Kredit:CC0 Public Domain
Ekonomin i södra Afrika utvecklas snabbt, vilket driver en växande efterfrågan på el. För att effektivt kunna möta denna efterfrågan krävs en balansering mellan sociala, ekonomiska, geografiska, tekniska och miljömässiga hänsyn.
Forskare vid UC Santa Barbara ledde ett internationellt team som analyserade regionens resurser och elnät. Med hjälp av dessa data utvecklade de en energiportfölj som mest effektivt uppfyller södra Afrikas energikrav 2040, och fann att vind och sol är regionens mest kostnadseffektiva alternativ. Dessutom fryser deras modellförslag effektivt utsläppen av växthusgaser på 2020 års nivåer samtidigt som den fördubblar mängden el som nätet kan producera. En detaljerad analys visas i tidskriften Joule .
För närvarande använder södra Afrikas 315 miljoner människor cirka 275 terawattimmar, ungefär lika mycket som Kalifornien. "Men södra Afrika förväntas fördubbla sin elefterfrågan till 2040", säger co-lead och motsvarande författare Ranjit Deshmukh, biträdande professor i UCSB:s Environmental Studies Program. "Att utveckla regionens utmärkta vind-, sol- och naturgasresurser är det billigaste alternativet för dess konsumenter och kan möta denna efterfrågan utan att öka regionens koldioxidutsläpp från elsektorn."
Deshmukh och hans kollegor fann också att trots en fördubbling av sin elefterfrågan kanske Southern Africa Power Pool (SAPP) inte behöver några kolkraftverk och inte heller hälften av sina planerade vattenkraftsprojekt, som båda har potentiellt enorma miljöpåverkan .
För att nå dessa slutsatser använde teamet en serie modeller som står för en rad strukturella, klimatiska och ekonomiska faktorer. Deshmukh och medförfattaren Grace Wu, också vid UC Santa Barbara, utvecklade ett av verktygen, kallat MapRE, 2020. "MapRE tillåter oss att identifiera lämpliga platser för vind- och solprojekt baserat på vindhastighet, solstrålning, närhet till transmissionslinjer och väginfrastruktur och markanvändning", säger Deshmukh, som leder Clean Energy Transformation Lab (CETlab) och är forskningsassistent vid Environmental Markets Lab (emLab).
Huvudförfattaren AFM Kamal Chowdhury, en postdoktor i Deshmukhs grupp, skapade en vattenkraftsmodell som heter VIC-Res-Southern-Africa. Denna modell uppskattar månatlig elproduktion från befintliga och planerade vattenkraftsdammar.
Författarna tog data från MapRE och VIC-Res, såväl som befintlig och planerad produktions- och överföringskapacitet, och matade den till en elplaneringsmodell kallad GridPath, som utvecklades av Deshmukh och medförfattaren Ana Mileva. Denna modell ger en rekommenderad energiportfölj. Både modellen och datamängderna är öppen källkod och är offentligt tillgängliga.
Resultaten var uppmuntrande. "Om teknik- och bränslekostnader följer förväntade trender", skrev författarna, "kommer sannolikt vind- och solteknik att dominera framtida elproduktionsinvesteringar i södra Afrika och därmed vara den dominerande källan till el i regionen till 2040."
Modellen föreslog särskilt att kolkraft inte kommer att vara konkurrenskraftig med dessa förnybara energikällor. "Den nuvarande flottan av kolkraftverk är gamla och dyra att driva", säger medförfattaren Kudakwashe Ndhlukula. "Med en djupare regional integration skulle det ändå vara oekonomiskt att driva dessa kraftverk." Ndhlukula är verkställande direktör för Southern African Development Community Center for Renewable Energy and Energy Efficiency (SACREEE), en mellanstatlig organisation som inkluderar de 12 länderna i Southern African Power Pool.
Med ekonomiskt stöd från globala klimatfonder, som Green Climate Fund, kan regionens koleldningskraftverk till och med pensioneras i förtid, noterade författarna. Modellen förutspådde att om kraftstationerna urkopplades tio år i förtid skulle elkostnaderna öka med endast 4 % per år. Detta kan ytterligare minska utsläppen av växthusgaser med 22 % jämfört med 2020 års nivåer.
Forskarna fann också att södra Afrika kräver mycket mindre vattenkraft än väntat. Det finns mycket ytterligare vattenkraft i Southern African Power Pool-planen, och det finns gott om potential att utveckla denna resurs, noterade Deshmukh. "Men med hjälp av SAPP:s kostnadsantaganden för vattenkraft - och de senaste kostnaderna för vind-, sol- och batterilagring - fann vi att vår modell inte valde nästan hälften av de planerade vattenkraftsprojekten", sa han. "I grund och botten är det inte kostnadseffektivt att investera i de projekten."
Teamet körde också en modell som inkluderade ett mål för 80 % ren energi. Enligt detta mål skulle en optimal portfölj halvera regionens utsläpp 2020 till 2040 samtidigt som kostnaderna bara skulle öka med cirka 6 %, eller 3 USD per megawattimme.
Förutom att planera hur södra Afrika ska generera el kommer det att kräva internationellt samarbete för att effektivt kunna möta sina energibehov. "Regional integration är nyckeln till att frigöra den enorma potentialen hos förnybar energi för ett kostnadskonkurrenskraftigt elsystem i regionen," sa Ndhlukula.
En robust elmarknad och överföringskapaciteten för att stödja den kommer också att vara avgörande. "Vind- och naturgasresurser är ojämnt spridda över södra Afrika," sa Deshmukh. "Att ha ett robust transmissionssystem kommer att hjälpa länder att handla och dra nytta av varandras resurser."
Lyckligtvis har regionen redan en elmarknad med sammankopplade transmissionsledningar i form av SAPP. "Det är en fråga om att expandera och skala den marknaden," sa Deshmukh. Modellen tyder på att detta kan åstadkommas med en måttlig ökning av överföringsinfrastrukturen.
SAPP har 12 fastlandsländer, varav nio är fysiskt sammankopplade via ett delat nät från och med nu. Malawis anslutning kommer att vara klar 2023, och det finns planer på att lägga till de återstående två:Angola och Tanzania.
Detta är det första av fyra papper som teamet har producerat som en del av ett större projekt fokuserat på södra Afrikas energiframtid. De analyserar för närvarande resultaten av en undersökning av intressenter och beslutsfattare för att förstå hinder för att införa förnybar energi i regionen. Och de tittar på möjliga effekter på biologisk mångfald av olika förnybara energikällor. Slutligen planerar gruppen att bedöma hur klimatförändringar kan påverka energisektorn.
"Detta papper är baserat på nuvarande miljöförhållanden," sa Deshmukh. "Nästa papper kommer att inkludera påverkan från klimatförändringar." + Utforska vidare
