Самая большая проблема солнечной энергетики была обнаружена 10 лет назад. Похоже на утку.

Yesani Chida Chathu Chothetsa Mavuto

Исследователь обсуждает кривую утки, которую он помог обнаружить.

Еще в 2008 году группа исследователей из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) заметила забавную форму при их моделировании.

Они начали серьезно относиться к солнечным фотоэлектрическим панелям, прогнозируя, что может произойти, если фотоэлектрические панели будут развернуты в большом масштабе. Они заметили, что крупномасштабное развертывание оказало особенное влияние на кривую электрической нагрузки, форму, которую спрос на электроэнергию принимает в течение дня.

Типичная кривая нагрузки выглядит примерно так:

кривая электрической нагрузки ОВОС

Как видите, спрос резко возрастает утром (когда все просыпаются) и вечером (когда все возвращаются с работы) перед тем, как снижаться ночью.

Эта кривая происходит из Новой Англии, осенью. Кривая выглядит несколько по-разному в разных регионах и в разные сезоны - бывают пики и пики разного размера, - но обычно она попадает в довольно узкий и предсказуемый диапазон.

Пока не появятся солнечные фотоэлектрические системы!

Это может показаться нелогичным, но люди, управляющие электросетью, на самом деле не считают солнечную энергию обычным источником энергии. Они не могут контролировать или отправлять его по своему собственному графику. Оно приходит и уходит вместе с солнцем; они должны приспособиться к этому. Таким образом, с точки зрения оператора сети, увеличение количества солнечной (или ветровой) энергии выглядит как сокращение спроса на их управляемую мощность.

Общая нагрузка за вычетом возобновляемых источников энергии называется чистой нагрузкой. Это целевые коммунальные предприятия, которые должны поразить своими диспетчерскими ресурсами.

По мере того, как все больше и больше солнечных панелей интегрируется в сеть, они начинают резко снижать полезную нагрузку в полдень, когда нет солнца. Кривая чистой нагрузки проседает в середине дня (как живот), а затем снова поднимается вверх, когда садится солнце (как шея). Вот так:

кали дак кривая январь КЕЙС

Это похоже на ту первую кривую нагрузки, которую я вам показал - пик утром, пик вечером - только между ними есть огромный прогиб, который становится больше по мере добавления солнечной энергии.

В то время независимый оператор обслуживания Калифорнии (CAISO, оператор энергосистемы Калифорнии) заметил то же самое. Осознали, что высокие уровни проникновения солнечной энергии начинают генерировать кривую чистой нагрузки, которая выглядит ... ну, как утка. Таким образом утиная кривая .

кривая утки Калифорнии. КЕЙС

Не совсем видите? Позвольте мне помочь:

кривая утки CAISO / Джордан Вирфс-Брок

Прошло 10 лет с момента судьбоносного открытия NREL, и за это время кривая утки стала серьезной угрозой для солнечной энергии и общей навязчивой идеей сообщества чистой энергии.

Если ее не решить, все может стать некрасивым. В ближайшем будущем коммунальные предприятия могут быть вынуждены регулярно наращивать свои диспетчерские установки для утреннего пика, затем сокращать или отключать почти все эти установки, пока не светит солнце, а затем снова (быстро) вводить их в эксплуатацию, когда солнце заходит.

Все это ускорение и остановка дорогостоящие и незнакомые операторам многих электростанций, работающих на ископаемом топливе. Если напряжение станет слишком высоким, солнечное расширение может быть заблокировано.

К счастью, существует множество решений для кривой утки - всевозможные варианты, позволяющие сделать сетку более гибкой и смягчить пики и наклоны. Отчасти благодаря ранним предупреждениям специалистов по моделированию энергии, коммунальные предприятия и операторы сетей начинают осознавать проблему и предпринимать шаги для ее решения.

Чтобы отметить 10-летие компании Duck Curve, я позвонил Полу Денхолму, исследователю, который возглавлял эту первоначальную группу в NREL в марте. Он работает в лаборатории с 2004 года, изучает электрические системы и солнечную интеграцию, и может многое сказать о том, как лучше всего обращаться с уткой, - некоторые из них нелогичны. (Например, он нормально тратит немного солнечной энергии тут и там.)

Разговор, который я отредактировал для большей продолжительности и ясности, получился довольно энергичным. Но если вы любите головоломки, вам понравится эта.

История кривой утки

Дэвид Робертс

Расскажи мне немного об истории кривой утки.

Пол Денхольм

Когда я присоединился к [NREL], я первым делом поработал с Роберт Марголис моделировать, как потребители могут принять фотоэлектрическую энергию. Когда мы добавили прогнозы [цен], которые мы получали от солнечной программы [NREL], это было вроде как, вау, это действительно могло произойти! Калифорния действительно может начать развертывание значительного количества солнечной энергии в период 2010–15–20 годов.

Одновременно с этим ветровая программа поддерживала некоторые из первых в истории исследований интеграции ветра. И солнечная программа подумала, что нам тоже нужно это сделать. Если это действительно произойдет, нам нужно также начать изучение солнечной энергии в сети.

Итак, в следующем крупном проекте, над которым я работал, мы начали моделировать солнечную энергию в сети, выполнив некоторые из первых исследований солнечной интеграции. Мы начали моделировать, что произойдет, если в Калифорнии будет 10-15 процентов солнечной энергии. Именно тогда мы заметили эти странные формы, которые появлялись весной.

У нас не хватило проницательности или художественных способностей, чтобы придумать крутое имя. [смеется] CAISO сделал это. [CAISO придумал утиную кривую.] Но мы создали эту форму в феврале 2008 года.

ранняя кривая утки

Самое раннее известное изображение страшной утки датировано 2008 годом.

NREL

Учимся делать электростанции базовой нагрузки более гибкими

Дэвид Робертс

Если вы загляните на 10 лет вперед, чтобы увидеть по-настоящему серьезную кривую утки, какие решения вы видите в качестве наиболее эффективных?

Пол Денхольм

Многие люди в отрасли используют эту концепцию гибкой кривой предложения, которая заключается в том, что вы сначала развертываете наиболее экономичный вариант гибкости.

Вспоминая начало 2000-х годов, когда ветряные люди начали беспокоиться об этом, хранение было далеко не рентабельным. Было много серьезных разногласий между людьми, занимающимися хранением, и людьми, работающими с ветром, поскольку ветер действительно сопротивлялся хранению, я думаю, вполне законно. Они сказали, погодите секунду, есть гораздо более рентабельные меры для решения проблем ограничения ветровой нагрузки и интеграции.

Итак, в течение первых восьми лет моего пребывания здесь я был сосредоточен на более рентабельных мерах. Многие из них довольно скучны и не привлекают особого внимания. Узнайте, как повысить производительность угольных и газовых заводов - это реальная вещь, это действительно важно, но не сексуально.

Дэвид Робертс

Вы имеете в виду улучшить их технически или экономически?

Пол Денхольм

Оба. У вас есть угольные или газовые электростанции, которые были спроектированы как базовая или промежуточная нагрузка с небольшой возможностью отслеживания нагрузки, и операторы просто не привыкли перемещать эти станции на большие расстояния.

Технически они могли. Вы смотрите на спецификации, на то, что производители говорят, что они могут сделать, и они говорят, что растения могут с комфортом выйти на более чем 50 процентов своего ассортимента. Но операторов никогда не заставляли делать это, поэтому, откровенно говоря, возникло множество институциональных проблем.

Работа NREL и других способствовала экономическому росту, говоря: эй, если вы увеличиваете свой завод на 10 дополнительных пунктов в день, да, это приведет к небольшим дополнительным затратам на езду на велосипеде, но выгода от предотвращения сокращения значительно перевешивает эти затраты.

Если бы мы говорили об этом пять лет назад, я бы сказал, что институциональная культура должна начать меняться. Но это уже происходит. Сейчас сопротивление намного меньше. Теперь эти утилиты общаются друг с другом, узнавая, что они могут делать и в чем заключаются проблемы.

угольный завод

Увеличивайте скорость быстрее.

Shutterstock

Дэвид Робертс

Вы, наверное, знаете о нагретый дебаты о том, насколько гибкими могут быть атомные электростанции, могут ли они следовать за нагрузкой. Что вы думаете об этом?

Пол Денхольм

Послушайте, французы годами наращивали и уменьшали свои ядерные бомбы. Они делают это каждый день. Я несколько раз разговаривал с людьми из Électricité de France, и они сказали, что в этом нет ничего страшного. Это часть институциональной культуры.

Но я разговаривал с некоторыми ядерщиками здесь, в США, и у них есть законные опасения. Мы еще не выполнили [load follow]. На предприятии возникают проблемы с безопасностью, термические нагрузки, и некоторые из этих предприятий подходят к концу своего жизненного цикла.

В общем, я пропущу атомные электростанции. В нашей стране не так много атомных станций, чтобы они были в приоритете. Более высокий приоритет - это максимизация гибкости, присущей флоту ископаемых термических ресурсов.

Покрытие более широкой географической области за счет возобновляемых источников энергии и рынков энергии

Дэвид Робертс

Однако более быстрое ускорение не может угнаться за вечностью, верно?

Пол Денхольм

Верно. Это не какое-то одно решение; это действительно набор опций.

Одна вещь, о которой мы говорим, - это пространственное разнообразие [то есть распространение возобновляемых источников энергии на большую географическую территорию] и роль более крупных зон обслуживания (то есть более крупных связанных энергетических рынков) - таких вещей, как рынок энергетического дисбаланса (EIM), где Калифорния может продавать излишки энергии своим соседям.

Если есть способ поделиться солнцем с местами, где не так много солнца, это поможет всем. Специалисты по ветру говорят об этом более десяти лет.

Есть пределы пространственного разнообразия. У нас всего три или четыре часа солнечное пространственное разнообразие по всей стране, с востока на запад - когда в Мэне 4 часа утра, в Калифорнии уже полночь - так что вы собираетесь продвинуться только так далеко.

Но давайте сделаем все эти вещи, которые не будут стоить очень дорого. Внедрение рынков - чертовски дешевое решение.

Дэвид Робертс

В какой степени модели регулирования коммунальных предприятий препятствуют решению этой проблемы?

Пол Денхольм

[печально смеется] Распространение [дерегулированных] рынков ISO / RTO дало много преимуществ для работы системы. Мы получили более эффективное экономическое управление системой, большую прозрачность.

Но это тот случай, когда у вертикально интегрированных коммунальных предприятий есть небольшое преимущество. Они могут взглянуть на систему в целом - не только на отдельную электростанцию, но и на 12 электростанций, а также их парк ветряных и солнечных батарей. Они могут посмотреть на общую стоимость всего этого. Есть проблемы, когда у вас есть владелец одного растения.

Больше способов откормить или сплющить утку: гибкость, электромобили и изменение спроса

Дэвид Робертс

А как насчет сокращения негибкой базовой нагрузки [угольные и атомные станции], чтобы освободить место для возобновляемых источников энергии?

Пол Денхольм

Мы говорим об откорме утки или об уплощении утки. Откорм - это все, что позволяет животу утки расти, и уменьшение негибкости - одна из таких вещей. Если вы говорите о существующих атомных станциях, то немного странно отказываться от них ради увеличения солнечной энергии - вы обмениваете один безуглеродный ресурс на другой.

Дэвид Робертс

Насколько велика роль смены игры в выравнивании утки? Можем ли мы переместить большой спрос под живот, чтобы впитать часть этой силы?

Пол Денхольм

Очевидно, я хотел бы иметь сверхгибкий спрос. В связи с этим необходимо планирование, а также социально приемлемые методы, позволяющие людям использовать электроэнергию наиболее экономически эффективным способом.

Я хочу знать, что мы получим, когда начнем предлагать клиентам разные цены? Предварительные цифры, которые я видел, удручающе низки. Будет действительно интересно посмотреть, насколько мы сможем изменить спрос.

Дэвид Робертс

А как насчет электромобилей (электромобилей)? Интуитивно кажется, что наличие огромного разбросанного парка батарей может помочь поглощать возобновляемую энергию в периоды избытка.

Пол Денхольм

[NREL] проделал довольно много работы над этим, глядя на то, как вы отправляете правильные ценовые сигналы, чтобы люди были заинтересованы в том, чтобы взимать правильную плату.

автомобиль в сеть

Делаете это правильно?

Shutterstock

Общая идея такова: вы приходите домой, включаете машину, и ваша умная машина посылает сигналы. Он говорит: не заряжай сейчас. Сейчас 17-18 часов, сейчас худшее время для зарядки. Автомобиль будет знать, что большую часть времени его человеку не нужна машина до 6 утра, поэтому он будет откладывать [зарядку] до полуночи или 1 часа ночи, надеюсь, в основном или полностью в непиковое время. ветер.

Едешь на работу и подключаешься, сейчас 8-9 утра, солнечной энергии еще не хватает, поэтому [машина] снова задержится до 11 утра. Он будет знать, что цены низкие и будут взиматься до 14-15 часов.

Если вы сделаете математику, электромобили вам очень помогут. К счастью, то, как люди используют свои машины, подходит. Нам просто понадобится правильный интеллект в системе, который будет посылать правильные экономические сигналы (например, зарядка по разным тарифам в течение дня: больше, когда электроэнергия стоит дорого, меньше, когда она дешевле).

Ветер дополняет солнечный, но его недостаточно

Дэвид Робертс

Есть ли какая-нибудь аналогичная кривая животных, вызванная ветровой энергией?

Пол Денхольм

Ветер просто другой. Проблема с солнечной батареей, которая делает ее труднее и в то же время проще, заключается в том, что в середине дня у нее просто сильный взрыв. Ветер намного более рассредоточен, и вы не видите характерной картины от одного дня к другому.

Самая большая проблема с ветром заключается в том, что он имеет тенденцию дуть больше ночью, в непиковые часы, что действительно приводит к синергии между ветром и солнечной энергией: ветер покрывает большую часть вашей ночной нагрузки, фотоэлектрические панели покрывают большую часть вашей дневной нагрузки.

В определенной степени это правда, но я не хочу преувеличивать этот феномен. У нас так много ветра весной и так много солнечного света весной, когда спрос невелик [из-за более умеренных температур], так что да, они в некотором смысле дополняют друг друга, но сезонный характер ветра и солнца означает, что это не так. это не так здорово, как хотелось бы многим. Но я возьму!

Дэвид Робертс

Таким образом, ветер и солнце дополняют друг друга, но их недостаточно, чтобы решить проблему или заполнить пробелы.

Пол Денхольм

Мы не сможем достичь 100% [возобновляемой энергии] только с помощью ветра и солнца, не делая что-то еще.

Почему нам, возможно, придется отказаться от солнечной энергии

Дэвид Робертс

Кривая утки будет только ухудшаться, и не похоже, что решения появляются почти так же быстро, как солнечная энергия, которая постоянно падает в цене. Что-то сломается?

Пол Денхольм

Мы должны быть очень осторожны, когда говорим о том, что что-то ломается. Единственное, что сломается, - это экономика солнечной энергии. Свет будет гореть. Все сводится к еще большему сокращению.

Если бы все это были солнечные батареи на крышах, это было бы огромной проблемой, потому что ISO не может это контролировать. К счастью, достаточно большая часть солнечной энергии - это шкала полезности, которую ISO в конечном итоге может отключить. И это именно то, что должно произойти, все больше и больше сокращений, пока люди не скажут, что достаточно [и прекратят строительство солнечной энергии], или пока не будут развернуты экономические решения.

солнечное ограничение KQED

Вот где я рад быть оптимистом в отношении цен на хранение энергии. Я хочу видеть, как все это происходит: улучшение гибкости, рост рынка энергетического дисбаланса, все те полускучные вещи, о которых я говорил. Но в конечном итоге самый большой молоток в ящике для инструментов - это накопитель энергии.

Все прогнозы, которые я вижу, говорят, что к 2020 году четырехчасовые батареи должны быть конкурентоспособными с пиковыми ресурсами в большей части Калифорнии. Тогда у вас потенциально есть многомегаваттный или даже многомегаваттный приемник, по крайней мере, для части этой урезанной солнечной энергии. Это - скрестив пальцы - решение, которое, похоже, может пригодиться.

Но нам придется привыкнуть к миру свертывания. По мере того, как мы переходим к миру, богатому возобновляемыми источниками энергии, весеннее сокращение выбросов станет нормальным режимом работы.

Дэвид Робертс

Сокращение кажется мне безумием. Несомненно, любое использование солнечной энергии более экономично, чем выбрасывать ее. Считаете ли вы сокращение производства признаком неудачи?

Пол Денхольм

У меня над столом висит табличка с надписью: «Не бойтесь сокращения. [смеется] Я так долго занимался этим.

Это признак того, что что-то не так? Ага. Если вы познакомите среднего потребителя с реальными ценами на электроэнергию - скажем, она будет очень дешевой в полдень и 0,50 доллара за кВт · ч в 18:00 - тогда да, вы увидите изменение в поведении потребителей.

Но какая часть потребителей электроэнергии в стране подвержена действующим оптовым ценам в режиме реального времени? Если вы не являетесь крупным промышленным потребителем, это не имеет значения.

У меня есть кнопка на моей посудомоечной машине, которая позволяет мне отложить запуск на два, четыре или шесть часов, и у меня нет стимула нажимать эту кнопку [потому что ставки фиксированные и не меняются в течение дня]. Здесь, в Колорадо, я знаю, что ветер ограничивает, но не знаю, когда. Однажды ночью [коммунальное предприятие] могло выбросить ветер; в другую ночь это может быть уголь на краю. Я бы предпочел что-нибудь сделать с этим вольным ветром, но я понятия не имею, когда моя местная коммунальная служба выбрасывает его. Дай мне нажать эту кнопку!

ветровая энергия

Выбрасывая это.

Shutterstock

Тем не менее, вы должны подумать о том, насколько это сокращение и что это значит. Если мы сокращаем 2 процента ветровой или солнечной энергии и 98 процентов времени нет, мир в порядке.

Мы никогда не говорим о свертывании угольных или газовых заводов. Шахтная угольная электростанция, некоторые из этих станций раньше могли вырабатывать по 5 долларов за МВт-ч, и их все равно пришлось бы наращивать, потому что не было достаточного спроса. Вместо 95-процентного коэффициента мощности, может быть, они будут работать с 80 или 85. Никто об этом не кричал, хотя мы сокращали мощность угольной электростанции.

Дэвид Робертс

Однако, когда вы сокращаете угольную электростанцию, у вас все еще есть топливо. Вы не тратите зря.

Пол Денхольм

Но какая часть LCOE [приведенной стоимости энергии] шахтной угольной электростанции составляет топливо? Это небольшая доля. Стоимость электростанции является основным компонентом LCOE, поэтому, когда я сокращаю выработку на этой угольной электростанции, я теряю возможность окупить затраты на инвестиции в этот действительно дорогой актив.

Это одна из причин, по которой я говорю: не бойтесь сокращений. Это может быть частью экономики энергосистемы. Когда вы начинаете сокращать 30, 40 или 50 процентов, это становится проблемой. Но эти небольшие сокращения кое-где меня не слишком беспокоят.

Это индикаторы того, что нам нужно что-то с этим делать, будет только хуже, так что давайте будем умными, давайте заставим экономистов разработать соответствующие рынки и структуры ставок, давайте попросим инженеров придумать решения, давайте позволим промышленности придумать интересные и новые способы использования электричества.

Святой Грааль: доступное хранилище энергии

Дэвид Робертс

Часто утверждают, что система, основанная на ветре и солнечной энергии, потребует огромного объема памяти - не только ежечасного, но и ежедневного или даже сезонного - и что батареи не подходят для этой задачи. Поэтому нам придется либо ограничить масштабы использования возобновляемых источников энергии, либо найти какое-нибудь другое дешевое, крупномасштабное и долгосрочное хранилище. Что ты думаешь?

Пол Денхольм

Мы проводим огромное количество времени, обсуждая эту тему здесь, за обеденным столом - на это тратится много калорий. Итак, я скажу вам, что я бы сказал, это неофициальный общий консенсус в отношении сценариев сверхвысокого проникновения возобновляемых источников энергии.

Создается консенсус, что мы, вероятно, сможем использовать 80 процентов [возобновляемых источников энергии] с некоторой комбинацией пространственного разнообразия и краткосрочного хранения.

Мы можем справиться с суточными сменами с кратковременным хранением, но не слишком большим. Когда мы сделали наш Будущее возобновляемой энергетики Согласно исследованиям 2012 года, мы получили до 80 процентов возобновляемых источников энергии и всего лишь около 100 ГВт дополнительных хранилищ. Это не что много.

Сценарий NREL 80% возобновляемых источников энергии

Кривая нагрузки в 80-процентном сценарии возобновляемых источников энергии NREL.

NREL

Так каковы последние 20 процентов?

Кто-то может спросить: а почему недостаточно 80 процентов? Восемьдесят процентов возобновляемых источников энергии и 20 процентов газа, вы в значительной степени обезуглерожили сектор электроэнергии, вы электрифицировали транспортный парк, все счастливы. Но что, если этого недостаточно и нам нужно пойти еще дальше?

На 100 процентов я не думаю, что мы действительно знаем, какое решение является правильным и оптимальным с точки зрения затрат. Сезонный характер ветра и солнца представляет собой проблему.

Дэвид Робертс

Но даже для достижения 80 процентов требуется общенациональная сеть электропередач, верно?

Пол Денхольм

Мы сделали много трансмиссий. Мы сделали несколько случаев, когда мы не допускали такой большой передачи, и мы просто построили больше фотоэлектрических модулей и больше хранилища. Очевидно, меня действительно беспокоит социальная озабоченность по поводу новой передачи. Я бы хотел увидеть больше передач.

Но да, сезонный характер проблемы кое-чего потребует. Может, это производство [синтетического] топлива, может, сезонное хранение, не знаю. Если бы я получил ответ, у меня, наверное, больше не было бы работы.

Мы еще не на 100 процентов. Нам даже не 80 или 50. Давайте продолжим то, что мы знаем, продолжим разработку солнечных, ветряных и аккумуляторных батарей, других беспроигрышных стратегий. Я думаю, что мы можем продолжить этот путь, и мне хотелось бы думать, что мы до него доберемся.