Priserna på förnybar energi har fallit med mer än 70 procent under det senaste decenniet, vilket driver fler amerikaner att överge fossila bränslen för grönare, mindre förorenande energikällor. Men eftersom vind- och solkraft fortsätter att slå igenom kan nätoperatörerna behöva planera för stora svängningar i tillgängligheten.

Varningen kommer från Upmanu Lall, professor vid Columbia Engineering och Columbia Climate School som nyligen har vänt siktet från hållbar vattenanvändning till hållbar förnybar energi i strävan mot netto-noll koldioxidutsläpp.

"Designer av förnybara energisystem kommer att behöva vara uppmärksamma på förändrade vind- och solmönster under veckor, månader och år, på det sätt som vattenförvaltare gör," sa han. "Du kommer inte att kunna hantera variationer som denna med batterier. Du behöver mer kapacitet."

I en ny modellstudie i tidskriften Patterns , Lall och Columbia Ph.D. studenten Yash Amonkar visar att sol- och vindpotentialen varierar kraftigt över dagar och veckor, för att inte tala om månader till år. De fokuserade på Texas, som är ledande i landet när det gäller att generera el från vindkraft och är den femte största solelproducenten. Texas har också ett fristående nät som är lika stort som många länder, sade Lall, vilket gör det till ett idealiskt laboratorium för att kartlägga löftet och riskerna med förnybara energisystem.

Med utgångspunkt i 70 år av historisk vind- och solenergidata byggde forskarna en AI-modell för att förutsäga sannolikheten för en "torka" i nätverksskala, när den dagliga produktionen av förnybar energi föll under ett måltröskelvärde. Under ett tröskelvärde satt till 30:e percentilen, när ungefär en tredjedel av alla dagar är lågproduktionsdagar, fann forskarna att Texas kan möta en daglig energitorka i upp till fyra månader i sträck.

Batterier skulle inte kunna kompensera för en torka av denna längd, sa Lall, och om systemet förlitade sig enbart på solenergi, kan torkan förväntas pågå dubbelt så länge - i åtta månader. "Dessa resultat tyder på att energiplanerare måste överväga alternativa sätt att lagra eller generera el, eller att dramatiskt öka kapaciteten i sina förnybara system", sade han.

Förutse framtida "energitorka" i Texas och över hela det kontinentala USA

Forskningen började för sex år sedan, när Lall och en före detta doktorand, David Farnham, undersökte vind- och solvariabilitet på åtta amerikanska flygplatser, där väderrekord tenderar att vara längre och mer detaljerade. De ville se hur mycket variation som kan förväntas under ett hypotetiskt 100 % förnybar energinät.

Resultaten, som Farnham publicerade i sin Ph.D. avhandling, var inte en överraskning. Farnham och Lall fann att sol- och vindpotentialen, liksom nederbörden, är mycket varierande baserat på tiden på året och platsen där vindkraftverk och solpaneler har placerats. I åtta städer fann de att potentialen för förnybar energi steg och sjönk från det långsiktiga genomsnittet med så mycket som en tredjedel under vissa säsonger.

"Vi myntade termen "energi" torka eftersom en 10-års cykel med så stor variation från det långsiktiga genomsnittet skulle ses som en stor torka," sade Lall. "Det var början på energitorkans arbete."

I den aktuella studien valde Lall att zooma in på Texas, en delstat som är välutrustad med både sol och vind. Lall och Amonkar fann att ihållande torka för förnybar energi kunde pågå så länge som ett år även om sol- och vindgeneratorer spreds över hela staten. Slutsatsen, sa Lall, är att förnybar energi står inför ett lagringsproblem som bara realistiskt kan lösas genom att lägga till ytterligare kapacitet eller energikällor.

"I en helt förnybar värld skulle vi behöva utveckla kärnbränsle eller vätebränsle, eller kolåtervinning, eller lägga till mycket mer kapacitet för att generera förnybar energi, om vi vill undvika att bränna fossila bränslen," sade han.

I tider med låg nederbörd håller vattenförvaltare färskvatten genom att tappa på kommunala reservoarer eller underjordiska akviferer. Sol- och vindenergisystem har ingen motsvarande backup. Batterierna som används för att lagra överskott av sol- och vindkraft under exceptionellt ljusa och byiga dagar håller en laddning i bara några timmar, och som mest några dagar. Vattenkraftverk ger en potentiell buffert, sa Lall, men inte tillräckligt länge för att bära systemet genom en utdragen torrperiod av intermittent sol och vind.

"Vi kommer inte att lösa problemet genom att bygga ett större nätverk", sa han. "Elnätsoperatörer har ett mål på 99,99 % tillförlitlighet medan vattenförvaltare strävar efter 90 procent tillförlitlighet. Du kan se vilket utmanande spel detta kommer att vara för energibranschen, och hur värdefulla säsongsbetonade och längre prognoser kan vara."

I nästa forskningsfas kommer Lall att arbeta med Columbia Engineering-professorerna Vijay Modi och Bolun Xu för att se om de kan förutsäga både energitorka och "översvämningar", när systemet genererar ett överskott av förnybar energi. Beväpnade med dessa prognoser hoppas de kunna förutsäga ökningen och fallen av energipriserna.