De grootste uitdaging van zonne-energie werd 10 jaar geleden ontdekt. Het lijkt op een eend.

Een onderzoeker bespreekt de duckcurve die hij heeft helpen ontdekken.

In 2008 merkte een groep onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) een grappig uitziende vorm op in hun modellering.

Ze begonnen fotovoltaïsche (PV) panelen serieus te nemen, met projecties van wat er zou kunnen gebeuren als PV op grote schaal zou worden ingezet. Ze merkten dat grootschalige inzet een eigenaardig effect had op de stroombelastingscurve, de vorm die de elektriciteitsvraag gedurende de dag aanneemt.



Een typische belastingscurve ziet er ongeveer zo uit:

elektrische belastingscurve EIA

Zoals u kunt zien, piekt de vraag in de ochtend (wanneer iedereen wakker wordt) en opnieuw in de avond (wanneer iedereen thuiskomt van zijn werk), voordat hij' s nachts afneemt.

Deze curve komt toevallig uit New England, in de herfst. De curve ziet er in verschillende regio's en tijdens verschillende seizoenen enigszins anders uit - er zijn pieken en hellingen van verschillende grootte - maar valt meestal binnen een vrij smal en voorspelbaar bereik.

Totdat zonne-PV langskomt!

Het lijkt misschien contra-intuïtief, maar de mensen die het elektriciteitsnet exploiteren, zien zonne-energie niet echt als conventionele energievoorziening. Ze kunnen het niet volgens hun eigen schema beheren of verzenden. Het komt en gaat met de zon; ze moeten het accommoderen. Dus vanuit het oogpunt van de netbeheerder lijkt meer zonne- (of wind)energie op een vermindering van de vraag naar hun schakelbare stroom.

Totale belasting minus hernieuwbare energie staat bekend als netto belasting. Dat is het doel dat hulpprogramma's moeten bereiken met hun verzendbare bronnen.

Naarmate meer en meer fotovoltaïsche zonne-energie in het net wordt geïntegreerd, begint het de nettobelasting tijdens de middag, wanneer de zon schijnt, dramatisch te onderdrukken. De nettobelastingscurve zakt in het midden van de dag (zoals een buik) en duikt dan weer op als de zon ondergaat (zoals een nek). Zoals zo:

cali duck curve januari GEVAL

Het is net als die eerste belastingscurve die ik je liet zien - een piek in de ochtend, een piek in de avond - alleen daartussenin is er een enorme doorzakking die groter wordt naarmate er meer zonne-energie wordt toegevoegd.

Op dat moment merkte de California Independent Service Operator (CAISO, de beheerder van het Californische energienet) hetzelfde op. Ze realiseerden zich dat hoge niveaus van zonne-penetratie een netto belastingscurve beginnen te genereren die eruit ziet... nou ja, als een eend. Dus de eend kromme .

de eendcurve van Californië. GEVAL

Kun je het niet helemaal zien? Hier, laat me helpen:

de eendencurve CAISO/Jordan Wirfs-Brock

Het is nu 10 jaar geleden sinds de noodlottige ontdekking van NREL, en in de tussentijd is de duckcurve een serieuze bedreiging geworden voor zonne-energie en een gedeelde obsessie onder de gemeenschap van schone energie.

Als het niet wordt opgelost, kunnen dingen lelijk worden. In de nabije toekomst zouden nutsbedrijven regelmatig gedwongen kunnen worden om hun verzendbare fabrieken op te voeren voor een ochtendpiek, en vervolgens bijna al die fabrieken terug te schroeven of te sluiten terwijl de zon schijnt, en ze vervolgens allemaal (snel) weer online te brengen wanneer de zon gaat onder.

Al dat rampen en stoppen met starten is duur en onbekend voor de exploitanten van veel elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen. Als de spanning te hoog wordt, kan de zonne-uitzetting worden afgeremd.

Gelukkig zijn er oplossingen voor de duckcurve in overvloed - allerlei opties om het raster flexibeler te maken en de pieken en hellingen te verzachten. Mede dankzij vroege waarschuwingen van energiemodelleurs beginnen nutsbedrijven en netbeheerders zich bewust te worden van het probleem en stappen te ondernemen om het aan te pakken.

Om de tiende verjaardag van de duckcurve te vieren, belde ik Paul Denholm, de onderzoeker die in maart de oorspronkelijke groep bij NREL leidde. Hij is sinds 2004 in het laboratorium, waar hij elektriciteitssystemen en zonne-integratie bestudeert, en heeft veel te zeggen over hoe hij het beste met de eend om kan gaan - sommige ervan zijn contra-intuïtief. (Hij vindt het bijvoorbeeld oké om hier en daar wat zonne-energie te verspillen.)

Het gesprek, dat ik heb bewerkt voor lengte en duidelijkheid, wordt behoorlijk energiek. Maar als je van puzzels houdt, zul je deze ook leuk vinden.

De geschiedenis van de duckcurve

David Roberts

Vertel me iets over de geschiedenis van de duckcurve.

Paul Denholm

Een van de eerste dingen die ik deed toen ik bij [NREL] kwam werken, was werken met Robert Margolis om te modelleren hoe consumenten PV zouden kunnen adopteren. Toen we de [prijs]projecties invoerden die we kregen van het [NREL] zonneprogramma, was het een beetje van, wauw, dit zou echt kunnen gebeuren! Californië zou in het tijdsbestek van 2010, '15, '20 daadwerkelijk aanzienlijke hoeveelheden zonne-energie kunnen gaan inzetten.

Tegelijkertijd ondersteunde het windprogramma enkele van de allereerste windintegratiestudies. En het zonneprogramma dacht: hé, dat moeten wij ook doen. Als dit echt gaat gebeuren, moeten we ook zonne-energie op het net gaan bestuderen.

Dus het volgende grote project waar ik aan werkte, we begonnen met het simuleren van zonne-energie op het net, en voerden enkele van de eerste zonne-integratiestudies uit. We begonnen te modelleren wat er gebeurt als Californië 10, 15 procent zonne-energie krijgt. Dat is het moment waarop we deze rare vormen opmerkten die in de lente plaatsvonden.

We hadden niet het inzicht of artistieke vermogen om een ​​coole naam te bedenken. [lacht] CAISO deed dat. [CAISO bedacht eendencurve.] Maar die vorm hebben we in februari 2008 wel gegenereerd.

de vroege eendencurve

De vroegst bekende voorstelling van de gevreesde eend, uit 2008.

NREL

Leren basislastcentrales flexibeler te maken

David Roberts

Als je 10 jaar vooruitkijkt naar een echt ernstige duckcurve, wat zie je dan als de meest effectieve oplossingen?

Paul Denholm

Veel mensen in de industrie gebruiken dit concept van een flexibiliteitsaanbodcurve, waarbij u eerst de meest kosteneffectieve flexibiliteitsoptie inzet.

Terugdenkend aan het begin van de jaren 2000, toen windmensen zich hier zorgen over begonnen te maken, was opslag lang niet kosteneffectief. Er was veel onenigheid tussen de opslagmensen en de windmensen, waarbij wind echt weerstand bood aan opslag, denk ik legitiem. Ze zeiden, wacht eens even, er zijn veel meer kosteneffectieve maatregelen om de uitdagingen op het gebied van windbeperking en integratie aan te pakken.

Dus de eerste acht jaar van mijn tijd hier was ik gefocust op meer kosteneffectieve maatregelen. Veel van hen zijn behoorlijk saai en krijgen niet veel aandacht. Leer hoe u uw kolen- en gascentrales beter kunt laten draaien - dat is echt, het is echt belangrijk, maar het is niet sexy.

David Roberts

Je bedoelt dat ze technisch of economisch beter worden opgevoerd?

Paul Denholm

Beide. Je hebt kolen- of gascentrales die zijn ontworpen als basislast, of tussenlast met een klein beetje lastvolgend vermogen, en de operators waren gewoon niet gewend om deze centrales over een groot bereik te verplaatsen.

Technisch gezien zouden ze dat kunnen. Je kijkt naar de specificatiebladen, wat de fabrikanten zeggen dat ze kunnen doen, en ze zeggen dat de planten comfortabel meer dan 50 procent van hun assortiment kunnen bereiken. Maar de operators werden nooit gedwongen om dat te doen, dus eerlijk gezegd waren er veel institutionele problemen.

Het werk van NREL en anderen heeft de economie bevorderd door te zeggen dat als je je fabriek een extra 10 punten per dag verhoogt, ja, het een beetje extra fietskosten met zich meebrengt, maar het voordeel van vermeden inperking weegt ruimschoots op tegen die kosten.

Als we dit gesprek vijf jaar geleden hadden gehad, zou ik hebben gezegd dat de institutionele cultuur moet gaan veranderen. Maar dat is aan de gang. Er is nu veel minder weerstand. Deze hulpprogramma's praten nu met elkaar en leren wat ze kunnen en wat de uitdagingen zijn.

kolencentrale

Sneller opstappen.

Shutterstock

David Roberts

U bent waarschijnlijk op de hoogte van de verwarmde debat over hoe flexibel kerncentrales kunnen zijn, of ze belasting kunnen volgen. Wat vind jij daarvan?

Paul Denholm

Kijk, de Fransen voeren hun kernwapens al jaren op en neer. Ze doen het elke dag. Ik heb meerdere keren met mensen van Électricité de France gesproken en ze zeggen dat het niet erg is. Het maakt deel uit van de institutionele cultuur.

Maar ik heb met een aantal nucleaire mensen hier in de VS gesproken en ze hebben legitieme zorgen. We hebben [volgen laden] hier niet gedaan. Er zijn veiligheidsproblemen, thermische spanningen op de plant en sommige van deze planten bereiken het einde van hun levensduur.

Dus in het algemeen ga ik kerncentrales een pass geven. Er zijn niet zoveel kerncentrales in dit land dat ze de hoogste prioriteit hebben. De hoogste prioriteit is het maximaliseren van de inherente flexibiliteit van de fossiele thermische vloot.

Een groter geografisch gebied bestrijken met markten voor hernieuwbare energie en energie

David Roberts

Sneller rampen kan echter niet eeuwig volhouden, toch?

Paul Denholm

Klopt. Het is geen enkele oplossing; het is echt een reeks opties.

Een ding waar we het over hebben is ruimtelijke diversiteit [d.w.z. het verspreiden van hernieuwbare energie over een groter geografisch gebied] en de rol van grotere voetafdrukken [d.w.z. grotere verbonden energiemarkten] — zaken als de markt voor energieonbalans (EIM), waar Californië overtollige energie kan verkopen aan zijn buren.

hoe lang duurt het om de stofwisseling te versnellen?

Als er een manier is om de zon te delen met plaatsen die niet zoveel zon hebben, dan helpt dat iedereen. De windmensen praten daar al meer dan tien jaar over.

Er zijn grenzen aan ruimtelijke diversiteit. We hebben maar drie of vier uur ruimtelijke diversiteit op zonne-energie door het hele land, van oost naar west - als het 4 uur 's ochtends is in Maine, is het middernacht in Californië - dus je komt maar zo ver.

Maar laten we al deze dingen doen die niet veel kosten. Het implementeren van markten is een behoorlijk goedkope oplossing.

David Roberts

In hoeverre vormen utiliteitsreguleringsmodellen een belemmering om dit probleem op te lossen?

Paul Denholm

[lacht berouwvol] De verspreiding van [gedereguleerde] ISO/RTO-markten heeft veel voordelen opgeleverd voor de systeemwerking. We hebben een efficiëntere economische afhandeling van het systeem, veel meer transparantie.

Maar dit is een geval waarin verticaal geïntegreerde hulpprogramma's een klein voordeel hebben. Ze kunnen het systeem als geheel bekijken - niet alleen deze individuele energiecentrale, maar 12 energiecentrales, plus hun vloot van wind- en zonne-energie. Ze kunnen kijken naar de totale kosten van dit alles. Er zijn uitdagingen als je een eigenaar van één plant hebt.

Meer manieren om de eend vet te mesten of plat te maken: flexibiliteit, EV's en vraagverschuiving

David Roberts

Hoe zit het met het verminderen van de inflexibele basislastcapaciteit [kolen- en kerncentrales] om meer ruimte te maken voor hernieuwbare energiebronnen?

Paul Denholm

We hebben het over het vetmesten van de eend of het pletten van de eend. Vetmesten is alle dingen doen die de buik van de eend laten groeien, en het verminderen van inflexibiliteit is een van die dingen. Als je het hebt over bestaande kerncentrales, is het een beetje raar om ze terug te trekken om zonne-energie te vergroten - je ruilt de ene koolstofvrije bron in voor de andere.

David Roberts

Hoe groot is de rol van demand shifting bij het platdrukken van de eend? Kunnen we veel vraag onder de buik verplaatsen om wat van die kracht op te nemen?

Paul Denholm

Uiteraard zou ik graag een superflexibele vraag hebben. Er moet daaromheen worden gepland, evenals sociaal aanvaardbare methoden om mensen in staat te stellen elektriciteit op de meest economisch efficiënte manier te gebruiken.

Ik wil weten wat we krijgen als we klanten gaan blootstellen aan een soort variërende prijs? De voorlopige cijfers die ik heb gezien zijn teleurstellend laag. Het zal heel interessant zijn om te zien hoeveel vraag we kunnen verschuiven.

David Roberts

Hoe zit het met elektrische voertuigen (EV's)? Intuïtief lijkt het erop dat het hebben van een enorme, verspreide vloot van batterijen zou kunnen helpen om hernieuwbare energie op te nemen in tijden van overmaat.

Paul Denholm

[NREL heeft] daar behoorlijk wat werk aan gedaan, kijkend naar hoe je de juiste prijssignalen verzendt, zodat mensen worden gestimuleerd om op de juiste manier in rekening te brengen.

voertuig naar grid

Het juist doen?

Shutterstock

Het algemene idee is dat u thuiskomt, uw auto aansluit en uw intelligente auto signalen uitzendt. Het zegt, laad nu niet op. Het is 17.00 uur, 18.00 uur, dit is de slechtste tijd om op te laden. De auto zal weten dat zijn persoon de auto meestal pas om 6 uur 's ochtends nodig heeft, dus hij zal wachten tot [opladen] tot middernacht of 1 uur 's nachts, hopelijk grotendeels of volledig vanaf de daluren wind.

Je rijdt naar je werk en steekt de stekker in het stopcontact, het is 8, 9 uur, er is nog niet genoeg zonne-energie, dus [de auto] houdt het weer uit tot 11 uur. Het zal weten dat de prijzen laag zijn en tot 14.00 uur en 15.00 uur in rekening worden gebracht.

Als je die wiskunde doet, helpen EV's veel. Gelukkig past de manier waarop mensen hun auto gebruiken daarbij. We hebben gewoon de juiste intelligentie in het systeem nodig, die de juiste economische signalen uitzendt [d.w.z. variërende tarieven gedurende de dag opladen, meer wanneer stroom duur is, minder wanneer het goedkoper is].

Wind is complementair aan zonne-energie, maar niet voldoende

David Roberts

Is er een soort analoge dierlijke curve veroorzaakt door windenergie?

Paul Denholm

Wind is gewoon anders. Het ding over zonne-energie, dat het tegelijkertijd moeilijker en gemakkelijker maakt, is dat het midden op de dag gewoon een grote ontploffing heeft. Wind is veel meer verspreid en je ziet niet van de ene op de andere dag een karakteristiek patroon.

De grootste uitdaging met wind is dat het 's nachts, buiten de piekuren, meer waait, wat wel leidt tot deze synergie tussen wind en zonne-energie - wind dekt meer van uw nachtelijke belasting, PV dekt meer van uw dagbelasting.

Dat is tot op zekere hoogte waar, maar ik wil dat fenomeen niet overdrijven. We hebben zoveel wind in de lente en zoveel zonne-energie in de lente, wanneer de vraag laag is [vanwege mildere temperaturen], dus ja, ze zijn in zekere zin complementair, maar het seizoensgebonden karakter van wind en zon betekent dat het niet zo geweldig als veel mensen zouden willen. Maar ik zal het nemen!

David Roberts

Wind en zon zijn dus complementair, maar niet voldoende om het probleem op te lossen of de hiaten te dichten.

Paul Denholm

We gaan niet 100 procent [hernieuwbare energie] halen met alleen wind en zon, zonder iets anders te doen.

Waarom we misschien wat zonne-energie moeten weggooien

David Roberts

De eendcurve wordt alleen maar erger en het lijkt erop dat oplossingen niet zo snel online komen als zonne-energie, die voortdurend in prijs daalt. Gaat er iets kapot?

Paul Denholm

We moeten heel voorzichtig zijn als we praten over iets dat kapot gaat. Het enige dat gaat breken, is de economie van zonne-energie. De lichten blijven aan. Het enige waar het op neerkomt is meer inperking.

Als het allemaal zonne-energie op het dak zou zijn, zou dat een enorm probleem zijn, omdat de ISO daar geen controle over heeft. Gelukkig is een voldoende groot deel van de zonne-energie een gebruiksschaal die de ISO uiteindelijk kan uitschakelen. En dat is precies wat er gaat gebeuren, steeds meer inperking totdat mensen zeggen dat het genoeg is [en stoppen met het bouwen van zonne-energie] of economische oplossingen worden ingezet.

zonnebeperking KQED

Dat is waar ik blij ben een optimist te zijn over de prijs van energieopslag. Ik wil al deze dingen zien gebeuren, verbetering aan de flexibiliteitskant, groei van de markt voor onbalans in energie, alle semi-saaie dingen waar ik het over had. Maar uiteindelijk is de grootste hamer in de gereedschapskist energieopslag.

Alle prognoses die ik zie, zeggen dat tegen 2020 de batterijen van vier uur concurrerend moeten zijn met de piekbronnen in een groot deel van Californië. Dan heb je potentieel een multi-megawatt of zelfs multi-gigawatt sink voor in ieder geval een deel van deze beperkte zonne-energie. Dat is - vingers gekruist - de oplossing die eruitziet alsof deze in het spel kan komen.

Maar we zullen moeten wennen aan de wereld van inperking. Nu we overgaan naar een wereld die rijk is aan hernieuwbare energiebronnen, zullen grote hoeveelheden inperking in het voorjaar de normale bedrijfsmodus worden.

wie heeft de tussentijdse verkiezingen 2018 gewonnen

David Roberts

Inperking lijkt me gek. Elk gebruik van zonne-energie is zeker zuiniger dan weggooien. Zie je inperking als een teken van falen?

Paul Denholm

Ik heb een bord boven mijn bureau met de tekst: Wees niet bang voor inperking. [lacht] Ik ben hier al zo lang mee bezig.

Is het een indicatie dat er iets niet helemaal klopt? Ja. Als je de gemiddelde consument blootstelt aan de werkelijke prijzen van elektriciteit - zeg dat het spotgoedkoop zal zijn om 12.00 uur en $ 0,50 / kWh om 18.00 uur - ja, dan zul je een verschuiving in het consumentengedrag zien.

Maar welk deel van de elektriciteitsconsumenten in het land wordt blootgesteld aan werkelijke groothandelsprijzen in realtime? Als u geen grote industriële consument bent, maakt het niet uit.

Ik heb een knop op mijn vaatwasser waarmee ik de start met twee, vier of zes uur kan uitstellen, en ik heb geen reden om op die knop te drukken [omdat de tarieven vast zijn, de hele dag onveranderd]. Hier in Colorado weet ik dat we de wind inperken, maar ik weet niet wanneer. Op een nacht zou [het hulpprogramma] wind kunnen weggooien; nog een nacht zou het kolen in de marge kunnen zijn. Ik zou liever iets doen met die vrije wind, maar ik heb geen idee wanneer mijn lokale nutsbedrijf het weggooit. Laat me die knop indrukken!

windkracht

Het weggooien.

Shutterstock

Toch moet je nadenken over hoeveel inperking er is en wat het betekent. Als we 2 procent van de wind of zonne-energie inperken en 98 procent van de tijd niet, is de wereld in orde.

We praten nooit over het inperken van kolen- of gascentrales. Een kolencentrale in mijnenmonding, sommige van die centrales konden vroeger $ 5 / MWh genereren en ze zouden nog steeds moeten opschalen omdat er niet genoeg vraag was. In plaats van een capaciteitsfactor van 95 procent, zouden ze misschien met 80 of 85 werken. Niemand schreeuwde daar over, ook al waren we bezig met het inperken van de capaciteit van een kolencentrale.

David Roberts

Maar als je de kolencentrale inperkt, heb je nog steeds de brandstof. Je verspilt het niet.

Paul Denholm

Maar welk deel van de LCOE [levelized cost of energy] van een kolencentrale in mijnenmonding is de brandstof? Het is een kleine fractie. De kosten van de centrale zijn het belangrijkste onderdeel van de LCOE, dus als ik de opwekking van die kolencentrale beperk, mis ik de kans om de investeringskosten in dat echt dure activum terug te verdienen.

Dat is een van de redenen waarom ik zeg: wees niet bang voor inperking. Het kan deel uitmaken van de economie van het energiesysteem. Het is een probleem wanneer je 30 of 40 of 50 procent gaat inperken. Maar deze kleine hoeveelheden inperking hier en daar, ik maak me niet al te veel zorgen.

Het zijn indicatoren dat we er iets aan moeten doen, het wordt erger, dus laten we intelligent zijn, laten we de economen ertoe brengen passende markten en tariefstructuren te ontwerpen, laten we de ingenieurs ertoe brengen om met oplossingen te komen, laten we de industrie met oplossingen laten komen. interessante en nieuwe manieren om elektriciteit te gebruiken.

De heilige graal: betaalbare energieopslag

David Roberts

Er wordt vaak beweerd dat een systeem op basis van wind en zon een enorme hoeveelheid opslag nodig heeft - niet alleen per uur, maar ook voor dagelijkse of zelfs seizoensgebonden opslag - en dat batterijen niet geschikt zijn voor deze taak. We zullen dus ofwel de schaal van hernieuwbare energiebronnen moeten beperken of een andere goedkope, grootschalige langetermijnopslag moeten vinden. Wat is jouw mening?

Paul Denholm

We besteden enorm veel tijd aan het praten over dit onderwerp hier rond de lunchtafel - er worden veel calorieën aan besteed. Dus ik zal je vertellen wat ik zou zeggen is de informele algemene consensus over scenario's voor ultrahoge penetratie van hernieuwbare energiebronnen.

De consensus is aan het ontstaan ​​dat we waarschijnlijk 80 procent [hernieuwbare energie] kunnen doen met een combinatie van ruimtelijke diversiteit en kortdurende opslag.

We kunnen dagdiensten aan met korte opslag, en niet te veel. Toen we onze Duurzame Elektriciteit Toekomst studie in 2012, kregen we tot 80 procent hernieuwbare energie met slechts ongeveer 100 GW aan extra opslag. Het is niet Dat veel.

NREL 80% hernieuwbare energie-scenario

De belastingscurve in een NREL-scenario van 80 procent hernieuwbare energie.

NREL

Dus wat is de laatste 20 procent?

Sommige mensen zullen misschien zeggen: waarom is 80 procent niet goed genoeg? Tachtig procent hernieuwbare energie en 20 procent gas, je hebt de elektriciteitssector grotendeels koolstofarm gemaakt, je hebt de transportvloot geëlektrificeerd, iedereen is blij. Maar wat als dat niet goed genoeg is en we nog verder moeten gaan?

Voor 100 procent denk ik niet dat we echt weten wat de juiste kostenoptimale oplossing is. Het seizoensgebonden karakter van wind en zon is een probleem.

David Roberts

Maar zelfs om tot 80 procent te komen, is een landelijk transportnet nodig, toch?

Paul Denholm

We hebben veel transmissie gebouwd. We hebben een aantal gevallen gedaan waarin we niet zoveel transmissie toestonden, en we bouwden gewoon meer PV en meer opslag. Het is duidelijk dat ik me echt zorgen maak over de maatschappelijke zorgen over nieuwe transmissie. Ik zou graag meer uitzending zien.

Maar ja, het seizoensgebonden karakter van het probleem vereist iets. Misschien is het de productie van [synthetische] brandstoffen, misschien is het seizoensopslag, ik weet het niet. Als ik het antwoord had uitgewerkt, zou ik waarschijnlijk geen baan meer hebben.

We zijn nog niet op 100 procent. We zijn nog niet eens 80 of 50. Laten we doorgaan met wat we weten, doorgaan met de ontwikkeling van zonne- en windenergie en batterijen, andere strategieën zonder spijt. Ik denk dat we op deze weg kunnen doorgaan, en ik denk dat we er zullen komen.