Energi Terbarukan Pertanyaan yang Sering Diajukan, Bagian 2

Setelah mempertimbangkan pada bagian pertama masalah-masalah sumber energi terbarukan (RES), yang sampai saat ini dianggap sebagai penghalang serius untuk pengembangan mereka, tetapi kemudian dihilangkan atau dilemahkan, kita sampai pada masalah energi terbarukan, relevan hari ini.


Pembangkit Listrik Tenaga Surya China Terapung

U: Variabilitas mendasar dan tidak terkendalinya pembangkit energi terbarukan membatasi bagian mereka dalam sistem energi hingga 10-20%, setelah itu mulailah kecelakaan dan pemadaman.

A: Pada awalnya, semua jaringan listrik skala besar memiliki kemampuan untuk menyempurnakan produksi dan permintaan - pada skala 5-10% dalam hitungan menit dan pada skala 30-70% pada siang hari. Otomatisasi proses ini memungkinkan Anda untuk menanamkan bagian kecil dari pembangkit energi terbarukan dalam jaringan, misalnya 10% dari hasil tahunan dalam sumber terkonsentrasi, atau 20% didistribusikan ke seluruh jaringan.

Dengan peningkatan lebih lanjut dalam penetrasi variabel RES, masalah mulai tumbuh, karena kemampuan kompensasi generator terkontrol habis.


Pangsa pembangkitan energi terbarukan di Jerman selama bertahun-tahun. Sekitar 6-7 poin persentase di sini adalah tenaga air dan 5% lainnya - pembangkit listrik tenaga biomassa termal.

Namun, hingga pangsa penetrasi terbarukan yang dapat diubah sebesar 25-30% dari total konsumsi tahunan, ada cukup banyak solusi teknis: penerapan sistem peramalan cuaca dalam kontrol pengiriman (= pembangkit RES), modernisasi pembangkit listrik termal untuk meningkatkan laju perubahan kapasitas, menambah saluran listrik baru dan gardu untuk meningkatkan peluang aliran daya.

Jadi, di Jerman, dengan peningkatan pangsa energi terbarukan variabel dari 8 menjadi 20% dari 2010 hingga 2015, pemadaman listrik rata-rata per pelanggan hampir tidak berubah - dari 11,5 menjadi 12,2 menit per tahun (mis. 2 ribu per persen dari waktu) . Namun, biaya stabilitas ini telah meningkat secara signifikan, yang akan kita bahas di bagian yang sesuai.

Kita dapat mengatakan beberapa kata tentang sisi teknis masalah ini. Secara tradisional, penyeimbangan sumber listrik didasarkan pada dua titik - rotasi sinkron dari semua generator dalam jaringan, yang memperkenalkan inersia yang layak dan ketidakpekaan terhadap perubahan cepat dalam beban dan pengaturan daya aktif, yang memungkinkan untuk memenangkan kembali perubahan beban lambat dan skala besar (misalnya, siang-malam).



Generasi RES, misalnya, matahari, tidak memiliki inersia, tetapi ia mampu mensintesis frekuensi yang diperlukan untuk jaringan, resistansi sumber (yaitu, arus yang disuplai) dan karakteristik reaktif. Generator angin modern, di samping itu, dapat menggunakan inersia rotor turbin angin untuk mensintesis inersia yang diperlukan dari jaringan, meskipun sejauh ini teknik ini tidak banyak digunakan.

Bersama dengan saluran komunikasi permanen dengan perangkat lunak kontrol dispatcher, jaringan RES secara teoritis dapat mendukung kelancaran operasi jaringan listrik, meskipun karena kebaruan fenomena ini dan kompleksitas fenomena, masalah masih tetap ada (misalnya, pemudaran berskala besar di Australia pada Februari 2017 terjadi karena pelanggaran interaksi jaringan, pembangkit angin, dan kapasitas termal yang benar)

Dapat dengan hati-hati dikatakan bahwa sementara kecepatan implementasi RES tidak terlalu tinggi, tergantung pada biaya pengalihan sistem energi negara ke RES, masalah teknis tidak signifikan - ekonomi jaringan dan pengiriman memiliki waktu untuk beradaptasi dengan situasi yang ada.

U: Untuk menyeimbangkan variabilitas energi terbarukan, jumlah penyimpanan energi yang luar biasa dibutuhkan - ratusan kali lebih tinggi dari produksi tahunan mereka hari ini. Jadi menyeimbangkan itu tidak mungkin.

A: Akumulasi adalah cara termudah yang logis untuk menangani variabilitas - kami mengakumulasikan energi pada surplus cuaca dan menghabiskan pada defisiensi. Untuk matahari di tempat yang baik (di mana LCOE dari listrik utama panel rendah), akumulasi harian berangsur-angsur meninggalkan laboratorium di lapangan - proyek pertama muncul (misalnya, sudah ada beberapa lusin proyek semacam itu) dengan daya panel puluhan megawatt, kapasitas baterai puluhan dan ratusan megawatt * jam - dalam kasus paling sederhana dari "cuaca selalu baik-baik saja" ini cukup untuk memasok pelanggan sekitar jam dengan kapasitas sekitar 25-30% dari kapasitas terpasang SB.

Masalah dimulai jika kita mencoba untuk memperpanjang pasokan listrik untuk "satu hari musim panas yang indah"


Perubahan dalam output teoritis modul SB selama tahun (hari dalam setahun di sepanjang sumbu bawah) tergantung pada garis lintang instalasi.

Memang, bahkan pada pandangan pertama pada jadwal pembangkit energi terbarukan tahunan, musiman mereka menjadi terlihat, untuk pembangkit listrik tenaga surya di Jerman, katakanlah, mencapai 30 kali lipat (!) Perbedaan antara puncak musim panas dan minimum musim dingin. Ini berarti bahwa Anda perlu membangun kelebihan energi terbarukan yang mengesankan (7 atau mungkin 10 kali), atau dapat menyimpan energi musim panas untuk musim dingin.


Jadwal produksi energi terbarukan mingguan di Jerman pada 2017. Perbedaan matahari antara minggu terburuk (51) dan yang terbaik (22) mencapai 53 kali.

Dalam skenario penyimpanan musiman, ukuran baterai yang diperoleh dari model untuk negara-negara dengan garis lintang sedang membentuk beberapa persen dari konsumsi energi tahunan untuk bagian pembangkit energi terbarukan di wilayah 60-85%. Beberapa persen untuk Jerman, misalnya, adalah 10.,15 TWh * h, terlepas dari kenyataan bahwa produksi global baterai lithium-ion saat ini sekitar 0,25 TW * h per tahun. Bahkan angka kolosal untuk Amerika Serikat dan Cina - kita dapat berbicara tentang 50 ... 200 TW * h. Selain itu, angka-angka ini dioptimalkan untuk campuran variabilitas tertentu, karena misalnya, dalam kasus Jerman, antikorelasi musim angin dan matahari (terlihat pada grafik di atas) berperan dalam mengurangi ukuran akumulasi.

Di sisi lain, tidak ada yang secara fundamental mustahil dalam angka-angka ini - ada cukup lithium di planet ini untuk membangun sejumlah besar baterai mega, umat manusia juga tahu cara membangun pabrik. Pertanyaan diajukan oleh harga keputusan seperti itu, tetapi lebih pada itu di bawah ini.

Situasi dengan kemungkinan penyimpanan listrik di pembangkit listrik yang dipompa penyimpanan (PSPPs) sedikit lebih baik - di sini Anda dapat menemukan banyak formasi alami dan buatan yang memungkinkan Anda untuk menyimpan jumlah listrik yang diperlukan, tetapi tempat-tempat seperti itu tersebar di planet ini sangat tidak merata, dan jika negara-negara besar seperti Amerika Serikat kemungkinan akan mengatasinya Dengan pertanyaan tentang akumulasi tanpa meningkatkan produksi baterai lithium-ion dengan faktor 1000, tidak mungkin untuk membuat PSP seperti itu di Eropa.


Proyek penyimpanan solar secara aktif berkembang di Chili

Akhirnya, untuk pembangkit listrik tenaga surya ada varian pembangkit listrik tenaga surya-panas dengan akumulator panas - teknologi ini berkembang dan menjanjikan listrik sepanjang waktu dengan harga yang terjangkau, tetapi saat ini prospeknya tidak sepenuhnya jelas. Jika masalah akumulasi energi menjadi lebih akut ketika pangsa energi terbarukan tumbuh, maka ada kemungkinan beberapa dari mereka akan ditangani secara tepat dengan bantuan akumulator panas SES .

Sejauh ini, mereka berusaha untuk menyelesaikan masalah penyeimbangan dengan cara kompromi - dengan memperluas kemampuan kompensasi dari jenis lain pembangkit tenaga listrik, membangun pembangkit listrik gas "puncak" khusus, membangun baterai lokal, dan permintaan untuk "sumber energi terbarukan 24 jam" - semua kegiatan ini sedikit meningkatkan bagian yang diijinkan dari generasi yang tidak terkendali di sistem kelistrikan.

Di masa depan, tampaknya, jumlah proyek penyimpanan energi akan meningkat, tetapi akan memakan waktu yang sangat lama sebelum beberapa jenis sistematisitas dan signifikansi sistemik muncul karena kesenjangan yang sangat besar antara skala implementasi saat ini dan kebutuhan teoritis.

U: Tidak ada yang memperhitungkan biaya nyata untuk menyeimbangkan variabilitas RES dalam sistem tenaga. Ketika biaya ini muncul, rencana untuk memperkenalkan energi terbarukan akan runtuh.

A: Saya sudah sebutkan di atas bahwa hingga sebagian sumber energi terbarukan variabel 10-20%, biaya ditanggung oleh mekanisme kompensasi yang melekat dari jaringan energi, oleh karena itu mereka tidak terlihat. Namun, ketika bilah ini terlampaui, mereka mulai tumbuh.

Pangsa sumber-sumber alternatif yang diizinkan dapat ditingkatkan dengan metode tradisional - dengan memperkenalkan perkiraan pembangkit energi terbarukan selama berjam-jam dan beberapa hari ke depan, meningkatkan kemampuan manuver pembangkit yang dikendalikan (pembangkit listrik tenaga termal, nuklir dan hidroelektrik), meningkatkan jumlah koneksi jaringan, mengendalikan (jika mungkin) permintaan listrik. Biaya solusi ini, menurut penelitian (M. Joosa, I. Staffellb, 2018), cukup besar - biaya jaringan di Jerman dan Inggris meningkat + 60% dengan peningkatan pangsa variabel RES dari 8 menjadi 20% dan dari 3 hingga 14%, masing-masing. Di sini harus dipahami bahwa fungsi biaya sangat tidak linier - sebagian besar biaya adalah pada saat kemampuan kompensasi dari jaringan listrik mencapai batasnya. Momen ini diilustrasikan dengan baik oleh gambar seperti itu



Di sini, biaya operator jaringan listrik Jerman untuk menyeimbangkan angin yang berubah-ubah dinyatakan dalam euro. Pada 2012, mereka menghabiskan 200 juta euro pada 50 TWh (4 euro per MWh - beberapa persen dari LCOE the wind), dan pada 2015, ketika ada jumlah yang luar biasa tinggi - 1.100 juta euro pada 80 TW * h, t. e. € 13,75 per MWh - lebih dari 20% dari angin LCOE di Jerman pada tahun 2015.

Situasi dapat diilustrasikan sebagai berikut: dengan peningkatan pangsa energi terbarukan, biaya sistem meningkat, dan jika LCOE energi terbarukan berkurang dengan peningkatan volume mereka, sistem LCOE pertama kali jatuh, dan mulai dari bagian tertentu digantikan oleh pertumbuhan, dan pertumbuhan ini mempercepat

Akselerasi pertumbuhan sistem LCOE dengan peningkatan pangsa energi terbarukan dapat dijelaskan pada detail yang cukup jelas (sebagian besar energi terbarukan tidak diterima oleh sistem, karena tidak perlu, KIUM generasi tradisional turun, semakin banyak jaringan yang perlu dibangun, dll.), Tetapi secara umum hal ini dapat dijelaskan dalam cara yang lebih umum: struktur sistem energi lama menjadi kurang dan kurang optimal untuk sumber energi terbarukan dan perlu untuk membangun yang baru dioptimalkan untuk sebagian besar sumber energi terbarukan. Karena konstruksinya sangat mahal (kita dapat berbicara tentang beberapa PDB tahunan negara itu), itu harus diulur selama beberapa dekade. Dan selama beberapa dekade ini, sistem daya akan beroperasi dalam mode yang tidak optimal, mis. sistem jangka menengah LCOE akan lebih tinggi dari jangka panjang. Ini adalah berita baik dan buruk bagi penggemar energi terbarukan - di satu sisi, cahaya terlihat di ujung terowongan (dan pengembangan teknologi bekerja untuk mengurangi biaya), di sisi lain, puluhan tahun biaya tinggi yang menyakitkan akan menunggu sumber energi terbarukan, yang tidak dapat ditanggung oleh semua negara.

Biaya dapat diperkirakan dari atas - misalnya, 10 TWh baterai lithium-ion akan menelan biaya (dengan biaya yang sedikit menjanjikan) satu triliun dolar, pembangunan saluran listrik lintas benua di Eropa dengan skala 200 GW - satu triliun dolar lainnya, pembangunan terwatt turbin angin - dua triliun dan dll.

Dengan demikian, gradasi berikut diperoleh: hampir semua negara saat ini mampu membeli 10-20% pembangkit energi terbarukan, dan wilayah selatan dan kaya atau yang berlokasi di tempat-tempat unik dapat membeli lebih banyak dengan biaya yang sama dengan atau bahkan kurang dari generasi tradisional.

Bagian 40-50%, jika negara-negara dengan pembangkit listrik tenaga air atau panas bumi yang dominan dapat terlempar ke belakang, negara-negara kaya atau berlokasi dengan baik mampu membayar sendiri - ini termasuk Jerman, Denmark (yang sudah memiliki hampir 50%), Britania Raya, California (menganggapnya sebagai negara terpisah) , Texas dan juga negara-negara seperti Arab Saudi, UEA, Kuwait, dan monarki banjir lainnya.

Peningkatan lebih lanjut dalam pangsa energi terbarukan di negara-negara ini akan membutuhkan restrukturisasi mendasar dari jaringan dan akan berlarut-larut untuk waktu yang lama, melampaui peramalan inersia yang andal.

W: Ya, oke, semuanya entah bagaimana sangat membingungkan, tetapi bagaimana prospek energi terbarukan? Akankah mereka mengalahkan semua sumber lain atau tidak?

J: Pertanyaan itu membutuhkan pengetahuan tentang masa depan, yang tidak saya miliki. Tetapi jika Anda melihat perkiraan berbagai kantor, Anda dapat melihat bahwa optimis (Bloomberg NEF) percaya bahwa pada tahun 2050 bagian dari RES yang dapat diubah akan mencapai 48% listrik (sekitar 24% pada primer), dan pesimis (British Petroleum), yaitu ~ 30 % (15%) dengan bagian hari ini ~ 10% dalam produksi listrik dan sekitar 4,5% dalam produksi energi primer.


Perkiraan Bloomberg berkaitan dengan produksi listrik (40-50% dari total konsumsi energi primer, proporsinya akan meningkat)


Perkiraan BP mencakup konsumsi energi primer, sehingga pangsa energi terbarukan di sini terlihat lebih kecil dan dibagi menjadi beberapa skenario.

Menurut pendapat saya, ramalan inersia dan kompromi ini dapat dibuang dengan aman ke tempat sampah - dalam hal apa pun, garis halus yang ditarik antara hari ini dan 2050. Pengembangan energi terbarukan akan ditentukan oleh banyak faktor - apakah akan ada baterai murah baru (dengan harga $ 50 per kilowatt * jam baterai, harga harian matahari sepanjang waktu akan sama dengan gas / batubara di sebagian besar negara di dunia), akankah "ujung hidrokarbon" atau hal-hal baru seperti shale / minyak laut dalam, atau pemanasan global akan menjadi terlalu jelas untuk membiarkannya rem ... Di arah lain, hilangnya popularitas topik "hijau", kelelahan pemilih dari biaya "pergantian energi", ekonomi kesulitan, stagnasi konsumsi energi.


Perkiraan lain untuk baterai BNEF adalah 1.291 GW (* h?) Dari baterai yang dipasang pada tahun 2050, di mana 40% secara lokal di rumah dengan SB, $ 70 per kilowatt * jam modul baterai (hari ini harga ini adalah sekitar $ 200).

Pada akhirnya, sejarah mengetahui banyak ramalan energi yang tidak dapat dibenarkan - misalnya, ramalan untuk pengembangan energi nuklir tahun 60an menyimpang dari kenyataan sekitar sepuluh kali lipat, atau ramalan 15 tahun yang lalu untuk pengembangan energi terbarukan di Spanyol pada tahun 2020 berlipat ganda.

Satu-satunya hal yang dapat diprediksi adalah bahwa hingga tahun 2050 situasi dominasi RES absolut di dunia pasti tidak akan terjadi , meskipun Bloomberg NEF untuk RES + hydro memberikan perkiraan 64% dari total produksi listrik (yang sesuai dengan sekitar 30-32% dari produksi primer - hari ini tentang ini bagian yang sama ditempati oleh batubara, gas dan minyak). Hanya pada akhir abad ke-21 prakiraan inersia memberikan transisi yang hampir lengkap ke energi terbarukan, tetapi sama sekali tidak mungkin untuk memprediksi kemungkinan bahwa ini akan terjadi.

U: Dan bagaimana dengan terobosan teknologi, panel surya baru atau superkumulator - bagaimana prospeknya di sini? Mungkin ada sesuatu di cakrawala?

A: Selama 10-15 tahun terakhir, sumber daya keuangan dan manusia yang sangat serius telah dilemparkan ke dalam pencarian inovasi di bidang energi terbarukan dan penyimpanan energi. Namun, persaingan di antara kelompok-kelompok ilmiah di bidang besar ini sangat ketat. Grup dipaksa untuk mempreparasi temuan mereka, sehingga setiap minggu Anda dapat mendengar tentang terobosan lain di bidang baterai atau sedikit kurang - di bidang energi terbarukan.


Pengembangan baterai lithium-ion dapat diilustrasikan dengan peningkatan konsumsi energi spesifik (W * h per kilogram). Meskipun poin-poin tersebut dicakup oleh eksponen, perkiraan persegi panjang kemungkinan besar menunjukkan pertumbuhan berkelanjutan pada tahun 2030 (1,66 kali). Meskipun konsumsi energi spesifik tidak secara langsung berkaitan dengan biaya, itu mempengaruhi - lebih sedikit bahan per kWh - harga lebih murah.

Namun, statistik yang tidak bias menunjukkan bahwa jumlah paten yang dikeluarkan dalam bidang ini menurun setelah puncaknya pada tahun 2015. Posisi dominan SB silikon polikristalin di pasaran saat ini (sementara 10-5 tahun yang lalu 4-5 teknologi berbeda memiliki bagian yang sama) dan 2-3 jenis kincir angin struktural yang sangat mirip mengisyaratkan bahwa konsolidasi teknologi sumber energi terbarukan sudah selesai. Ini, pada gilirannya, berarti bahwa tidak ada opsi yang ditemukan di laboratorium yang menjanjikan terobosan dari level saat ini, dan produsen utama telah beralih dari penelitian pencarian ke optimalisasi, di mana lebih sulit untuk mendapatkan paten baru.



Faktor lain bermain di sini. Selama bertahun-tahun, harga, misalnya, listrik tenaga surya, didominasi oleh biaya panel semikonduktor. Namun, selama tahun-tahun booming, biaya ini turun sangat banyak sehingga bagian "bagian semikonduktor" turun menjadi <50% dari total biaya SES. Pengurangan lebih lanjut dalam harga telah kehilangan kekuatan sebelumnya, dan tidak memiliki efek seperti itu pada LCOE, yang berarti tidak begitu banyak diminati oleh pasar.


2018 dalam bagan ini adalah perkiraan yang belum dibenarkan, harga telah membeku di level 16-17, yang juga dapat dianggap sebagai momen penting dalam pengembangan teknologi

Apakah ini berarti bahwa sekarang kita sedang menunggu evolusi yang membosankan, ketika peningkatan 10% dalam efisiensi selama 10 tahun dianggap sebagai hasil yang sangat keren? Situasi ini mungkin terjadi. Namun, tidak seperti penerbangan sipil, masih ada peluang bahwa beberapa teknologi baru akan "menembak". Misalnya, tampaknya mengurangi harga panel sebanyak 10 kali tidak masuk akal untuk LCOE? Tapi ini berarti penyederhanaan besar masalah akumulasi dan penyeimbangan - sekarang untuk uang yang sama Anda dapat memasang panel berlebih besar yang tidak akan bekerja di musim panas dan pada saat yang sama memberikan daya yang cukup di musim dingin.

Masa depan tidak diketahui, tetapi fisika / teknik solid state masih secara teratur menghadirkan kejutan, sehingga terlalu dini untuk mengabaikan opsi ini. Satu-satunya hal yang dapat dikatakan adalah bahwa bahkan jika revolusi semacam itu terjadi, itu akan mempengaruhi lintasan global pengenalan sumber energi terbarukan tidak lebih awal dari dalam 10 tahun, tetapi akan sepenuhnya membalik semua perkiraan dalam 15-20 tahun.

Jika kita mengambil teknologi baterai, maka di sini keseimbangannya, sebaliknya, bias dalam mendukung kemungkinan perubahan revolusioner, karena segera ada banyak bidang pengembangan yang menjanjikan dan kesenjangan besar antara kemampuan teoritis lithium dan kenyataan. . *, .

, , - , . , , - , , .