За последние несколько лет Марк Джейкобсон, профессор гражданской и экологической инженерии в Стэнфорде, и его коллега Марк Делукки из Калифорнийского университета в Беркли разработали серию планов, основанных на огромных объемах данных, полученных с помощью компьютерных моделей. показывает, как каждый штат в Америке может перейти от ископаемого топлива к полностью возобновляемым источникам энергии.
В новом исследовании, опубликованном сегодня в Proceedings of the National Academy of Sciences, они используют данные из этих расчетов в одном штате количества ветряных, водных и солнечных генераторов, потенциально необходимых в каждом штате, чтобы показать, что эти установки теоретически могут привести к надежная и доступная по цене национальная сеть, когда генераторы сочетаются с недорогим хранилищем и "реагированием на спрос" – программа, в которой коммунальные предприятия стимулируют потребителей контролировать время пикового спроса.
Подпольное усилие
Предлагаемая система полагается на способность сохранять и извлекать тепло, холод и электричество для постоянного удовлетворения спроса.
Летнее тепло, собираемое солнечными коллекторами на крыше, может храниться в почве или камнях и использоваться для обогрева домов зимой. Избыточное или дешевое электричество может быть использовано для производства льда, который будет использоваться для последующего охлаждения, когда цена на электроэнергию будет высокой.
Избыточное электричество можно также использовать для производства большего количества электроэнергии, дополняя механизмы производства энергии, которые приводят в действие концентрированные солнечные электростанции и гидроэлектростанции с насосными станциями.
Коммунальные предприятия также будут стимулировать сокращение энергопотребления в периоды пикового спроса.
По плану Якобсона водород также будет использоваться в качестве носителя данных; в часы низкой нагрузки избыточное электричество будет использоваться для производства водорода, который может храниться в топливных элементах и использоваться для питания некоторых транспортных средств.
Новая модель Якобсона предусматривает полностью электрическую страну и зависит от нее, в которой практически все работает на 100% электричеством: автомобили, поезда, автобусы, промышленность, отопление и охлаждение, а также электричество, получаемое от ветра, воды и солнечного света.
Не будет необходимости в угле, природном газе, биотопливе, ядерной энергии или огромных аккумуляторных фермах для хранения электроэнергии. По его словам, такой мир, который к 2050 году станет на 100 процентов чистым, может привести к стабильной энергосистеме.
Предыдущие исследования Джейкобсона привлекли широкое внимание, но критики утверждали, что национальная электрическая сеть без электростанций, работающих на угле для фоновой энергии и природного газа для восполнения перебоев в электроснабжении, не будет надежной. Ветер не всегда дует, и солнце не всегда светит, а аккумуляторные батареи для сети еще недостаточно доступны для хранения и управления электроэнергией страны.
«Коммунальные предприятия и другие, кто выступает против возобновляемых источников энергии, всегда утверждали, что свет вот-вот погаснет, сеть будет нестабильной, и поддержание стабильной и надежной чистой, возобновляемой энергии будет стоить слишком дорого», – сказал Джейкобсон. сказал. "Скептики никогда не изучали систему 100% чистой возобновляемой энергии для всех целей, и особенно такую, которая сочетает в себе низкозатратное хранение с ответом на спрос и небольшим количеством водорода, как в этой новой парадигме."
Джейкобсон, который также является старшим научным сотрудником Стэнфорд-Вудского института окружающей среды и Института энергетики Прекурта, в ноябре проинформировал группу Конгресса о своем исследовании.
19.
Реструктуризация сети
В своем новом исследовании Джейкобсон и его соавторы, в том числе Бетани Фрю, которая сейчас работает в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии, и аспирантка Мэри Кэмерон, предлагают объединить существующие недорогие способы хранения зеленой энергии и использовать эту накопленную энергию для сглаживания неравномерного распределения энергии. спрос на электричество, тепло и холод одновременно в течение минуты, дня, недели или года может решить эту проблему.
Вся сырая энергия для этой системы будет поступать от ветра, воды и солнца – без природного газа, биотоплива, угля или ядерной энергии.
В результате снижение загрязнения воздуха будет спасать десятки тысяч жизней каждый год, говорят исследователи. Ежегодно в Америке от 60 до 65 000 человек умирают преждевременно в результате загрязнения воздуха.
В качестве демонстрации некоторых из этих технологий Джейкобсон указывает на сообщество Drake Landing Solar в Канаде, недалеко от Калгари.
52 дома отапливаются зимой с помощью солнечной энергии, собираемой и хранящейся под землей летом. Вода, нагретая до 175 градусов по Фаренгейту на солнце, хранится в изолированных трубах, похороненных под 120 футами камней, земли и изоляции.
По словам Джейкобсона, накопленного тепла достаточно для обогрева домов в общине зимой.
Полностью электрическая нация может получить ряд преимуществ. Хотя стоимость электроэнергии за киловатт-час в системе Якобсона может быть примерно такой же, как и стоимость электроэнергии, произведенной из ископаемого топлива, пользователи фактически будут тратить примерно на 30 процентов меньше из-за того, что в новой системе требуется меньше киловатт-часов, поскольку эффективность электроэнергии двигатели превосходят двигатели внутреннего сгорания, сказал Якобсон.
А подземное хранение энергии дешевле, чем аккумуляторы, добавил он.
Некоторые ветряные турбины теперь отключаются, когда нет немедленного спроса на их электроэнергию, потому что стоимость ее хранения слишком высока. Использование избыточного электричества для производства тепла одновременно с использованием солнечных коллекторов для производства тепла увеличивает доступность накопленной энергии.
По словам Якобсона, широкое использование подземных накопителей энергии и других типов накопителей, которые он предлагает, будет стоить намного меньше, чем батареи. По его словам, хранение электроэнергии в батареях в настоящее время стоит 350 долларов за киловатт-час по сравнению с затратами на хранение тепла в почве на два порядка ниже. Точно так же хранение концентрированной солнечной энергии, гидроэлектростанции и существующих гидроэлектростанций стоит одну десятую стоимости хранения в батареях.
"Вы устраняете загрязнение воздуха и выбросы в результате глобального потепления, стабилизируете расходы на топливо, создаете более чем на два миллиона рабочих мест больше, чем теряется в США.S., вы уменьшаете зависимость от международной торговли топливом и уменьшаете риск перебоев в подаче электроэнергии, например, из-за терроризма или массового сбоя, потому что больше энергии распределяется по более крупным территориям ", – сказал Якобсон. "Большая часть энергии будет местной. Вы можете сократить выбросы топлива, потому что вам не придется перевозить нефть в танкерах через океан, вам не придется использовать поезда с угольными вагонами для перевозки угля."
По его словам, эта методология поддержания стабильности сети должна работать во многих местах по всему миру.