ความไม่สม่ำเสมอของพลังงานหมุนเวียนไม่ใช่การหยุดนิ่ง

&กระสุน; ฟิสิกส์ 15, 54 ปี

พลังงานหมุนเวียนที่ไม่ต่อเนื่องทำให้เกิดความกังวลเกี่ยวกับปัญหาการขาดแคลนอุปทานที่อาจเกิดขึ้น แต่มีโซลูชันทางเทคโนโลยีเพื่อรักษาโครงข่ายไฟฟ้าให้มีเสถียรภาพ

แม้จะมีความกังวลเกี่ยวกับไฟดับ แต่การวิจัยชี้ให้เห็นว่ากริดพลังงานที่ใช้เทคโนโลยีลมและพลังงานแสงอาทิตย์สามารถยังคงมีเสถียรภาพ

บทความนี้เป็นส่วนหนึ่งของชุดบทความเกี่ยวกับสิ่งแวดล้อมที่ ฟิสิกส์ กำลังเผยแพร่เพื่อเฉลิมฉลองวันคุ้มครองโลก (22 เมษายน) ดูเพิ่มเติมที่: ข่าวการวิจัย: การทำลายอุปสรรคต่อการรีไซเคิลโพลีเมอร์; ศิลปะและวัฒนธรรม: ปล่อยใจให้มหาสมุทรที่มีปัญหา คุณสมบัติข่าว: คำตอบกำลังระเบิดในกังหัน (กำลังมา); ถาม & ตอบ: เหยื่อปูนซีเมนต์ (ที่กำลังจะมีขึ้น)

คำถามที่ยิ่งใหญ่ที่โลกกำลังเผชิญเมื่อเราเปลี่ยนจากเชื้อเพลิงแบบดั้งเดิมไปเป็นพลังงานหมุนเวียนที่สะอาด 100% คือเราสามารถรักษาโครงข่ายไฟฟ้าให้คงที่ทุกนาทีของทุกวันได้หรือไม่โดยพิจารณาจากความแปรปรวนของลมและแสงแดด คำตอบของฉันคือใช่! เราสามารถหลีกเลี่ยงไฟดับได้ด้วยการใช้ประโยชน์จากเครื่องมือหลายอย่างที่มีอยู่แล้ว

พลังงานหมุนเวียนที่สะอาดคือพลังงานที่สามารถทดแทนได้ตามธรรมชาติ ส่งผลให้ไม่มีการปล่อยมลพิษทางอากาศที่ส่งผลกระทบต่อสุขภาพหรือสภาพภูมิอากาศ และไม่ก่อให้เกิดภัยคุกคามต่อสิ่งแวดล้อมที่สำคัญอื่นๆ เทคโนโลยีหลักในการผลิตไฟฟ้าทดแทนที่สะอาดและสะอาด ได้แก่ กังหันลมบนบกและนอกชายฝั่ง เซลล์แสงอาทิตย์ พลังงานแสงอาทิตย์ โรงไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์แบบเข้มข้น โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อนใต้พิภพ และโรงไฟฟ้าพลังน้ำ เรียกรวมกันว่าเทคโนโลยี Wind-water-solar (WWS)

เทคโนโลยีการผลิตไฟฟ้าที่ไม่สะอาดและสามารถนำกลับมาใช้ใหม่ได้นั้นเกี่ยวข้องกับเชื้อเพลิงฟอสซิล ชีวมวล และพลังงานนิวเคลียร์ โรงไฟฟ้าเชื้อเพลิงฟอสซิลและชีวมวลก่อให้เกิดมลพิษทางอากาศ ซึ่งเป็นปัญหาที่ไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยการเพิ่มเทคโนโลยีการดักจับคาร์บอนในโรงงานเหล่านี้ ความกังวลหลักเกี่ยวกับพลังงานนิวเคลียร์ ได้แก่ กากกัมมันตภาพรังสี มลพิษจากการขุดและการกลั่นยูเรเนียม ความเสี่ยงในการหลอมละลายของเครื่องปฏิกรณ์ (1.5% ของเครื่องปฏิกรณ์ที่ให้พลังงานทั้งหมดที่เคยสร้างได้เคยประสบกับการหลอมเหลวของแกนกลางโดยไม่ได้ตั้งใจ) และความเป็นไปได้ของอาวุธนิวเคลียร์ การขยายพันธุ์

แต่พลังงานที่ก่อมลพิษเหล่านี้มักถูกมองว่าจำเป็นสำหรับการรักษาระดับการผลิตพลังงานที่เชื่อถือได้ อย่างไรก็ตาม ความสามารถในการหลีกเลี่ยงไฟดับด้วย WWS 100% นั้นมีอยู่จริงในหลายประเทศ ในปี 2564 มี 10 ประเทศ—ไอซ์แลนด์ นอร์เวย์ คอสตาริกา แอลเบเนีย ปารากวัย ภูฏาน นามิเบีย เนปาล เอธิโอเปีย และสาธารณรัฐประชาธิปไตยคองโก ผลิตไฟฟ้าทั้งหมด 97.5 ถึง 100% จากทรัพยากร WWS บางประเทศเหล่านี้ผลิตไฟฟ้าส่วนเกินที่สามารถขายให้กับประเทศเพื่อนบ้านได้: ปารากวัยส่งออกไฟฟ้าไปยังอาร์เจนตินาและบราซิล และทั้งภูฏานและเนปาลส่งออกพลังงานไปยังอินเดีย

ในทุกประเทศของ WWS 100% ที่ระบุไว้ข้างต้น พลังงานหมุนเวียนที่สำคัญคือพลังงานน้ำ แน่นอนว่าไม่ใช่ทุกประเทศที่มีกำลังการผลิตไฟฟ้าพลังน้ำขนาดใหญ่ ดังนั้นไฟฟ้า WWS ถึง 100% สำหรับหลายประเทศจะต้องใช้ไฟฟ้า 90% ขึ้นไปจากพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ ความกังวลที่พบบ่อยคือผู้บริโภคจะต้องเผชิญกับความมืดมนเมื่อลมไม่พัดหรือดวงอาทิตย์ไม่ส่องแสง อย่างไรก็ตาม เราสามารถทำให้กริดที่ WWS จัดหาให้มีเสถียรภาพโดยการรวมวิธีการต่างๆ เข้าด้วยกัน ประการแรก พลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์เป็นส่วนเสริมในการที่ดวงอาทิตย์มักจะส่องแสงเมื่อลมไม่ได้พัด และในทางกลับกัน ดังนั้น การรวมลมและแสงอาทิตย์เข้าด้วยกันจะทำให้การจ่ายไฟเป็นไปอย่างราบรื่นเมื่อเทียบกับการใช้ลมหรือแสงอาทิตย์เพียงอย่างเดียว ในทำนองเดียวกัน การรวมพลังงานลมหรือพลังงานแสงอาทิตย์จากสิ่งอำนวยความสะดวกที่อยู่ห่างไกลสามารถเฉลี่ยมากกว่าการขับกล่อมประสิทธิภาพในสถานที่เฉพาะ

ที่ตั้งของฟาร์มกังหันลมยังสามารถมีอิทธิพลต่อความเสถียรของกริด การสร้างกังหันลมในน่านน้ำชายฝั่งช่วยตอบสนองความต้องการไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้น เนื่องจากลมนอกชายฝั่งมักจะมีความแปรปรวนน้อยกว่าลมบนบก และมักจะถึงจุดสูงสุดเมื่อความต้องการไฟฟ้าสูงขึ้น การสร้างกังหันลมให้มากขึ้นในสภาพอากาศหนาวเย็นยังช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือด้วย เพราะโดยเฉลี่ยแล้ว เมื่ออุณหภูมิลดลงและความต้องการความร้อนสูงขึ้น ลมก็จะแรงขึ้น

กลยุทธ์การรักษาเสถียรภาพของกริดอีกวิธีหนึ่งคือการจัดเก็บไฟฟ้า ซึ่งมักจะเติมช่องว่างในด้านพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ เทคโนโลยีการจัดเก็บไฟฟ้าที่มีอยู่ ได้แก่ แบตเตอรี่ การจัดเก็บไฟฟ้าพลังน้ำแบบสูบ มู่เล่ การจัดเก็บอากาศอัด และสิ่งที่เรียกว่าการจัดเก็บด้วยแรงโน้มถ่วง ในหลายสถานที่ แบตเตอรี่พลังงานแสงอาทิตย์บวกมีราคาถูกกว่าถ่านหินหรือนิวเคลียร์อยู่แล้ว และกำลังเปลี่ยนทั้งสองอย่าง อันที่จริง ต้นทุนแบตเตอรี่ลดลง 97% ตั้งแต่ปี 2534 ยิ่งต้นทุนการจัดเก็บข้อมูลลดลงมากเท่าใด พื้นที่จัดเก็บก็จะยิ่งควบคู่ไปกับการสร้าง WWS เพื่อให้โครงข่ายมีเสถียรภาพ

วิธีอื่นๆ ในการหลีกเลี่ยงไฟดับมุ่งเน้นไปที่ความต้องการ การปรับปรุงประสิทธิภาพ เช่น การเปลี่ยนไปใช้ LED และฉนวนอาคาร สามารถลดการใช้ไฟฟ้าได้ สาธารณูปโภคยังสามารถให้แรงจูงใจทางการเงินเพื่อกระตุ้นให้ผู้บริโภคเปลี่ยนเวลาการใช้พลังงานเป็นช่วงที่มีแสงแดดหรือลม

ฉันได้ศึกษาการใช้เทคนิคเหล่านี้ใน 143 ประเทศและ 50 รัฐ และพบว่ากริดสามารถมีเสถียรภาพได้ทุกที่ในโลกด้วย WWS 100% มีแรงจูงใจมากมายที่จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลง ประการหนึ่ง การจัดหาพลังงานจาก WWS อย่างเต็มรูปแบบจะช่วยลดความต้องการพลังงาน สาเหตุหลักมาจากการเปลี่ยนแปลงจากยานพาหนะที่ใช้ก๊าซเป็นเชื้อเพลิงเป็นรถยนต์ไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพมากกว่า แรงจูงใจอื่นๆ ได้แก่ โรคที่เกี่ยวข้องกับมลภาวะน้อยลงและผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมลดลง

เพื่อยกตัวอย่างของสหรัฐอเมริกา การประมาณการของฉันแสดงให้เห็นว่าการเปลี่ยนไปใช้ WWS โดยสมบูรณ์ในปี 2050 จะช่วยลดความต้องการพลังงานลง 57% ค่าใช้จ่ายด้านพลังงาน 63% และค่าใช้จ่ายด้านพลังงานบวกต่อสุขภาพบวกกับสภาพอากาศ 86% เมื่อเทียบกับธุรกิจ – สถานการณ์ปกติ การประหยัดด้านสุขภาพขึ้นอยู่กับการเสียชีวิตจากมลพิษทางอากาศน้อยกว่าประมาณ 53,000 รายต่อปี (คูณด้วยปัจจัย “มูลค่าชีวิต” ที่ประมาณ 11 ล้านดอลลาร์ต่อการเสียชีวิต) การประหยัดสภาพอากาศมาจากการสมมติต้นทุนทางสังคมที่ 550 ล้านเหรียญสหรัฐต่อเมตริกตันของCO2 ปล่อยออกมา นอกจากนี้ สถานการณ์ WWS 100% ในสหรัฐอเมริกาจะสร้างกำไรสุทธิ 4.7 ล้านตำแหน่งงาน

โดยรวมแล้ว มีเครื่องมือมากมายที่ช่วยให้กริดมีความเสถียรด้วย WWS 100% การทำเช่นนี้จะช่วยลดต้นทุน เพิ่มการจ้างงาน ลดการเสียชีวิตที่เกี่ยวข้องกับมลภาวะ ลดความเสียหายจากสภาพอากาศ และให้ความมั่นคงด้านพลังงาน เพื่อหลีกเลี่ยงความเสียหายด้านสภาพอากาศที่เลวร้ายที่สุด เราจำเป็นต้องหยุดการปล่อยมลพิษทันที แต่—ไม่เช่นนั้น— เราต้องการการเปลี่ยนแปลงอย่างน้อย 80% ภายในปี 2030 และการเปลี่ยนแปลง 100% ตามหลักแล้ว ภายในปี 2035–2040 แต่ไม่เกินภายในปี 2050 เรามีเทคโนโลยีอย่างน้อย 95% ที่จำเป็นสำหรับการเปลี่ยนแปลงในปัจจุบัน ด้วยเหตุนี้ เราจึงไม่มีข้อแก้ตัวที่จะไม่ดำเนินการโดยเร็วที่สุด

เกี่ยวกับผู้เขียน

ภาพของ Mark Z. Jacobson

Mark Z. Jacobson เป็นศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมโยธาและสิ่งแวดล้อมที่มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ด งานของเขาเป็นพื้นฐานทางวิทยาศาสตร์ของ Green New Deal และกฎหมายทั่วโลกในการใช้พลังงานหมุนเวียน 100% เขาเป็นผู้เขียนเอกสารทางวิทยาศาสตร์ที่ผ่านการตรวจสอบโดยเพื่อน 175 ฉบับและหนังสือหกเล่มรวมถึง พลังงานหมุนเวียนที่สะอาด 100% และการจัดเก็บสำหรับทุกสิ่ง


บทความล่าสุด

สองโครงสร้างของน้ำแข็งร้อนหนาแน่น
การไหลของโลหะเหลวแสดงพฤติกรรมการขนส่งความร้อนที่น่าแปลกใจ
ซุปเปอร์ไฮไดรด์สังเคราะห์ที่มีตัวนำยิ่งยวดเข้าใจยาก

บทความเพิ่มเติม

(Visited 1 times, 1 visits today)

Be the first to comment

Leave a comment

Your email address will not be published.


*