Dom 24x7: cálculo de EROEI

Nos últimos 10 anos, a energia solar passou rapidamente de “brinquedos” para grandes projetos, e a continuação da curva dessa decolagem promete no futuro o domínio total desse tipo de geração. Ou não? Nas tentativas de prever, muitas cópias são quebradas aqui e há duas reivindicações principais: o sol não brilha através das nuvens durante a noite (ou seja, a variabilidade da fonte) e a alta intensidade energética da produção de baterias solares, e essa energia não retorna durante a operação das últimas. ( EROEI <1)

Tecnicamente, o primeiro problema de variabilidade está resolvido - você só precisa construir mais painéis solares e uma bateria de capacidade suficiente. No entanto, essa abordagem exacerba claramente o problema com o EROEI e o custo da eletricidade. Você pode ver o custo nos comentários do Lazard , mas não vi tentativas de calcular o EROEI para uma estação de energia solar com bateria. Por isso, decidi contar sozinho e obtive um resultado inesperado, sobre o qual no final.

Para avaliação, vamos calcular uma usina elétrica com uma bateria de íons de lítio localizada em Yuma, Arizona, EUA. Por que no Arizona? Este é um lugar muito bom para usinas de energia solar (uma das melhores do mundo) e há muitas informações. Se aqui o EROEI for menor que a unidade, isso significará grandes problemas para o sol como fonte básica de eletricidade (hoje). Se o EROEI for maior, levando em consideração a análise que vamos produzir, será possível aplicar facilmente o cálculo a qualquer lugar do mundo.


A propósito, em Yuma, está localizado o grande projeto solar SPS Agua Caliente, com capacidade de 250 megawatts, mas não 24x7. As baterias solares desta estação são fabricadas usando a tecnologia de película fina de um semicondutor CdTe, que difere do silício em custos de energia muito melhores por quilowatt de energia da bateria, mas perde em custo.

O íon-lítio foi escolhido por causa da óbvia universalidade de uma solução: se o acumulador exigir uma paisagem adequada, o eletroquímico poderá ser colocado em praticamente qualquer lugar. De fato, as baterias de íon-lítio na realidade têm mais algumas vantagens: a capacidade de reproduzir a demanda de pico (uma vez que os inversores desse sistema podem mudar quase instantaneamente do carregamento para o descarregamento) e as perspectivas de preço mais barato (nos últimos 10 anos, o preço é de 1 quilowatt *) horas de uma célula de íon-lítio caiu de US $ 1.000 para US $ 130).

Então, digamos que precisamos de uma usina que ofereça 300 MW 365 dias por ano, 24 horas por dia , o que corresponde à produção de 7.200 MWh por dia e 2,6 TWh de eletricidade por ano - cerca de 35% da unidade de energia de gigawatt de uma usina nuclear. Colocamos nosso SES “24x7” na cidade de Yuma, Arizona, com as coordenadas 32.69265 ° de latitude norte e 114.62769 ° de longitude oeste.

Exatamente a partir deste local (como a tarefa técnica terminou e a implementação começou), começam as dificuldades: o fato é que a estação pode ser otimizada pelo EROEI, bem legal, por exemplo, se você se perguntar não uma bateria de um dia, mas uma de dois dias, que por sua vez alterará a inclinação ideal da bateria, etc. n. etc. Para encontrar um ótimo no presente, e não aleatório, é necessário, nesta fase, fazer um estudo de engenharia normal. Infelizmente, como não tenho muito tempo, os números EROEI acabam não sendo os melhores, mas existem alguns. Qualquer um pode escrever nos comentários e se espalhar com a modelagem horária, na qual contei a estação, e melhorar o resultado sozinho.

Por exemplo, devido ao superdimensionamento selvagem, nossa estação não sente flutuações sazonais, que atingem aproximadamente + -20% do valor médio para uma latitude de 30 graus, e são as variações sazonais sistêmicas que determinarão o futuro da energia solar.


A curva no gráfico mostra o volume da bateria como uma porcentagem da geração anual, necessária para suavizar as flutuações sazonais se os SBs forem fabricados "em tamanho". Para nossos 2,6 TWh e 32 graus de latitude norte, precisamos de uma bateria de 234 GWh, o que é uma loucura.

Começamos o cálculo com o mais simples - "ganho de energia" da nossa usina. Como veremos mais adiante, sua bateria eletroquímica será bastante grande e funcionará principalmente com uma profundidade de descarga inferior a 50%, o que garante uma vida útil (para LiFePo) de nada menos que 10.000 ciclos até 20% da capacidade diminuir. 10k ciclos são 27 com um centavo de anos, vamos nos limitar a 25 anos até que a estação seja completamente atualizada, e o resíduo descartado nos compensará pela degradação não contabilizada dos painéis e baterias.

Assim, em 25 anos, a estação deve fornecer 65,7 TWh por hora, de acordo com a declaração de trabalho - este é o nosso numerador no cálculo do EROEI. Mas quanto custa um joule para construir essa estação? Vamos primeiro ver o conjunto necessário de equipamentos.

Para determinar da forma mais aproximada, quanto SB e bateria precisamos, usarei a calculadora NREL Pwatts . Ele é baseado em uma tabela de valores de insolação solar para o nosso ponto, extraída do “ ano meteorológico padrão ” - um banco de dados de parâmetros meteorológicos para os Estados Unidos com valores harmonizados. Usando esta calculadora, você pode obter valores horários de geração de eletricidade, levando em consideração os ângulos de incidência do sol, luz ambiente, temperatura do painel e perdas de conversão, que foram feitos como base para cálculos adicionais.


“Ano Meteorológico Padrão” é um banco de dados muito poderoso, com medições de sutilezas como a linha solar (curva amarela no gráfico) e reflexo indireto (azul), que permite avaliar com precisão a produção do SB simulado em dias nublados.

Agora, os dados obtidos para um SES de um quilowatt precisam ser otimizados de alguma forma. Você pode alterar a proporção entre o volume de painéis solares e as baterias (quanto mais painéis solares, menos precisamos armazenar energia para sobreviver a dias escuros sem desligar) e também - o ângulo de instalação dos painéis solares.

Para nossa usina solar, os dias nublados de inverno serão decisivos para a EROEI, por exemplo, de 27 a 28 de dezembro no ano meteorológico padrão - durante esses dois dias, o KIUM da estação atingirá 3,4% catastróficos e determinará completamente seu tamanho grande, o que levará à geração de excesso de eletricidade em 95% do restante dias.

Em princípio, seria mais correto levar e alterar a TK para uma mais otimizada - por exemplo, “300 megawatts 90% da época do ano”; a estação poderá ser várias vezes menor; no entanto, calcularemos essa opção da próxima vez, mas por enquanto - hardcore.

Portanto, o ângulo de instalação dos painéis solares precisa ser otimizado não para obter a máxima eficiência energética durante o ano, mas para obter a máxima produtividade durante alguns dos piores períodos - ocorre 41 graus e não é o ideal 32 (a diferença, no entanto, é de apenas 5% na produção anual).

A proporção do volume da bateria e dos painéis solares é calculada um pouco mais complicada - como a ideal para energia. Dado que 1 quilowatt elétrico de uma estação de energia solar custa ~ 14 GJ ( estudo de 2016 ) e um quilowatt elétrico * hora de baterias de íon-lítio é de cerca de 1,6 GJ ( estudo de 2012 ).

Daí a regra de otimização - aumentamos a bateria até chegarmos a uma situação em que um aumento de 8,75 kWh não leva mais a uma queda na potência dos painéis solares em pelo menos 1 quilowatt.


Um gráfico interessante do artigo sobre o custo de energia das baterias. Em particular, o acumulador (PHS) e o ar comprimido (CAES) são os mais "baratos em termos de energia" - segundo este último, pela primeira vez tudo é muito complicado, porque usa queima de gás natural para restaurar energia. O painel direito mostra o "custo de energia" de um armazenamento global de 4-12 horas.


Enumerar as várias combinações do tamanho do SB e da bateria na edição Pwatts me proporcionou valores ótimos - 2,25 gigawatts de SB e 20 GW * h de bateria. Ao mesmo tempo, a estação fornecerá 300 megawatts para todas as 8760 horas do ano, e a carga da bateria cairá apenas uma vez para 2% do total e flutuará principalmente entre 50 e 100%. O fator de utilização da capacidade instalada (KIUM) da parte geradora é ruim - cerca de 0,08 e sua melhoria significativa seria se a rede recebesse picos diários pelo menos no nível de 2 gigawatts, então o KIUM total seria de cerca de 0,2, o que é muito mais próximo do SES real como esse , da imagem acima.

Seria ainda melhor limitar a operação da estação a 330 nos dias mais ensolarados do ano - então o tamanho da peça SB poderia ser reduzido para 1,4 gigawatts e a bateria para 7 GWh. Sim, fontes variáveis ​​de energia renovável apresentam problemas do último percentual no sistema de energia - a diferença entre uma participação de 80% e 100% é enorme em termos de investimento.

Bem, considere EROEI. Para 2,25 GW de sol e 20 GWh de lítio, precisamos de 64,1 petajoules (14 * 10 ⁹ J * 2,25 * 10 ⁶ kW + 1,634 * 10 ⁹ J * 20 * 10 ⁶ kW) ou 17,82 TW * he EROEI é igual a 3,8 . Esse número é surpreendente para as pessoas que estão cientes do discurso ao redor do sol e da EROEI - muito mais que as expectativas. Sim, o resultado é ambíguo - por um lado, é fácil aumentá-lo várias vezes recebendo picos de geração solar e reduzindo o tempo de operação da estação em pelo menos 90%; por outro lado, este é o Arizona, um dos melhores pontos do planeta para usinas de energia solar.

E o mais importante, esse projeto ainda não é viável do ponto de vista financeiro. Mesmo os 1,4 GW + 7 GWh otimizados custarão nada menos que US $ 4 bilhões, o que dará o custo da eletricidade desta instalação em US $ 140 por MWh - muito caro. O "Solar & Storage" que aparece na realidade ainda está tentando se limitar a uma bateria muito menor, o que garante principalmente a passagem do pico noturno + a substituição dos catadores, ou seja, usinas de turbinas a gás, lançadas rapidamente em caso de picos de consumo não planejados: é claro que o custo da eletricidade dos catadores é muito alto e você pode ganhar dinheiro com isso.

Em resumo, quero observar que o cálculo mostra que pelo menos a física não proíbe a distribuição de usinas de armazenamento solar, pelo menos em locais com boa insolação. No entanto, existem muitos desses lugares no planeta; portanto, nos próximos 10 anos, aparentemente, essas usinas serão construídas em massa.