De afgelopen jaren hebben de zomers in de VS er een beetje apocalyptisch uitgezien. Aan de westkust woedden bosbranden. Overstromingen stalen huizen. In juli 2021 werd de warmste maand ooit op aarde geregistreerd, en elektriciteitsnetten flikkerden, wat leidde tot wijdverbreide stroomstoringen die airconditioning, luchtreinigers en zuurstofmachines uitschakelden. Dergelijke stroomstoringen vormen een nieuw, potentieel dodelijk risico voor mensen in de opwarmende wereld.

Maar iets dat waterkrachtcentrales wordt genoemd, kan helpen. Gemaakt door twee reservoirs met elkaar te verbinden, het ene op een grotere hoogte dan het andere, pompen deze planten water omhoog, slaan het op in het bovenste reservoir, voordat het naar beneden wordt vrijgegeven door een turbine, die een generator laat draaien en energie terug in het net pompt. Deze systemen bieden al 93% van de energieopslag op netschaal in de Verenigde Staten; en in het hetere, meer vluchtige klimaat van vandaag kunnen ze elektriciteit aanvullen tijdens stroomuitval veroorzaakt door hittegolven, orkanen of cyberaanvallen en duurzame energie laten stromen als de zon ondergaat en de wind niet waait. Kortom, ze maken het elektriciteitsnet veerkrachtiger.

Dus kan jouw gemeente binnenkort gebruik maken van een van deze voorzieningen? Het is moeilijk te zeggen.

Tot nu toe waren er weinig gegevens over waar waterkrachtcentrales met pompopslag in de Verenigde Staten konden worden gebouwd. En hoewel de constante energie van waterkracht al een aanvulling vormt op andere hernieuwbare energiebronnen, is het niet duidelijk hoe het een toekomstig schoon energienetwerk zal ondersteunen dat draait op veel windenergie en zonne-energie.

Nu helpen twee nieuwe rapporten van onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) beide lacunes in de gegevens op te vullen. De eerste studie identificeert Amerikaanse locaties die waterkrachtcentrales met pompopslag zouden kunnen ondersteunen, evenals hoeveel ze zouden kunnen kosten en hoeveel energie ze zouden kunnen produceren. De tweede (die binnenkort wordt gepubliceerd als een technisch NREL-rapport) gebruikt die dataset en aanvullende bronnen om te onderzoeken hoe de goedkope, flexibele energie van waterkracht het elektriciteitsnet van morgen kan ondersteunen. Het werk werd gefinancierd door het Water Power Technologies Office van het Amerikaanse ministerie van Energie en maakt deel uit van het Hydro Water Innovation for a Resilient Electricity System Initiative.

Waar ter wereld kunnen we waterkrachtcentrales met pompopslag bouwen?

Daar is een kaart voor.

Het kiezen van een locatie om een ​​windturbine of zonnepaneel te installeren is relatief eenvoudig. Is de wind sterk en stabiel? Schijnt de zon vaker wel dan niet? Als het antwoord ja is, zou die site kunnen werken. Het installeren van een waterkrachtcentrale met pompaccumulatie is iets ingewikkelder. Je hebt twee grote meren nodig, de een hoog boven de ander, om energie op te slaan. En om milieuvriendelijkere installaties te bouwen, mogen geen van beide op een rivier worden aangesloten.

Het vinden van sites om deze faciliteiten te ondersteunen is lastig, of dat was het vroeger ook.

"Met deze kaart kunnen mensen die in Wyoming wonen inzoomen op een bergketen en zien waar enkele van de beste locaties zijn", zegt Stuart Cohen, een modelingenieur bij NREL en co-auteur van beide rapporten. "Niemand produceert een product met deze omvang en granulariteit voor de Verenigde Staten."

In 2017 ontwikkelde de Australian National University een dataset van potentiële waterkrachtcentrales met pompopslag over de hele wereld, waarbij ongeveer 616.000 potentiële locaties werden geïdentificeerd. Nu heeft Cohen samen met een team van onderzoekers het oorspronkelijke algoritme van de universiteit aangepast om meer gedetailleerde geospatiale gegevens te creëren over potentiële locaties in de Verenigde Staten.

Onderzoekers van zowel de Australian National University als NREL moesten vooraf een aantal technische ontwerpbeslissingen nemen. Elk stuwmeer heeft bijvoorbeeld een dam nodig. En beide dammen kunnen een oneindig aantal potentiële hoogten hebben. "Je kunt je voorstellen," zei Cohen, "hoe dat probleem explodeert als je een oneindig aantal keuzes hebt."

Om hun dataset in toom te houden, hebben de onderzoekers van NREL parameters vastgesteld zoals de hoogte van de dam en de opslagduur, waarbij ze bijvoorbeeld een energieopslagduur van 10 uur selecteerden, omdat deze over het algemeen goedkoper is (ter vergelijking:de huidige batterijen leveren ongeveer 4 uur energie opslag). Met behulp van hun geospatiale algoritme doorzocht het team het land naar alle mogelijke locaties en bracht die vervolgens samen tot een definitieve lijst die voldeed aan aanvullende technische, ecologische en economische overwegingen. Om de beste plek te vinden, kan elke waterkrachtliefhebber die locaties vervolgens sorteren en filteren op hoofdhoogte (het hoogteverschil tussen de twee reservoirs), energiecapaciteit en kosten.

Hoewel de eerste gegevensrelease afhankelijk is van deze vaste parameters, zijn Cohen en het team binnenkort van plan om een ​​bijgewerkte versie van hun kaart te bouwen die gebruikers meer controle geeft. "We willen een interactieve kaart bouwen waar je vakjes aan en uit kunt zetten om te kiezen tussen 12-uurs of 8-uurs opslag, 40-meter of 60-meter damhoogte. Wat mensen ook willen."

Zodra een ontwikkelaar een site heeft gevonden, kan de tool vervolgens inschatten hoeveel de bouw van hun fabriek zou kunnen kosten. Ook gebaseerd op het originele model van de Australian National University, is het kostenmodel van NREL aangepast aan de financiële en economische omstandigheden in de Verenigde Staten, zodat ontwikkelaars kunnen evalueren of ze hun fabriek moeten bouwen (of niet).

De rol van waterkracht in een schoon energienet voorspellen

Naarmate het klimaat verandert, kan waterkrachtcentrales met pompopslag betrouwbare back-upenergie leveren. Maar conventionele waterkrachtcentrales kunnen ook energie produceren en opslaan, en ze kunnen naar behoefte in- en uitschakelen, waarbij ze energie putten uit de energie die in hun reservoirs is opgeslagen. Dus, hoe dragen deze flexibele planten bij aan een schonere toekomst?

"We hebben het niet over het bouwen van nieuwe Hoover Dams," zei Cohen. Of welke nieuwe dammen dan ook. In de Verenigde Staten zouden bestaande waterkrachtcentrales nog flexibeler en betrouwbaarder elektriciteit kunnen leveren dan ze nu al doen. Met enkele aanpassingen kunnen deze voorzieningen snel van start gaan als reactie op veranderingen in de hoeveelheid of het type elektriciteit op het net, het balanceren van de variabele energie-input van bijvoorbeeld windturbines en zonnepanelen, of meer elektriciteit leveren tijdens de wintermaanden wanneer die hernieuwbare energiebronnen hebben de neiging af te nemen.

Om te analyseren hoe de uitbreiding van de waterkrachtcapaciteit dit evoluerende energienetwerk zou kunnen dienen, ontwikkelden Cohen en zijn NREL-collega's nieuwe capaciteitsuitbreidingsmodellen om de rol van waterkracht in elektriciteitssystemen nauwkeuriger weer te geven.

"Het zou echt een groot verschil kunnen maken, veel groter dan ik had verwacht", zei Cohen. (Als een bonus maken gegevens van zijn kaart van waterkrachtcentrales met pompopslag deze capaciteitsmodellen nog nauwkeuriger).

De huidige waterkrachtvloot heeft genoeg dammen om tot 80 gigawatt aan elektriciteit te produceren. "Meer dan de helft daarvan is al behoorlijk flexibel", zei Cohen, wat betekent dat operators gemakkelijk elektriciteitsopwekking kunnen toevoegen aan de andere vitale rollen van de vloot, zoals waterbeheer, irrigatie of recreatie.

"Wat spannend is, is wanneer je de rest van de vloot flexibeler laat worden", zei Cohen. "Als dat gebeurt, kunnen die faciliteiten een groot verschil maken in economie en emissies in het hele land."