När solen inte skiner och det inte blåser vindar, hur får ett rent energinät ström? Enkelt:energilagring. Det är därför NREL-forskare pekar ut potentiella platser för att installera fler pumpade lagringsvattenkraftanläggningar, som använder bara vatten och gravitation för att lagra ren energi för framtida användning. Kredit:NREL
Under de senaste åren har amerikanska somrar sett lite apokalyptiska ut. Skogsbränder rasade över västkusten. Översvämningar stal hem. I juli 2021 registrerades jordens varmaste månad någonsin, och elnäten flimrade, vilket orsakade omfattande strömavbrott som stängde av luftkonditionering, luftrenare och syrgasmaskiner. Sådana strömavbrott utgör en ny, potentiellt dödlig risk för människor över hela den uppvärmande världen.
Men något som kallas pumpad lagringsvattenkraft kan hjälpa. Tillverkade genom att ansluta två reservoarer, den ena på högre höjd än den andra, pumpar dessa anläggningar vatten uppför, lagrar det i den övre reservoaren, innan de släpper ner det genom en turbin, som snurrar en generator och pumpar energi tillbaka till nätet. Dessa system tillhandahåller redan 93 % av USA:s energilagring i nätskala; och i dagens hetare, mer flyktiga klimat kan de fylla på elektricitet under strömavbrott orsakade av värmeböljor, orkaner eller cyberattacker och hålla förnybar energi flödande när solen går ner och vinden inte blåser. Kort sagt, de gör elnätet mer motståndskraftigt.
Så kan din stad eller stad snart använda någon av dessa faciliteter? Det är svårt att säga.
Fram till nu har det funnits lite data om var pumpade lagringsvattenkraftverk kunde byggas i USA. Och även om vattenkraftens stadiga energi redan kompletterar andra förnybara energikällor, är det inte klart hur det kommer att stödja ett framtida nät för rent energi som drivs med mycket vindenergi och solkraft.
Nu hjälper två nya rapporter från forskare vid National Renewable Energy Laboratory (NREL) att fylla båda dataluckor. Den första studien identifierar amerikanska platser som kan stödja pumpade lagringsvattenkraftverk samt hur mycket de kan kosta och hur mycket energi de kan producera. Den andra (som publiceras som en teknisk NREL-rapport snart) använder den datamängden och ytterligare resurser för att undersöka hur vattenkraftens lågkostnadsflexibla energi kan stödja morgondagens elnät. Arbetet finansierades av U.S. Department of Energy's Water Power Technologies Office och är en del av dess Hydro Water Innovation for a Resilient Electricity System Initiative.
Var i världen kan vi bygga pumpad lagringsvattenkraft?
Det finns en karta för det.
En ny, unik datauppsättning identifierar platser för pumpad lagringsvattenkraft med sluten slinga över hela USA, inklusive Alaska, Hawaii och Puerto Rico. Här identifierar de färgade hexagonerna bergsområden som har den största framtida potentialen för dessa anläggningar för lagring av ren energi. Kredit:Stuart Cohen, NREL
Att välja en plats för att installera ett vindturbin eller solpanel är relativt enkelt. Är vinden stark och jämn? skiner solen oftare än inte? Om svaret är ja kan den sidan fungera. Att installera ett pumpkraftverk är lite mer komplicerat. Du behöver två stora sjöar, den ena högt över den andra, för att lagra energi. Och för att bygga mer miljövänliga växter måste ingen av dem ansluta till en flod.
Det är svårt att hitta webbplatser för att stödja dessa faciliteter – eller så var det förr.
"Med den här kartan kan människor som bor i Wyoming zooma in på en bergskedja och se var några av de bästa platserna finns", säger Stuart Cohen, modellingenjör på NREL och medförfattare till båda rapporterna. "Ingen producerar en produkt med denna omfattning och granularitet för USA."
Under 2017 utvecklade Australian National University en datauppsättning av potentiella pumpade lagringsvattenkraftplatser runt om i världen, och identifierade cirka 616 000 potentiella platser. Nu har Cohen tillsammans med ett team av forskare anpassat universitetets ursprungliga algoritm för att skapa mer detaljerad geospatial data om potentiella platser i USA.
Forskare från både Australian National University och NREL var tvungna att fatta några tekniska designbeslut i förväg. Varje reservoar behöver till exempel en damm. Och båda dammarna kan ha ett oändligt antal potentiella höjder. "Du kan föreställa dig," sa Cohen, "hur det problemet exploderar om du har ett oändligt antal val."
För att tygla sin datauppsättning fixade NREL:s forskare parametrar som dammhöjd och lagringslängd, och valde till exempel en 10-timmars energilagringstid, eftersom det tenderar att vara mer kostnadskonkurrenskraftigt (som jämförelse ger dagens batterier cirka 4 timmars energi lagring). Med hjälp av sin geospatiala algoritm sökte teamet igenom landet efter alla möjliga platser och delade sedan ned dem till en slutlig lista som höll sig till ytterligare tekniska, miljömässiga och ekonomiska överväganden. För att hitta den bästa platsen kan alla vattenkraftsälskare sortera och filtrera dessa platser efter huvudhöjd (skillnaden i höjd mellan de två reservoarerna), energikapacitet och kostnad.
Medan den första datareleasen förlitar sig på dessa fasta parametrar planerar Cohen och teamet snart att bygga en uppdaterad version av sin karta som ger användarna mer kontroll. "Vi vill bygga en interaktiv karta där du kan markera rutor på och av för att välja mellan 12-timmars eller 8-timmars lagring, 40-meters eller 60-meters dammhöjd. Vad folk vill ha."
Sedan, när en utvecklare har hittat en plats, kan verktyget uppskatta hur mycket deras anläggning kan kosta att bygga. Även baserad på Australian National Universitys ursprungliga modell, är NRELs kostnadsmodell anpassad för finansiella och ekonomiska förhållanden i USA, så att utvecklare kan utvärdera om de ska bygga sin anläggning (eller inte).
Dessa färgglada fläckar representerar potentiella platser för pumpad lagringsvattenkraft med sluten slinga, som överför vatten från en reservoar till en annan för att lagra ren energi. NRELs nya, interaktiva karta och geospatiala datauppsättning visar kvantiteten, kvaliteten och kostnaden för resurser för att hjälpa till att vägleda framtida utveckling av pumpad lagringsvattenkraft med sluten krets. Kredit:NREL
Prognos av vattenkraftens roll i ett rent energinät
När klimatet förändras kan pumpad lagringsvattenkraft ge tillförlitlig reservenergi. Men konventionella vattenkraftverk kan både producera och lagra energi också, och de kan slås på och stängas av efter behov och hämtar energi från den kraft som lagras i deras reservoarer. Så, hur bidrar dessa flexibla växter till en renare framtid?
"Vi pratar inte om att bygga nya Hoover Dams," sa Cohen. Eller några nya dammar, för den delen. I USA skulle befintliga vattenkraftverk kunna ge ännu mer flexibel och pålitlig el än vad de redan gör. Med vissa modifieringar kan dessa anläggningar starta snabbt som svar på förändringar i mängden eller typen av el på nätet, balansera den variabla energitillförseln från till exempel vindkraftverk och solpaneler, eller leverera mer el under vintermånaderna när de förnybara energikällor tenderar att minska.
För att analysera hur utökad vattenkraftskapacitet skulle kunna tjäna detta utvecklande energinät, utvecklade Cohen och hans NREL-kollegor nya kapacitetsexpansionsmodelleringsmöjligheter för att mer exakt representera vattenkraftens roll i elsystem.
"Det kan faktiskt göra en stor skillnad, mycket större än jag förväntade mig," sa Cohen. (Som en bonus gör data från hans karta över pumpade lagringsvattenkraftsplatser dessa kapacitetsmodeller ännu mer exakta).
Dagens vattenkraftsflotta har tillräckligt med dammar för att producera upp till 80 gigawatt el. "Mer än hälften av det är redan ganska flexibelt," sa Cohen, vilket innebär att operatörer enkelt kan lägga till elproduktion till flottans andra viktiga roller, som vattenhantering, bevattning eller rekreation.
"Det som är spännande är när du låter resten av flottan bli mer flexibel," sa Cohen. "Om det händer kan dessa anläggningar göra stor skillnad i ekonomi och utsläpp i hela landet."
