Credito:Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili
Un numero crescente di ricerche ha dimostrato che sono possibili sistemi di energia rinnovabile a costi contenuti, ma i costi aumentano man mano che i sistemi si avvicinano al 100% di elettricità priva di emissioni di carbonio, quello che è diventato noto come "l'ultimo problema del 10%".
L'aumento dei costi è in gran parte determinato da una discrepanza stagionale tra i tempi di produzione variabile di energia rinnovabile e la domanda. Soddisfare i picchi di domanda è impegnativo e costoso per tutti i sistemi di alimentazione, ma affrontare il problema della mancata corrispondenza stagionale per i sistemi di alimentazione ad alta energia rinnovabile potrebbe richiedere tecnologie che devono ancora essere implementate su larga scala. Ciò rende poco chiari i loro costi e requisiti.
Per aiutare a raggiungere potenziali soluzioni per questa sfida, un team di ricercatori del National Renewable Energy Laboratory (NREL) ha studiato i compromessi di sei possibili strategie tecnologiche per ottenere dal 90% al 100% di elettricità senza emissioni di carbonio negli Stati Uniti. Questo lavoro è pubblicato in un Joule articolo e può aiutare a informare il processo decisionale di oggi.
"Nessuna delle strategie è perfetta e permangono molte incertezze, ma lo studio evidenzia le sfide chiave con l'ultimo 10% ed esamina tutte le principali opzioni tecnologiche", ha affermato Trieu Mai, analista di NREL e autore principale dello studio. "Più ricerca e sviluppo saranno importanti per avvicinarsi a una soluzione chiara per l'ultimo 10% e far progredire gli Stati Uniti verso un settore energetico decarbonizzato."
Quello che sappiamo finora sull'ultima sfida del 10%
NREL ha studiato una serie di questioni relative al raggiungimento del 100% di generazione rinnovabile negli Stati Uniti.
In un Joule precedente articolo, NREL ha delineato le sfide tecnico-economiche per raggiungere il 100% di energie rinnovabili su tutte le scale temporali. Lo studio ha esplorato due tipi di sfide:una relativa al mantenimento dell'equilibrio economico tra domanda e offerta e un'altra relativa alla progettazione di reti tecnicamente affidabili e stabili utilizzando risorse in gran parte basate su inverter come l'eolico e il solare.
In uno studio successivo, NREL ha utilizzato capacità di modellazione all'avanguardia per comprendere i possibili percorsi e i costi di sistema della transizione verso una rete elettrica rinnovabile al 100%. Risultati, pubblicati in un altro Joule articolo, mostrano che i costi sono significativamente inferiori se esiste una fonte conveniente di capacità aziendale, risorse in grado di fornire energia durante i periodi di minore generazione di energia eolica e solare, domanda estremamente elevata ed eventi non pianificati come interruzioni delle linee di trasmissione. Altre risorse oltre all'energia eolica, solare e allo stoccaggio diurno o alla flessibilità del carico potrebbero essere importanti per superare l'ultima percentuale con una rete elettrica rinnovabile al 100%.
Nel Los Angeles 100% Renewable Energy Study (LA100), NREL ha utilizzato più modelli per esaminare quali risorse potevano essere utilizzate per aiutare a soddisfare l'ultimo 10% e mantenere l'affidabilità per la città di Los Angeles. NREL ha inoltre recentemente completato uno studio fondamentale sul raggiungimento del 100% di elettricità priva di emissioni di carbonio entro il 2035. L'analisi mostra che esistono molteplici percorsi per raggiungere l'obiettivo in cui i benefici ambientali e sociali superano i costi.
Quest'ultimo Joule l'articolo si basa sugli studi sulle reti elettriche ad alta generazione di energia rinnovabile NREL esplorando i compromessi di potenziali soluzioni tecniche che potrebbero essere implementate per l'ultima percentuale.
Sei strategie per l'ultimo 10%
La soluzione tecnologica ideale per l'ultimo 10% ha tre caratteristiche principali. In primo luogo, la soluzione ideale prevede un credito di capacità elevata in modo che la capacità sia disponibile durante i periodi di stress elevato e possa supportare l'adeguatezza delle risorse, una delle "tre R dell'affidabilità del sistema di alimentazione" che deve avere successo per un sistema di alimentazione sicuro e affidabile. In secondo luogo, la soluzione ideale ha costi di capitale relativamente bassi perché non verrà utilizzata spesso. E terzo, si basa su risorse ampiamente disponibili e può essere distribuito su larga scala. NREL ha esaminato sei strategie tecnologiche che hanno il potenziale per soddisfare le tre caratteristiche principali.
1. Energia rinnovabile variabile, trasmissione e stoccaggio diurno
Una possibile strategia per raggiungere l'ultimo 10% si basa sulle tecnologie esistenti che sono attualmente in fase di implementazione. Questa strategia crea energia rinnovabile, trasmissione e stoccaggio diurno (meno di circa 24 ore) più variabili. In questa opzione, l'energia rinnovabile variabile e la capacità di trasmissione sono dimensionate per soddisfare la domanda durante i periodi di stress quotidiani sulla rete, con lo stoccaggio che riempie le lacune di fornitura oraria e riduce l'energia rinnovabile variabile in eccesso (ulteriori informazioni sulla riduzione in un video esplicativo NREL).
Questa strategia potrebbe essere più competitiva in termini di costi se ci fosse una maggiore trasmissione a lunga distanza per spostare energia rinnovabile variabile di alto valore verso i centri di domanda e se le tecnologie eoliche e solari continuassero a migliorare. Tuttavia, questo approccio potrebbe essere più difficile se l'uso del suolo eolico e solare e i vincoli del sito aumentano nel tempo, un altro argomento che NREL sta studiando, incluso il recente rilascio di un nuovo set di dati completo di ordinanze locali per l'ubicazione di progetti di energia eolica e solare.
2. Altre energie rinnovabili
Un'altra possibile strategia per l'ultimo 10% utilizza geotermia, energia idroelettrica e biomassa, tecnologie che potrebbero svolgere tutte un ruolo importante in un settore energetico a emissioni zero. Queste tecnologie non si basano su risorse solari ed eoliche variabili e possono potenzialmente superare la discrepanza stagionale. Tuttavia, la disponibilità delle risorse, soprattutto in località con un'elevata domanda di elettricità, potrebbe limitarne l'utilizzo solo a determinate regioni. Queste risorse hanno anche costi di capitale relativamente elevati che potrebbero essere economicamente impegnativi come strategia dell'ultimo 10%.
La generazione da biomassa potrebbe essere un'altra opzione per produrre elettricità rinnovabile per l'ultimo 10%. Questa opzione ha un costo di capitale relativamente basso, ma ci sono incertezze e vincoli su una fornitura di materie prime costante e sostenibile e sul costo della conversione della biomassa.
3. Nucleare e fossile con cattura del carbonio
I combustibili nucleari e fossili con cattura e stoccaggio del carbonio (CCS) sono ampiamente citati come risorse potenzialmente importanti in un sistema elettrico decarbonizzato perché spesso vengono conteggiati in modo affidabile durante tutto l'anno. Gli impianti di CCS fossili non sono stati ancora implementati su larga scala, ma alcuni studi rilevano un potenziale di implementazione significativo.
Tuttavia, questa strategia presenta sfide:recente implementazione limitata, incertezze sui costi e considerazioni sull'ambiente e sulla sicurezza e l'alto costo del capitale per un basso utilizzo potrebbe creare barriere economiche.
4. Rimessaggio stagionale
Lo stoccaggio stagionale si riferisce all'utilizzo dell'elettricità per produrre un combustibile immagazzinabile che può essere utilizzato per la generazione per lunghi periodi di tempo, anche fino a intere stagioni dell'anno. L'idrogeno o altri combustibili derivati dall'idrogeno sono attualmente le opzioni più promettenti per lo stoccaggio stagionale. La conversione dell'idrogeno in elettricità può essere eseguita utilizzando celle a combustibile o tecnologie di combustione, che vengono convertite in idrogeno. Queste opzioni di generazione di elettricità alimentate a idrogeno potrebbero avere bassi costi di capitale in futuro ed essere praticabili come strategie dell'ultimo 10%. Le principali incertezze relative a questa strategia includono la disponibilità dell'infrastruttura di fornitura e consegna del carburante (idrogeno).
5. Rimozione dell'anidride carbonica
Le tecnologie di rimozione del biossido di carbonio possono compensare le emissioni delle tecnologie di generazione di energia che emettono carbonio assorbendo il carbonio atmosferico. Questa strategia dell'ultimo 10% è unica perché sfrutta altre risorse di generazione per supportare l'adeguatezza delle risorse sulla rete.
Sebbene le tecnologie di rimozione dell'anidride carbonica abbiano un valore unico, quest'ultima opzione del 10% presenta sfide di implementazione. La rimozione dell'anidride carbonica è stata implementata ancora molto poco in tutto il mondo e i costi tecnologici futuri rimangono incerti.
6. Risorse lato domanda
Le risorse lato domanda, chiamate anche risposta alla domanda o flessibilità della domanda, sono una soluzione unica dell'ultimo 10% rispetto alle altre cinque strategie studiate.
Le risorse lato domanda riducono il consumo di elettricità durante i periodi di stress del sistema e aiutano a evitare investimenti in nuova capacità di picco. Attraverso una programmazione flessibile o l'interruzione del consumo di elettricità, possono anche ridurre i costi operativi o essere utilizzati per importanti servizi di affidabilità della rete. I costi di capitale per i controlli sul lato della domanda e le apparecchiature di comunicazione possono essere bassi e i costi operativi diretti sono modesti.
Tuttavia, l'applicazione delle opzioni lato domanda come strategia dell'ultimo 10% richiede che le risorse siano disponibili in modo affidabile per lunghi periodi di più giorni. La scala di risposta necessaria nei giorni di eventi estremi potrebbe superare il potenziale di risposta alla domanda e la flessibilità dei nuovi carichi elettrificati è incerta.
"Dati gli attuali costi della tecnologia e la prontezza, possono verificarsi significative riduzioni delle emissioni attraverso l'implementazione accelerata di tecnologie eoliche, solari, di stoccaggio diurno, di trasmissione e altre energie rinnovabili", ha affermato Paul Denholm, analista di NREL e coautore dello studio. "Anche altre tecnologie potrebbero svolgere un ruolo importante se diventassero competitive in termini di costi e ampiamente disponibili. Continueremo a studiare queste possibili soluzioni, ma per ora il percorso verso circa il 90% di elettricità priva di emissioni di carbonio è sempre più chiaro. Dopotutto, arrivare a Il 100% richiede prima di raggiungere il 90%". + Esplora ulteriormente
