Habiendo considerado en la
primera parte esos problemas con las fuentes de energía renovables (RES), que hasta hace poco se consideraban una barrera seria para su desarrollo, pero que posteriormente fueron eliminados o debilitados, llegamos a los problemas de las energías renovables, relevantes hoy en día.
Estación flotante de energía solar chinaU: La variabilidad fundamental y la incontrolabilidad de la generación de energía renovable limita su participación en el sistema energético al 10-20%, después de lo cual comienzan los accidentes y los apagones.R: Inicialmente, todas las redes eléctricas a gran escala tienen la capacidad de ajustar la producción y la demanda, en una escala del 5-10% en minutos y en una escala del 30-70% durante el día. La automatización de este proceso le permite integrar sin problemas pequeñas partes de la generación de energía renovable en la red, por ejemplo, el 10% de la producción anual en fuentes concentradas, o el 20% se distribuye en toda la red.
Con un aumento adicional en la penetración de RES variable, los problemas comienzan a crecer, porque las capacidades de compensación de los generadores controlados se agotan.
Porcentaje de generación de energía renovable en Alemania por años. Alrededor de 6-7 puntos porcentuales aquí son centrales hidroeléctricas y otro 5% - centrales térmicas de biomasa.Sin embargo, hasta la proporción de penetración de energías renovables cambiantes del 25-30% del consumo anual total, hay suficientes soluciones técnicas: implementación de sistemas de pronóstico del tiempo en el control de despacho (= generación RES), modernización de plantas de energía térmica para aumentar la tasa de cambio en la capacidad, agregar nuevas líneas eléctricas y subestaciones para aumentar las oportunidades de flujos de energía.
Entonces, en Alemania, con el aumento en la proporción de energía renovable variable del 8 al 20% de 2010 a 2015, el corte de energía promedio por suscriptor casi no cambió: de 11.5 a 12.2 minutos por año (es decir, 2 milésimas de porcentaje del tiempo) . Sin embargo, el costo de esta estabilidad ha aumentado significativamente, lo cual discutiremos en la sección correspondiente.
Podemos decir algunas palabras sobre el aspecto técnico del asunto. Tradicionalmente, el equilibrio de la red eléctrica se basaba en dos puntos: la rotación sincrónica de todos los generadores de la red, que introducía una inercia decente e insensibilidad a los cambios rápidos en la carga y la regulación activa de la potencia, lo que nos permitía recuperar los cambios de carga lentos y a gran escala (por ejemplo, día-noche).
La generación de RES, por ejemplo, solar, no tiene inercia, pero puede sintetizar la frecuencia necesaria para la red, la resistencia de la fuente (es decir, la corriente suministrada) y las características reactivas. Los generadores eólicos modernos, además, pueden usar la inercia del rotor de una turbina eólica para sintetizar la inercia necesaria de la red, aunque hasta ahora esta técnica no se usa ampliamente.
Junto con los canales de comunicación constantes con el software de control del despachador, las redes RES pueden soportar teóricamente el buen funcionamiento de la red eléctrica, aunque debido a la cierta novedad de este fenómeno y la complejidad del mismo, los problemas aún persisten (por ejemplo, el
desvanecimiento a gran escala en Australia en febrero de 2017 ocurrió debido a violación de la correcta interacción de redes, generación eólica y capacidades térmicas)
Se puede decir con cautela que si bien la velocidad de implementación de RES no es muy alta, dependiendo del costo de cambiar el sistema de energía del país a RES, los problemas técnicos son insignificantes: la economía de red y el despacho tienen tiempo para adaptarse a la situación existente.
U: Para equilibrar la variabilidad de la energía renovable, se necesitan cantidades increíbles de almacenamiento de energía, cientos de veces más que su producción anual actual. Entonces el equilibrio es imposible.R: La acumulación es la forma lógica más fácil de lidiar con la variabilidad: acumulamos energía en excedentes climáticos y gastamos en deficiencias. Para el sol en buenos lugares (donde el LCOE de la electricidad primaria de los paneles es bajo), la acumulación diaria deja gradualmente a los laboratorios en el campo: aparecen los primeros proyectos (por ejemplo, ya hay un par de docenas de tales proyectos) con potencia de paneles de decenas de megavatios, capacidad de batería de decenas y cientos de megavatios * horas: en el caso más simple de "siempre buen tiempo", esto es suficiente para proporcionar a los clientes durante todo el día una capacidad de aproximadamente el 25-30% de la capacidad instalada de la SB.
Los problemas comienzan si tratamos de extender el suministro continuo de electricidad para "un hermoso día soleado de verano"
Cambios en la producción teórica del módulo SB durante el año (día del año a lo largo del eje inferior) dependiendo de la latitud de la instalación.De hecho, incluso a primera vista de los programas anuales de generación de energía renovable, su estacionalidad se hace visible, por ejemplo, para las plantas de energía solar en Alemania, alcanzando una diferencia de 30 veces (!) Entre el pico de verano y el mínimo de invierno. Esto significa que necesita construir un impresionante exceso de energía renovable (7 o tal vez 10 veces), o poder almacenar energía de verano para el invierno.
Calendario semanal de producción de energía renovable en Alemania en 2017. La diferencia en el sol entre la peor semana (51) y la mejor (22) llega a 53 veces.En el escenario de almacenamiento estacional, los tamaños de batería obtenidos de los modelos para países de latitudes moderadas representan varios por ciento del consumo anual de energía para la proporción de generación de energía renovable en la región del 60-85%. Un pequeño porcentaje para Alemania, por ejemplo, es de 10..15 TWh * h, a pesar del hecho de que la producción global de baterías de iones de litio es actualmente de aproximadamente 0.25 TW * h por año. Incluso cifras colosales para Estados Unidos y China: podemos hablar de 50 ... 200 TW * h. Además, estos números están optimizados para una cierta mezcla de variabilidad, porque Por ejemplo, en el caso de Alemania, la anticorrelación de la estacionalidad del viento y el sol (visible en el gráfico anterior) juega un papel en la reducción del tamaño de la acumulación.
Por otro lado, no hay nada fundamentalmente imposible en estas cifras: hay suficiente litio en el planeta para construir tales cantidades de megabaterías, la humanidad también sabe cómo construir fábricas. Las preguntas se plantean por el precio de tal decisión, pero más sobre eso a continuación.
La situación con el posible almacenamiento de electricidad en plantas de energía de almacenamiento por bombeo (PSPP) es un poco mejor: aquí puede
encontrar muchas formaciones naturales y artificiales que le permiten almacenar las cantidades necesarias de electricidad, pero dichos lugares están dispersos en todo el planeta de manera muy desigual, y si es probable que países grandes como los Estados Unidos puedan hacer frente. Con la cuestión de la acumulación sin aumentar la producción de baterías de iones de litio por un factor de 1000, no sería posible crear tal PSP en Europa.
Proyectos de almacenamiento solar se están desarrollando activamente en ChileFinalmente, para las plantas de energía solar hay una variante de plantas de energía solar térmica con un acumulador de calor: esta tecnología se está desarrollando y promete electricidad las 24 horas a un precio asequible, pero hoy sus perspectivas no son del todo claras. Si los problemas de acumulación de energía se agudizan a medida que aumenta la proporción de energía renovable, entonces es posible que algunos de ellos se aborden precisamente con la ayuda de
los acumuladores de calor SES .
Hasta ahora, están tratando de resolver los problemas de equilibrio de una manera comprometida: expandiendo las capacidades de compensación de otros tipos de generadores de energía eléctrica, construyendo plantas de energía de gas "pico" especiales, construyendo baterías locales y la demanda de "fuentes de energía renovables las 24 horas", toda esta actividad aumenta ligeramente la participación permitida de generación no controlada en sistema electrico.
En el futuro, aparentemente, el número de proyectos de almacenamiento de energía aumentará, pero pasará mucho tiempo antes de que aparezca algún tipo de sistematización y significado sistémico debido a la enorme brecha entre la escala actual de implementación y las necesidades teóricas.
U: Nadie tiene en cuenta el costo real de equilibrar la variabilidad RES en el sistema de energía. Cuando surja este costo, los planes para la introducción de energía renovable colapsarán.R: Ya mencioné anteriormente que hasta una proporción de fuentes de energía renovables variables de 10-20%, los costos están cubiertos por los mecanismos compensatorios integrados de las redes de energía, por lo tanto, son invisibles. Sin embargo, cuando se supera esta barra, comienzan a crecer.
La proporción permisible de fuentes alternativas puede aumentarse mediante métodos tradicionales: al introducir un pronóstico de generación de energía renovable para las horas y días siguientes, mejorar la maniobrabilidad de la generación controlada (plantas de energía térmica, nuclear e hidroeléctrica), aumentar el número de conexiones de red, controlar (si es posible) la demanda de electricidad. Según el estudio, el costo de estas soluciones (M. Joosa, I. Staffellb, 2018) es bastante considerable: los costos de red en Alemania y Gran Bretaña aumentaron en un + 60% con un aumento en la proporción de RES variables del 8 al 20% y del 3 al 14%, respectivamente. Aquí debe entenderse que la función de costo es extremadamente no lineal: la mayor parte de los costos se producen en momentos en que las capacidades compensatorias de la red eléctrica alcanzan el límite. Este momento está bien ilustrado por tal imagen
Aquí, los costos de los operadores alemanes de la red eléctrica para equilibrar los vientos cambiantes se expresan en euros. En 2012, gastaron 200 millones de euros a 50 TWh (4 euros por MWh, un pequeño porcentaje del LCOE del viento), y en 2015, cuando hubo una cantidad inusualmente alta, 1.100 millones de euros a 80 TW * h, t. e. 13,75 euros por MWh: más del 20% de la eólica LCOE en Alemania en 2015.
La situación se puede ilustrar de la siguiente manera: con un aumento en la proporción de energía renovable, los costos del sistema aumentan, y si el LCOE de la energía renovable disminuye con un aumento en sus volúmenes, el LCOE del sistema cae primero, y a partir de una cierta proporción se reemplaza por crecimiento, y este crecimiento se acelera
La aceleración del crecimiento del sistema LCOE con el aumento en la proporción de energía renovable puede explicarse con detalles bastante obvios (el sistema no acepta una gran parte de la energía renovable, ya que es innecesario, el KIUM de la generación tradicional está cayendo, se necesita construir más y más redes, etc.), pero en general esto se puede explicar de una manera más general: la antigua estructura del sistema de energía se está volviendo cada vez menos óptima para las fuentes de energía renovables y es necesario construir una nueva optimizada para una gran parte de las fuentes de energía renovables. Dado que la construcción es muy costosa (podemos hablar de varios PIB anuales del país), debería extenderse durante décadas. Y todas estas décadas, el sistema de energía operará en un modo no óptimo, es decir sistema de mediano plazo LCOE será mayor que a largo plazo. Estas son buenas y malas noticias para los entusiastas de las energías renovables: por un lado, la luz es visible al final del túnel (y el desarrollo de la tecnología trabaja para reducir los costos), por otro lado, las dolorosas décadas de altos costos aguardarán las fuentes de energía renovable, que no todos los países pueden soportar.
Los costos se pueden estimar desde arriba, por ejemplo, 10 TWh de baterías de iones de litio costarán (a un costo ligeramente prometedor) un billón de dólares, la construcción de líneas eléctricas transcontinentales en Europa en una escala de 200 GW, otros billones de dólares, la construcción de un terwatt de turbinas eólicas, otros dos billones y etc.
Por lo tanto, se obtiene la siguiente gradación: casi todos los países de hoy pueden permitirse el 10-20% de la generación de energía renovable, y el sur y los ricos o ubicados en lugares únicos pueden permitirse más a un costo igual o incluso menor que la generación tradicional.
Una proporción del 40-50%, si los países con una generación hidroeléctrica o geotérmica predominante pueden ser rechazados, los países ricos o ubicados excepcionalmente bien pueden permitirse el lujo de hacerlo: esto incluye Alemania, Dinamarca (que ya tiene casi el 50%), Gran Bretaña, California (considerando que es un país separado) , Texas y también países como Arabia Saudita, Emiratos Árabes Unidos, Kuwait y otras monarquías de inundación.
Un aumento adicional en la participación de las energías renovables en estos países requerirá una reestructuración fundamental de las redes y se prolongará durante mucho tiempo, yendo más allá del horizonte de predicción de inercia confiable.
W: Bueno, está bien, de alguna manera todo es muy confuso, pero ¿cuáles son las perspectivas de las energías renovables? ¿Derrotarán a todas las otras fuentes o no?R: La pregunta requiere conocimiento del futuro, que no poseo. Pero si observa los pronósticos de varias oficinas, puede ver que los optimistas (Bloomberg NEF) creen que para 2050 la proporción de RES cambiables alcanzará el 48% en electricidad (aproximadamente el 24% en primaria) y los pesimistas (British Petroleum), que es ~ 30 % (15%) con una participación actual de ~ 10% en la producción de electricidad y aproximadamente 4.5% en la producción de energía primaria.
El pronóstico de Bloomberg se refiere a la producción de electricidad (40-50% del consumo total de energía primaria, la proporción aumentará)
El pronóstico de BP cubre el consumo de energía primaria, por lo que la proporción de energía renovable aquí parece menor y se divide en varios escenarios.En mi opinión, estos pronósticos de compromiso inerciales se pueden tirar a la basura de manera segura, en cualquier caso, esa línea suave que se dibuja entre hoy y 2050. El desarrollo de la energía renovable estará determinado por muchos factores: habrá nuevas baterías baratas (a un precio de $ 50 por kilovatio * hora de batería, el precio diario del sol durante las 24 horas será igual al gas / carbón en la mayoría de los países del mundo), será el "fin de los hidrocarburos" o cosas nuevas como el esquisto / el petróleo de aguas profundas, o el calentamiento global se volverán demasiado obvios para dejarlo en el freno ... En la otra dirección, la pérdida de popularidad del tema "verde", el cansancio de los votantes por los costos del "cambio de energía", económico dificultades, estancamiento del consumo de energía.
Otro pronóstico para las baterías BNEF es de 1291 GW (* h?) De baterías instaladas para 2050, de las cuales el 40% localmente en hogares con SB, $ 70 por kilovatio * hora del módulo de batería (hoy este precio es de aproximadamente $ 200).Al final, la historia conoce muchas predicciones injustificadas para la energía, por ejemplo, las predicciones para el desarrollo de la energía nuclear de los años 60 divergieron de la realidad aproximadamente diez veces, o las predicciones de hace 15 años para el desarrollo de las energías renovables en España en 2020 se duplicaron.
Lo único que se puede predecir es que hasta 2050 la
situación de dominio absoluto de RES en el mundo
definitivamente no ocurrirá , aunque Bloomberg NEF para RES + hydro da un pronóstico del 64% de la producción total de electricidad (que corresponde a alrededor del 30-32% de la producción primaria; hoy se trata de estos partes iguales están ocupadas por carbón, gas y petróleo). Solo para fines del siglo XXI, los pronósticos de inercia dan una transición casi completa a las energías renovables, pero es absolutamente imposible predecir la probabilidad de que esto suceda.
U: ¿Y qué hay del avance tecnológico, los nuevos paneles solares o superacumuladores? ¿Cuáles son las perspectivas aquí? Tal vez hay algo en el horizonte?R: En los últimos 10-15 años, se han invertido recursos financieros y humanos muy serios en la búsqueda de innovaciones en el campo de las energías renovables y el almacenamiento de energía. Sin embargo, la competencia entre grupos científicos en este gran campo es extremadamente feroz. Los grupos se ven obligados a PR sus hallazgos, por lo que cada semana se puede escuchar acerca de otro avance en el campo de las baterías o un poco menos, en el campo de las energías renovables.
El desarrollo de baterías de iones de litio puede ilustrarse mediante un aumento en el consumo de energía específico (W * h por kilogramo). Aunque los puntos están cubiertos por un exponente, el rectángulo de pronóstico probablemente indique un crecimiento continuo para 2030 (1,66 veces). Aunque el consumo de energía específico no está directamente relacionado con el costo, lo afecta: menos materiales por kWh, menos precio.Sin embargo, las estadísticas imparciales muestran que el número de patentes emitidas en este campo está disminuyendo después del pico en 2015. La posición dominante de silicio policristalino SB en el mercado hoy (mientras que hace 10-5 años, 4-5 tecnologías diferentes tenían partes iguales) y 2-3 tipos estructurales de molinos de viento muy similares insinuaron que la consolidación tecnológica de las fuentes de energía renovable está completa. Esto, a su vez, significa que no se han encontrado opciones en los laboratorios que prometan un avance desde el nivel actual, y los principales fabricantes han cambiado de la investigación de búsqueda a la optimización, donde es más difícil obtener una nueva patente.
Otro factor juega aquí. Durante muchos años, el precio de, por ejemplo, la electricidad solar, estuvo dominado por el costo de un panel de semiconductores. Sin embargo, durante los años de auge, este costo cayó tanto que la parte de la "parte de semiconductores" cayó a <50% del costo total de SES. Una nueva reducción en el precio ha perdido su fuerza anterior, y no tiene tal efecto en LCOE, lo que significa que el mercado no tiene tanta demanda.
2018 en este gráfico es un pronóstico que aún no se ha justificado, el precio se ha congelado en el nivel de 16-17, que también puede considerarse un momento importante en el desarrollo de la tecnología.¿Significa esto que ahora estamos esperando una evolución aburrida, cuando una mejora del 10% en la eficiencia durante 10 años se considera un resultado genial? Esta situación es probable. Sin embargo, a diferencia de la aviación civil, existe la posibilidad de que alguna nueva tecnología "dispare". Por ejemplo, parece que reducir el precio de los paneles en 10 veces no tiene sentido para LCOE? Pero esto significa una gran simplificación de la cuestión de la acumulación y el equilibrio: ahora por el mismo dinero puede instalar un gran exceso de paneles que simplemente no funcionarán en el verano y al mismo tiempo darán suficiente energía en el invierno.
El futuro no se conoce, pero la física / ingeniería de estado sólido aún presenta sorpresas regularmente, por lo que es demasiado pronto para descartar esta opción. Lo único que se puede decir es que incluso si se produce tal revolución, afectará la trayectoria global de la introducción de fuentes de energía renovables no antes de 10 años, pero cambiará completamente todas las previsiones en 15-20 años.
Si tomamos tecnologías de batería, entonces el equilibrio, por el contrario, está sesgado a favor de la probabilidad de cambios revolucionarios, ya que hay muchas áreas prometedoras de desarrollo y una gran brecha entre las capacidades teóricas del litio y la realidad.
En el futuro previsible, es bastante posible un aumento específico bastante bueno en las características de las baterías. También es probable una reducción en el costo de kilovatios * horas, lo que amplía enormemente la competitividad de las energías renovables.En resumen, podemos decir que el inicio de la generación de energía renovable continuará en las próximas décadas a un ritmo más rápido o más lento, y este tipo de generación será cada vez más competitivo y competitivo cada año. Al mismo tiempo, se puede esperar que el aumento exponencial de la capacidad instalada se vuelva lineal en la próxima década debido a una desaceleración en el progreso técnico y económico de las fuentes de energía renovables, por lo que es probable que las previsiones de mediados de siglo basadas en la extrapolación del expositor fallen.