I större lagstiftning som antogs i slutet av augusti, Kalifornien har åtagit sig att skapa ett 100 procent kolfritt elnät – återigen ledande andra nationer, stater, och städer i att fastställa aggressiva strategier för att minska utsläppen av växthusgaser. Nu, en studie av MIT-forskare ger riktlinjer för kostnadseffektiva och pålitliga sätt att bygga ett sådant koldioxidfritt elsystem.

Det bästa sättet att hantera utsläpp från el, studien finner, är att använda den mest inkluderande blandningen av koldioxidsnåla elkällor.

Kostnaderna har minskat snabbt för vindkraft, solkraft, och energilagringsbatterier de senaste åren, leder några forskare, politiker, och förespråkar att föreslå att dessa källor ensamma kan driva ett kolfritt nät. Men den nya studien visar att över ett brett spektrum av scenarier och platser, att para ihop dessa källor med stadiga kolfria resurser som man kan räkna med för att möta efterfrågan under alla årstider och under långa perioder – som kärnkraft, geotermisk, bioenergi, och naturgas med kolavskiljning – är en billigare och lägre riskväg till ett kolfritt nät.

De nya rönen beskrivs i en artikel som publicerades i dag i tidskriften Joule , av MIT doktorand Nestor Sepulveda, Jesse Jenkins Ph.D. '18, Fernando de Sisternes Ph.D. '14, och professor i kärnvetenskap och teknik och biträdande prosten Richard Lester.

Behovet av kostnadseffektivitet

"I det här pappret, vi letar efter robusta strategier för att få oss till en koldioxidfri elförsörjning, som är grundbulten i övergripande ansträngningar för att minska risken för klimatförändringar i hela ekonomin, " säger Jenkins. För att uppnå det, "Vi behöver inte bara nå nollutsläpp inom elsektorn, men vi måste också göra det till en tillräckligt låg kostnad för att el är ett attraktivt substitut för olja, naturgas, och kol i transporterna, värme, och industrisektorer, där avkarbonisering vanligtvis är ännu mer utmanande än inom el. "

Sepulveda betonar också vikten av kostnadseffektiva vägar till kolfri el, lägga till att i dagens värld, "vi har så många problem, och klimatförändringarna är mycket komplexa och viktiga, men inte den enda. Så varje extra dollar vi spenderar på klimatförändringar är också en annan dollar som vi inte kan använda för att ta itu med andra pressande samhällsproblem, som att eliminera fattigdom eller sjukdom." det är viktigt för forskningen att inte bara identifiera tekniskt möjliga alternativ för att koldioxidutlösa el, men också för att hitta sätt att uppnå koldioxidminskningar till en rimligast möjlig kostnad.

För att utvärdera kostnaderna för olika strategier för djup koldioxidutsläpp av elproduktion, laget tittade på nästan 1, 000 olika scenarier som involverar olika antaganden om tillgängligheten och kostnaden för teknik med låga koldioxidutsläpp, geografiska variationer i tillgången på förnybara resurser, och olika policyer för deras användning.

När det gäller politiken, teamet jämförde två olika tillvägagångssätt. Det "restriktiva" tillvägagångssättet tillät endast användning av sol- och vindproduktion plus batterilagring, kompletterat med åtgärder för att minska och ändra tidpunkten för efterfrågan på el, samt långdistansöverföringsledningar för att hjälpa till att jämna ut lokala och regionala variationer. Den "inkluderande" metoden använde alla dessa tekniker men tillät också möjligheten att använda kontinuerliga kolfria källor, som kärnkraft, bioenergi, och naturgas med ett system för att fånga upp och lagra koldioxidutsläpp. Under varje fall som teamet studerade, den bredare mixen av källor visade sig vara mer överkomlig.

Kostnadsbesparingarna med det mer inkluderande tillvägagångssättet i förhållande till det mer begränsade fallet var betydande. Inklusive kontinuerliga, eller "fast, "resurser med låga koldioxidutsläpp i en resursmix utan koldioxidutsläpp sänkte kostnaderna allt från 10 procent till så mycket som 62 procent, över de många scenarierna som analyserats. Det är viktigt att veta, författarna betonar, eftersom befintliga och föreslagna regleringar och ekonomiska incitament i många fall gynnar, eller till och med mandat, ett mer begränsat utbud av energiresurser.

"Resultaten av denna forskning utmanar vad som har blivit konventionell visdom på båda sidor av klimatförändringsdebatten, " säger Lester. "Tvärtemot farhågor om att effektiva klimatbegränsande insatser kommer att bli förödande dyra, vårt arbete visar att även en djup avkolning av elkraftsektorn är möjlig till relativt blygsamma merkostnader. Men i motsats till uppfattningen att kolfri el kan genereras enkelt och billigt med vind, solenergi, och enbart lagringsbatterier, vår analys klargör att den samhälleliga kostnaden för att uppnå djup avkarbonisering på det sättet sannolikt kommer att bli mycket dyrare än vad som är nödvändigt."

En ny taxonomi för elkällor

När man tittar på alternativ för ny kraftgenerering i olika scenarier, teamet fann att det traditionella sättet att beskriva olika typer av kraftkällor inom elindustrin — "baslast, " "ladda följande, " och "peaking" resurser – är föråldrade och inte längre användbara, med tanke på hur nya resurser används.

Snarare, de föreslår, det är mer lämpligt att tänka på kraftkällor i tre nya kategorier:"bränslebesparande" resurser, som inkluderar solenergi, vind och floden (det vill säga utan dammar) vattenkraft; "snabba" resurser, ge snabba men kortvariga svar på fluktuationer i efterfrågan och tillgång på el, inklusive batterilagring och teknik och prissättningsstrategier för att förbättra efterfrågans lyhördhet; och "fasta" resurser, såsom kärnkraft, vattenkraft med stora reservoarer, biogas, och geotermisk.

"Eftersom vi inte med säkerhet kan veta den framtida kostnaden och tillgängligheten för många av dessa resurser, "Sepulveda noterar, "de studerade fallen täckte ett brett spektrum av möjligheter, för att göra de övergripande slutsatserna av studien robusta över det intervallet av osäkerheter."

Utbud av scenarier

Gruppen använde en rad projektioner, gjord av byråer som National Renewable Energy Laboratory, vad gäller de förväntade kostnaderna för olika kraftkällor under de kommande decennierna, inklusive kostnader liknande dagens och förväntade kostnadsminskningar när nya eller förbättrade system utvecklas och läggs online. För varje teknik, forskarna valde en beräknad mellanklasskostnad, tillsammans med en kostnadsuppskattning av låga och avancerade priser, och studerade sedan många kombinationer av dessa möjliga framtida kostnader.

Under varje scenario, fall som var begränsade till att använda bränslebesparande och snabbsprängande teknik hade en högre total kostnad för el än fall som också använde fasta koldioxidsnåla källor, "även med den mest optimistiska uppsättningen av antaganden om framtida kostnadsminskningar, " säger Sepulveda.

Det är sant, Jenkins tillägger, "även när vi antar, till exempel, att kärnkraft fortfarande är lika dyrt som det är idag, och vind och sol och batterier blir mycket billigare."

Författarna fann också att i alla fall med endast vind-solbatterier, kostnaderna för el stiger snabbt när systemen går mot nollutsläpp, men när fasta kraftkällor också finns tillgängliga, elkostnaderna ökar mycket mer gradvis i takt med att utsläppen minskar till noll.

"Om vi ​​bestämmer oss för att driva avkolning i första hand med vind, sol, och batterier, "Jenkins säger, "vi går i praktiken all in och satsar planeten på att uppnå mycket låga kostnader för alla dessa resurser, " liksom förmågan att bygga ut högspänningsledningar i kontinental skala och att inducera mycket mer flexibel efterfrågan på el.

I kontrast, "ett elsystem som använder fasta koldioxidsnåla resurser tillsammans med solenergi, vind, och lagring kan uppnå nollutsläpp med endast blygsamma kostnadsökningar även under pessimistiska antaganden om hur billiga dessa koldioxidfria resurser blir eller vår förmåga att låsa upp flexibel efterfrågan eller utöka nätet, " säger Jenkins. Detta visar hur tillsatsen av fasta resurser med låga koldioxidutsläpp "är en effektiv säkringsstrategi som minskar både kostnaden och risken" för att helt koldioxidutlösa kraftsystem, han säger.

Även om en helt kolfri elförsörjning är år borta i de flesta regioner, det är viktigt att göra denna analys idag, Sepulveda säger, eftersom beslut fattade nu om kraftverksbyggande, forskningsinvesteringar, eller klimatpolitiken har effekter som kan vara i årtionden.

"Om vi ​​inte börjar nu" med att utveckla och distribuera det bredaste utbudet av kolfria alternativ, han säger, "det kan avsevärt minska sannolikheten för att nå noll utsläpp."