Soleil 24x7: calcul EROEI

Au cours des 10 dernières années, l'énergie solaire est rapidement passée des «jouets» aux grands projets, et la poursuite de la courbe de ce décollage promet à l'avenir la domination totale de ce type de génération. Ou pas? Dans les tentatives de prévision, de nombreuses copies ont été cassées et il y a deux affirmations principales: le soleil ne brille pas à travers les nuages ​​la nuit (c'est-à-dire la variabilité de la source) et la forte intensité énergétique de la production de cellules solaires, et cette énergie ne revient pas pendant le fonctionnement de ces dernières. ( EROEI <1)

Techniquement, le premier problème de variabilité est résolu - il suffit de construire plus de panneaux solaires et une batterie de capacité suffisante. Cependant, cette approche exacerbe clairement le problème avec EROEI et le coût de l'électricité. Vous pouvez voir le coût dans les critiques de Lazard , mais je n'ai pas vu de tentatives de calcul de l'EROEI pour une centrale solaire avec une batterie. Par conséquent, j'ai décidé de le compter moi-même et j'ai obtenu un résultat plutôt inattendu, à propos duquel, finalement.

Pour l'évaluation, calculons une centrale électrique avec une batterie lithium-ion située à Yuma, Arizona, USA. Pourquoi en Arizona? C'est un très bon endroit pour les centrales solaires (l'une des meilleures au monde) et il y a beaucoup d'informations à ce sujet. Si ici EROEI s'avère être inférieur à l'unité, cela signifiera de gros problèmes pour le soleil en tant que source d'électricité de base (aujourd'hui). Si EROEI est plus élevé, alors en tenant compte de l'analyse que nous allons produire, il sera possible d'appliquer facilement le calcul à n'importe quel endroit dans le monde.


À Yuma, soit dit en passant, se trouve le assez grand projet solaire SPS Agua Caliente d'une capacité de 250 mégawatts, mais pas 24x7. Les batteries solaires de cette station sont fabriquées en utilisant la technologie à couche mince d'un semi-conducteur CdTe, qui diffère du silicium par des coûts énergétiques bien meilleurs par kilowatt de puissance de batterie, mais perd en coût.

Le lithium-ionique a été choisi en raison de l'universalité évidente d'une telle solution: si l'accumulateur nécessite un paysage adapté, l'électrochimie peut être placée presque n'importe où. En fait, les batteries lithium-ion ont en réalité quelques avantages supplémentaires: la possibilité de jouer à la demande de pointe (puisque les onduleurs de ce système peuvent passer presque instantanément de la charge à la décharge) et les perspectives de moins cher (au cours des 10 dernières années, le prix est de 1 kilowatt * les heures d'une cellule lithium-ion sont passées de 1 000 $ à 130 $).

Supposons donc que nous ayons besoin d'une centrale électrique qui délivre 300 MW 365 jours par an, 24 heures sur 24 , ce qui correspond à une production de 7200 MWh par jour et 2,6 TWh d'électricité par an - environ 35% de la puissance gigawatt d'une centrale nucléaire. Nous plaçons notre SES «24x7» dans la ville de Yuma, Arizona avec les coordonnées 32,69265 ° de latitude nord et 114,62769 ° de longitude ouest.

Exactement de cet endroit (comment la tâche technique s'est terminée et la mise en œuvre a commencé), les difficultés commencent: le fait est que la station peut être optimisée par EROEI assez cool, par exemple, si vous ne demandez pas une batterie d'un jour, mais une batterie de deux jours, qui à son tour changera l'inclinaison optimale de la batterie, etc. n. etc. Afin de trouver un optimum dans le présent, et non aléatoire, il est nécessaire à ce stade de faire une étude d'ingénierie normale. Malheureusement, je n'ai pas beaucoup de temps, donc les chiffres EROEI ne seront pas les plus optimaux, mais il y en a. N'importe qui peut ensuite écrire dans les commentaires et obtenir une diffusion avec une modélisation horaire, dans laquelle j'ai compté la station, et améliorer le résultat moi-même.

Par exemple, en raison d'une surdimensionnement sauvage, notre station ne ressent pas du tout les fluctuations saisonnières, qui atteignent environ + -20% de la valeur moyenne pour une latitude de 30 degrés, et ce sont les variations saisonnières systémiques qui détermineront l'avenir de l'énergie solaire.


La courbe sur le graphique montre le volume de la batterie en pourcentage de la production annuelle, qui est nécessaire pour atténuer les fluctuations saisonnières si les SB sont fabriqués «en taille». Pour nos 2,6 TWh et 32 ​​degrés de latitude nord, nous avons besoin d'une batterie de 234 GWh, ce qui est fou.

Nous commençons le calcul avec le «gain d'énergie» le plus simple de notre centrale électrique. Comme nous le verrons plus loin, sa batterie électrochimique sera assez grande et fonctionnera principalement avec une profondeur de décharge inférieure à 50%, ce qui garantit une durée de vie (pour LiFePo) d'au moins 10000 cycles jusqu'à ce que 20% de la capacité se dégrade. Les cycles de 10k représentent 27 avec un sou d'années, limitons-nous à 25 ans jusqu'à ce que la station soit complètement mise à jour, et les résidus rejetés nous compenseront pour la dégradation non expliquée des panneaux et des batteries.

Ainsi, sur 25 ans, la station devrait fournir 65,7 TWh par heure selon l' énoncé des travaux - c'est notre numérateur dans le calcul de l'EROEI. Mais combien coûte un joule pour construire une telle station? Voyons d'abord l'ensemble d'équipements nécessaires.

Pour déterminer sous la forme la plus approximative, la quantité de SB et de batterie dont nous avons besoin, j'utiliserai la calculatrice NREL Pwatts . Il est basé sur un tableau des valeurs d'ensoleillement pour notre point, tiré de « l'année météorologique standard » - une base de données de paramètres météorologiques pour les États-Unis avec des valeurs harmonisées. En utilisant cette calculatrice, vous pouvez obtenir des valeurs horaires de la production d'électricité en tenant compte des angles d'incidence du soleil, de la lumière ambiante, de la température du panneau et des pertes de conversion, ce qui a été fait comme base pour d'autres calculs.


«Standard Meteorological Year» est une base de données très puissante, avec des mesures de subtilités telles que la ligne solaire (courbe jaune sur le graphique) et l'éclairage indirect (bleu), qui permet d'évaluer avec précision la production du SB simulé par temps nuageux.

Maintenant, les données obtenues pour un SES d'un kilowatt doivent être en quelque sorte optimisées. Vous pouvez modifier le rapport entre le volume de panneaux solaires et les batteries (plus il y a de panneaux solaires, moins nous avons besoin de stocker d'énergie pour survivre aux jours sombres sans éteindre) et aussi - l'angle d'installation des panneaux solaires.

Pour notre centrale solaire, les jours d'hiver nuageux seront décisifs pour EROEI, par exemple, du 27 au 28 décembre de l'année météorologique standard - pendant ces deux jours, le KIUM de la station sera catastrophique de 3,4% et déterminera pleinement sa surdimensionnement, ce qui conduira à la génération d'électricité en excès 95% du reste jours.

En principe, il serait plus correct de prendre et de changer le TK pour un plus optimal - par exemple, "300 mégawatts 90% du temps de l'année", alors la station pourrait être plusieurs fois plus petite, mais nous calculerons cette option la prochaine fois, mais pour l'instant - hardcore.

Ainsi, l'angle d'installation des panneaux solaires doit être optimisé non pas pour une efficacité énergétique maximale au cours de l'année, mais pour une productivité maximale pendant quelques-unes des pires périodes - il s'avère 41 degrés, et pas le plus optimal 32 (la différence, cependant, n'est que de 5% en sortie annuelle).

Le rapport du volume de la batterie et des panneaux solaires est calculé un peu plus compliqué - comme l'optimum pour l'énergie. Étant donné qu'un kilowatt électrique d'une centrale solaire coûte environ 14 GJ ( étude de 2016 ) et qu'un kilowatt * heure de batteries lithium-ion équivaut à environ 1,6 GJ ( étude de 2012 ).

D'où la règle d'optimisation - nous augmentons la batterie jusqu'à atteindre une situation où une augmentation de 8,75 kWh n'entraîne plus une baisse de la puissance des panneaux solaires d'au moins 1 kilowatt.


Un graphique intéressant de l'article sur le coût énergétique des batteries. En particulier, l'accumulateur (PHS) et l'air comprimé (CAES) s'avèrent être les plus «bon marché» - selon ce dernier, pour la première fois tout est très compliqué, car il utilise la combustion du gaz naturel pour restaurer l'énergie. Le panneau de droite montre le «coût énergétique» d'un stockage global de 4 à 12 heures.


L'énumération des diverses combinaisons de la taille du SB et de la batterie dans le problème Pwatts m'a donné des valeurs optimales - 2,25 gigawatts de SB et 20 GW * h de batterie. Dans le même temps, la station émettra 300 mégawatts pour les 8760 heures de l'année, et la charge de la batterie ne tombera qu'une fois à 2% du total, et fluctuera principalement entre 50 et 100%. Le facteur d'utilisation de la capacité installée (KIUM) de la partie génératrice est mauvais - environ 0,08 et son amélioration significative serait si le réseau recevait des pics quotidiens au moins au niveau de 2 gigawatts, alors le KIUM total serait d'environ 0,2, ce qui est beaucoup plus proche du SES réel comme celui-ci. , de l'image ci-dessus.

Il serait encore mieux de limiter le fonctionnement de la station à 330 par les jours les plus ensoleillés de l'année - alors la taille de la partie SB pourrait être réduite à 1,4 gigawatts, et la batterie à 7 GWh. Oui, les sources d'énergie renouvelables variables ont des problèmes du dernier pour cent dans le système électrique - la différence entre une participation de 80% et 100% est énorme en termes d'investissement.

Eh bien, considérez EROEI. Pour 2,25 GW de soleil et 20 GWh de lithium, nous avons besoin de 64,1 pétajoules (14 * 10 ⁹ J * 2,25 * 10 ⁶ kW + 1,634 * 10 ⁹ J * 20 * 10 ⁶ kW) ou 17,82 TW * h, et EROEI est égal à 3,8 . Ce nombre est surprenant pour les gens qui sont conscients du discours autour du soleil et de EROEI - bien plus que les attentes. Oui, le résultat est ambigu - d'une part, il est facile de l'augmenter plusieurs fois en recevant des pics de production solaire et en réduisant le temps de fonctionnement de la station d'au moins 90% par an, d'autre part, c'est l'Arizona, l'un des meilleurs points de la planète pour les centrales solaires.

Et surtout, un tel projet n'est pas encore réalisable d'un point de vue financier. Même le 1,4 GW + 7 GWh optimisé coûtera pas moins de 4 milliards de dollars, ce qui donnera le coût de l'électricité de cette installation à 140 $ par MWh - trop cher. Le «Solar & Storage» qui apparaît en réalité tente toujours de se limiter à une batterie beaucoup plus petite, qui assure principalement le passage du pic du soir + remplacement des cueilleurs, c'est-à-dire des centrales à turbine à gaz, rapidement lancées en cas de pics de consommation imprévus: force est de constater que le coût de l'électricité des cueilleurs est très élevé et que vous pouvez gagner de l'argent avec.

En résumé, je tiens à noter que le calcul montre qu'au moins la physique n'interdit pas la distribution de centrales électriques à accumulation solaire, au moins dans des endroits bien ensoleillés. Cependant, il y a beaucoup de tels endroits sur la planète, donc dans les 10 prochaines années, apparemment, de telles centrales électriques seront massivement construites.