Kredit:National Renewable Energy Laboratory
En växande mängd forskning har visat att kostnadseffektiva högförnybara kraftsystem är möjliga, men kostnaderna ökar när systemen närmar sig 100 % kolfri elektricitet – det som har blivit känt som ”de sista 10 %-problemet”.
Kostnadsökningen drivs till stor del av en säsongsmässig oöverensstämmelse mellan tidpunkten för variabel förnybar energiproduktion och efterfrågan. Att möta toppefterfrågan är utmanande och dyrt för alla kraftsystem, men att ta itu med problemet med säsongsbetonad obalans för högförnybara kraftsystem kan kräva teknik som ännu inte har implementerats i stor skala. Det gör deras kostnader och krav otydliga.
För att hjälpa till att gå mot potentiella lösningar för denna utmaning, studerade ett team av National Renewable Energy Laboratory (NREL) forskare avvägningar mellan sex möjliga teknikstrategier för att få från 90 % till 100 % kolfri el i USA. Detta arbete är publicerat i en Joule artikel och kan hjälpa till att informera beslutsfattande idag.
"Ingen av strategierna är perfekta, och en hel del osäkerhet kvarstår, men studien belyser viktiga utmaningar med de sista 10% och undersöker alla de stora teknikalternativen", säger Trieu Mai, NREL-analytiker och huvudförfattare till studien. "Mer forskning och utveckling kommer att vara viktigt för att komma närmare en tydlig lösning för de sista 10 procenten och utveckla USA mot en koldioxidfri kraftsektor."
Vad vi hittills vet om den senaste 10 %-utmaningen
NREL har studerat en mängd frågor relaterade till att uppnå 100 % förnybar produktion i USA.
I en tidigare Joule artikeln beskrev NREL de tekniska och ekonomiska utmaningarna med att uppnå 100 % förnybar energi över alla tidsskalor. Studien undersökte två typer av utmaningar:en relaterad till att ekonomiskt upprätthålla en balans mellan utbud och efterfrågan och en annan utmaning relaterad till att designa tekniskt tillförlitliga och stabila nät med till stor del växelriktarbaserade resurser som vind och sol.
I en uppföljningsstudie använde NREL toppmoderna modelleringsmöjligheter för att förstå möjliga vägar och systemkostnader för övergången till ett 100 % förnybart elnät. Resultat, publicerade i en annan Joule artikel, visar att kostnaderna är betydligt lägre om det finns en kostnadseffektiv källa till fast kapacitet – resurser som kan tillhandahålla energi under perioder med lägre vind- och solenergi, extremt hög efterfrågan och oplanerade händelser som avbrott i transmissionsledningen. Andra resurser förutom vind-, sol- och dygnslagring eller lastflexibilitet kan vara viktiga för att övervinna de sista procenten till ett 100 % förnybart elnät.
I Los Angeles 100% Renewable Energy Study (LA100) använde NREL flera modeller för att undersöka vilka resurser som kunde användas för att hjälpa till att möta de sista 10% och upprätthålla tillförlitligheten för staden Los Angeles. NREL slutförde också nyligen en landmärkestudie om att uppnå 100 % kolfri el till 2035. Analysen visar att det finns flera vägar för att uppnå målet där miljö- och samhällsnyttan överstiger kostnaderna.
Den här senaste Joule artikeln bygger på NREL-studierna av högförnybar generation av elnät genom att utforska avvägningar av potentiella tekniska lösningar som skulle kunna implementeras för de sista procenten.
Sex strategier för de senaste 10 %
Den idealiska tekniklösningen för de sista 10 % har tre primära egenskaper. För det första har den idealiska lösningen hög kapacitetskredit så att kapaciteten är tillgänglig under perioder med hög stress och kan stödja resursanvändning – en av de "tre Rs för tillförlitlighet för kraftsystem" som måste vara framgångsrik för ett säkert och pålitligt kraftsystem. För det andra har den idealiska lösningen relativt låga kapitalkostnader eftersom den inte kommer att användas ofta. Och för det tredje, det förlitar sig på brett tillgängliga resurser och kan distribueras i stor skala. NREL undersökte sex teknikstrategier som har potential att uppfylla de tre primära egenskaperna.
1. Variabel förnybar energi, överföring och dygnslagring
En möjlig strategi för att uppnå de sista 10 % förlitar sig på befintlig teknik som för närvarande används. Denna strategi bygger mer variabel förnybar energi, överföring och dygnslagring (mindre än cirka 24 timmar). I det här alternativet är variabel förnybar energi och överföringskapacitet dimensionerad för att möta efterfrågan under dagliga stressiga perioder på nätet, med lager som fyller leveransluckor varje timme och minskar överskott av variabel förnybar energi (läs mer om begränsning i en NREL-förklaringsvideo).
Denna strategi skulle kunna bli mer kostnadskonkurrenskraftig om det finns större långdistansöverföring för att flytta högvärdig variabel förnybar energi till efterfrågecentra, och om vind- och soltekniken fortsätter att förbättras. Det här tillvägagångssättet kan dock bli svårare om markanvändningen av vind- och solenergi och platsbegränsningar ökar med tiden – ett annat ämne som NREL har studerat, inklusive den nyligen publicerade utgivningen av en ny omfattande datamängd med lokala förordningar för lokalisering av vind- och solenergiprojekt.
2. Annan förnybar energi
En annan möjlig strategi för de sista 10 % använder geotermisk energi, vattenkraft och biomassa – tekniker som alla kan spela viktiga roller i en energisektor med nollutsläpp. Dessa tekniker är inte beroende av variabla sol- och vindresurser och kan potentiellt övervinna den säsongsbetonade obalansen. Däremot kan tillgången på resurser, särskilt på platser med hög efterfrågan på el, begränsa deras användning till endast vissa regioner. Dessa resurser har också relativt höga kapitalkostnader som kan vara ekonomiskt utmanande som en sista 10 %-strategi.
Biomassabaserad produktion kan vara ett annat alternativ för att producera förnybar el för de sista 10 procenten. Det här alternativet har relativt låg kapitalkostnad, men det finns osäkerheter och begränsningar för en stadig och hållbar råvaruförsörjning och kostnaden för omvandling av biomassa.
3. Kärnkraft och fossil med kolavskiljning
Kärnkraft och fossilt bränsle med avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) nämns allmänt som potentiellt viktiga resurser i ett kolfritt elsystem eftersom de ofta är tillförlitligt att räkna med under hela året. Fossila CCS-anläggningar har ännu inte installerats i stor skala, men vissa studier finner betydande utbyggnadspotential.
Men denna strategi kommer med utmaningar:begränsad nyligen utrullning, kostnadsosäkerhet och miljö- och säkerhetsöverväganden – och den höga kapitalkostnaden för lågt utnyttjande kan skapa ekonomiska hinder.
4. Säsongslagring
Säsongslagring avser att använda el för att producera ett lagringsbart bränsle som kan användas för produktion under långa tidsperioder, även upp till hela årstider. Vätgas eller andra vätebaserade bränslen är för närvarande de mest lovande alternativen för säsongslagring. Att omvandla väte till elektricitet kan göras med hjälp av bränsleceller eller förbränningsteknik, som omvandlas till väte. Dessa elproduktionsalternativ som drivs av vätgas skulle kunna ha låga kapitalkostnader i framtiden och vara lönsamma som de senaste 10 %-strategierna. Viktiga osäkerhetsfaktorer med denna strategi inkluderar tillgången på bränsleförsörjning (väte) och leveransinfrastruktur.
5. Avlägsnande av koldioxid
Teknik för att avlägsna koldioxid kan kompensera utsläpp från koldioxidutsläppande kraftgenereringstekniker genom att dra ner atmosfäriskt kol. Den här sista 10 %-strategin är unik eftersom den utnyttjar andra generationstillgångar för att stödja resursanvändning på nätet.
Även om det finns ett unikt värde med teknik för borttagning av koldioxid, har det här sista alternativet på 10 % implementeringsutmaningar. Mycket lite koldioxidavlägsnande har ännu implementerats över hela världen, och framtida teknikkostnader är fortfarande osäkra.
6. Resurser på efterfrågesidan
Resurser på efterfrågesidan, även kallade efterfrågesvar eller efterfrågeflexibilitet, är en unik sista 10 %-lösning jämfört med de andra fem studerade strategierna.
Resurser på efterfrågesidan minskar elförbrukningen under tider av systemstress och hjälper till att undvika investeringar i ny toppkapacitet. Genom flexibel schemaläggning eller avbrott i elförbrukningen kan de också minska driftskostnaderna eller användas för viktiga nättillförlitliga tjänster. Kapitalkostnaderna för kontroller och kommunikationsutrustning på efterfrågesidan kan vara låga, och de direkta driftskostnaderna är blygsamma.
Att tillämpa alternativ på efterfrågesidan som en sista 10 %-strategi kräver dock att resurserna är tillförlitligt tillgängliga under långa flerdagarsperioder. Omfattningen av responsen som behövs under dagar med extrema händelser kan överstiga efterfrågeresponspotentialen, och flexibiliteten från nya elektrifierade laster är osäker.
"Med tanke på nuvarande tekniska kostnader och beredskap kan betydande utsläppsminskningar ske genom accelererad utbyggnad av vind-, sol-, dygnslagring, transmission och annan förnybar energiteknik", säger Paul Denholm, NREL-analytiker och medförfattare till studien. "Andra tekniker skulle också kunna spela en stor roll om de blir kostnadskonkurrenskraftiga och allmänt tillgängliga. Vi kommer att fortsätta att studera dessa möjliga lösningar, men för tillfället är vägen till cirka 90 % kolfri elektricitet allt tydligare. När allt kommer omkring, att komma till 100 % kräver att man först uppnår 90 %." + Utforska vidare
