Sun 24x7: Perhitungan EROEI

Selama 10 tahun terakhir, energi matahari telah dengan cepat berpindah dari "mainan" ke proyek-proyek besar, dan kelanjutan dari kurva lepas landas ini menjanjikan di masa depan dominasi total jenis generasi ini. Atau tidak? Dalam upaya peramalan, banyak salinan rusak dan ada dua klaim utama: matahari tidak bersinar melalui awan di malam hari (mis., Variabilitas sumber) dan intensitas energi yang tinggi dari produksi sel surya, dan energi ini tidak kembali selama operasi yang terakhir. ( EROEI <1)

Secara teknis, masalah variabilitas pertama diselesaikan - Anda hanya perlu membangun lebih banyak panel surya dan baterai dengan kapasitas yang memadai. Namun, pendekatan ini jelas memperparah masalah dengan EROEI dan biaya listrik. Anda dapat melihat biaya dalam ulasan Lazard , tetapi saya belum melihat upaya untuk menghitung EROEI untuk pembangkit tenaga surya dengan baterai. Karena itu, saya memutuskan untuk menghitung sendiri, dan mendapatkan hasil yang agak tidak terduga, yang akhirnya.

Untuk evaluasi, mari kita hitung pembangkit listrik dengan baterai lithium-ion yang berlokasi di Yuma, Arizona, AS. Kenapa di Arizona? Ini adalah tempat yang sangat baik untuk pembangkit listrik tenaga surya (salah satu yang terbaik di dunia) dan ada banyak informasi di sana. Jika di sini EROEI ternyata kurang dari satu, maka ini akan berarti masalah besar bagi matahari sebagai sumber dasar listrik (hari ini). Jika EROEI lebih tinggi, maka dengan mempertimbangkan analisis yang akan kami hasilkan, akan mungkin untuk dengan mudah menerapkan perhitungan ke tempat mana pun di dunia.


Di Yuma, omong-omong, SPS Agua Caliente Solar Project yang agak besar dengan kapasitas 250 megawatt, tetapi tidak 24x7, berada. Baterai surya dari stasiun ini dibuat menggunakan teknologi film tipis dari semikonduktor CdTe, yang berbeda dari silikon dalam biaya energi yang jauh lebih baik per kilowatt daya baterai, tetapi kehilangan biaya.

Lithium-ionic dipilih karena universalitas yang jelas dari solusi semacam itu: jika akumulator membutuhkan bentang yang sesuai, maka elektrokimia dapat diletakkan hampir di mana saja. Pada kenyataannya, baterai lithium-ion pada kenyataannya memiliki beberapa keunggulan lebih: kemampuan untuk bermain pada permintaan puncak (karena inverter dari sistem ini dapat beralih hampir secara instan dari pengisian ke pemakaian) dan prospek lebih murah (selama 10 tahun terakhir, harganya 1 kilowatt * jam sel lithium-ion turun dari $ 1.000 menjadi $ 130).

Jadi, katakanlah kita membutuhkan pembangkit listrik yang menghasilkan 300 MW 365 hari setahun, 24 jam sehari , yang sesuai dengan produksi 7.200 MWh setiap hari dan 2,6 TWh listrik per tahun - sekitar 35% dari unit daya gigawatt pembangkit listrik tenaga nuklir. Kami menempatkan SES kami "24x7" di kota Yuma, Arizona dengan koordinat 32.69265 ° lintang utara dan 114.62769 ° bujur barat.

Tepat dari tempat ini (bagaimana tugas teknis berakhir dan implementasi dimulai) kesulitan dimulai: kenyataannya adalah bahwa stasiun dapat dioptimalkan oleh EROEI cukup keren, misalnya, jika Anda bertanya pada diri sendiri bukan baterai satu hari, tetapi dua hari, yang pada gilirannya akan mengubah kemiringan baterai yang optimal, dll. n. dll. Untuk menemukan yang optimal di masa sekarang, dan tidak acak, perlu pada tahap ini untuk membuat studi teknik normal. Sayangnya, saya tidak punya banyak waktu, jadi angka EROEI akan berubah menjadi bukan yang paling optimal, tetapi ada beberapa. Siapa pun dapat menulis di komentar dan menyebar dengan pemodelan per jam, di mana saya menghitung stasiun, dan meningkatkan hasilnya sendiri.

Misalnya, karena kebesaran liar, stasiun kami tidak merasakan fluktuasi musiman sama sekali, yang mencapai sekitar + -20% dari nilai rata-rata untuk garis lintang 30 derajat, dan variasi musiman sistemik yang akan menentukan masa depan energi matahari.


Kurva pada grafik menunjukkan volume baterai sebagai persentase generasi tahunan, yang diperlukan untuk memperlancar fluktuasi musiman jika SB dibuat "dalam ukuran". Untuk 2,6 TWh dan 32 derajat lintang utara kami, kami membutuhkan baterai 234 GWh, yang gila.

Kami memulai perhitungan dengan yang paling sederhana - "perolehan energi" dari pembangkit listrik kami. Seperti yang akan kita lihat nanti, baterai elektrokimia akan cukup besar dan akan bekerja terutama dengan kedalaman debit kurang dari 50%, yang memastikan masa pakai (untuk LiFePo) tidak lebih buruk dari 10.000 siklus hingga 20% dari kapasitas menurun. Siklus 10k adalah 27 dengan satu sen tahun, mari kita batasi diri hingga 25 tahun hingga stasiun benar-benar diperbarui, dan residu yang dibuang akan mengompensasi kita untuk degradasi panel dan baterai yang tidak terhitung.

Jadi, lebih dari 25 tahun stasiun harus memberikan 65,7 TWh per jam sesuai dengan pernyataan kerja - ini adalah pembilang kami dalam perhitungan EROEI. Tetapi berapa biaya joule untuk membangun stasiun seperti itu? Pertama mari kita lihat set peralatan yang diperlukan.

Untuk menentukan dalam bentuk yang paling kasar, berapa banyak SB dan baterai yang kita butuhkan, saya akan menggunakan kalkulator NREL Pwatts . Ini didasarkan pada tabel nilai insolasi matahari untuk poin kami, diambil dari " tahun meteorologi standar " - basis data parameter meteorologi untuk Amerika Serikat dengan nilai harmonis. Dengan menggunakan kalkulator ini, Anda bisa mendapatkan nilai per jam dari pembangkit listrik dengan mempertimbangkan sudut datangnya matahari, cahaya sekitar, suhu panel, dan kerugian konversi, yang dilakukan sebagai dasar untuk perhitungan lebih lanjut.


"Tahun Meteorologi Standar" adalah basis data yang sangat kuat, dengan pengukuran seluk-beluk seperti garis surya (kurva kuning pada grafik) dan suar tidak langsung (biru), yang memungkinkan untuk menilai secara akurat produksi SB yang disimulasikan pada hari-hari mendung.

Sekarang data yang diperoleh untuk SES satu kilowatt perlu dioptimalkan. Anda dapat mengubah rasio antara volume panel surya dan baterai (semakin banyak panel surya, semakin sedikit yang kita butuhkan untuk menyimpan energi untuk bertahan hidup di hari yang gelap tanpa mematikan) dan juga - sudut pemasangan panel surya.

Untuk pembangkit listrik tenaga surya kita, hari-hari musim dingin yang berawan akan menentukan bagi EROEI, misalnya, 27-28 Desember di tahun meteorologi standar - selama dua hari ini KIUM stasiun akan menjadi bencana besar 3.4% dan sepenuhnya menentukan ukurannya yang besar, yang akan menyebabkan pembangkitan listrik berlebih 95% dari sisanya hari.

Pada prinsipnya, akan lebih tepat untuk mengambil dan mengubah TK ke yang lebih optimal - misalnya, "300 megawatt 90% dari waktu tahun ini", maka stasiun bisa beberapa kali lebih kecil, namun kami akan menghitung opsi ini di lain waktu, tetapi untuk sekarang - hardcore.

Jadi, sudut pemasangan panel surya perlu dioptimalkan bukan untuk efisiensi energi maksimum selama tahun ini, tetapi untuk produktivitas maksimum selama beberapa periode terburuk - ternyata 41 derajat, dan bukan yang paling optimal 32 (perbedaannya, bagaimanapun, hanya 5% dalam output tahunan).

Rasio volume baterai dan panel surya dihitung sedikit lebih rumit - sebagai optimum untuk energi. Mengingat bahwa 1 kilowatt listrik dari pembangkit listrik tenaga surya ~ 14 GJ ( studi 2016 ), dan satu kilowatt * jam baterai lithium-ion sekitar 1,6 GJ ( studi 2012 ).

Oleh karena itu aturan pengoptimalan - kami meningkatkan baterai sampai kami mencapai situasi di mana peningkatan 8,75 kWh tidak lagi menyebabkan penurunan kekuatan panel surya oleh setidaknya 1 kilowatt.


Grafik yang menarik dari artikel tentang biaya energi baterai. Secara khusus, akumulator (PHS) dan udara tekan (CAES) berubah menjadi yang paling "hemat energi" - menurut yang terakhir, untuk pertama kalinya semuanya sangat rumit, karena menggunakan pembakaran gas alam untuk memulihkan energi. Panel kanan menunjukkan "biaya energi" dari penyimpanan global 4-12 jam.


Menghitung berbagai kombinasi ukuran SB dan baterai dalam edisi Pwatts memberi saya nilai optimal - 2,25 gigawatt SB dan 20 GW * jam baterai. Pada saat yang sama, stasiun akan memberikan 300 megawatt untuk semua 8760 jam dalam setahun, dan pengisian baterai hanya akan turun satu kali menjadi 2% dari total, dan terutama akan berfluktuasi antara 50 dan 100%. Faktor pemanfaatan kapasitas terpasang (KIUM) dari bagian pembangkit buruk - sekitar 0,08 dan peningkatan yang signifikan adalah jika jaringan menerima puncak harian setidaknya pada tingkat 2 gigawatt, maka total KIUM akan menjadi sekitar 0,2, yang jauh lebih dekat dengan SES nyata seperti itu , dari gambar di atas.

Akan lebih baik untuk membatasi operasi stasiun ke 330 pada hari-hari paling cerah tahun ini - maka ukuran bagian SB dapat dikurangi menjadi 1,4 gigawatt, dan baterai menjadi 7 GWh. Ya, variabel sumber energi terbarukan memiliki masalah persentase terakhir dalam sistem tenaga - perbedaan antara 80% saham dan 100% sangat besar dalam hal investasi.

Nah, pertimbangkan EROEI. Untuk 2,25 GW matahari dan 20 GWh lithium, kita membutuhkan 64.1 petajoule (14 * 10 ⁹ J * 2.25 * 10 ⁶ kW + 1.634 * 10 ⁹ J * 20 * 10 ⁶ kW) atau 17.82 TW * h, dan EROEI adalah sama dengan 3,8 . Jumlah ini mengejutkan bagi orang-orang yang menyadari wacana di sekitar matahari dan EROEI - lebih dari harapan. Ya, hasilnya ambigu - di satu sisi, mudah untuk meningkatkannya beberapa kali dengan menerima puncak generasi surya dan mengurangi waktu operasi stasiun setidaknya 90% setahun, di sisi lain, ini adalah Arizona, salah satu poin terbaik di planet ini untuk pembangkit listrik tenaga surya.

Dan yang paling penting, proyek semacam itu belum layak dari sudut pandang keuangan. Bahkan 1,4 GW + 7 GWh yang dioptimalkan akan menelan biaya tidak kurang dari $ 4 miliar, yang akan memberikan biaya listrik dari fasilitas ini pada $ 140 per MWh - terlalu mahal. "Solar & Storage" yang muncul pada kenyataannya masih berusaha membatasi dirinya pada baterai yang jauh lebih kecil, yang terutama memastikan perjalanan puncak malam + penggantian pemetik, mis. pembangkit listrik turbin gas, dengan cepat diluncurkan jika terjadi puncak konsumsi yang tidak direncanakan: jelas bahwa biaya listrik dari pemetik sangat tinggi dan Anda dapat menghasilkan uang darinya.

Ringkasnya, saya ingin mencatat bahwa perhitungan menunjukkan bahwa setidaknya fisika tidak melarang distribusi pembangkit listrik tenaga surya, setidaknya di tempat-tempat dengan insolasi yang baik. Namun, ada banyak tempat seperti itu di planet ini, jadi dalam 10 tahun ke depan, tampaknya, pembangkit listrik tersebut akan dibangun secara besar-besaran.