Kam s větrnou a solární elektrárnou? Vědci z MIT poradí

Umístění nových solárních a větrných elektráren se často ponechává na jednotlivých vývojářích nebo energetických společnostech s omezenou celkovou koordinací. Nová studie však ukazuje, že regionální plánování využívající detailní meteorologická data, informace o spotřebě energie a modelování energetických systémů může zásadně ovlivnit návrh takových zařízení a vést k efektivnějšímu a ekonomicky životaschopnějšímu provozu.

Zjištění studie poukazují na výhody koordinace umístění solárních a větrných elektráren a systémů pro ukládání energie, přičemž se bere v úvahu lokální a časová proměnlivost větru, slunečního svitu a poptávky po energii, aby se maximalizovalo využití obnovitelných zdrojů. Tento přístup může snížit potřebu značných investic do úložišť a tím i celkové systémové náklady, a zároveň maximalizovat dostupnost čisté energie, když je potřeba, zjistili výzkumníci.

Studie, publikovaná v časopise Cell Reports Sustainability, byla spoluautorem Liying Qiu a Rahman Khorramfar, postdoktorandi na MIT v oddělení stavebního a environmentálního inženýrství, a profesoři Saurabh Amin a Michael Howland.

Hlavní autorka Qiu říká, že s novým přístupem týmu „můžeme využít komplementarity zdrojů, což znamená, že obnovitelné zdroje různých typů, jako je vítr a slunce, nebo z různých lokalit se vzájemně doplňují v čase a prostoru. Tento potenciál prostorové komplementarity ke zlepšení návrhu systému nebyl v existujícím rozsáhlém plánování zdůrazněn ani kvantifikován.“

Taková komplementarita bude stále důležitější, jakmile budou proměnlivé zdroje obnovitelné energie představovat větší podíl energie vstupující do sítě. Lepší koordinací vrcholů a údolí výroby a poptávky se usiluje „vlastně využít samotnou přirozenou variabilitu k řešení variability,“ říká Qiu.

Při plánování rozsáhlých instalací obnovitelných zdrojů energie se obvykle pracuje na úrovni celých zemí, s obecnými cíli typu „30 % energie by mělo pocházet z větru a 20 % ze slunce“. V této studii tým zkoumal meteorologická data a modelování plánování energetických systémů v rozlišení menším než 10 kilometrů. „Jedná se o způsob, jak určit, kde přesně by se měly postavit jednotlivé elektrárny z obnovitelných zdrojů, a ne pouze říci, že toto město by mělo mít tolikto větrných nebo solárních elektráren,“ vysvětluje Qiu.

Pro sestavení dat a umožnění plánování ve vysokém rozlišení se výzkumníci spoléhali na různé zdroje, které nebyly dříve integrovány. Použili vysoce rozlišená meteorologická data z Národní laboratoře pro obnovitelné zdroje energie, která jsou veřejně dostupná v rozlišení 2 kilometry, ale zřídka se používají v plánovacím modelu v tak jemném měřítku. Tato data byla kombinována s energetickým systémovým modelem, který vyvinuli pro optimalizaci umístění v rozlišení pod 10 kilometrů. Aby zjistili, jak data a model ve vysokém rozlišení ovlivňují různé regiony, zaměřili se na tři regiony USA – Novou Anglii, Texas a Kalifornii – a analyzovali až 138 271 možných lokalit pro jeden region současně.

Porovnáním výsledků umístění na základě typické metody a jejich přístupu ve vysokém rozlišení tým ukázal, že „komplementarita zdrojů nám skutečně pomáhá snížit systémové náklady sladěním výroby obnovitelné energie s poptávkou“, což by se mělo přímo promítnout do rozhodování v reálném světě. „Pokud chce jednotlivý vývojář postavit větrnou nebo solární elektrárnu a jde pouze tam, kde je v průměru nejvíce větru nebo slunečního svitu, nemusí to nutně zaručit nejlepší začlenění do dekarbonizovaného energetického systému.“

To je způsobeno složitými interakcemi mezi výrobou a poptávkou po elektřině, protože se obě mění každou hodinu a měsíc od měsíce s měnícími se ročními obdobími. „Snažíme se minimalizovat rozdíl mezi dodávkami a poptávkou po energii, a ne jednoduše dodávat co nejvíce obnovitelné energie,“ říká Qiu. „Někdy se vaše výroba nemůže systémem využít, zatímco jindy nemáte dostatek energie, abyste uspokojili poptávku.“

V Nové Anglii například nová analýza ukazuje, že by mělo být více větrných elektráren v místech, kde je silný vítr v noci, kdy není k dispozici solární energie. Některá místa mají tendenci být v noci větrnější, zatímco jiná mají tendenci mít více větru přes den.

Tyto poznatky byly odhaleny integrací meteorologických dat ve vysokém rozlišení a optimalizací energetického systému použitou výzkumníky. Při plánování s meteorologickými daty s nižším rozlišením, která byla generována v globálním rozlišení 30 kilometrů a častěji se používají v plánování energetických systémů, byla komplementarita mezi elektrárnami z obnovitelných zdrojů mnohem menší. V důsledku toho byly celkové systémové náklady mnohem vyšší. Komplementarita mezi větrnými a solárními elektrárnami byla vylepšena modelováním ve vysokém rozlišení díky zlepšenému znázornění variability obnovitelných zdrojů.

Výzkumníci říkají, že jejich rámec je velmi flexibilní a lze jej snadno přizpůsobit libovolnému regionu tak, aby zohledňoval místní geofyzikální a další podmínky. V Texasu například vrcholné větry na západě nastávají ráno, zatímco na jižním pobřeží se vyskytují odpoledne, takže se oba vzájemně doplňují.

Khorramfar říká, že tato práce „zdůrazňuje význam rozhodování řízeného daty v energetickém plánování“. Práce ukazuje, že použití takových vysoce rozlišených dat v kombinaci s pečlivě formulovaným modelem energetického plánování „může snížit systémové náklady a v konečném důsledku nabídnout nákladově efektivnější cesty k energetické transformaci.“

Jedna věc, která byla na zjištěních překvapivá, říká Amin, hlavní výzkumník v MIT Laboratory of Information and Data Systems, je, jak významné byly zisky z analýzy relativně krátkodobých variací vstupů a výstupů, které probíhají během 24 hodin. „Druh potenciálu úspor nákladů snahou využít komplementarity během dne nebyl nic, co by se dalo očekávat před touto studií,“ říká.

Amin dále říká, že bylo také překvapivé, o kolik by tento typ modelování mohl snížit potřebu úložišť jako součást těchto energetických systémů. „Tato studie ukazuje, že ve skutečnosti existuje skrytý potenciál úspor nákladů při využívání lokálních vzorců v počasí, což může vést k peněžnímu snížení nákladů na úložiště.“

Analýza a plánování na úrovni systému navržená touto studií, říká Howland, „mění způsob, jak uvažujeme o tom, kam umístit elektrárny z obnovitelných zdrojů a jak tyto elektrárny navrhnout tak, aby maximálně sloužily energetické síti. Musí to jít nad rámec pouhého snížení nákladů na energii jednotlivých větrných nebo solárních elektráren. A těchto nových poznatků lze dosáhnout pouze v případě, že budeme pokračovat ve spolupráci přes tradiční hranice výzkumu integrací odborných znalostí v oblasti dynamiky tekutin, atmosférických věd a energetického inženýrství.“

Výzkum byl podpořen konsorciem MIT Climate and Sustainability Consortium a MIT Climate Grand Challenges.