Termisk solenergi visar sig vara nyckeln till att Kina klarar sina klimatåtaganden. En ny studie undersöker den bästa kombinationen av förnybar energi för att ge den lägsta kostnaden för elsystemoperatörer i två av Kinas provinser som är bäst lämpade för att skala upp förnybar energi.

Kinas elsystemoperatörer måste investera i förnybar energi för att klara klimatåtaganden. Vindkraft och PV är de lägsta kostnaden för förnybara energikällor, men de levererar bara kraft när det blåser eller solar. Däremot dyrare koncentrerad solenergi (CSP), som kan lagra sin solenergi relativt billigt, och under lång tid, kan leverera ström när som helst, dag eller natt.

Förvånande, dyrare CSP kan i slutändan visa sig vara billigare för ett kraftsystem med mycket förnybar energi på grund av dess flexibla leverans dag som natt.

Studien visar att om CSP skulle ersätta mellan 5 procent och 20 procent av den planerade sol- och vindkraften i Gansu-provinsen och Qinghai-provinsen skulle det medföra den största fördelen för kraftsystemoperatörer, minska begränsningen av vindkraft och solenergi samtidigt som driftskostnaderna för baslastkolgeneratorer sänks, som måste öka upp och ner för att förbättra den fluktuerande generationen från sol och vind.

Tidigare studier har endast analyserat flexibilitetsfördelarna med CSP ur synvinkeln att maximera ROI för potentiella investerare och utvecklare. Den nya studien hjälper till att fylla en lucka i ekonomisk forskning utformad för att maximera de långsiktiga fördelarna med CSP för det övergripande kraftsystemet.

Kinesiska beslutsfattare vill veta den bästa planen

En forskargrupp från Pekings Tsinghua -universitet rapporterar sina resultat i juli -numret av tidskriften Applied Energy, i Ekonomisk motivering av att koncentrera solenergi i kraftsystem med hög förnybar energi. De analyserade kostnads-nyttan för olika nivåer av CSP istället för planerad Variabel Förnybar energi (VRE) som PV och vind.

Särskilt i två provinser, Qinghai och Gansu, som planerar att leverera 83 procent respektive 104 procent av sin maximala belastning med VRE, författarna fann att att ersätta CSP med mellan 5 procent och 20 procent av VRE skulle resultera i den lägsta kostnaden för systemoperatören.

Tidigare artiklar från dessa forskare har tillhandahållit planeringsritningar för kraftsystem för Kinas beslutsfattare vid NDRC.

Huvud författare, Prof. Chongqing Kang, som leder elektroteknikavdelningen på Tsinghua, är den mycket citerade författaren till över 300 studier om förnybar energi och energisystems planering och drift. Andra författare, Docent Ning Zhang, har fokuserat på analys och optimering av förnybar energi i kraftsystemet.

"Vi har haft ett mycket nära samarbete med denna regering, " Prof. Kang berättade för SolarPACES. "Vi har föreslagit flera forskningsstudier tidigare om vind och sol, och de har nu ökat intresset för CSP, som fortfarande är i sitt första utvecklingsskede. Anledningen till intresset är att Kina har satt upp ett mycket offensivt mål för förnybar energi och vind och PV är redan i snabb utveckling. De har flera personer som fokuserar på förnybar energi vid NDRC, som ligger under energibyrån."

Studien kvantifierar den "utjämnade fördelen" av CSP

Studien fokuserade på fördelarna med CSP specifikt för kraftsystemen i Qinghai och Gansu. Båda provinserna har utmärkta solresurser och goda lokaliseringsmöjligheter för stora sol- eller vindkraftverk, och mycket ambitiösa planer för att använda vind- och solteknik.

Qinghai planerar att leverera 82,3 procent av maximal belastningsbehov med en kombinerad 13 GW VRE; från 3 GW vindkraft och 10 GW PV. Gansu planerar att leverera 104,3 procent av den maximala belastningsefterfrågan från sammanlagt 27 GW VRE; 20 GW vind och 7 GW solenergi.

Genom att kombinera de ekonomiska fördelarna med CSP som en flexibel förnybar energigenereringsresurs som kan skicka solenergi på begäran och ytterligare minska vindkraft och solcellsminskning, de härleder en "nivåiserad nytta"-siffra för CSP.

Studien föreslår en ytterligare energi- och flexibilitetsfördel på mellan 18 och 30 cent per kilowattimme om CSP ersätter mellan 5 procent och upp till 20 procent av den föreslagna sol- och vindkraften i dessa provinser. Det högre värdet av CSP:s energi- och flexibilitetsfördelar motiverar dess relativt högre investeringskostnad.

Säker på att den tekniska omognaden hos CSP är tillfällig

Studien kommer i en tid med djärva planer i Kina:att bokstavligen fördubbla 2018 års globala CSP-utbyggnad på 5 GW till 2020. Efter en 1 GW omgång av 18 demonstrationsprojekt, Kina planerar att bygga 5 GW CSP.

Vissa initiala mål i den första omgången av demonstrationsprojekt har visat sig svårare att uppnå än väntat. Flera projekt hoppade av, inte kan nå en första milstolpe i tid.

Dock, författarna är mycket övertygade om att dessa växtvärk är överkomliga, noterar att CSP knappt har börjat distribueras jämfört med PV och vind.

"Inte alla delar kan tillverkas av Kina vid denna tidpunkt, så inlärningsprocessen i byggprocessen är lite försenad, "Kang sa. De betonade att CSP -startproblem inte är oöverkomliga:" de lär sig fortfarande; utvecklingen kommer att gå snabbare inom en snar framtid."

Varför Kina kommer att behöva längre timmar med CSP-lagring

Hela Kinas planerade CSP inkluderar Thermal Energy Storage (TES). Studien noterar:

"TES-system i CSP-anläggningar är för närvarande mindre kostsamma (med kapitalkostnader runt 20–70 $/kWh) än batterienergilagringssystem (med en kapitalkostnad över $150/kWh)"

"CSP är en ny teknik som kan skickas flexibelt, " noterade Kang. "Jag tror att Kina inte vill missa den tekniken. Så de första 20 projekten, för cirka 1 GW CSP, ska säga hur denna teknik fungerar i Kina."

Kinas behov av nattkraft är relativt sett större än andra nationer, som fabriker surrar hela natten i många regioner.

"Ett tidigare informellt förslag jag har gjort är att lagringen borde vara längre i Kina, " sa han. "I storstäder, som Peking och Shanghai, vår belastning är cirka 60 procent på natten, ungefär som storstäder i USA – men i västra Kina, fabriker arbetar 24 timmar. Belastningen på natten är cirka 80 procent av dagtid, det försvinner inte riktigt, så de behöver långvarig lagring; minst 10 timmar."

Ett helt kraftsystem simuleras. Dr Zhang och Ph.D. kandidaten Ershun Du vid Pekings elektroteknikavdelning vid Tsinghua University hjälpte till att designa analysmjukvaran, använda kraftsystemdata från genererings- och transmissionsexpansionsplanering och lastprognosdata.

"Analyseverktyget eller mjukvaran som vi använder är egenutvecklad mjukvara av vårt team; GOPT Det är en programvara för kraftsystemsoperativsystem som kan utföra elsystem året runt med tanke på ett brett utbud av typer av generering och detaljerad AC/ DC -elnät och praktiska leveransregler "förklarade Du. "Mjukvaran simulerar driften av kraftsystemet under en lång tidsperiod med tillräcklig mängd VRE-utdatascenarier så att den kan leverera en tillförlitlig uppskattning av ekonomin för drift av kraftsystem med vind, PV och CSP."

Uppgifterna kommer från elkraftsplaneringen för varje provins.

"Vi genomförde denna analys för att simulera om investeringar i CSP -anläggningar är ekonomiska eller inte i Qinghai -provinsen och Gansu -provinsen, för att motivera hur stor eller hur stor nytta CSP-kraftverken kan ge, sa Du, som 2017 var gästforskare vid NREL där relaterade studier har uppskattat värdet som CSP tillför nätet inom Western US Interconnect.

Resultat:CSP-fördelarna uppväger kostnaderna i båda provinserna

CSP gav den största fördelen för Gansu-provinsen, där det skulle minska den begränsade sol- och vindkraften, men också minska kostnaderna för befintlig kolkraftproduktion genom att sänka bränslekostnaderna, ökade kostnader, och start-stop-kostnader när den försöker fylla mellan ständigt växande sol och vind.

I Qinghai-provinsen, förmånen skulle bli lägre. CSP skulle byggas i en hög ökenregion där flera stora floder har sitt ursprung i de höga bergen. "Det är två väldigt olika kraftsystem, och vi fann att CSP har fler fördelar i Gansu-provinsen, eftersom Qinghai-provinsen redan har mycket vattenkraft, "Du förklarade. Precis som CSP, hydro kan skickas, vilket gör det till en lika bra "filler" med PV och vind.

I Gansu, förmånsvärdet var mellan 24 och 30 cent per kilowattimme produktion (0,238–0,300 $/kWh). I Quinghai, med rikligt med hydro, det nivåiserade förmånsvärdet var under 20 cent (0,177–0,191 $/kWh).

"Vi finner att även med en högre initial kostnad för att bygga CSP, Att investera i CSP är fortfarande ekonomiskt i båda provinserna på grund av dess mycket höga externa nytta av att ta emot vindkraft och PV som leder till lägre kostnader över tid i kraftsystemdriften, avslutade Zhang. "Men, CSP-subventioner krävs fortfarande för att internalisera förmånen för att betala tillbaka sina tunga investeringar.