Vind- och solenergi växer snabbt i USA. Eftersom dessa energikällor blir en större del av elmixen, deras tillväxt väcker nya frågor:Hur påverkar sol och vind energipriserna? Och eftersom kraftverk håller i decennier, vad bör beslutsfattare och investerare tänka på för att säkerställa att investeringar i kraftinfrastruktur lönar sig i framtiden?

Vårt forskarteam vid Lawrence Berkeley National Laboratory bestämde sig för att titta på vilken effekt en högre andel vind och sol kommer att ha på dessa frågor. I vår senaste studie, vi fann att höga andelar av dessa energiresurser leder till flera djupgående förändringar i elkraftsystem.

Särskilt, vår studie visar hur sol och vind tenderar att sänka energipriserna, men de lägger till ny komplexitet för drift av nätet, vilket har stora konsekvenser för tillsynsmyndigheterna. För konsumenter, denna forskning påminner om att göra elnätet renare med vind och sol är en process i utveckling som kräver betydande förändringar av hur elnätet för närvarande drivs - men ett som erbjuder stora möjligheter, om vi som land kan bli mer flexibla när vi använder el.

Långsiktiga beslut

Tidigare analyser, inklusive våra egna, visade att sol och vind redan påverkar grossistmarknaderna för el, vilket leder till fler fluktuationer i energipriserna.

Solenergiproduktion, självklart, följer solen, ökar på morgonen, producerar mest vid middagstid, och ramlar av på kvällen. Vindenergieffekten beror på vädret, årstider och geografi. Solen är ganska förutsägbar, särskilt i torrt klimat, och vindkraft kan prognostiseras dagar och timmar i förväg med viss noggrannhet, men båda kan variera kraftigt. Av dessa skäl, sol och vind kallas också för variabla förnybara energikällor (VRE).

Vår senaste studie tittade på om vissa politiska beslut som fattas baserat på antaganden som återspeglar låga VRE-nivåer fortfarande kommer att uppnå sitt avsedda mål om vind och sol används på en hög nivå i framtiden.

Till exempel, en programadministratör på ett verktyg ombeds välja den mest kostnadseffektiva uppsättningen alternativ för energieffektivitetsåtgärder. Med en hög andel solenergi, Verksamheten kanske vill minska efterfrågan på kvällen när solenergin sjunker, snarare än middag när det finns gott om utsläppsfri el. Så effektivitetsfokuset kan flyttas från luftkonditioneringsapparater, vanligtvis behövs mer under dagens hetta, till belysning.

En annan fråga är hur man använder laddare för elfordon:Med massor av solenergi, det kan vara bäst att placera laddare i butiker eller kontorsbyggnader, att ladda när solenergin är hög vid middagstid. Men i en region med hårda vindar på natten och många vindkraftverk, ström kan vara billigast och renast när elfordon parkeras vid ägarens bostad.

Ingen bränslekostnad motsvarar lägre grossistpriser

Vår studie tittade på hur priserna förändras under två olika scenarier:höga och låga VRE-nivåer. Vi använde detaljerade nätsimuleringar för att fokusera på år 2030 för fyra elmarknader i USA:CAISO i Kalifornien, ERCOT i Texas, SPP i Mellanvästern och NYISO i New York. Analysen kontrasterar modellerade marknadsresultat för höga vind- och solandelar på 40-50 procent med en låg förnybar baslinje som återspeglar 2016 års nivåer.

För sammanhanget, den kaliforniska marknaden hade 14 procent sol- och 7 procent vindkraft 2016 (statliga lagar kommer att kräva en ökning till cirka 40 procent vind och sol år 2030). Medan Texas är landets ledande när det gäller den totala kapaciteten hos vindkraftverk som genererar 13 procent av all Texan energi, regionerna i Mellanvästerns vindbälte har den största andelen vindkraft – nästan 20 procent 2016, men bredvid ingen sol. New York, under tiden, har ambitiösa mål för 2030, men hittills bara väldigt lite vind (3 procent) och sol (1 procent).

De mest grundläggande förändringarna av höga nivåer av vind och sol relaterar till tidpunkten för när elektricitet är billig eller dyr och graden av regelbundenhet i dessa mönster.

På konkurrensutsatta grossistmarknader, företag konkurrerar om att leverera ström till de enheter som driver regionala elnät. Priserna bestäms genom budgivning, och ställs in per timme baserat på utbud och efterfrågan. Alla vinnande budgivare får marknadspriset.

Eftersom sol och vind inte har några bränslekostnader, de kan bjuda lågt för att se till att deras makt accepteras på marknaden. Ju mer vind och sol på en marknad, desto oftare faller clearingpriset. På dagens marknader, vi ser redan ibland att priserna går till noll eller till och med negativa.

Stora mängder solel förändrar de dagliga prismönstren markant. Med höga solandelar i Texas, till exempel, grossistpriserna skulle sjunka mitt på dagen till i genomsnitt $ 10/MWh och sedan stiga på kvällen till i genomsnitt $ 80/MWh. Som referens, en megawattimme (MWh) är lite mer än den mängd el som det genomsnittliga amerikanska hushållet förbrukar under en enda månad.

I ett scenario med en hög andel vind- och solenergi som bidrar till nätet, frekvensen av perioder med låga priser (under $ 5/MWh) ökar till mellan 3 procent och 19 procent av timmarna beroende på region och blandning av förnybar energi. Hög solenergi i Texas, med sina begränsade elektriska anslutningar till närliggande regioner, upplever den högsta frekvensen av perioder med nära nollpriser.

Genomsnittliga grossistpriser per timme minskar med mer VRE-penetration, med $5-$16/MWh beroende på region och blandning av vind och sol. Minskning av genomsnittliga grossistpriser och vanliga perioder med mycket låga priser kommer att påverka lönsamheten för VRE och oflexibla generatorer, till exempel kärnkrafts- och kolanläggningar som arbetar under dessa timmar.

Större behov av on-demand-kraft

Prisvolatiliteten ökar med högre VRE-aktier, särskilt i de höga vindscenarierna. Morgonpriser på våren i CAISO kan variera mellan $0 och $50/MWh med mycket vind, men faller i ett mycket snävare intervall i scenariot med låg VRE.

Slutligen, fann vi att topptiderna flyttas från middagstid till kväll, efter att solenergin minskar. Dessa nya "nettotoppar" är kortare i varaktighet men fördelas över flera dagar på året. Medan toppar normalt möts genom att öka konventionella kraftverk, den kortare varaktigheten av nettotopparna skapar möjligheter för riktad energieffektivitet, minska efterfrågan på el (efterfrågesvar), förändringar i detaljhandelspriser för att spegla nya topptider, eller till och med batterier.

Denna studie belyser bara den möjliga inverkan av dessa förändrade prismönster på efterfråge- och utbudssidans beslut inom elsektorn. Men det ger en grund för senare planerade kvantitativa utvärderingar av dessa beslut i låga och höga VRE -terminer.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.