Dom 24x7: cálculo EROEI

En los últimos 10 años, la energía solar se ha movido rápidamente de "juguetes" a proyectos importantes, y la continuación de la curva de este despegue promete en el futuro el dominio total de este tipo de generación. O no? En los intentos de pronosticar, se rompen muchas copias aquí y hay dos reclamos principales: el sol no brilla a través de las nubes en la noche (es decir, la variabilidad de la fuente) y la alta intensidad de energía de la producción de baterías solares, y esta energía no regresa durante la operación de esta última. ( EROEI <1)

Técnicamente, el primer problema de variabilidad está resuelto: solo necesita construir más paneles solares y una batería de capacidad suficiente. Sin embargo, este enfoque exacerba claramente el problema con EROEI y el costo de la electricidad. Puede ver el costo en las revisiones de Lazard , pero no he visto intentos de calcular EROEI para una estación de energía solar con batería. Por lo tanto, decidí contarlo yo mismo, y obtuve un resultado bastante inesperado, sobre el cual al final.

Para la evaluación, calculemos una planta de energía con una batería de iones de litio ubicada en Yuma, Arizona, EE. UU. ¿Por qué en Arizona? Este es un muy buen lugar para las plantas de energía solar (uno de los mejores del mundo) y hay mucha información al respecto. Si aquí EROEI resulta ser menos que la unidad, esto significará grandes problemas para el sol como fuente básica de electricidad (hoy). Si EROEI es mayor, entonces teniendo en cuenta el análisis que vamos a producir, será posible aplicar fácilmente el cálculo a cualquier lugar del mundo.


En Yuma, por cierto, se encuentra el bastante grande Proyecto Solar SPS Agua Caliente con una capacidad de 250 megavatios, pero no 24x7. Las baterías solares de esta estación están hechas con tecnología de película delgada de un semiconductor CdTe, que difiere del silicio en costos de energía mucho mejores por kilovatio de energía de la batería, pero pierde costos.

Se eligió el ión litio debido a la universalidad obvia de tal solución: si el acumulador requiere un paisaje adecuado, entonces el electroquímico puede colocarse en casi cualquier lugar. De hecho, las baterías de iones de litio en realidad tienen un par de ventajas más: la capacidad de jugar a la demanda máxima (ya que los inversores de este sistema pueden cambiar casi instantáneamente de carga a descarga) y las perspectivas de un precio más bajo (en los últimos 10 años, el precio es de 1 kilovatio * horas de una celda de iones de litio cayeron de $ 1,000 a $ 130).

Entonces, digamos que necesitamos una planta de energía que entregue 300 MW los 365 días del año, las 24 horas del día , lo que corresponde a la producción de 7,200 MWh por día y 2.6 TWh de electricidad por año, aproximadamente el 35% de la unidad de energía de gigavatios de una planta de energía nuclear. Colocamos nuestro SES "24x7" en la ciudad de Yuma, Arizona, con coordenadas 32.69265 ° de latitud norte y 114.62769 ° de longitud oeste.

Exactamente desde este lugar (cómo terminó la tarea técnica y comenzó la implementación) comienzan las dificultades: el hecho es que la estación puede ser optimizada por EROEI bastante bien, por ejemplo, si se pregunta no una batería de un día, sino una de dos días, que a su vez cambiará la inclinación óptima de la batería, etc. n. etc. Para encontrar un óptimo en el presente, y no al azar, es necesario en esta etapa hacer un estudio de ingeniería normal. Desafortunadamente, no tengo mucho tiempo, por lo que los números EROEI no serán los más óptimos, pero hay algunos. Cualquier persona puede escribir los comentarios y obtener una difusión con el modelado por hora, en el que conté la estación, y mejorar el resultado yo mismo.

Por ejemplo, debido al sobredimensionamiento salvaje, nuestra estación no siente fluctuaciones estacionales, que alcanzan aproximadamente + -20% del valor promedio para una latitud de 30 grados, y son las variaciones estacionales sistémicas las que determinarán el futuro de la energía solar.


La curva en el gráfico muestra el volumen de la batería como un porcentaje de la generación anual, que es necesaria para suavizar las fluctuaciones estacionales si los SB se hacen "en tamaño". Para nuestros 2.6 TWh y 32 grados de latitud norte, necesitamos una batería de 234 GWh, lo cual es una locura.

Comenzamos el cálculo con el más simple: "ganancia de energía" de nuestra planta de energía. Como veremos más adelante, su batería electroquímica será bastante grande y funcionará principalmente con una profundidad de descarga de menos del 50%, lo que garantiza una vida útil (para LiFePo) no peor de 10,000 ciclos hasta que el 20% de la capacidad se degrade. 10k ciclos son 27 con un centavo de años, limitémonos a 25 años hasta que la estación esté completamente actualizada, y los residuos desechados nos compensarán por la degradación no explicada de los paneles y las baterías.

Entonces, durante 25 años, la estación debería entregar 65.7 TWh por hora de acuerdo con la declaración de trabajo : este es nuestro numerador en el cálculo de EROEI. Pero, ¿cuánto cuesta un julio para construir una estación de este tipo? Primero veamos el conjunto de equipos necesario.

Para determinar en la forma más áspera, cuánto SB y batería necesitamos, usaré la calculadora NREL Pwatts . Se basa en una tabla de valores de insolación solar para nuestro punto, tomada del " año meteorológico estándar ", una base de datos de parámetros meteorológicos para los Estados Unidos con valores armonizados. Con esta calculadora, puede obtener valores por hora de generación de electricidad teniendo en cuenta los ángulos de incidencia del sol, la luz ambiental, la temperatura del panel y las pérdidas de conversión, que se realizó como base para realizar más cálculos.


El "Año Meteorológico Estándar" es una base de datos muy poderosa, con mediciones de sutilezas como la línea solar (curva amarilla en el gráfico) y la llamarada indirecta (azul), lo que permite evaluar con precisión la producción de la SB simulada en días nublados.

Ahora los datos obtenidos para un SES de un kilovatio deben optimizarse de alguna manera. Puede cambiar la relación entre el volumen de los paneles solares y las baterías (cuantos más paneles solares, menos necesitamos almacenar energía para sobrevivir los días oscuros sin apagar) y también, el ángulo de instalación de los paneles solares.

Para nuestra planta de energía solar, los días nublados de invierno serán decisivos para EROEI, por ejemplo, del 27 al 28 de diciembre en el año meteorológico estándar; durante estos dos días, el KIUM de la estación ascenderá a un catastrófico 3.4% y determinará completamente su sobredimensionamiento, lo que conducirá a la generación de exceso de electricidad al 95% del resto días

En principio, sería más correcto tomar y cambiar el TK a uno más óptimo, por ejemplo, "300 megavatios el 90% del tiempo del año", entonces la estación podría ser varias veces más pequeña, sin embargo, calcularemos esta opción la próxima vez, pero por ahora, hardcore.

Por lo tanto, el ángulo de instalación de los paneles solares debe optimizarse, no para la máxima eficiencia energética durante el año, sino para la máxima productividad durante un par de los peores períodos: resulta 41 grados y no el más óptimo 32 (la diferencia, sin embargo, es solo del 5% en la producción anual).

La relación del volumen de la batería y los paneles solares se calcula un poco más complicada, como la óptima para la energía. Dado que 1 kilovatio eléctrico de una estación de energía solar cuesta ~ 14 GJ ( estudio de 2016 ), y un kilovatio eléctrico * hora de baterías de iones de litio es de aproximadamente 1,6 GJ ( estudio de 2012 ).

De ahí la regla de optimización: aumentamos la batería hasta llegar a una situación en la que un aumento de 8.75 kWh ya no conduce a una caída en la potencia de los paneles solares de al menos 1 kilovatio.


Un gráfico interesante del artículo sobre el costo energético de las baterías. En particular, el acumulador (PHS) y el aire comprimido (CAES) resultan ser los más “baratos en energía”, según este último, por primera vez todo es muy complicado, porque Utiliza la quema de gas natural para restaurar la energía. El panel derecho muestra el "costo de energía" de un almacenamiento global de 4 a 12 horas.


Enumerar las diversas combinaciones del tamaño de la SB y la batería en el tema Pwatts me dio valores óptimos: 2.25 gigavatios de SB y 20 GW * h de batería. Al mismo tiempo, la estación entregará 300 megavatios durante las 8760 horas del año, y la carga de la batería solo caerá una vez al 2% del total, y fluctuará principalmente entre el 50 y el 100%. El factor de utilización de la capacidad instalada (KIUM) de la parte generadora es malo: aproximadamente 0.08 y su mejora significativa sería si la red recibiera picos diarios al menos en el nivel de 2 gigavatios, entonces el KIUM total sería de aproximadamente 0.2, que está mucho más cerca de un SES real como ese , de la imagen de arriba.

Sería aún mejor limitar el funcionamiento de la estación a 330 en los días más soleados del año; entonces, el tamaño de la parte SB podría reducirse a 1,4 gigavatios y la batería a 7 GWh. Sí, las fuentes de energía renovables variables tienen problemas del último por ciento en el sistema de energía: la diferencia entre una participación del 80% y una participación del 100% es enorme en términos de inversión.

Bueno, considere EROEI. Para 2.25 GW del sol y 20 GWh de litio, necesitamos 64.1 petajulios (14 * 10 ⁹ J * 2.25 * 10 ⁶ kW + 1.634 * 10 ⁹ J * 20 * 10 ⁶ kW) o 17.82 TW * h, y EROEI es igual a 3.8 . Este número es sorprendente para las personas que conocen el discurso alrededor del sol y EROEI, mucho más que las expectativas. Sí, el resultado es ambiguo: por un lado, es fácil aumentarlo varias veces al recibir picos de generación solar y reducir las horas de funcionamiento de la estación en al menos un 90%, por otro lado, este es Arizona, uno de los mejores puntos del planeta para plantas de energía solar.

Y lo más importante, dicho proyecto aún no es factible desde un punto de vista financiero. Incluso los 1.4 GW + 7 GWh optimizados costarán no menos de $ 4 mil millones, lo que dará el costo de la electricidad de esta instalación a $ 140 por MWh, demasiado caro. El "Solar y almacenamiento" que está apareciendo en realidad todavía está tratando de limitarse a una batería mucho más pequeña, lo que garantiza principalmente el paso del pico nocturno + reemplazo de los recolectores, es decir Plantas de energía de turbina de gas, lanzadas rápidamente en caso de picos de consumo no planificados: está claro que el costo de la electricidad de los recolectores es muy alto y puede ganar dinero con él.

En resumen, quiero señalar que el cálculo muestra que al menos la física no prohíbe la distribución de plantas de almacenamiento de energía solar, al menos en lugares con buena insolación. Sin embargo, hay muchos lugares de este tipo en el planeta, por lo que en los próximos 10 años, aparentemente, tales plantas de energía se construirán masivamente.