Lỗ hổng nghiêm trọng về nguồn tài nguyên gió và năng lượng mặt trời – Watts có phù hợp với điều đó không?

Roger Caiazza

Là một nhà khí tượng học của công ty điện lực đã nghỉ hưu, tôi đã theo dõi các vấn đề liên quan đến nguồn tài nguyên gió và mặt trời trong nhiều năm. Suy nghĩ của tôi đã phát triển đến mức bây giờ tôi tin rằng trong một thế giới hợp lý, người ta sẽ nhận ra rằng bất kỳ lưới điện nào dựa vào gió và mặt trời đều sẽ bị hỏng. Bài đăng này giải thích tại sao.

Lý lịch

Tập đoàn Độ tin cậy Điện Bắc Mỹ (NERC) gần đây đã triệu tập một cuộc họp hội thảo trực tuyến về các buổi tư vấn nhóm nhỏ về chuẩn bị cho thời tiết lạnh (SGAS) để “cung cấp cơ hội giáo dục cho các thực thể đã đăng ký gặp gỡ với các đại diện của NERC và Thực thể Khu vực để thảo luận về các Tiêu chuẩn chuẩn bị cho thời tiết lạnh và các phương pháp tuân thủ có thể có trong một môi trường mở và không kiểm toán.” Động lực cho sáng kiến ​​này là sự kiện ở Texas vào tháng 2 năm 2021 được mô tả trong slide sau. Hậu quả pháp lý cho sự kiện này vẫn chưa kết thúc nhưng nhu cầu thảo luận về cách tốt nhất để giải quyết những sự kiện này rất gay gắt đến mức SGAS được thành lập trong “một môi trường mở và không kiểm toán”.

Nguồn: Ngày 6 tháng 5 năm 2024 Phiên tư vấn nhóm nhỏ về chuẩn bị cho thời tiết lạnh của NERC

Điểm rút ra là hệ thống hiện tại đã gặp phải các vấn đề về đủ nguồn lực lưới điện trong các đợt thời tiết khắc nghiệt. Tôi lo ngại nhất về lưới điện trong tương lai phụ thuộc vào các nguồn tài nguyên bị ảnh hưởng bởi thời tiết. Mặc dù Texas có nguồn tài nguyên gió và mặt trời đáng kể nhưng sự hiện diện của họ không đóng góp đáng kể vào tình trạng mất điện ở Texas này. Thay vào đó, nguyên nhân là do nhiều bộ phận của hệ thống phát điện và truyền tải truyền thống không đủ cứng để chịu được nhiệt độ cực lạnh. Trong tương lai, lưới điện phụ thuộc vào thời tiết sẽ gây ra những vấn đề tương tự thường xuyên hơn và như tôi sẽ trình bày, có thể không ngăn chặn được tình trạng mất điện thảm khốc.

Mối quan tâm hàng đầu của tôi là tính khả thi của Đạo luật Khí hậu New York kế hoạch thực hiện. hoặc thích hợp hơn là thiếu phân tích khả thi thích hợp để giải quyết tình trạng hạn hán tài nguyên năng lượng mặt trời và gió trong trường hợp xấu nhất. Vào tháng 9 năm 2021, tôi đã mô tả những thách thức về độ tin cậy cho Đạo luật Khí hậu được mô tả bởi các tổ chức chịu trách nhiệm về độ tin cậy của hệ thống điện. Tất cả các phân tích đáng tin cậy được thực hiện về độ tin cậy của lưới điện trong tương lai đều chỉ ra tình huống xấu nhất dự kiến – Khi New York điện khí hóa hệ thống sưởi và giao thông vận tải, phụ tải cao điểm sẽ rơi vào mùa đông khi nhiệt độ lạnh nhất. Các Phân tích tích hợp được xác định một khoảng thời gian nhiều ngày gió mùa đông tạm lắng. Nhà điều hành hệ thống độc lập ở New York có thực hiện các phân tích tương tự và cho thấy rằng những cơn gió mùa đông tạm lắng trùng hợp với lượng năng lượng mặt trời thấp và tải trọng cao sẽ là vấn đề cuối cùng. Bộ Dịch vụ Công cộng New York cũng đã xác định Khoảng cách năng lượng tái tạo như một vấn đề lớn. Tuy nhiên, theo ý kiến ​​của tôi, cho đến nay chưa có phân tích nào xác định được trường hợp xấu nhất vì tất cả đều sử dụng dữ liệu lịch sử trong khoảng thời gian tương đối ngắn.

Tất cả các phân tích dự báo tài nguyên tái tạo đáng tin cậy đều sử dụng dữ liệu khí tượng lịch sử, dự báo phụ tải trong tương lai trong những khoảng thời gian đó và ước tính nguồn điện sẵn có dựa trên việc triển khai giả định về gió, mặt trời, lưu trữ năng lượng và các công nghệ khác cần thiết để cung cấp phụ tải dự kiến. Hồ sơ hàng giờ về các biến thời tiết được tạo ra thông qua các kỹ thuật mô hình dự báo thời tiết được sử dụng để phát triển dự báo nhu cầu hàng giờ và hồ sơ sản lượng năng lượng cho tài nguyên gió và mặt trời trong các giai đoạn được nghiên cứu. Các phân tích đáng tin cậy chỉ khác nhau ở các giả định về đặc điểm của công trình xây dựng và mức độ phức tạp của khả năng sẵn có tiềm năng dựa trên các hạn chế về khí hậu và địa lý. Sau khi phân tích hoàn tất, dữ liệu thu được có thể được sử dụng để xác định trường hợp xấu nhất.

Nhà điều hành hệ thống độc lập New York (NYISO) đang làm việc với nhà tư vấn DNV để phát triển New York gió trên bờ, gió ngoài khơi và nguồn tài nguyên năng lượng mặt trời sẵn có. Phân tích của họ sử dụng cơ sở dữ liệu khí tượng lịch sử 23 năm cho các khu vực tài nguyên tái tạo của Bang New York. Các phân tích tương tự đang được tiến hành ở các khu vực điều hành truyền tải khu vực khác. Người ta cũng nhận thấy rằng các khu vực lớn hơn cũng cần được xử lý tương tự. Viện Nghiên cứu Điện lực có Sáng kiến ​​Tài nguyên Carbon Thấp đã nhìn vào lục địa Bắc Mỹ. Các nhà nghiên cứu ngoài ngành cũng đã thực hiện các phân tích về hạn hán năng lượng gió và mặt trời sử dụng Dữ liệu phân tích lại ERA5 từ năm 1950 đến nay. Phân tích dữ liệu phân tích lại sử dụng các mô hình dự báo thời tiết hiện tại và quan sát lịch sử để cung cấp các trường khí tượng hàng giờ. Những dữ liệu này có thể được tinh chỉnh thêm ở quy mô tốt hơn để dự báo nguồn tài nguyên gió và mặt trời sẵn có.

Kết quả

Tất cả những phân tích này đều cho thấy có những giai đoạn nguồn tài nguyên tái tạo sẵn có ở mức thấp. Ví dụ, Hội đồng Tin cậy Tiểu bang New York Nhóm làm việc về thời tiết khắc nghiệt (EWWG) đã phân tích độ phân giải cao Dữ liệu gió ngoài khơi NY được cung cấp bởi NYISO và nhà tư vấn DNV về tài nguyên gió ngoài khơi. Bản tóm tắt của báo cáo nêu rõ:

Mức độ, thời gian và tác động địa lý lan rộng được xác định bởi phân tích sơ bộ này là khá đáng kể và sẽ được kết hợp bởi sự tăng trưởng phụ tải do điện khí hóa. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc cân nhắc độ tin cậy liên quan đến gió ngoài khơi và thời gian tạm lắng của gió sẽ được tính đến trong các đánh giá độ tin cậy sắp tới, nghiên cứu ngừng hoạt động và đánh giá mức độ phù hợp của hệ thống để đảm bảo thiết kế hệ thống đầy đủ nhằm xử lý lượng gió lớn ngoài khơi dự kiến ​​sẽ đi vào hoạt động trong 5 năm tới. đến mười năm.

Phân tích NYISO/DNV sử dụng cơ sở dữ liệu 21 năm. Trong một kiểu phân tích tương tự, Nhà điều hành Hệ thống Độc lập của New England (ISO-NE) Tác động hoạt động của các sự kiện thời tiết cực đoandữ liệu ERA5 đã được sử dụng để chuẩn bị cơ sở dữ liệu từ năm 1950 đến năm 2021. Phân tích đã đánh giá các sự kiện nóng và cực lạnh kéo dài 1, 5 và 21 ngày.

Một trong những kết quả quan trọng được trình bày trong phân tích ISO-NE là bảng dự đoán rủi ro hệ thống đối với các sự kiện thời tiết trong hồ sơ dữ liệu 72 năm. Trong phân tích, rủi ro hệ thống được xác định là tổng nguồn cung không có sẵn cộng với nhu cầu đặc biệt trong sự kiện kéo dài 21 ngày. Lưu ý rằng phân tích đã xem xét khoảng thời gian trượt cho các sự kiện 21 ngày bằng cách dịch chuyển khoảng thời gian 21 ngày bảy ngày một lần. Điểm không ngạc nhiên mà tôi muốn nhấn mạnh là rủi ro hệ thống tăng lên khi thời gian xem lại tăng lên. Nếu quy hoạch về mức độ đầy đủ tài nguyên cho New England chỉ xem xét trong 10 năm qua thì rủi ro hệ thống sẽ là 8.714 MW, nhưng trong toàn bộ thời kỳ, rủi ro hệ thống tồi tệ nhất là 9.160 và điều đó thể hiện mức tăng tài nguyên là 5,1%.

Nguồn: ISO-NE Tác động hoạt động của các sự kiện thời tiết cực đoan, có sẵn đây

Lưu ý rằng đã có một phân tích của EWWG về Thời tiết lịch sử và khí hậu cực đoan ở New York do Judith Curry và tôi thực hiện đã xác định sự kiện tháng 1 năm 1961 là tình huống xấu nhất có thể xảy ra. Chúng tôi nhận thấy rằng có khoảng thời gian 15 ngày từ ngày 20 tháng 1 đến ngày 3 tháng 2 năm 1961 có khả năng sẽ trở thành đợt lạnh trong trường hợp xấu nhất. Đây là thời kỳ mà các hệ thống áp suất cao thống trị thời tiết ở vùng Đông Bắc và những điều kiện đó có nghĩa là tốc độ gió nhẹ.

Cuộc thảo luận

Tôi không nghĩ chúng ta có thể có một lưới điện cung cấp nguồn điện đáng tin cậy khi cần thiết nhất. Ngày nay, những người lập kế hoạch đảm bảo đủ nguồn lực cho hệ thống điện không phải lo lắng rằng nhiều nguồn lực tạo ra có thể không có sẵn cùng một lúc. Trong một lưới điện tương lai phụ thuộc vào gió và mặt trời, việc những nguồn tài nguyên đó tương quan về thời gian và không gian là điều mà tôi nghĩ là vấn đề quy hoạch không thể vượt qua. Tất cả năng lượng mặt trời đều biến mất vào ban đêm và gió tạm lắng ảnh hưởng đến toàn bộ khu vực của tổ chức truyền tải khu vực (RTO) cùng một lúc. Vấn đề này càng trở nên trầm trọng hơn do gió tạm lắng sẽ bao trùm nhiều khu vực RTO vào cùng thời điểm dự kiến ​​có tải trọng cao nhất.

Lý do chúng ta không bao giờ có thể tin tưởng vào lưới lưu trữ năng lượng gió, mặt trời và năng lượng là vì nếu chúng ta phụ thuộc vào nguồn tài nguyên năng lượng hạn chế do thời tiết, thì một hệ thống được thiết kế để đáp ứng trường hợp xấu nhất có thể là không thực tế. Hãy xem xét các sự kiện ISO-NE trong đó người ta nhận thấy rằng giai đoạn xem lại quy hoạch 10 năm gần đây nhất sẽ dự kiến ​​rủi ro hệ thống là 8.714 MW. Tuy nhiên, nếu phạm vi quy hoạch kéo dài từ năm 1961, trường hợp xấu nhất là đến năm 1950, thì sẽ cần thêm 446 MW để đáp ứng rủi ro hệ thống. Tôi không thể tưởng tượng được một trường hợp kinh doanh nào cho việc triển khai kho lưu trữ năng lượng hoặc nguồn tài nguyên không phát thải có thể điều động được một cách kỳ diệu mà chỉ cần một lần trong 63 năm. Có một điều là tuổi thọ của những công nghệ này thấp hơn nhiều so với 63 năm. Ngay cả trong một khoảng thời gian ngắn hơn như mười năm qua, làm thế nào một cơ sở bắt buộc có thể duy trì được khả năng thanh toán khi nó hoạt động rất hiếm khi không có trợ cấp và các khoản thanh toán rất cao khi chúng hoạt động.

Như tôi đã mô tả trong một bài viết trước đóSở Dịch vụ Công cộng New York (DPS) Tiến hành 15-E-0302 hội nghị kỹ thuật Không phát thải vào năm 2040 nêu bật mối lo ngại về vấn đề này Khoảng cách khoảng cách về nguồn lực và cách giải quyết nó. Bên cạnh thực tế là các công nghệ được ưu tiên sử dụng vẫn chưa được chứng minh về mặt thương mại, tất cả chúng đều sẽ cực kỳ đắt đỏ. Tôi tin rằng điều đó khiến cho các giải pháp trong trường hợp xấu nhất trở nên không thực tế.

Mặt khác, phương án bỏ qua trường hợp xấu nhất là không thể chấp nhận được. Trong thế giới giả tưởng không có lưới được cho là dựa vào gió và mặt trời khi hệ thống sưởi và phương tiện giao thông được cho là được điện khí hóa, nhu cầu về nguồn điện đáng tin cậy sẽ tăng lên rất nhiều. Nếu chúng ta không cung cấp nguồn lực cho trường hợp xấu nhất đã xảy ra, khi những tình trạng đó chắc chắn tái diễn thì sẽ xảy ra tình trạng mất điện khi cần điện nhất để con người không bị chết cóng trong bóng tối vì không thể chạy trốn.

Sự cân bằng giữa tính thực tiễn và sự cần thiết sẽ không được giải quyết bởi các nhóm lập kế hoạch đảm bảo đủ nguồn lực thực hiện các phân tích được mô tả. Tôi không nghĩ các tổ chức như Hội đồng Độ tin cậy Bang New York hay NERC cũng sẽ đưa ra quyết định. Đây là điều sẽ phải được các chính trị gia ở cấp cao nhất quyết định. Hy vọng rằng vấn đề sẽ được xem xét một cách cởi mở và minh bạch, nhưng áp lực vận động hành lang chính trị sẽ rất lớn vì khả năng tồn tại của kế hoạch hiện tại đúng đắn về mặt chính trị nhằm phụ thuộc vào gió và mặt trời ở New York và các nơi khác đang bị đe dọa.

Phần kết luận