Den berömda uppfinnaren Edwin Land sa, "Det är inte så att vi behöver nya idéer, men vi måste sluta ha gamla idéer. "Han verkade berätta att lösningar ligger strax bortom våra gamla tankesätt.

Städer, stater och länder runt om i världen åtar sig rena ekonomier som drivs på mycket höga nivåer - till och med 100% - av förnybar energi. Bara i staten New York, fyra konkurrerande räkningar riktar sig till 50% till 100% förnybar energi före eller före 2040.

Realistiskt sett, endast två förnybara energiresurser är tillräckligt stora för att uppfylla dessa mycket högpenetrationsmål på utbudssidan i USA-sol (i särklass) och vind.

Både, dock, är variabla resurser, drivs av väder såväl som dagliga och säsongscykler. Därför, de måste vara "fasta - det vill säga kan leverera kraft på begäran - för att ersätta fossila resurser som kan skickas efter behov. Baserat på vår forskning, vi hävdar att denna fasta kraftomvandling inte bara är möjlig, Det är också överkomligt - om vi slutar ha gamla idéer.

En förankrad, och mycket utbredd, tanken - sannolikt ett resultat av historiskt höga förnybara energipriser - är att all kraft som genereras av förnybara resurser måste säljas när den genereras. Tanken med att kasta tillgänglig vind- eller solproduktion är anathema, tvingas till kraftproducenterna när produktionen från dessa källor överstiger vad nätet kan acceptera.

Denna gamla idé ignorerar ett grundläggande förslag:överdimensionering och proaktivt begränsning av vind och sol. Men kontraintuitivt, en studie som våra kollegor och vi genomförde visar att dessa steg är nyckeln till den billigaste vägen till ett elnät som till stor del drivs av sol och vind.

Vägning mot energilagring

Resonemanget bakom överprovisionering av sol och vind är enkelt:

• Energilagring är den viktigaste ingrediensen som behövs för att fylla på förnybar energi när solen inte skiner eller vinden inte blåser. Dessa luckor inkluderar perioder inom dagen, t.ex. timmar med hög efterfrågan under dagen och nätterna, och ännu viktigare, större flerdagars och säsongsmässiga luckor från långvariga lågsol- eller vindvindar. För lagring, nätoperatörer - de organisationer som ser till att strömförsörjningen matchar efterfrågan när den stiger och sjunker under dagen - förlitar sig vanligtvis på vattenreservoarer som kallas pumpad hydro eller, för kortare perioder, batterier.
• Lagring blir billigare, men även om vi antar de mest optimistiska långsiktiga kostnadsberäkningarna, vår studie fick oss att dra slutsatsen att enbart lagring på fast vind eller sol kommer att förbli oöverkomligt dyrt på grund av storleken på flerdagars och säsongsöppningar. Vind och sol blir också mycket billigare, särskilt sol, till den punkt där överbyggnad blir alltmer överkomligt. Detta gäller även när produktionen från vind- och solgeneratorer väsentligen dumpas, eller "inskränkt, "och matas inte in i nätet.
• Överdimensionering minskar produktionsluckorna eftersom mer energiproduktion är tillgänglig under perioder med låg sol- och vindtillgänglighet. Överbyggnad minskar också lagringskraven.

"Firming" med överkapacitet

I dag, den nuvarande regleringspraxisen för sol- och vindgenererad el gynnar maximering av produktionen hela tiden. De företag som driver dessa anläggningar försöker sälja all sin produktion till de högsta priserna, så inskränkt produktion ses som en intäktsförlust.

Den gamla operativa idén hämmar övergången till att förlita sig på sol och vind som fast, on-demand-källor, eftersom all deras produktion endast används när den är tillgänglig. Detta tillvägagångssätt håller också förnybar energi på marginalen.

Hur skulle ett nät med överbyggda sol- och vindresurser fungera i praktiken? Låt oss säga att operatören av ett regionalt elnät behöver X megawattimmar/dag för att möta efterfrågan. Idag kan solparkerna i den regionen tillgodose eller överträffa denna efterfrågan endast på dagar med den högsta produktionen, som klara dagar på sommaren. På andra dagar, produktionsluckorna möts av lagring.

Däremot, när solresursen är för stor, att solgeneratorn kan möta efterfrågan på X MWh/dag fler dagar på året och det finns färre luckor - därför finns det färre gånger som energilagring behövs för att fylla luckorna.

När den förstärktes genom en kombination av överprovisionering och lagring, variabla förnybara energiresurser blir effektivt skickbara - kan ge ström när det behövs - och funktionellt likvärdiga med traditionella kraftverk. På det här sättet, förnybara energikällor kan ersätta dessa generatorer utan större elmotorer.

Vårt team har modellerat en högsolad och överbyggd lösning för den inte särskilt soliga staten Minnesota. Målet var att bestämma den minst kostsamma kombinationen av nätanslutna solceller, vind och lagring nödvändig för att tillhandahålla dygnet runt, året runt energitjänster.

Studien visar att övervinna den naturliga variationen i sol och vind kan uppnås till kostnader under nuvarande nätkostnader (så kallad "nätparitet") genom att överbygga sol- och vindresurser och anta en nätverksstrategi som tillåter cirka 20% till 40% minskning av överskottsenergiproduktion. Energilagring används också i vår modell, men den överlägsna ekonomin beror direkt på att dyrare lagring ersätts med överskott som kan begränsas.

En legitim fråga att ställa är vad som skulle vara det område som krävs för en fullständig distribution av överdimensionerade solceller. För Minnesota, i det mest extrema 100% PV -generationsscenariot förutsatt överdimensionering med en faktor två - eller fördubbling av solenergi som behövs för att möta den nuvarande efterfrågan - skulle detta område uppgå till 435 kvadratkilometer, förutsatt solpaneler med toppmodern effektivitet på 20%. Detta område representerar mindre än 1% av statens odlade grödor och hälften av det urbaniserade utrymmet med hög och medelhög densitet.

Justera hur bulknätet drivs

Förutom överdimensionering, begränsning och lagringsoptimering, flera operativa och planeringsmetoder, några av dem är redan gjorda nu, skulle ytterligare öka värdet och prestandan för ett högsolnät och främja dess förverkligande med minimala störningar. De inkluderar:

Utnyttjar kompletterande prestanda och variabla driftprofiler för sol och vind. På de flesta platser har vind och sol kompletterande dagliga och säsongsbetonade produktionsprofiler - vind högre på natten och på vintern, PV högre på dagtid på sommaren.

Att använda efterfrågestyrning - praxis för att minska energianvändningen på elkundplatser - som ett sätt att minimera klyftor i utbud och efterfrågan.

Att göra det möjligt för nätoperatörer att ha myndighet över lokalisering av förnybar energi och produktionshantering inom sina regioner så att beslut om när inskränkning sker eller lagring tillämpas fattas på regional basis för att minimera klyftor i utbud och efterfrågan.

En inställning att maximera förnybar energiproduktion och undvika inskränkning var meningsfull när variabel solproduktion var extremt dyr och fastande lösningar var ännu dyrare. Dock, senaste och prognostiserade minskningar av nyckelfärdiga solceller, nätverkshantering och lagringskostnader förändrar den optimala lösningen, börjar med överbyggnad av solceller.

Denna artikel publiceras från The Conversation under en Creative Commons -licens. Läs originalartikeln.