على مدى السنوات العشر الماضية ، انتقلت الطاقة الشمسية بسرعة من "الألعاب" إلى المشاريع الكبرى ، واستمرار منحنى هذه الإقلاع يعد في المستقبل بالسيطرة الكاملة على هذا النوع من الجيل. أم لا؟ في محاولات التنبؤ ، يتم كسر الكثير من النسخ هنا وهناك ادعاءان رئيسيان: لا تشرق الشمس عبر الغيوم ليلاً (أي تنوع المصدر) وكثافة الطاقة العالية لإنتاج البطاريات الشمسية ، ولا تعود هذه الطاقة أثناء تشغيل الأخيرة. (
EROEI <1)
من الناحية الفنية ، يتم حل مشكلة التباين الأولى - ما عليك سوى بناء المزيد من الألواح الشمسية وبطارية بسعة كافية. ومع ذلك ، فإن هذا النهج يزيد من حدة المشكلة مع EROEI وتكلفة الكهرباء. يمكنك أن ترى التكلفة في مراجعات
Lazard ، لكنني لم أر محاولات لحساب EROEI لمحطة طاقة شمسية مع بطارية. لذلك ، قررت أن أحسبها بنفسي ، وحصلت على نتيجة غير متوقعة إلى حد ما ، حولها في النهاية.
للتقييم ، دعونا نحسب محطة للطاقة مع بطارية ليثيوم أيون تقع في يوما ، أريزونا ، الولايات المتحدة الأمريكية. لماذا في أريزونا؟ هذا مكان جيد جدًا لمحطات الطاقة الشمسية (واحدة من أفضل المحطات في العالم) وهناك الكثير من المعلومات حوله. إذا تبين أن EROEI هنا أقل من الوحدة ، فإن هذا سيعني مشاكل كبيرة للشمس كمصدر أساسي للكهرباء (اليوم). إذا كان EROEI أعلى ، فعندئذٍ مع مراعاة التحليل الذي سنقوم بإنتاجه ، سيكون من الممكن تطبيق الحساب بسهولة على أي مكان في العالم.
في يوما ، بالمناسبة ، يقع مشروع SPS Agua Caliente Solar الكبير إلى حد ما بسعة 250 ميجاوات ، ولكن ليس على مدار الساعة. تصنع البطاريات الشمسية لهذه المحطة باستخدام تقنية الأغشية الرقيقة من أشباه الموصلات CdTe ، والتي تختلف عن السيليكون في تكاليف طاقة أفضل بكثير لكل كيلوواط من طاقة البطارية ، ولكنها تفقد التكلفة.تم اختيار الليثيوم الأيوني بسبب العالمية الواضحة لمثل هذا الحل: إذا كان المركم يتطلب منظرًا مناسبًا ، فيمكن وضع الكهروكيميائية في أي مكان تقريبًا. في الواقع ، تتمتع بطاريات الليثيوم أيون في الواقع بمزيد من المزايا: القدرة على اللعب عند ذروة الطلب (حيث يمكن لمحولات هذا النظام التبديل على الفور تقريبًا من الشحن إلى التفريغ) واحتمالات أرخص (على مدى السنوات العشر الماضية ، كان السعر 1 كيلووات * ساعات من خلية أيونات الليثيوم انخفضت من 1000 دولار إلى 130 دولارًا).
لذا ، دعنا نقول أننا بحاجة إلى محطة طاقة توفر
300 ميغاواط 365 يومًا في السنة ، 24 ساعة في اليوم ، وهو ما يتوافق مع إنتاج 7،200 ميغاواط في الساعة يوميًا و 2.6 تيراواط ساعة من الكهرباء سنويًا - حوالي 35٪ من وحدة الطاقة الضخمة لمحطة طاقة نووية. نضع SES "24 × 7" في بلدة يوما بولاية أريزونا بإحداثيات خط عرض 32.69265 درجة شمالًا وخط طول 114.62769 درجة غربًا.
بالضبط من هذا المكان (كيف انتهت المهمة الفنية وبدأ التنفيذ) تبدأ الصعوبات: الحقيقة هي أنه يمكن تحسين المحطة بواسطة EROEI بشكل رائع ، على سبيل المثال ، إذا كنت لا تسأل نفسك بطارية واحدة لمدة يوم واحد ، ولكن بطارية لمدة يومين ، والتي بدورها ستغير إمالة البطارية المثلى ، إلخ. ن. الخ. من أجل إيجاد الأمثل في الوقت الحاضر ، وليس عشوائيًا ، من الضروري في هذه المرحلة إجراء دراسة هندسية عادية. لسوء الحظ ، ليس لدي الكثير من الوقت ، لذلك فإن أرقام EROEI ستكون ليست الأفضل ، ولكن هناك بعض. يمكن لأي شخص بعد ذلك الكتابة في التعليقات والحصول على انتشار مع النمذجة للساعة ، والتي أحصيت فيها المحطة ، وتحسين النتيجة بنفسي.
على سبيل المثال ، بسبب الإفراط في الأبعاد البرية ، لا تشعر محطتنا بتقلبات موسمية على الإطلاق ، والتي تصل إلى + -20 ٪ تقريبًا من متوسط القيمة لخط عرض 30 درجة ، والتغيرات الموسمية النظامية هي التي ستحدد مستقبل الطاقة الشمسية.
يوضح المنحنى على الرسم البياني حجم البطارية كنسبة مئوية من الجيل السنوي ، وهو أمر مطلوب لتخفيف التقلبات الموسمية إذا تم تصنيع SBs "في الحجم". بالنسبة لخط العرض البالغ 2.6 تيراواط ساعة و 32 درجة شمالًا ، نحتاج إلى بطارية بقوة 234 جيجاوات ، وهي مجنونة.نبدأ الحساب بأبسط - "اكتساب الطاقة" لمحطة الطاقة لدينا. كما سنرى لاحقًا ، ستكون بطاريتها الكهروكيميائية كبيرة جدًا وستعمل بشكل أساسي بعمق تصريف أقل من 50 ٪ ، مما يضمن عمرًا (لـ LiFePo) لا يزيد عن 10000 دورة حتى تتحلل 20 ٪ من السعة. تبلغ دورات 10k 27 مع سنت واحد ، دعنا نقصر أنفسنا على 25 عامًا حتى يتم تحديث المحطة بالكامل ، وستعوضنا البقايا المهملة عن التحلل غير المحسوب للألواح والبطاريات.
لذا ، على مدار 25 عامًا ، يجب أن تقدم المحطة
65.7 تيراواط ساعة في الساعة وفقًا
لبيان العمل - هذا هو البسط لدينا في حساب EROEI. ولكن كم يكلف الجول لبناء مثل هذه المحطة؟ دعونا نرى أولاً المجموعة الضرورية من المعدات.
لتحديد الشكل التقريبي ، كم نحتاج من SB والبطارية ،
سأستخدم حاسبة
NREL Pwatts . ويستند إلى جدول قيم التشمس الشمسي لنقطتنا ، مأخوذ من "
سنة الأرصاد الجوية القياسية " - قاعدة بيانات لمعلمات الأرصاد الجوية للولايات المتحدة ذات القيم المنسقة. باستخدام هذه الآلة الحاسبة ، يمكنك الحصول على قيم كل ساعة لتوليد الكهرباء مع مراعاة زوايا حدوث الشمس والضوء المحيط ودرجة حرارة اللوحة وخسائر التحويل ، والتي تم إجراؤها كأساس لمزيد من الحسابات.
"السنة القياسية للأرصاد الجوية" هي قاعدة بيانات قوية جدًا ، مع قياسات لمكونات دقيقة مثل الخط الشمسي (المنحنى الأصفر على الرسم البياني) والتوهج غير المباشر (الأزرق) ، مما يجعل من الممكن إجراء تقييم دقيق لإنتاج محاكاة SB في الأيام الغائمة.الآن يجب تحسين البيانات التي تم الحصول عليها من أجل كيلو واط واحد SES بطريقة أو بأخرى. يمكنك تغيير النسبة بين حجم الألواح الشمسية والبطاريات (كلما زاد عدد الألواح الشمسية ، قل ما نحتاجه لتخزين الطاقة للبقاء في الأيام المظلمة دون إيقاف التشغيل) وأيضًا - زاوية تركيب الألواح الشمسية.
بالنسبة لمحطة الطاقة الشمسية لدينا ، ستكون أيام الشتاء الغائمة حاسمة بالنسبة لـ EROEI ، على سبيل المثال ، 27-28 ديسمبر في عام الأرصاد الجوية القياسي - خلال هذين اليومين ، سيصل KIUM للمحطة إلى 3.4٪ كارثية ويحدد حجمها الكبير بالكامل ، مما سيؤدي إلى توليد الكهرباء الزائدة 95٪ من الباقي أيام.
من حيث المبدأ ، سيكون من الأصح أخذ وتغيير المعارف التقليدية إلى أكثر مثالية - على سبيل المثال ، "300 ميغاوات 90٪ من الوقت من السنة" ، ثم يمكن أن تكون المحطة أصغر عدة مرات ، ولكننا سنحسب هذا الخيار في المرة القادمة ، ولكن في الوقت الحالي - المتشددين.
لذلك ، يجب تحسين زاوية تركيب الألواح الشمسية ليس لأقصى كفاءة للطاقة خلال العام ، ولكن لتحقيق أقصى إنتاجية خلال أسوأ فترتين - يتحول إلى 41 درجة ، وليس الأكثر مثالية (الفرق ، مع ذلك ، هو 5 ٪ فقط في الناتج السنوي).
يتم حساب نسبة حجم البطارية والألواح الشمسية بشكل أكثر تعقيدًا - على النحو الأمثل للطاقة. بالنظر إلى أن كيلوواط كهربائي واحد لمحطة طاقة شمسية يكلف ~ 14 جيجا جول (
دراسة 2016 ) ، و كيلوواط كهربائي واحد * ساعة من بطاريات ليثيوم أيون حوالي 1.6 جيجا جول (
دراسة 2012 ).
ومن هنا قاعدة التحسين - نحن نزيد البطارية حتى نصل إلى موقف حيث لم تعد زيادة قدرها 8.75 كيلو واط ساعة تؤدي إلى انخفاض في طاقة الألواح الشمسية بما لا يقل عن 1 كيلووات.
رسم بياني مثير للاهتمام من المقالة حول تكلفة الطاقة للبطاريات. على وجه الخصوص ، اتضح أن المركم (PHS) والهواء المضغوط (CAES) هما "الأقل تكلفة للطاقة" - وفقًا للأخير ، لأول مرة كل شيء معقد للغاية ، لأن يستخدم حرق الغاز الطبيعي لاستعادة الطاقة. تُظهر اللوحة اليمنى "تكلفة الطاقة" للتخزين العالمي لمدة 4-12 ساعة.
أعطاني تعداد المجموعات المختلفة لحجم SB والبطارية في قضية Pwatts هذه القيم المثلى - 2.25 جيجاوات من SB و 20 GW * h للبطارية. في الوقت نفسه ، ستعطي المحطة 300 ميغاوات لكل 8760 ساعة من السنة ، وستنخفض شحن البطارية مرة واحدة فقط إلى 2٪ من الإجمالي ، وستتقلب بشكل رئيسي بين 50 و 100٪. عامل استخدام السعة المركبة (KIUM) للجزء المولد سيئ - حوالي 0.08 وسيكون تحسنه كبيرًا إذا تلقت الشبكة قمم يومية على الأقل عند مستوى 2 جيجاوات ، فإن إجمالي KIUM سيكون حوالي 0.2 ، وهو أقرب كثيرًا إلى SES الحقيقي مثل هذا ، من الصورة أعلاه.
سيكون من الأفضل تحديد تشغيل المحطة بـ 330 بحلول الأيام المشمسة من السنة - ثم يمكن تقليل حجم جزء SB إلى 1.4 جيجاوات ، والبطارية إلى 7 جيجاواط ساعة. نعم ، تعاني مصادر الطاقة المتجددة المتغيرة من مشاكل في النسبة المئوية الأخيرة في نظام الطاقة - الفرق بين حصة 80 ٪ و 100 ٪ ضخم من حيث الاستثمار.
حسنًا ، ضع في اعتبارك EROEI. للحصول على 2.25 جيجاواط من الشمس و 20 جيجاواط ساعة من الليثيوم ، نحتاج إلى 64.1 بيتاجول (14 * 10
9 J * 2.25 * 10
6 كيلوواط + 1.634 * 10
9 J * 20 * 10
6 كيلووات) أو 17.82 TW * h ، و
EROEI هي يساوي 3.8 . هذا الرقم يثير الدهشة للناس الذين يدركون الخطاب حول الشمس و EROEI - أكثر بكثير من التوقعات. نعم ، النتيجة غامضة - من ناحية ، من السهل زيادتها عدة مرات من خلال تلقي قمم من التوليد الشمسي وتقليل ساعات تشغيل المحطة بنسبة 90٪ على الأقل ، من ناحية أخرى ، هذه هي أريزونا ، واحدة من أفضل النقاط على كوكب الأرض لمحطات الطاقة الشمسية.
والأهم من ذلك ، أن مثل هذا المشروع غير ممكن بعد من وجهة نظر مالية. حتى 1.4 GW + 7 GWh المحسنة ستكلف ما لا يقل عن 4 مليارات دولار ، مما سيعطي تكلفة الكهرباء من هذه المنشأة عند 140 دولارًا لكل ميجاوات ساعة - باهظة الثمن. لا تزال "الطاقة الشمسية والتخزين" التي تظهر في الواقع تحاول أن تقتصر على بطارية أصغر بكثير ، والتي تضمن بشكل أساسي مرور الذروة المسائية + استبدال الملتقطين ، أي محطات توليد الطاقة لتوربينات الغاز ، التي يتم إطلاقها بسرعة في حالة ذروة الاستهلاك غير المخطط لها: من الواضح أن تكلفة الكهرباء من المنتقيين عالية جدًا ويمكنك كسب المال عليها.
باختصار ، أود أن أشير إلى أن الحساب يظهر أن الفيزياء على الأقل لا تحظر توزيع محطات الطاقة الشمسية للتخزين ، على الأقل في الأماكن ذات التشوه الجيد. ومع ذلك ، هناك الكثير من هذه الأماكن على هذا الكوكب ، لذلك في السنوات العشر القادمة ، على ما يبدو ، سيتم بناء محطات الطاقة هذه على نطاق واسع.