De prijzen van hernieuwbare energie zijn de afgelopen tien jaar met meer dan 70 procent gedaald, waardoor meer Amerikanen fossiele brandstoffen zijn gaan gebruiken voor groenere, minder vervuilende energiebronnen. Maar aangezien wind- en zonne-energie hun intrede blijven doen, moeten netbeheerders mogelijk rekening houden met grote schommelingen in de beschikbaarheid.

De waarschuwing komt van Upmanu Lall, een professor aan Columbia Engineering en de Columbia Climate School, die onlangs zijn blik heeft verlegd van duurzaam watergebruik naar duurzame hernieuwbare energiebronnen in het streven naar een netto-nul koolstofemissies.

"Ontwerpers van hernieuwbare energiesystemen zullen aandacht moeten besteden aan veranderende wind- en zonnepatronen in de loop van weken, maanden en jaren, zoals waterbeheerders dat doen," zei hij. "Met batterijen kun je zo'n variabiliteit niet beheren. Je hebt meer capaciteit nodig."

In een nieuwe modelstudie in het tijdschrift Patterns , Lall en Columbia Ph.D. student Yash Amonkar laat zien dat het zonne- en windpotentieel sterk varieert over dagen en weken, om nog maar te zwijgen van maanden tot jaren. Ze richtten zich op Texas, dat het land leidt in het opwekken van elektriciteit uit windenergie en de op vier na grootste producent van zonne-energie is. Texas heeft ook een op zichzelf staand netwerk dat net zo groot is als veel landen', zei Lall, waardoor het een ideaal laboratorium is om de belofte en het gevaar van hernieuwbare energiesystemen in kaart te brengen.

Op basis van 70 jaar historische wind- en zonne-energiegegevens, bouwden de onderzoekers een AI-model om de waarschijnlijkheid van een "droogte" op netwerkschaal te voorspellen, wanneer de dagelijkse productie van hernieuwbare energiebronnen onder een streefdrempel zakte. Onder een drempel van het 30e percentiel, wanneer ongeveer een derde van alle dagen dagen met een lage productie zijn, ontdekten de onderzoekers dat Texas tot vier maanden lang dagelijks te maken zou kunnen hebben met een dagelijkse energiedroogte.

Batterijen zouden een droogte van deze lengte niet kunnen compenseren, zei Lall, en als het systeem alleen op zonne-energie zou vertrouwen, zou de droogte naar verwachting twee keer zo lang duren - acht maanden. "Deze bevindingen suggereren dat energieplanners alternatieve manieren moeten overwegen om elektriciteit op te slaan of op te wekken, of de capaciteit van hun hernieuwbare systemen drastisch te vergroten," zei hij.

Voorzien van toekomstige 'energie'-droogtes in Texas en in de continentale Verenigde Staten

Het onderzoek begon zes jaar geleden, toen Lall en een voormalig afgestudeerde student, David Farnham, wind- en zonnevariabiliteit onderzochten op acht Amerikaanse luchthavens, waar weerrecords meestal langer en gedetailleerder zijn. Ze wilden zien hoeveel variatie er zou kunnen worden verwacht onder een hypothetisch netwerk van 100% hernieuwbare energie.

De resultaten, die Farnham publiceerde in zijn Ph.D. proefschrift, waren geen verrassing. Farnham en Lall ontdekten dat het zonne- en windpotentieel, net als regenval, zeer variabel is op basis van de tijd van het jaar en de plaats waar windturbines en zonnepanelen zijn geplaatst. In acht steden ontdekten ze dat het potentieel voor hernieuwbare energie in sommige seizoenen met wel een derde steeg en daalde ten opzichte van het langetermijngemiddelde.

"We hebben de term 'energiedroogte' bedacht, omdat een 10-jarige cyclus met zoveel variatie van het langetermijngemiddelde als een grote droogte zou worden gezien", zei Lall. "Dat was het begin van het energie-droogtewerk."

In de huidige studie koos Lall ervoor om in te zoomen op Texas, een staat die goed is begiftigd met zowel zon als wind. Lall en Amonkar ontdekten dat aanhoudende droogtes op het gebied van hernieuwbare energie wel een jaar kunnen duren, zelfs als zonne- en windgeneratoren over de hele staat zouden worden verspreid. De conclusie, zei Lall, is dat hernieuwbare energiebronnen een opslagprobleem hebben dat alleen realistisch kan worden opgelost door extra capaciteit of energiebronnen toe te voegen.

"In een volledig hernieuwbare wereld zouden we kernbrandstof of waterstofbrandstof moeten ontwikkelen, of koolstofrecycling, of veel meer capaciteit moeten toevoegen voor het opwekken van hernieuwbare energiebronnen, als we willen voorkomen dat fossiele brandstoffen worden verbrand", zei hij.

In tijden van weinig regen houden waterbeheerders zoet water door de kraan door gemeentelijke reservoirs of ondergrondse watervoerende lagen aan te boren. Zonne- en windenergiesystemen hebben geen gelijkwaardige back-up. De batterijen die worden gebruikt om overtollige zonne- en windenergie op te slaan op uitzonderlijk heldere en winderige dagen, kunnen slechts een paar uur en maximaal een paar dagen worden opgeladen. Waterkrachtcentrales bieden een potentiële buffer, zei Lall, maar niet lang genoeg om het systeem door een langdurige droge periode van intermitterende zon en wind te dragen.

"We zullen het probleem niet oplossen door een groter netwerk te bouwen", zei hij. "Elektriciteitsnetbeheerders hebben een doelstelling van 99,99% betrouwbaarheid, terwijl waterbeheerders streven naar 90 procent betrouwbaarheid. Je kunt zien wat een uitdagend spel dit zal zijn voor de energie-industrie, en hoe waardevol seizoens- en langere voorspellingen kunnen zijn."

In de volgende onderzoeksfase zal Lall samenwerken met de Columbia Engineering-professoren Vijay Modi en Bolun Xu om te zien of ze zowel energiedroogte als 'overstromingen' kunnen voorspellen wanneer het systeem een ​​overschot aan hernieuwbare energiebronnen genereert. Gewapend met deze projecties hopen ze de stijging en daling van de energieprijzen te voorspellen.