Variabel förnybar energi - Variable renewable energy
Variabel förnybar energi ( VRE ) eller intermittenta förnybara energikällor (IRES) är förnybara energikällor som inte kan skickas på grund av sin fluktuerande karaktär, till exempel vindkraft och solenergi , i motsats till kontrollerbara förnybara energikällor, till exempel dammad vattenkraft eller biomassa eller relativt konstanta källor, till exempel geotermisk kraft.
Användningen av små mängder intermittent effekt har liten effekt på nätverksamheten . Att använda större mängder intermittent ström kan kräva uppgraderingar eller till och med en ny design av nätinfrastrukturen. Alternativ för att absorbera stora andelar av variabel energi i nätet inkluderar att använda lagring , förbättrad sammankoppling mellan olika variabla källor för att jämna ut tillförseln, använda överförbara energikällor som vattenkraft och ha överkapacitet, så att tillräcklig energi produceras även när vädret är mindre gynnsamt.
Bakgrund och terminologi
Genomträngningen av intermittenta förnybara energikällor i de flesta elnät är låg: global elproduktion 2020 var 7% vind och 3% sol. Europeiska länder tenderar att ha en mycket högre andel VRE i sin generationsmix, med Tyskland över 40% och Storbritannien över 30%. Egenskaper hos variabla förnybara energikällor inkluderar deras oförutsägbarhet, variation, liten storlek, låga driftskostnader och det faktum att de är begränsade till en viss plats. Dessa utgör en utmaning för nätoperatörerna , som måste se till att utbud och efterfrågan matchas. Lösningarna inkluderar energilagring , efterfrågesvar , tillgänglighet av överkapacitet och sektorkoppling . Mindre galler kan vara mindre toleranta mot höga penetrationsnivåer.
Att matcha energibehovet till utbudet är inte ett problem specifikt för intermittenta strömkällor. Befintliga elnät innehåller redan inslag av osäkerhet, inklusive plötsliga och stora förändringar i efterfrågan och oförutsedda fel i kraftverket. Även om elnät redan är utformade för att ha en viss kapacitet som överstiger den förväntade toppbehovet för att hantera dessa problem, kan betydande uppgraderingar krävas för att rymma stora mängder intermittent ström.
Flera nyckelord är användbara för att förstå frågan om intermittenta strömkällor. Dessa termer är inte standardiserade och variationer kan användas. De flesta av dessa villkor gäller även för traditionella kraftverk.
- Intermittency eller variabilitet är i vilken utsträckning en strömkälla fluktuerar. Detta har två aspekter: en förutsägbar variation (t.ex. dag-natt-cykeln) och en oförutsägbar del (ofullkomlig lokal väderprognos). Termen intermittent kan användas för att hänvisa till den oförutsägbara delen, med variabel som sedan hänvisar till den förutsägbara delen.
- Sändningsförmåga är en given strömkällas förmåga att snabbt öka och minska produktionen vid behov. Konceptet skiljer sig från intermittency; sändningsförmåga är ett av flera sätt som systemoperatörer matchar utbud (generatorns utgång) till systembehov (tekniska belastningar).
- Penetration i detta sammanhang används vanligtvis för att hänvisa till mängden energi som genereras som en procentandel av årlig förbrukning.
- Nominell effekt eller typskyltkapacitet avser den maximala effekten från en produktionsanläggning under normala driftförhållanden. Detta är det vanligaste talet som används och uttrycks typiskt i Watt (inklusive multiplar som kW, MW, GW).
- Kapacitetsfaktor , genomsnittlig kapacitetsfaktor eller belastningsfaktor är den genomsnittliga förväntade effekten från en generator, vanligtvis under en årlig period. Uttryckt i procent av typskyltens kapacitet eller i decimalform (t.ex. 30% eller 0,30).
- Fast kapacitet eller fast kraft är "garanterad av leverantören att vara tillgänglig hela tiden under en period som omfattas av ett åtagande".
- Kapacitetskrediter : i allmänhet mängden produktion från en strömkälla som statistiskt kan åberopas, praktiskt taget minsta effekt inom en längre period, vanligtvis uttryckt som en procentandel av den nominella effekten. Om strömkällan är långt ifrån konsumenten, till exempel viss vindkraft i Kina , måste överföringens tillförlitlighet också redovisas.
- Förutsägbarhet eller förutsägbarhet är hur exakt operatören kan förutse generationen: till exempel tidvattenkraft varierar med tidvattnet men är helt förutsebar eftersom månens bana kan förutsägas exakt och förbättrade väderprognoser kan göra vindkraft mer förutsägbar.
Källor
Konventionell vattenkraft, biomassa och geotermi kan skickas helt eftersom varje har ett lager av potentiell energi; vind och sol utan lagring kan minskas, men inte skickas, annat än när naturen ger det. Mellan vind och sol har sol en mer variabel daglig cykel än vind, men är mer förutsägbar i dagsljus än vind. Precis som solenergi varierar tidvattenenergin mellan på- och avstängningscykler varje dag, till skillnad från sol finns det ingen intermittens, tidvatten är tillgänglig varje dag utan att misslyckas. Biobränsle och biomassa involverar flera steg i produktionen av energi - växande växter, skörd, bearbetning, transport, lagring och förbränning för att skapa värme för el, transport eller uppvärmning. I den kombinerade kraftverket används av universitetet i Kassel för att simulera att använda 100% förnyelsebar energi , vindkraftsparker och sol gårdar kompletterades vid behov med hydrostorage och biomassa att följa efterfrågan på el.
Vindkraft
Vindkraftsprognoser är den minst exakta av alla de variabla förnybara energikällorna. Nätoperatörer använder prognoser för dag framåt för att avgöra vilken av de tillgängliga strömkällorna som ska användas nästa dag, och väderprognoser används för att förutsäga den sannolika vindkraft och solenergi som finns tillgänglig. Även om vindkraftsprognoser har använts operativt i årtionden, organiserar IEA från 2019 internationellt samarbete för att ytterligare förbättra deras noggrannhet.
Vindgenererad kraft är en variabel resurs, och mängden elektricitet som produceras vid en viss tidpunkt av en given anläggning beror på vindhastigheter, lufttäthet och turbinegenskaper (bland andra faktorer). Om vindhastigheten är för låg kommer vindkraftverken inte att kunna producera el, och om den är för hög måste turbinerna stängas av för att undvika skador. Medan produktionen från en enda turbin kan variera mycket och snabbt när lokala vindhastigheter varierar, eftersom fler turbiner är anslutna över större och större områden blir den genomsnittliga effekten mindre variabel.
- Intermittens: Regioner mindre än synoptisk skala (mindre än cirka 1000 km lång, storleken på ett genomsnittligt land) har mestadels samma väder och därmed runt samma vindkraft, om inte lokala förhållanden gynnar speciella vindar. Vissa studier visar att vindkraftsparker spridda över ett geografiskt mångsidigt område som helhet sällan kommer att sluta producera kraft helt och hållet. Detta är dock sällan fallet för mindre områden med enhetlig geografi som Irland, Skottland och Danmark som har flera dagar per år med lite vindkraft.
- Kapacitetsfaktor: Vindkraft har vanligtvis en årlig kapacitetsfaktor på 25–50%, med havsvind som överträffar vind på land.
- Sändbarhet: Eftersom vindkraft inte i sig är utsändande vindkraftparker byggs ibland med lagring.
- Kapacitetskredit: Vid låga penetrationsnivåer är vindens kapacitetskreditt ungefär detsamma som kapacitetsfaktorn. När koncentrationen av vindkraft på nätet stiger, sjunker kapacitetskreditprocenten.
- Variabilitet: Platsberoende. Havsbrisen är mycket mer konstant än landbrisen. Säsongsvariationer kan minska produktionen med 50%.
- Pålitlighet : En vindpark har hög teknisk tillförlitlighet när vinden blåser. Det vill säga att produktionen vid varje given tidpunkt bara kommer att variera gradvis på grund av fallande vindhastigheter eller stormar (det senare kräver stängning). En typisk vindkraftspark kommer sannolikt inte att behöva stängas av på mindre än en halvtimme i yttersta fall, medan en kraftstation i motsvarande storlek kan misslyckas helt omedelbart och utan förvarning. Den totala avstängningen av vindkraftverk är förutsägbar via väderprognoser. Den genomsnittliga tillgängligheten för ett vindkraftverk är 98%, och när ett turbin misslyckas eller stängs av för underhåll påverkar det bara en liten andel av produktionen från en stor vindkraftpark.
- Förutsägbarhet: Även om vinden är varierande är den också förutsägbar på kort sikt. Det finns en 80% chans att vindproduktionen förändras mindre än 10% på en timme och 40% chans att den kommer att förändras 10% eller mer om 5 timmar. Förutsägbarheten ökar när väderprognoser blir bättre. Danmark exporterar överskott av vindkraft och import under brister till och från EU -nätet, särskilt norsk vattenkraft, för att balansera utbudet med efterfrågan.
Eftersom vindkraft genereras av ett stort antal små generatorer har enskilda fel inte stora effekter på elnät. Denna vindkraft har kallats resiliency.
Under Kaliforniens värmebölja från vindkraft i Kalifornien 2006 minskade avsevärt till i genomsnitt 4% av kapaciteten i sju dagar. Ett liknande resultat sågs under den europeiska värmeböljan 2003 , då produktionen av vindkraft i Frankrike, Tyskland och Spanien sjönk under 10% under högsta efterfrågan.
Enligt en artikel i EnergyPulse , "kommer utvecklingen och expansionen av välfungerande marknader framåt och i realtid att vara ett effektivt sätt att hantera variationen i vindproduktion."
I Ontario , Kanada, har den oberoende elsystemoperatören experimenterat med utsänd vindkraft för att möta toppkrav. I detta fall är ett antal vindgeneratorer medvetet inte anslutna till nätet, utan vänder och är redo att generera, och när behovet av mer kraft uppstår är de anslutna till nätet. IESO försöker detta eftersom vindgeneratorer reagerar på plötsliga kraftbehov mycket snabbare än gasdrivna generatorer eller vattenkraftgeneratorer.
Solkraft
Solenergi är mer förutsägbar än vindkraft och mindre variabel - medan det aldrig finns någon solenergi tillgänglig under natten, och det finns en minskning på vintern, är de enda okända faktorerna för att förutsäga solproduktion varje dag molntäcke, frost och snö. Många dagar i rad på vissa platser är relativt molnfria, precis som många dagar i rad på antingen samma eller andra platser är mulet - vilket leder till relativt hög förutsägbarhet. Den totala efterfrågan i världen är ungefär 12 TW, många gånger mindre än den mängd som kan genereras från potentiella vind- och solresurser. Från 40 till 85 TW kan tillhandahållas från vind och cirka 580 TW från solenergi.
Intermittency påverkar i sig solenergi, eftersom produktionen av förnybar el från solkällor beror på mängden solljus på en given plats och tid. Soleffekten varierar under hela dagen och under årstiderna och påverkas av damm, dimma, molntäcke, frost eller snö. Många av säsongsfaktorerna är ganska förutsägbara, och vissa solvärmesystem använder värmelagring för att producera nätkraft under en hel dag.
- Variabilitet: I avsaknad av ett energilagringssystem producerar solenergi inte ström på natten, lite i dåligt väder och varierar mellan säsonger. I många länder producerar solenergi mest energi under säsonger med låg vindtillgänglighet och vice versa.
- Kapacitetsfaktor Standard fotovoltaiskt solceller har en årlig genomsnittlig kapacitetsfaktor på 10-20%, men paneler som rör sig och spårar solen har en kapacitetsfaktor upp till 30%. Termiskt solparaboliskt tråg med lagring 56%. Termiskt solkraftstorn med lagring 73%.
Effekten av intermittens av solgenererad elektricitet beror på sambandet mellan produktion och efterfrågan. Till exempel är solvärmekraftverk som Nevada Solar One något anpassade till sommarens toppbelastning i områden med betydande kylbehov, till exempel i sydvästra USA. Termiska energilagringssystem som den lilla spanska Gemasolar Thermosolar -anläggningen kan förbättra matchningen mellan solförsörjning och lokal förbrukning. Den förbättrade kapacitetsfaktorn som använder termisk lagring representerar en minskning av maximal kapacitet och förlänger den totala tiden systemet genererar ström.
Run-of-the-river vattenkraft
I många europeiska län och Nordamerika har miljörörelsen eliminerat byggandet av dammar med stora reservoarer. Run of the river -projekt har fortsatt att byggas, till exempel 695 MW Keeyask -projektet i Kanada som började byggas 2014. Frånvaron av en reservoar resulterar i både säsongsbetonade och årliga variationer i genererad el.
Tidvattenkraft
Tidvattenkraft är den mest förutsägbara av alla de variabla förnybara energikällorna. Två gånger om dagen varierar tidvattnet 100%, men de är aldrig intermittenta, tvärtom är de helt pålitliga. Det uppskattas att Storbritannien kan få 20% av energin från tidvattenkraft, endast 20 platser i världen har ännu identifierats som möjliga tidvattenkraftverk.
Vågkraft
Vågor skapas främst av vind, så den kraft som är tillgänglig från vågor tenderar att följa den som är tillgänglig från vind, men på grund av vattnets massa är mindre variabel än vindkraft. Vindkraften är proportionell mot vindhastighetens kub, medan vågkraften är proportionell mot kvadraten i våghöjden.
Lösningar för deras integration
Användningen av intermittenta källor är beroende av elektriska elnät som hanteras noggrant, till exempel med hjälp av en mycket utsänd generation som kan stänga av sig själv när en intermittent källa börjar generera ström och att framgångsrikt starta utan varning när intermittenterna slutar generera.
Den förträngda generationen kan vara kol, naturgas, biomassa, kärnkraft, geotermi eller lagringshydro. Istället för att starta och stoppa kärnkraft eller geotermi är det billigare att använda dem som konstant baslastkraft . All kraft som genereras utöver efterfrågan kan förskjuta värmebränslen, konverteras till lagring eller säljas till ett annat nät. Biobränslen och konventionell vattenkraft kan sparas till senare när intermittenter inte genererar ström. Alternativ till att bränna kol och naturgas som producerar färre växthusgaser kan så småningom göra fossila bränslen till en strandad tillgång som finns kvar i marken. Högintegrerade nät gynnar flexibilitet och prestanda framför kostnad, vilket resulterar i fler anläggningar som arbetar under färre timmar och lägre kapacitetsfaktorer .
Alla elkällor har viss grad av variation, liksom efterfrågemönster som rutinmässigt driver stora svängningar i mängden el som leverantörer matar in i nätet. När det är möjligt är nätverksförfaranden utformade för att matcha utbud med efterfrågan på hög tillförlitlighet, och verktygen för att påverka utbud och efterfrågan är välutvecklade. Införandet av stora mängder mycket varierande kraftproduktion kan kräva ändringar av befintliga förfaranden och ytterligare investeringar.
Kapaciteten hos en pålitlig förnybar strömförsörjning kan uppfyllas genom användning av backup eller extra infrastruktur och teknik , med hjälp av blandade förnybara energikällor för att producera el över intermittent genomsnitt , som kan användas för att möta regelbundna och oväntade leveransbehov. Dessutom kan lagring av energi för att fylla bristfälliga mellanrum eller för nödsituationer vara en del av en pålitlig strömförsörjning.
I praktiken, eftersom vindeffekten varierar, justerar delvis laddade konventionella anläggningar, som redan finns för att ge svar och reserv, sin effekt för att kompensera. Även om låga penetrationer av intermittent effekt kan använda befintliga svarsnivåer och spinnreserv, kommer de större övergripande variationerna vid högre penetrationsnivåer att kräva ytterligare reserver eller andra kompensationsmedel.
Operativ reserv
Alla hanterade nät har redan befintlig drifts- och "snurrande" reserv för att kompensera för befintliga osäkerheter i elnätet. Tillägg av intermittenta resurser som vind kräver inte 100% "back-up" eftersom driftsreserver och balanseringskrav beräknas på ett systemövergripande sätt och inte är avsedda för en specifik produktionsanläggning.
Vissa gas- eller vattenkraftverk laddas delvis och kontrolleras sedan för att förändras när efterfrågan ändras eller för att ersätta snabbt förlorad produktion. Möjligheten att förändras när efterfrågan förändras kallas "svar". Möjligheten att snabbt ersätta förlorad generation, vanligtvis inom tidsperioder på 30 sekunder till 30 minuter, kallas "spinnreserv".
I allmänhet blir värmeverk som fungerar som toppverk mindre effektiva än om de körs som grundlast . Hydroelektriska anläggningar med lagringskapacitet (t.ex. den traditionella dammkonfigurationen) kan drivas som grundlast eller toppverk.
Nät kan dra ihop sig för nätbatterianläggningar, som ger omedelbart tillgänglig ström under en timme eller så, vilket ger tid för andra generatorer att startas vid ett fel och minskar kraftigt spinnreserven som krävs.
Efterfrågesvar
Efterfrågesvar är en förändring av energiförbrukningen för att bättre anpassa sig till utbudet. Det kan ha formen att stänga av laster eller absorbera ytterligare energi för att rätta till obalanser mellan utbud och efterfrågan. Incitament har skapats i stor utsträckning i de amerikanska, brittiska och franska systemen för användning av dessa system, till exempel förmånliga räntor eller kapitalkostnadsbistånd, uppmuntrande konsumenter med stor belastning att ta dem offline när det är brist på kapacitet eller omvänt att öka belastning när det finns överskott.
Vissa typer av lastkontroll gör att kraftföretaget kan stänga av laster på distans om det inte finns tillräckligt med ström. I Frankrike sänker stora användare som CERN strömförbrukningen som krävs av systemoperatören - EDF under uppmuntran av EJP -tariffen.
Energibehovshantering avser incitament för att justera elanvändning, till exempel högre priser under högtrafik. Variabel elprissättning i realtid kan uppmuntra användarna att anpassa användningen för att dra nytta av perioder när strömmen är billig tillgänglig och undvika perioder när den är mer knapp och dyr. Vissa laster som avsaltningsanläggningar, Bitcoin -gruvarbetare, elpannor och industriella kylenheter kan lagra sin effekt (vatten och värme). Dessa "opportunistiska laster" kan dra nytta av "burst elektricitet" när den är tillgänglig.
Omedelbar minskning av efterfrågan. De flesta stora system har också en kategori av laster som omedelbart kopplas bort när det finns en generationsbrist, under något ömsesidigt fördelaktigt kontrakt. Detta kan ge omedelbara belastningsminskningar (eller ökningar).
Lagring
.jpg)
Vid tider med låg belastning där icke-utsändbar produktion från vind och sol kan vara hög kräver nätstabilitet att sänka effekten från olika utsändande genereringskällor eller till och med öka kontrollerbara laster, möjligen genom att använda energilagring för att tidsförskjuta utmatning till tider med högre efterfrågan . Sådana mekanismer kan innefatta:
Pumpad vattenkraft för lagring är den mest förekommande befintliga tekniken som används och kan avsevärt förbättra vindkraftens ekonomi. Tillgången på vattenkraftplatser som är lämpliga för lagring varierar från nät till nät. Typisk tur och retur -effektivitet är 80%.
Traditionell litiumjon är den vanligaste typen som används för lagring av nätbatterier från och med 2020. Laddningsbara flödesbatterier kan fungera som ett lagringsmedium med stor kapacitet och snabb respons. Väte kan skapas genom elektrolys och lagras för senare användning.
Värmeenergilagring lagrar värme. Lagrad värme kan användas direkt för uppvärmningsbehov eller omvandlas till el. I samband med en kraftvärmeverk kan en värmelagring fungera som en funktionell ellagring till jämförelsevis låga kostnader. Isförvaring luftkonditionering Is kan lagras mellan säsonger och kan användas som en källa till luftkonditionering under perioder med hög efterfrågan. Nuvarande system behöver bara lagra is i några timmar men är väl utvecklade.
Lagring av elektrisk energi resulterar i viss förlorad energi eftersom lagring och hämtning inte är helt effektiv. Lagring kräver också investeringar och utrymme för lagringsanläggningar.
Geografisk mångfald och kompletterande teknik
Variationen i produktionen från ett enda vindkraftverk kan vara hög. Att kombinera eventuellt ytterligare antal turbiner (till exempel i en vindkraftpark) resulterar i lägre statistisk variation, så länge korrelationen mellan varje turbins effekt är ofullkomlig och korrelationerna är alltid ofullkomliga på grund av avståndet mellan varje turbin. På samma sätt har geografiskt avlägsna vindkraftverk eller vindparker lägre korrelationer, vilket minskar den totala variationen. Eftersom vindkraft är beroende av vädersystem finns det en gräns för fördelarna med denna geografiska mångfald för alla kraftsystem.
Flera vindkraftsparker spridda över ett brett geografiskt område och sammanfogade producerar kraft mer konstant och med mindre variation än mindre installationer. Vindproduktion kan förutses med viss grad av förtroende med hjälp av väderprognoser, särskilt från ett stort antal turbiner/gårdar. Möjligheten att förutsäga vindproduktion förväntas öka med tiden när data samlas in, särskilt från nyare anläggningar.
Elektricitet från solenergi tenderar att motverka de fluktuerande energiförsörjningen från vinden. Normalt blåser det på natten och under molnigt eller stormigt väder, och det är mer solsken på klara dagar med mindre vind. Dessutom har vindenergi ofta en topp under vintersäsongen, medan solenergi har en topp under sommarsäsongen; kombinationen av vind och sol minskar behovet av utbytbar reservkraft.
- På vissa platser kan elbehovet ha en hög korrelation med vindeffekten, särskilt på platser där kalla temperaturer driver elförbrukningen (eftersom kall luft är tätare och ger mer energi).
- Den tillåtna penetrationen kan ökas med ytterligare investeringar i standby -generation. Till exempel kan vissa dagar producera 80% intermittent vind och på de många vindstilla dagarna ersätta 80% utsändningskraft som naturgas, biomassa och Hydro.
- Områden med befintliga höga nivåer av vattenkraft kan genereras uppåt eller nedåt för att innehålla stora mängder vind. Norge , Brasilien och Manitoba har alla höga nivåer av vattenkraft, Quebec producerar över 90% av sin el från vattenkraft och Hydro-Québec är den största vattenkraftproducenten i världen. USA: s Pacific Northwest har identifierats som en annan region där vindenergi kompletteras väl av befintlig vattenkraft. Lagringskapaciteten i vattenkraftanläggningar kommer att begränsas av behållarens storlek och miljö- och andra överväganden.
Ansluta nätet internationellt
Det är ofta möjligt att exportera energi till angränsande nät vid tider av överskott och importera energi vid behov. Denna praxis är vanlig i Västeuropa och Nordamerika. Integration med andra nät kan sänka den effektiva koncentrationen av variabel effekt: till exempel är Danmarks höga penetration av VRE, i samband med de tyska/ holländska/ skandinaviska nät som det har sammankopplingar, betydligt lägre som en andel av det totala systemet. Toppverk eller pumpelagrad vattenkraft som kompenserar för variation kan användas i olika länder.
Kapaciteten för kraftöverföringsinfrastruktur kan behöva uppgraderas väsentligt för att stödja export-/importplaner. En del energi går förlorad i överföringen. Det ekonomiska värdet av att exportera variabel effekt beror delvis på exportnätets förmåga att förse det importerande nätet med användbar kraft vid användbara tider till ett attraktivt pris.
Sektorkoppling
Efterfrågan och produktion kan matchas bättre när sektorer som rörlighet, värme och gas kopplas till elsystemet. Elfordonsmarknaden förväntas till exempel bli den största lagringskapaciteten. Detta kan vara ett dyrare alternativ som är lämpligt för hög penetration av variabla förnybara energikällor, jämfört med andra flexibilitetskällor. Internationella energibyrån indikerar att sektorkoppling behövs för att kompensera för bristande överensstämmelse mellan säsongens efterfrågan och utbud.
Elfordon kan laddas under perioder med låg efterfrågan och hög produktion och på vissa ställen skicka ström tillbaka från fordonet till elnätet .
Genomslag
Penetration avser andelen av en primärenergi (PE) -källa i ett elsystem, uttryckt i procent. Det finns flera beräkningsmetoder som ger olika penetrationer. Penetrationen kan beräknas antingen som:
- den nominella kapaciteten (installerad effekt) för en PE -källa dividerat med toppbelastningen i ett elsystem; eller
- den nominella kapaciteten (installerad effekt) för en PE -källa dividerat med den totala kapaciteten för elsystemet; eller
- den elektriska energin som genereras av en PE -källa under en viss period, dividerat med efterfrågan från elsystemet under denna period.
Nivån på penetration av intermittenta variabla källor är signifikant av följande skäl:
- Kraftnät med betydande mängder utlämningsbar pumpad lagring, vattenkraft med reservoar eller dam eller andra toppkraftverk som naturgaseldade kraftverk kan lättare ta emot fluktuationer från intermittent kraft.
- Relativt små elsystem utan stark sammankoppling (t.ex. avlägsna öar) kan behålla vissa befintliga dieselgeneratorer men förbrukar mindre bränsle, för flexibilitet tills renare energikällor eller lagring som pumpad hydro eller batterier blir kostnadseffektiva.
I början av 2020-talet producerar vind och sol 10% av världens el, men leverans inom 20-50% penetrationsintervall har redan implementerats i flera system, med 65% som rekommenderas för 2030 av UK National Infrastructure Commission.
Det finns ingen allmänt accepterad maximal penetrationsnivå, eftersom varje systems förmåga att kompensera för intermittens skiljer sig åt, och själva systemen kommer att förändras med tiden. Diskussion om acceptabla eller oacceptabla penetrationssiffror bör behandlas och användas med försiktighet, eftersom relevansen eller betydelsen kommer att vara mycket beroende av lokala faktorer, nätstruktur och hantering och befintlig produktionskapacitet.
För de flesta system världen över är befintliga penetrationsnivåer betydligt lägre än praktiska eller teoretiska maxvärden.
Maximal penetrationsgräns
Det finns ingen allmänt accepterad maximal penetration av vindenergi som skulle vara möjlig i ett givet nät. Det är snarare sannolikt att ekonomisk effektivitet och kostnadsöverväganden kommer att dominera som kritiska faktorer; tekniska lösningar kan göra det möjligt att överväga högre penetrationsnivåer i framtiden, särskilt om kostnadsöverväganden är sekundära.
Scenarier med hög penetration kan vara möjliga under vissa omständigheter:
- Kraftproduktion under perioder med liten eller ingen vindproduktion kan tillhandahållas genom att behålla de befintliga kraftstationerna. Kostnaden för att använda befintliga kraftverk för detta ändamål kan vara låg eftersom bränslekostnaderna dominerar driftskostnaderna. Den faktiska kostnaden för att betala för att hålla ett kraftverk i viloläge, men användbart med kort varsel, kan uppskattas från publicerade gnistspridningar och mörka spridningar . Eftersom befintliga traditionella anläggningar åldras kommer kostnaden för att byta eller renovera dessa anläggningar att bli en del av kostnaden för högpenetrerad vind om de bara används för att tillhandahålla driftreserv.
- Automatisk avlastning av stora industrilaster och dess efterföljande automatiska återanslutning är etablerad teknik och används i Storbritannien och USA, och kallas Frequency Service -entreprenörer i Storbritannien. Flera GW stängs av och på varje månad i Storbritannien på detta sätt. Reservtjänstentreprenörer erbjuder gasturbiner med snabb respons och ännu snabbare dieslar i Storbritannien, Frankrike och USA för att kontrollera nätstabiliteten.
- I ett vindscenario som är nära till 100% kan överskott av vindkraft tillåtas genom att öka nivåerna på de befintliga reserv- och frekvensservicen och genom att utvidga systemet till laster i hushållsstorlek. Energi kan lagras genom att öka deferrerbar hushållsbelastning som lagringsvärmare, vattenvärmare, kylmotorer, elbilar eller till och med väteproduktion , och belastningen kan tappas genom att stänga av sådan utrustning.
- Alternativt eller ytterligare kan kraft exporteras till angränsande nät och återimporteras senare. HVDC -kablar är effektiva med 3% förlust per 1000 km och kan vara billiga under vissa omständigheter. Under sådana scenarier kan mängden överföringskapacitet som krävs vara många gånger högre än för närvarande.
Ekonomiska effekter av variation
Uppskattningar av kostnaden för vindenergi kan innehålla uppskattningar av de "externa" kostnaderna för vindvariabilitet eller begränsas till produktionskostnaderna. Alla elektriska anläggningar har kostnader som är separata från produktionskostnaderna, inklusive till exempel kostnaden för eventuell nödvändig överföringskapacitet eller reservkapacitet vid förlust av produktionskapacitet. Många typer av produktion, särskilt fossilt bränsle, kommer också att ha externa kostnader som föroreningar, utsläpp av växthusgaser och förstörelse av livsmiljöer som i allmänhet inte direkt redovisas. Storleken på de ekonomiska effekterna debatteras och kommer att variera beroende på plats, men förväntas stiga med högre penetrationsnivåer. Vid låga penetrationsnivåer anses kostnader som driftreserv och balanseringskostnader vara obetydliga.
Intermittency kan införa ytterligare kostnader som skiljer sig från eller av en annan storlek än för traditionella generationstyper. Dessa kan inkludera:
- Överföringskapacitet: överföringskapacitet kan vara dyrare än för kärn- och kolproduktionskapacitet på grund av lägre belastningsfaktorer. Överföringskapaciteten kommer i allmänhet att dimensioneras till den beräknade toppeffekten, men den genomsnittliga kapaciteten för vind kommer att vara betydligt lägre, vilket ökar kostnaden per energienhet som faktiskt överförs. Överföringskostnaderna är dock en låg bråkdel av de totala energikostnaderna.
- Ytterligare driftsreserv: om ytterligare vind inte motsvarar efterfrågemönster kan ytterligare driftsreserv krävas jämfört med andra genereringstyper, men detta resulterar inte i högre kapitalkostnader för ytterligare anläggningar eftersom detta bara är befintliga anläggningar som körs med låg effekt - snurrar boka. I motsats till påståenden om att all vind måste backas av lika mycket "back-up-kapacitet", bidrar intermittenta generatorer till baskapaciteten "så länge det finns viss sannolikhet för produktion under toppperioder". Säkerhetskapacitet tillskrivs inte enskilda generatorer, eftersom reserv- eller driftreserv "bara har mening på systemnivå".
- Balanseringskostnader: för att upprätthålla nätstabilitet kan vissa extra kostnader uppstå för att balansera last med efterfrågan. Nätets förmåga att balansera utbudet med efterfrågan beror på förändringstakten för mängden energi som produceras (till exempel med vind) och andra källors förmåga att öka produktionen eller minska produktionen. Balanseringskostnaderna har i allmänhet visat sig vara låga.
- Lagring, export och lasthantering: lösningar med höga genomträngningar (beskrivs nedan) för att hantera hög vindkraft under perioder med låg efterfrågan kan krävas. Dessa kan kräva ytterligare investeringar eller leda till lägre marginalinkomster för vindproducenter.
Reglering och nätplanering
Storbritannien
Operatören för det brittiska elsystemet har sagt att det kommer att kunna driva koldioxidutsläpp 2025, när det finns tillräckligt med förnybar produktion, och kan vara koldioxidnegativt år 2033. Företaget, National Grid Electricity System Operator, uppger att nya produkter och tjänster kommer att bidra till att minska den totala kostnaden för att driva systemet.
Se även
- Energisäkerhet och förnybar teknik
- Markvärmepump
- Kostnad för el efter källa
- Spark spread : beräkning av kostnaden för säkerhetskopiering
- Lista över energilagringskraftverk
Vidare läsning
- Sivaram, Varun (2018). Tämja solen: Innovation för att utnyttja solenergi och driva planeten . Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 978-0-262-03768-6.