Hvor stort et batteri vil det ta å drive hele USA?


Nord-Amerika er blåsig. Hvis USA og Canada hadde nok vindturbiner, kunne de produsere all den elektrisiteten de trenger, og så noen, fra vind alene. Det samme gjelder for solenergi, med enda større strømoverskudd. Den amerikanske sørvestlige ørkenen får nok sollys til å opprettholde landets tørst etter strøm-20 ganger over. Men begg

Nord-Amerika er blåsig. Hvis USA og Canada hadde nok vindturbiner, kunne de produsere all den elektrisiteten de trenger, og så noen, fra vind alene. Det samme gjelder for solenergi, med enda større strømoverskudd. Den amerikanske sørvestlige ørkenen får nok sollys til å opprettholde landets tørst etter strøm-20 ganger over. Men begge disse kildene er iboende uberegnelige: Vindene blir vanvittige og skyer kommer opp med liten varsel. Vind har dessuten en tendens til å blåse hardere om natten, når etterspørselen etter elektrisitet er på sitt laveste.

Ifølge det amerikanske energidepartementet, når intermitterende kilder som sol eller vind når omtrent 20 prosent av en regions totale energiproduksjon, blir balansen mellom tilbud og etterspørsel ekstremt utfordrende: rullende blackouts kan noen ganger bli uunngåelig. Det samme problemet eksisterer andre steder, spesielt i Tyskland, der en stor fotovoltaisk kapasitet har spratt opp, takket være sjenerøse subsidier.

Burton Richter, en nobelpristager for fysikk som var på et nylig panel som studerte Californias strømforsyningssituasjon, fortalte The New York Times- blogger Andrew Revkin at på grunn av intermittens skulle verktøyene beholde fossile brenselbrennende planter som en sikkerhetskopi som raskt kan rampe opp generasjon som trenger være. Denne store belastningen følger, som det kalles, "kan bare gjøres med naturgass, " sa Richter til Revkin.

Selvfølgelig, hvis en statewide lull i vinden skulle vare flere dager, kunne California kjøpe strøm på interstate markedet, som det ofte gjør. Forslag til et verdensomspennende supergrid som kan transportere store mengder kraftkyst til kysten, er delvis basert på ideen om at «vinden alltid blåser et sted». Det vil også være nyttig å gjøre nettverket smartere, slik at brukerne, etterfulgt av dynamisk prising, vil kjøpe den energien de trenger når det er rikelig og slå ned bruken når kostnadene går opp.

Eksperter er imidlertid stadig mer skeptiske at selv supergrids eller smart grids ville være nok til å dekke intermittency av vind og solenergi. Løsningen, sier de, må inneholde lagring av massive mengder energi til senere bruk. Ideelt sett kunne USA bygge et virkelig gigantisk batteri og bli gjort med det. Men vi snakker gigawatt (milliarder watt) av kraft, og et slikt batteri vil være uoverkommelig dyrt, i hvert fall med dagens teknologi.

Heldigvis eksisterer det to typer storskala energilagring som allerede er modne og økonomisk gjennomførbare - og noen mer futuristiske er også lovende - som jeg beskriver i artikkelen "Samle vinden" i mars 2012-utgaven av. Disse to teknologiene er mindre prangende enn de som media vanligvis liker å dekke - de er bestemt "mer Flintstones than Jetsons", som en netthandelstidskrift satte den. Den ene innebærer å pumpe vann oppoverbakke, den andre involverer komprimering av luft.

En pumped-hydro anlegg består av to reservoarer med en betydelig fall i høyden mellom dem. Når det er overflødig elektrisitet å gå rundt, flytter elektriske pumper vann fra det nedre reservoaret til den øvre, og lagrer dermed energi i form av gravitasjonspotensiell energi. Når vind og solenergi eller bare ikke kan holde tritt med etterspørselen, lar operatørene strømme ned og gjennom turbiner som genererer strøm. I komprimerte lokaler luftes overskytende kraftpumper inn i underjordiske huler, og det blir senere utgitt ved høyt trykk for å snu turbiner.

Pumped hydro har blitt brukt i flere tiår for å balansere belastningen på store amerikanske rister. Om lag 2, 5 prosent av elektrisiteten som brukes av amerikanske forbrukere har syklet gjennom en av disse plantene. I Europa er beløpet 4 prosent og i Japan 10 prosent. Men hvor mye lagringskapasitet ville det nordamerikanske rutenettet beholdes pålitelig ettersom mer vind og sol kommer på nettet?

Det spørsmålet er overraskende vanskelig å svare nøyaktig. "Det er svært komplisert, " sier Rick Miller, seniordirektør i HDR Engineering, Inc., et selskap som bygger pumpeanlegg. Forskjellige blandinger av fornybare kilder kan være svært forskjellige i deres utgangsprofiler, og noen er lettere å matche etterspørsel, andre hardere. Eksempelvis vil solcellepaneler i New Mexico på en pålitelig måte pumpe ut elektroner rett på den tiden når nærliggende byer trenger det mest, det vil si når klimaanlegget er på. Med vind er det vanskeligere.

Haresh Kamath fra Electric Power Research Institute i Palo Alto, California, sier mange faktorer vil avgjøre hvor mye lagring er nødvendig. Hvilken penetrasjon av fornybare stoffer vil folk ha? Hvilket nivå er de villige til å betale for? Hvor mye overføring er de villige til å leve med? Hva slags belastninger er de sannsynlig å bruke? Og hvilket nivå av pålitelighet er de villig til å leve med? "Det er mange mennesker med forskjellige ideer om hvordan man skal svare på disse spørsmålene, " sier Kamath, "og vi vil sannsynligvis komme med forskjellige svar på dette spørsmålet i forskjellige deler av verden til forskjellige tider."

Det bidrar til å få en ide om omfanget av problemet. USA forbruker i gjennomsnitt omtrent 500 gigawatt av elektrisk kraft når som helst - omtrent tilsvarer 500 millioner brødristere eller hårføner til enhver tid. Litt mindre enn 20 prosent av energien kommer fra atomkraft, som allerede er nesten karbonfri, og ytterligere få prosent er fra tradisjonell vannkraft, som i tillegg til å være grønn, ikke har et intermittencyproblem. Den delen av strømforsyningen som må decarboniseres (tenk: kullplanter), og som kan ende opp med å bli intermitterende, er da de resterende 80 prosent, eller omtrent 400 gigawatt.

Hvis all den kraften kom fra vinden, og hvis vinden gikk ned overalt på en gang, ville landet i utgangspunktet trenge 400 gigawatt av sikkerhetskopiering. Men et slikt worst case-scenario synes ikke å si det mildt.

I stedet er det ifølge Imre Gyuk, som står overfor energilagringsprogrammet på DOE, mange nettoperatører og verktøy enige om at en god tommelfingerregel er at en typisk portefølje av fornybar energi vil trenge om en 20 prosent lagringskopiering. For våre gjennomsnittlige 400 gigawatt av fornybar kraft, vil 20 prosent utgjøre 80 gigawatt. Det er mye, som kan sammenlignes med 80 atomkraftverk, men kanskje ikke uoppnåelig. USA har allerede mer enn 20 gigawatt av pumpet hydrokapasitet, og næringen vurderer forslag som vil doble det antallet.

Genereringskapasitet er imidlertid kun en side av historien. Lagringssystemer vurderes ikke bare av sin kraft, eller hvor raskt de kan utvende energi (målt i gigawatt), men også av den totale mengden energi de lagrer (målt i gigawatt-timer). Et anlegg med en energikapasitet på en gigawatt som bare kan levere elektrisitet i 10 minutter, ville ikke være veldig nyttig. i en ideell verden kan det for eksempel si 100 timer, og lagrer dermed 100 gigawatt-timer. Å bygge opp nye pumpede hydro-anlegg som ligner på eksisterende, vil trolig hjelpe i alle sammen, men de mest katastrofalt lange av vindvollene. For de worst-case scenarioene, kan vi likevel fortsette å bøye for rullende blackouts.

Selvfølgelig antar denne enkle beregningen også dagens forbruk. Hvordan ville vi makt alle de elektriske bilene som vi skulle kjøre i fremtiden?

Elektrifisering av deler av økonomien som nå er fossilt drivstoff-drevet, spesielt hvis hybrid- eller allelektriske biler blir det viktigste transportmiddelet, vil faktisk øke strømforbruket drastisk. Heldigvis, for å balansere lasten, ville dette problemet delvis ta vare på seg selv, fordi de fleste ville lade opp sine biler om natten, og ville bruke smarte målere som ville gjøre dem i stand til å tegne strøm til tider når det er rikelig og billig.

Intermittency av fornybare energikilder kommer frem som det største hindret for å koble ut strømnettet. Heldigvis synes problemet å være løsbart.

Når det kommer til fotosyntese, utfører planter kvantumberegningOceanic Dead Zones Fortsett å spreAstronautene tar første biter av salat vokst i rommetSoaring City SlickersVil fornyet interessen for kjernefysisk kraft gjenopplive uranindustrien?Hva er neste for NASAs nye astronautklasse?Gå FjerdeTopp Sci / Tech Gaver 2003