrales. Op deze manier, hernieuwbare energiebronnen kunnen deze generatoren vervangen zonder ingrijpende herinrichting van het net.

Ons team heeft een zonne-energie en overbouwde oplossing gemodelleerd voor de niet bijzonder zonnige staat Minnesota. Het doel was om de goedkoopste combinatie van netgekoppelde zonne-energie, wind en opslag die nodig zijn om de klok rond te zorgen, energiediensten het hele jaar door.

De studie toont aan dat het overwinnen van de natuurlijke variabiliteit van zon en wind kan worden bereikt tegen kosten die lager zijn dan de huidige netkosten (de zogenaamde "netpariteit") door zonne- en windbronnen te overbelasten en een netwerkbeheerstrategie aan te nemen waarbij ongeveer 20% tot 40% beperking van overtollige energieopwekking. Energieopslag wordt ook gebruikt in ons model, maar de superieure economie vloeit rechtstreeks voort uit het vervangen van overtollige, beperkte opwekking door duurdere opslag.

Een legitieme vraag om te stellen is wat het gebied zou zijn dat nodig is voor een volledige inzet van extra grote zonne-PV. Voor Minnesota, in het meest extreme scenario van 100% PV-opwekking, uitgaande van een overmaat met een factor twee - of een verdubbeling van de zonne-energie die nodig is om aan de huidige vraag te voldoen - zou dit gebied 435 vierkante mijl bedragen, uitgaande van zonnepanelen met een state-of-the-art rendement van 20%. Dit gebied vertegenwoordigt minder dan 1% van de gecultiveerde gewassen van de staat en de helft van de stedelijke ruimte met een hoge en gemiddelde dichtheid.

Tweaken hoe het bulkstroomnet wordt beheerd

Naast overmaat, inperking en opslagoptimalisatie, verschillende operationele en planningspraktijken, waarvan sommige nu al gedaan zijn, zou de waarde en prestaties van een hoog-zonnenetwerk verder verbeteren en de realisatie ervan met minimale verstoringen bevorderen. Ze bevatten:

Het benutten van de complementaire prestatie- en variabele bedrijfsprofielen van zon en wind. Op de meeste locaties hebben wind- en zonne-energie complementaire dag- en seizoensproductieprofielen - wind hoger 's nachts en in de winter, PV hoger overdag in de zomer.

Gebruikmaken van vraagbeheer - de praktijk om het stroomverbruik op locaties van elektriciteitsklanten te verminderen - als een manier om hiaten in vraag en aanbod te minimaliseren.

Netwerkbeheerders in staat stellen om autoriteit te hebben over de locatie van hernieuwbare energie en het productiebeheer in hun regio's, zodat beslissingen over wanneer inperking plaatsvindt of opslag wordt toegepast op regionale basis worden genomen om hiaten in vraag en aanbod te minimaliseren.

Een houding van het maximaliseren van de productie van hernieuwbare energie en het vermijden van inperking was logisch toen variabele zonne-opwekking extreem duur was en verstevigende oplossingen nog duurder waren. Echter, recente en voorspelde reducties in kant-en-klare zonne-energie, netbeheer en opslagkosten veranderen de optimale set oplossingen, beginnend met overbouwen van zonne-energie.

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanuit The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.