لقد أثبتت مجموعة متزايدة من الأبحاث، أن أنظمة الطاقة المتجددة العالية الفعالية من حيث التكلفة ممكنة، لكن التكاليف تزداد مع اقتراب الأنظمة من الكهرباء الخالية من الكربون بنسبة 100٪ وهو ما أصبح يُعرف باسم “مشكلة 10٪ الأخيرة”.
يعود سبب الزيادة في التكاليف إلى حد كبير إلى عدم التوافق الموسمي بين توقيت توليد الطاقة المتجددة المتغيرة والطلب عليها. يمثل تلبية ذروة الطلب تحديًا ومكلفًا لجميع أنظمة الطاقة، ولكن معالجة مشكلة عدم التوافق الموسمي لأنظمة الطاقة المتجددة العالية قد تتطلب تقنيات لم يتم نشرها بعد على نطاق واسع، هذا يجعل التكاليف والمتطلبات غير واضحة.
للمساعدة في التحرك نحو الحلول المحتملة لهذا التحدي، قام فريق من الباحثين في المختبر الوطني للطاقة المتجددة بالولايات المتحدة، بدراسة مقايضات ست استراتيجيات تقنية محتملة للحصول على 90٪ إلى 100٪ من الكهرباء الخالية من الكربون.
تم نشر هذا العمل في مقال علمي، حيث قال تريو ماي ، المحلل والمؤلف الرئيسي للدراسة: “لا توجد أي من الاستراتيجيات مثالية ، ولا يزال هناك الكثير من عدم اليقين، لكن الدراسة تسلط الضوء على التحديات الرئيسية مع آخر 10٪ وتفحص جميع خيارات التكنولوجيا الرئيسية”، مضيفا، “المزيد من البحث والتطوير سيكون مهمًا للاقتراب من حل واضح لآخر 10٪ وإحراز تقدم نحو قطاع طاقة منزوع الكربون.”
ما نعرفه حتى الآن عن آخر 10٪ تحدي
تدرس NREL مجموعة متنوعة من الأسئلة المتعلقة بتحقيق توليد الطاقة المتجددة بنسبة 100٪ في الولايات المتحدة.
في مقال سابق، حدد NREL التحديات التقنية والاقتصادية لتحقيق 100 ٪ من مصادر الطاقة المتجددة عبر جميع النطاقات الزمنية، استكشفت الدراسة نوعين من التحديات: أحدهما يتعلق بالحفاظ الاقتصادي على التوازن بين العرض والطلب وتحدي آخر يتعلق بتصميم شبكات موثوقة تقنيًا ومستقرة باستخدام موارد تعتمد إلى حد كبير على العاكس مثل طاقة الرياح والطاقة الشمسية.
في دراسة متابعة ، استخدمت NREL أحدث إمكانات النمذجة لفهم المسارات المحتملة وتكاليف النظام للانتقال إلى شبكة طاقة متجددة بنسبة 100٪، تُظهر النتائج ، المنشورة في مقال آخر في جول، أن التكاليف أقل بكثير إذا كان هناك مصدر فعال من حيث التكلفة لقدرة الشركة – الموارد التي يمكن أن توفر الطاقة خلال فترات انخفاض توليد الرياح والطاقة الشمسية ، والطلب المرتفع للغاية، والأحداث غير المخطط لها مثل خط النقل الانقطاعات، يمكن أن تكون الموارد الأخرى إلى جانب تخزين طاقة الرياح والطاقة الشمسية والتخزين النهاري أو مرونة التحميل مهمة للتغلب على النسبة القليلة الماضية لشبكة طاقة متجددة بنسبة 100٪.
في دراسة لوس أنجلوس للطاقة المتجددة بنسبة 100٪ (LA100)، استخدمت NREL نماذج متعددة لفحص الموارد التي يمكن استخدامها للمساعدة في تلبية آخر 10٪، والحفاظ على الموثوقية لمدينة لوس أنجلوس.
أكملت NREL أيضًا مؤخرًا دراسة تاريخية حول تحقيق كهرباء خالية من الكربون بنسبة 100٪ بحلول عام 2035، ويظهر التحليل أن هناك مسارات متعددة لتحقيق الهدف الذي تتجاوز فيه الفوائد البيئية والمجتمعية التكاليف.
تعتمد مقالة جول الأخيرة هذه على دراسات شبكة الطاقة عالية الطاقة المتجددة NREL من خلال استكشاف مقايضات الحلول التقنية المحتملة التي يمكن تنفيذها بالنسبة المئوية القليلة الماضية.
ست استراتيجيات لآخر 10٪
الحل التكنولوجي المثالي لآخر 10٪ له ثلاث خصائص أساسية، أولاً، الحل المثالي له ائتمان عالي السعة، بحيث تكون السعة متاحة خلال فترات الضغط المرتفع، ويمكن أن تدعم كفاية الموارد – أحد “موثوقية نظام الطاقة الثلاثة” التي يجب أن تكون ناجحة لنظام طاقة آمن وموثوق.
ثانيًا، الحل المثالي له تكاليف رأسمالية منخفضة نسبيًا لأنه لن يتم استخدامه كثيرًا.
وثالثًا ، تعتمد على الموارد المتاحة على نطاق واسع ويمكن نشرها على نطاق واسع، قامت NREL بمسح ست استراتيجيات تقنية لديها القدرة على تلبية الخصائص الأساسية الثلاثة.
1. الطاقة المتجددة المتغيرة، ونقلها ، والتخزين النهاري
تعتمد إحدى الاستراتيجيات الممكنة لتحقيق آخر 10٪ على التقنيات الحالية التي يتم نشرها حاليًا، تبني هذه الاستراتيجية المزيد من الطاقة المتجددة المتغيرة، والنقل، والتخزين النهاري (أقل من حوالي 24 ساعة).
في هذا الخيار، يتم تحديد حجم الطاقة المتجددة المتغيرة وسعة النقل لتلبية الطلب خلال فترات الضغط اليومية على الشبكة، مع تخزين يملأ فجوات العرض بالساعة ويحد من الطاقة المتجددة المتغيرة الزائدة.
يمكن أن تكون هذه الاستراتيجية أكثر تنافسية من حيث التكلفة إذا كان هناك نقل أكبر لمسافات طويلة لنقل الطاقة المتجددة عالية القيمة إلى مراكز الطلب، وإذا استمرت تقنيات الرياح والطاقة الشمسية في التحسن، ومع ذلك ، قد يكون هذا النهج أكثر صعوبة إذا زاد استخدام طاقة الرياح والطاقة الشمسية وقيود الموقع بمرور الوقت – موضوع آخر كانت NREL تدرسه، بما في ذلك الإصدار الأخير لمجموعة بيانات شاملة جديدة من المراسيم المحلية لتحديد مواقع مشاريع طاقة الرياح والطاقة الشمسية.
2. مصادر الطاقة المتجددة الأخرى
هناك استراتيجية أخرى محتملة للـ 10٪ الأخيرة تستخدم الطاقة الحرارية الأرضية، والطاقة المائية، والكتلة الحيوية – تقنيات يمكن أن تلعب جميعها أدوارًا مهمة في قطاع طاقة خالٍ من الانبعاثات.
لا تعتمد هذه التقنيات على موارد الطاقة الشمسية وطاقة الرياح المتغيرة، ويمكن أن تتغلب على عدم التوافق الموسمي، ومع ذلك، قد يؤدي توافر الموارد، خاصة في المواقع ذات الطلب المرتفع على الكهرباء، إلى تضييق نطاق استخدامها في مناطق محددة فقط، تحتوي هذه الموارد أيضًا على تكاليف رأسمالية مرتفعة نسبيًا قد تكون صعبة اقتصاديًا كاستراتيجية 10٪ أخيرة.
يمكن أن يكون التوليد المعتمد على الكتلة الحيوية خيارًا آخر لإنتاج الكهرباء المتجددة لآخر 10٪، هذا الخيار له تكلفة رأسمالية منخفضة نسبيًا، ولكن هناك شكوك وقيود على إمدادات ثابتة ومستدامة من المواد الأولية وتكلفة تحويل الكتلة الحيوية.
3. الوقود النووي واحتجاز الكربون
يُشار على نطاق واسع إلى الوقود النووي والأحفوري مع احتجاز الكربون وتخزينه (CCS) على أنه موارد مهمة محتملة في نظام الكهرباء منزوع الكربون لأنه غالبًا ما يتم الاعتماد عليه بشكل موثوق على مدار العام، لم يتم بعد نشر مصانع احتجاز وتخزين ثاني أكسيد الكربون الأحفوري على نطاق واسع ، لكن بعض الدراسات وجدت إمكانات انتشار كبيرة.
ومع ذلك، تأتي هذه الإستراتيجية مع تحديات: النشر المحدود مؤخرًا، والتكلفة غير المؤكدة، والاعتبارات البيئية والأمنية – والتكلفة الرأسمالية المرتفعة للاستخدام المنخفض يمكن أن تخلق حواجز اقتصادية.
4. التخزين الموسمي والهيدروجين كخيار
يشير التخزين الموسمي إلى استخدام الكهرباء لإنتاج وقود قابل للتخزين يمكن استخدامه للتوليد على مدى فترات زمنية طويلة، حتى مواسم كاملة من العام، يعتبر الهيدروجين أو أنواع الوقود الأخرى المشتقة من الهيدروجين حاليًا أكثر الخيارات الواعدة للتخزين الموسمي.
يمكن تحويل الهيدروجين إلى كهرباء باستخدام خلايا الوقود أو تقنيات الاحتراق ، والتي يتم تحويلها إلى الهيدروجين، قد يكون لخيارات توليد الكهرباء التي يغذيها الهيدروجين تكاليف رأسمالية منخفضة في المستقبل ويمكن أن تكون قابلة للتطبيق كاستراتيجيات 10٪ الأخيرة، تشمل أوجه عدم اليقين الرئيسية مع هذه الاستراتيجية توافر البنية التحتية لإمداد الوقود (الهيدروجين) وتسليمه.
5. إزالة ثاني أكسيد الكربون
يمكن لتقنيات إزالة ثاني أكسيد الكربون أن تعوض الانبعاثات من تقنيات توليد الطاقة التي ينبعث منها الكربون عن طريق خفض الكربون في الغلاف الجوي، استراتيجية الـ 10٪ الأخيرة هذه فريدة لأنها تستفيد من أصول التوليد الأخرى لدعم كفاية الموارد على الشبكة.
في حين أن هناك قيمة فريدة لتقنيات إزالة ثاني أكسيد الكربون، فإن خيار 10٪ الأخير هذا يواجه تحديات في النشر، تم نشر القليل جدًا من إزالة ثاني أكسيد الكربون حتى الآن في جميع أنحاء العالم ، ولا تزال تكاليف التكنولوجيا المستقبلية غير مؤكدة.
6. مرونة الطلب وتقليل استهلاك الكهرباء
تعتبر موارد جانب الطلب، والتي تسمى أيضًا استجابة الطلب أو مرونة الطلب، حلاً فريدًا أخيرًا بنسبة 10٪ مقارنة بالاستراتيجيات الخمس الأخرى التي تمت دراستها.
شبكات توزيع الكهرباءتعمل موارد جانب الطلب على تقليل استهلاك الكهرباء خلال أوقات إجهاد النظام وتساعد على تجنب الاستثمارات في سعة الذروة الجديدة.
من خلال الجدولة المرنة أو انقطاع استهلاك الكهرباء ، يمكنهم أيضًا تقليل تكاليف التشغيل أو استخدامها لخدمات موثوقية الشبكة الهامة، يمكن أن تكون التكاليف الرأسمالية للتحكم في جانب الطلب ومعدات الاتصالات منخفضة ، وتكاليف التشغيل المباشرة متواضعة.
ومع ذلك، فإن تطبيق خيارات جانب الطلب كاستراتيجية 10٪ أخيرة يتطلب أن تكون الموارد متاحة بشكل موثوق على مدى فترات طويلة متعددة الأيام، يمكن أن يتجاوز حجم الاستجابة المطلوبة في أيام الأحداث الشديدة إمكانات الاستجابة للطلب، والمرونة من الأحمال الكهربائية الجديدة غير مؤكدة.
تقليل الانبعاثات
قال بول دينهولم ، المحلل NREL والمؤلف المشارك للدراسة: “نظرًا لتكاليف التكنولوجيا الحالية والجاهزية، يمكن أن تحدث تخفيضات كبيرة في الانبعاثات من خلال النشر السريع لتقنيات طاقة الرياح، والطاقة الشمسية ، والتخزين النهاري، والنقل، وغيرها من تقنيات الطاقة المتجددة “، “يمكن للتقنيات الأخرى أيضًا أن تلعب دورًا كبيرًا إذا أصبحت تنافسية من حيث التكلفة ومتاحة على نطاق واسع،. سنواصل دراسة هذه الحلول الممكنة ، ولكن في الوقت الحالي ، أصبح الطريق إلى حوالي 90٪ من الكهرباء الخالية من الكربون واضحًا بشكل متزايد، بعد كل شيء، الوصول إلى 100٪ يتطلب تحقيق 90٪ أولاً “.
