Een groeiend aantal onderzoeken heeft aangetoond dat kosteneffectieve hoog-hernieuwbare energiesystemen mogelijk zijn, maar dat de kosten stijgen naarmate systemen 100% koolstofvrije elektriciteit naderen - wat bekend is geworden als het 'last 10%-probleem'.

De stijging van de kosten wordt grotendeels veroorzaakt door een seizoensgebonden mismatch tussen de timing van variabele opwekking van hernieuwbare energie en de vraag. Het voldoen aan de piekvraag is een uitdaging en duur voor alle energiesystemen, maar om het seizoensgebonden mismatch-probleem voor hoog-hernieuwbare energiesystemen aan te pakken, zijn mogelijk technologieën nodig die nog op grote schaal moeten worden ingezet. Dat maakt hun kosten en vereisten onduidelijk.

Om te helpen bij het zoeken naar mogelijke oplossingen voor deze uitdaging, heeft een team van onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) de afwegingen van zes mogelijke technologiestrategieën bestudeerd om van 90% naar 100% koolstofvrije elektriciteit in de Verenigde Staten te komen. Dit werk is gepubliceerd in een Joule artikel en kan helpen bij het nemen van beslissingen vandaag.

"Geen van de strategieën is perfect en er blijft veel onzekerheid bestaan, maar de studie benadrukt de belangrijkste uitdagingen met de laatste 10% en onderzoekt alle belangrijke technologische opties", zegt Trieu Mai, NREL-analist en hoofdauteur van de studie. "Meer onderzoek en ontwikkeling zullen belangrijk zijn om dichter bij een duidelijke oplossing voor de laatste 10% te komen en de Verenigde Staten op weg te helpen naar een koolstofarme energiesector."

Wat we tot nu toe weten over de laatste 10% uitdaging

NREL heeft een verscheidenheid aan vragen bestudeerd met betrekking tot het bereiken van 100% duurzame opwekking in de Verenigde Staten.

In een eerdere Joule artikel schetste NREL de technisch-economische uitdagingen van het bereiken van 100% hernieuwbare energie over alle tijdschalen. De studie onderzocht twee soorten uitdagingen:een met betrekking tot het economisch in evenwicht houden van vraag en aanbod en een andere uitdaging met betrekking tot het ontwerpen van technisch betrouwbare en stabiele netten met behulp van grotendeels op omvormers gebaseerde bronnen zoals wind en zon.

In een vervolgonderzoek gebruikte NREL de modernste modelleringscapaciteiten om inzicht te krijgen in mogelijke trajecten en systeemkosten van de overgang naar een 100% hernieuwbaar elektriciteitsnet. Resultaten, gepubliceerd in een andere Joule artikel, laten zien dat de kosten aanzienlijk lager zijn als er een kosteneffectieve bron van vaste capaciteit is - middelen die energie kunnen leveren tijdens perioden van lagere wind- en zonne-opwekking, extreem hoge vraag en ongeplande gebeurtenissen zoals uitval van transmissielijnen. Andere bronnen dan wind-, zonne- en dagelijkse opslag of belastingflexibiliteit kunnen belangrijk zijn om de laatste paar procent te overwinnen tot een 100% hernieuwbaar elektriciteitsnet.

In de Los Angeles 100% Renewable Energy Study (LA100) heeft NREL meerdere modellen gebruikt om te onderzoeken welke bronnen kunnen worden gebruikt om de laatste 10% te halen en de betrouwbaarheid van de stad Los Angeles te behouden. NREL heeft onlangs ook een baanbrekend onderzoek afgerond naar het bereiken van 100% koolstofvrije elektriciteit in 2035. Uit de analyse blijkt dat er meerdere wegen zijn om het doel te bereiken waarbij de milieu- en maatschappelijke voordelen de kosten overtreffen.

Deze laatste Joule artikel bouwt voort op de NREL-onderzoeken naar elektriciteitsnetten met hoge hernieuwbare opwekking door afwegingen te maken van mogelijke technische oplossingen die voor de laatste paar procent kunnen worden geïmplementeerd.

Zes strategieën voor de laatste 10%

De ideale technologische oplossing voor de laatste 10% heeft drie primaire kenmerken. Ten eerste heeft de ideale oplossing een hoge capaciteitskrediet zodat capaciteit beschikbaar is tijdens perioden van hoge stress en de toereikendheid van hulpbronnen kan ondersteunen - een van de "drie R's van betrouwbaarheid van het voedingssysteem" die succesvol moeten zijn voor een veilig en betrouwbaar voedingssysteem. Ten tweede heeft de ideale oplossing relatief lage kapitaalkosten omdat deze niet vaak zal worden gebruikt. En ten derde is het afhankelijk van breed beschikbare middelen en kan het op grote schaal worden ingezet. NREL onderzocht zes technologiestrategieën die het potentieel hebben om aan de drie primaire kenmerken te voldoen.

1. Variabele hernieuwbare energie, transmissie en dagelijkse opslag

Een mogelijke strategie om de laatste 10% te halen, is afhankelijk van bestaande technologieën die momenteel worden ingezet. Deze strategie bouwt meer variabele hernieuwbare energie, transmissie en dagelijkse (minder dan ongeveer 24 uur) opslag. Bij deze optie worden variabele hernieuwbare energie en transmissiecapaciteit aangepast aan de vraag tijdens dagelijkse stressvolle periodes op het net, waarbij opslag de leemten in de voorziening per uur opvult en overtollige variabele hernieuwbare energie inperkt (lees meer over inperking in een NREL-uitlegvideo).

Deze strategie zou meer kostenconcurrerend kunnen zijn als er meer langeafstandstransmissie is om hoogwaardige variabele hernieuwbare energie naar vraagcentra te verplaatsen, en als wind- en zonnetechnologieën blijven verbeteren. Deze aanpak kan echter moeilijker zijn als het landgebruik van wind en zonne-energie en de beperkingen van de locatie in de loop van de tijd toenemen - een ander onderwerp dat NREL heeft bestudeerd, inclusief de recente release van een nieuwe uitgebreide dataset van lokale verordeningen voor het situeren van wind- en zonne-energieprojecten.

2. Andere hernieuwbare energie

Een andere mogelijke strategie voor de laatste 10% maakt gebruik van geothermische energie, waterkracht en biomassa - technologieën die allemaal een belangrijke rol kunnen spelen in een emissievrije energiesector. Deze technologieën zijn niet afhankelijk van variabele zonne- en windbronnen en kunnen de seizoensgebonden mismatch mogelijk overwinnen. De beschikbaarheid van hulpbronnen, vooral op locaties met een hoge vraag naar elektriciteit, kan het gebruik ervan echter beperken tot alleen bepaalde regio's. Deze middelen hebben ook relatief hoge kapitaalkosten die economisch uitdagend kunnen zijn als een laatste 10%-strategie.

Opwekking op basis van biomassa zou een andere optie kunnen zijn om voor de laatste 10% duurzame elektriciteit te produceren. Deze optie heeft relatief lage kapitaalkosten, maar er zijn onzekerheden en beperkingen op een constante en duurzame aanvoer van grondstoffen en de kosten van biomassaconversie.

3. Nucleair en fossiel met koolstofafvang

Nucleaire en fossiele brandstoffen met koolstofafvang en -opslag (CCS) worden algemeen genoemd als potentieel belangrijke hulpbronnen in een koolstofvrij elektriciteitssysteem, omdat er vaak het hele jaar door op betrouwbare wijze wordt gerekend. Fossiele CCS-fabrieken zijn nog niet op grote schaal ingezet, maar sommige onderzoeken vinden een aanzienlijk inzetpotentieel.

Deze strategie brengt echter uitdagingen met zich mee:beperkte recente implementatie, kostenonzekerheden en milieu- en beveiligingsoverwegingen - en de hoge kapitaalkosten voor een laag gebruik kunnen economische belemmeringen vormen.

4. Seizoensopslag

Seizoensopslag verwijst naar het gebruik van elektriciteit om een ​​opslagbare brandstof te produceren die voor langere tijd kan worden gebruikt, zelfs tot hele seizoenen van het jaar. Waterstof of andere van waterstof afgeleide brandstoffen zijn momenteel de meest veelbelovende opties voor seizoensopslag. Het omzetten van waterstof naar elektriciteit kan met brandstofcellen of verbrandingstechnologieën, die worden omgebouwd voor waterstof. Deze op waterstof gebaseerde elektriciteitsopwekkingsopties zouden in de toekomst lage kapitaalkosten kunnen hebben en levensvatbaar zijn als laatste 10%-strategieën. Belangrijke onzekerheden bij deze strategie zijn onder meer de beschikbaarheid van de brandstof (waterstof) leverings- en leveringsinfrastructuur.

5. Kooldioxide verwijderen

Technologieën voor het verwijderen van koolstofdioxide kunnen de uitstoot van koolstof-emitterende energieopwekkingstechnologieën compenseren door atmosferische koolstof naar beneden te halen. Deze laatste 10%-strategie is uniek omdat deze gebruikmaakt van andere generatie-assets om de toereikendheid van hulpbronnen op het netwerk te ondersteunen.

Hoewel koolstofdioxideverwijderingstechnologieën een unieke waarde hebben, heeft deze laatste 10%-optie implementatie-uitdagingen. Wereldwijd is er nog maar heel weinig verwijdering van kooldioxide toegepast en de toekomstige technologiekosten blijven onzeker.

6. Hulpbronnen aan de vraagzijde

Hulpbronnen aan de vraagzijde, ook wel vraagrespons of vraagflexibiliteit genoemd, zijn een unieke oplossing van de laatste 10% in vergelijking met de andere vijf onderzochte strategieën.

Hulpbronnen aan de vraagzijde verminderen het elektriciteitsverbruik in tijden van systeemstress en helpen investeringen in nieuwe piekcapaciteit te voorkomen. Door flexibele planning of onderbreking van het elektriciteitsverbruik kunnen ze ook de bedrijfskosten verlagen of worden gebruikt voor belangrijke netbetrouwbaarheidsdiensten. De kapitaalkosten voor besturingen en communicatieapparatuur aan de vraagzijde kunnen laag zijn en de directe bedrijfskosten zijn bescheiden.

Het toepassen van opties aan de vraagzijde als een laatste 10%-strategie vereist echter dat de middelen betrouwbaar beschikbaar zijn over langere perioden van meerdere dagen. De omvang van de respons die nodig is op dagen van extreme gebeurtenissen zou het vraag-responspotentieel kunnen overtreffen, en de flexibiliteit van nieuwe geëlektrificeerde belastingen is onzeker.

"Gezien de huidige technologiekosten en gereedheid, kunnen aanzienlijke emissiereducties plaatsvinden door versnelde inzet van wind-, zonne-, dagelijkse opslag-, transmissie- en andere hernieuwbare energietechnologieën", zegt Paul Denholm, NREL-analist en co-auteur van het onderzoek. "Andere technologieën kunnen ook een grote rol spelen als ze kostenconcurrerend en breed beschikbaar worden. We zullen deze mogelijke oplossingen blijven bestuderen, maar voorlopig wordt de weg naar ongeveer 90% koolstofvrije elektriciteit steeds duidelijker. 100% vereist eerst 90% bereiken." + Verder verkennen

Video:Hoe het hebben van meer dan voldoende capaciteit voor hernieuwbare energie het net flexibeler kan maken