Pacific Gas and Electric (PG&E) niedawno rozpoczął proces zamykania elektrowni Diablo Canyon, ostatniej czynnej elektrowni jądrowej w Kalifornii. Elektrownia, położona w pobliżu Avila Beach na środkowym wybrzeżu Kalifornii, składa się z dwóch reaktorów o mocy 1,100 megawatów (MW) i wytwarza 18,000 8.5 gigawatogodzin (GWh) energii elektrycznej rocznie, co stanowi około 2015% zużycia energii elektrycznej w Kalifornii w XNUMX roku. , do tej pory największy pojedynczy zakład wytwarzania energii elektrycznej w stanie.

Nad zbliżającym się zamknięciem Diablo Canyon zbliża się ustawa legislacyjna stanu Kalifornia SB 350, czy Ustawa o Czystej Energii i Ograniczeniu Zanieczyszczeń z 2015 roku. Ustawa ta jest kamieniem węgielnym bieżących wysiłków państwa na rzecz dekarbonizacji sieci elektroenergetycznej poprzez wymaganie od przedsiębiorstw użyteczności publicznej uwzględniania odnawialnych źródeł energii w części wytwarzanej energii elektrycznej w przyszłych latach. Mandat wymaga również od przedsiębiorstw użyteczności publicznej prowadzenia programów mających na celu podwojenie efektywności zużycia energii elektrycznej i gazu ziemnego.

Jednak wiele istotnych pytań bez odpowiedzi pozostaje na temat tej ambitnej polityki energetycznej, ponieważ planowane zamknięcie do 2025 ilustruje Kanion Diablo. Czy przedsiębiorstwa użyteczności publicznej mogą dostarczać energię elektryczną przez całą dobę, korzystając z tych alternatywnych źródeł wytwarzania? A co najważniejsze, czy technologie magazynowania energii mogą zapewnić moc na żądanie, którą mają tradycyjne generatory?

Odejście od energetyki jądrowej

Elektrownie jądrowe przeżywały swój rozkwit na początku lat 1970. i były chwalone za zdolność do wytwarzania dużych ilości energii elektrycznej w stałym tempie bez użycia paliw kopalnych.

Jednak z powodu negatywna opinia i kosztownych remontów, obserwujemy obecnie trend, w którym długo działające elektrownie jądrowe są zamykane, a w Stanach Zjednoczonych planuje się budowę bardzo niewielu nowych elektrowni.

Przedsiębiorstwa użyteczności publicznej zmierzają w kierunku wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, takich jak energia słoneczna i wiatrowa, częściowo w odpowiedzi na siły rynkowe, a częściowo w odpowiedzi na nowe przepisy, które wymagają od przedsiębiorstw ograniczenia emisji gazów cieplarnianych. Zwłaszcza w Kalifornii przejście na energię odnawialną ze względów rynkowych i środowiskowych, wraz z negatywnym postrzeganiem energii jądrowej przez społeczeństwo, spowodowało zakłady użyteczności publicznej do rezygnacji z energetyki jądrowej.

Podczas gdy przeciwnicy mogą postrzegać zamknięcie elektrowni jądrowych jako sukces zdrowotny i środowiskowy, zamknięcie elektrowni jądrowych potęguje wyzwania, przed jakimi stają zakłady energetyczne w celu zaspokojenia zapotrzebowania na energię elektryczną przy jednoczesnym zmniejszeniu ich śladu węglowego. Na przykład PG&E zobowiązało się do zwiększenia odnawialnych źródeł energii i wysiłków na rzecz efektywności energetycznej, ale samo to nie pomoże im dostarczać swoim klientom energii elektrycznej przez całą dobę. Co można wykorzystać, aby wypełnić sporą lukę pozostawioną po zamknięciu Diablo Canyon?

Źródła energii słonecznej i wiatrowej są pożądane, ponieważ wytwarzają bezemisyjną energię elektryczną bez wytwarzania toksycznych i niebezpiecznych produktów ubocznych. Jednak mają również tę wadę, że są w stanie wytwarzać energię elektryczną tylko sporadycznie w ciągu dnia. Energia słoneczna może być wykorzystywana tylko wtedy, gdy słońce jest wyłączone, a prędkość wiatru zmienia się w nieprzewidywalny sposób.

Aby zaspokoić zapotrzebowanie klientów na energię elektryczną przez całą dobę, potrzebne będą technologie magazynowania energii, a także więcej źródeł odnawialnych i zwiększona efektywność energetyczna.

Wprowadź magazyn energii

Magazynowanie energii od dawna jest reklamowane jako panaceum na włączenie energii odnawialnej do sieci na dużą skalę. Zastąpienie wytwarzania energii pozostawionego przez zamknięcie Diablo Canyon będzie wymagało ekspansywnych dodatków wiatrowych i słonecznych. Jednak większa produkcja energii odnawialnej będzie wymagała więcej magazynowania.

Obecnie dostępnych lub będących w trakcie komercjalizacji jest wiele różnych technologii magazynowania energii, ale każda z nich należy do jednej z czterech podstawowych kategorii: magazynowanie chemiczne jak w bateriach, magazynowanie kinetyczne, takie jak koła zamachowe, magazynowanie termiczne i magazyn magnetyczny.

Różne technologie w ramach każdej z tych kategorii można scharakteryzować i porównać pod względem ich:

• moc znamionowa: ile prądu elektrycznego wytwarzanego
• pojemność energetyczna: ile energii można przechowywać lub rozładowywać, oraz
• czas odpowiedzi: minimalny czas potrzebny do dostarczenia energii.

Kluczowym wyzwaniem, przed którym stoją obecnie zakłady energetyczne, jest integracja technologii magazynowania energii w określonych zastosowaniach dostarczania energii w określonych lokalizacjach.

Wyzwanie to jest dodatkowo komplikowane przez system przesyłu energii elektrycznej i zachowania konsumentów, które ewoluowały w oparciu o system zaopatrzenia w energię zdominowany przez paliwa kopalne. Ponadto technologie magazynowania są drogie i wciąż się rozwijają, co sprawia, że ​​generatory na paliwa kopalne wydają się bardziej opłacalne ekonomicznie w krótkim okresie.

Wdrażanie technologii pamięci masowej

Obecnie w Kalifornii magazynowanie energii jest skutecznie zapewniane przez elektrownie na paliwa kopalne. Te elektrownie zasilane gazem ziemnym i węglem zapewniają stałą moc „podstawowego obciążenia” i mogą zwiększać produkcję, aby sprostać szczytom zapotrzebowania, które zwykle mają miejsce po południu i wczesnym wieczorem.

Pojedyncze urządzenie magazynujące energię nie może bezpośrednio zastąpić potencjału pojemnościowego tych źródeł paliw kopalnych, które mogą generować duże ilości energii tak długo, jak jest to potrzebne.

Niemożność przeprowadzenia podobnej wymiany oznacza, że ​​należy przyjąć bardziej zdywersyfikowaną strategię portfelową w zakresie magazynowania energii w celu płynnego przejścia do przyszłości o niższej emisji dwutlenku węgla. Taki zrównoważony portfel magazynowania energii z konieczności składałby się z pewnej kombinacji:

• krótkotrwałe systemy magazynowania energii, które są w stanie utrzymać jakość energii poprzez spełnienie lokalnych skoków zapotrzebowania szczytowego i buforowanie krótkoterminowych wahań dostaw. Mogą to być superkondensatory, akumulatory i koła zamachowe, które mogą szybko dostarczać impulsy mocy.

• Magazyn energii o niższej prędkości, który może dostarczać dużo energii i przechowywać dużo energii. Systemy te, takie jak elektrownie pompowe i magazynowanie energii cieplnej ze skoncentrowaną energią słoneczną, są w stanie przesunąć sezonowość produkcji energii słonecznej i obsługi unikalnych wymagań energetycznych dla dużych lub wrażliwych użytkowników energii w sektorach komercyjnym i przemysłowym.

Ten zestaw technologii przechowywania musiałby być połączony w rodzaj łańcucha, zagnieżdżonego i ułożonego według przeznaczenia końcowego, lokalizacji i integracji z siecią. Ponadto potrzebne będą systemy zarządzania do kontrolowania interakcji technologii magazynowania z siecią.

Obecnie, bez wystarczających magazynów energii, przedsiębiorstwa energetyczne wykorzystują gaz ziemny, aby wypełnić luki w dostawach energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Przedsiębiorstwa użyteczności publicznej wykorzystują elektrownie „szczytowe”, które są elektrowniami zasilanymi gazem ziemnym, które mogą zwiększać lub zmniejszać produkcję w celu zaspokojenia zapotrzebowania na energię elektryczną, na przykład gdy moc słoneczna spada późnym popołudniem i wieczorem, jednocześnie powodując zanieczyszczenie powietrza i emisje gazów cieplarnianych .

Czy przy rosnącym zużyciu gazu ziemnego do produkcji energii elektrycznej lepiej byłoby zachować energetykę jądrową, dopóki technologie magazynowania energii dojrzeją? Chociaż gaz ziemny jest mniej zanieczyszczający niż węgiel, powoduje emisję gazów cieplarnianych i może powodować niebezpieczne dla środowiska wycieki, jak widać w Kanionie Aliso.

W przypadku energii jądrowej nadal nie jest jasne, co zrobić z odpadami jądrowymi, a katastrofa w japońskiej elektrowni jądrowej Fukushima w 2011 roku pokazuje, jak katastrofalnie niebezpieczne mogą być elektrownie jądrowe.

Bez względu na to, która sytuacja uważasz za najlepszą, jasne jest, że magazynowanie energii jest głównym ograniczeniem w osiągnięciu bezemisyjnej sieci energetycznej.

Zaangażowanie Kalifornii w odnawialne źródła energii pomogło zmienić stan na mniej paliw kopalnych i emisję gazów cieplarnianych. Jednak konieczne jest staranne planowanie, aby zapewnić, że systemy magazynowania energii zostaną zainstalowane tak, aby przejęły podstawowe obciążenia związane obecnie z gazem ziemnym i energią jądrową, ponieważ odnawialne źródła energii i efektywność energetyczna mogą nie być w stanie udźwignąć ciężaru.

O Autorach

Eric Daniel Fournier, doktor habilitowany, informatyka przestrzenna, University of California, Los Angeles

Alex Ricklefs, analityk ds. badań zrównoważonego rozwoju, University of California, Los Angeles

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon