integración a gran escala de la rejilla de la energía solar - muchos problemas, pocas soluciones

por Roger Andrews

El domingo 7 de julio de 2013, un día de sol despejado y la baja demanda, la energía solar fotovoltaica generó aproximadamente 200 GWh de energía, más del 20% de la producción total de electricidad de Alemania para el día. (Estoy en deuda con los gráficos de barras):

Y ya que el pico sol y la demanda pico son más o menos coincidentes los domingos de verano en Alemania no había ningún problema grave admitir todo esto electricidad solar a la red:

Hubo, sin embargo, una dificultad menor. El aumento de la energía solar causada generación a exceder su consumo durante unas diez horas y, como resultado aproximadamente el 13% de la misma, que se muestra por las barras de color naranja en la parte inferior de la gráfica anterior, tuvo que ser exportados a otros países en el mercado central de Europa Occidental región. El gráfico a continuación mueve las barras de color naranja hasta la parte superior para ilustrar la magnitud del excedente en relación con el consumo:

Los excedentes de este tipo son, por supuesto, no lo suficientemente grande como para causar un problema, y ​​de hecho pueden ser eliminados simplemente por dar marcha atrás un poco en otras formas de generación. Pero solar suministra sólo el 5,7% de la generación total de electricidad de Alemania en 2013, y si esto es por lo que se consigue siempre que no va a moverse Alemania muy lejos por el camino de la energía sostenible. Solar tiene que ser mucho más grande para hacer eso, y aquí vamos a examinar brevemente algunos de los obstáculos que se interponen en su camino.

¿Cuánto más grande no tiene que conseguir solar? Los analistas del mercado han pronosticado que en última instancia podría suministrar el 25% de la electricidad de Alemania, así que vamos a usar eso como el objetivo. Encuentro que requeriría la ampliación por un factor de 4,4 con respecto a 2013, con la generación solar anual pasando de ~ ~ 30TWh a 130TWh y capacidad solar instalada de 35GW a ~ ~ 150GW. No podemos, por supuesto, saber cómo será el consumo de cuándo y si esto sucede, pero si 150GW de capacidad fotovoltaica solar había estado en vigor el 7 de julio de 2013, esto es lo que el mix de generación habría parecido:

No habría sido enorme exceso de oferta de electricidad solar. Solar habría generado ~ 800 GWh, lo que representa alrededor de la mitad del total de generación eléctrica alemana para el día, pero sólo alrededor de 200 GWh de que podría haber sido admitido en la red, apenas más que fue admitido a la red en 2013, siendo todas las demás cosas igual. Así, en este ejemplo la expansión de la capacidad de PV en un factor de 4,4 habría aumentado penetración solar por un efectivamente cero. (Tenga en cuenta que las cifras dadas aquí y más adelante en el texto se escalan de gráficos y por lo tanto se aproximan, aunque esto no afecta a las conclusiones básicas.)

Sin embargo, la generación convencional de suponer que se han reducido para dar cabida a la mayor cantidad de excedente solar como sea posible, y en el gráfico a continuación resume los impactos de hacer esto. Mediante la reducción de la generación convencional a cero 08 a.m.-5 p.m. (eólica, hidráulica y la generación de biomasa se deja sin cambios) alrededor de 450 GWh de energía solar, lo que representa alrededor del 45% de la generación total, podría haber sido admitido en la red. Pero esto todavía deja un excedente de alrededor de 350 GWh:

Y el 7 de julio fue un verano bastante típico domingo. El excedente de energía solar habría sido similar en la mayoría de los fines de semana durante el verano de 2013. Los excedentes entre semana habría sido menor debido a la demanda de las medias de lunes a viernes de 10-15 GW mayor que la demanda de fin de semana, por lo que la generación más convencional podría haber sido puesto fuera de servicio a admitir más energía solar , pero los excedentes entre semana todavía serían del orden de 150 GWh / día. La media de excesos de fin de semana y entre semana sería de alrededor de 250 GWh / día.

Un cálculo aproximado basado en estos números indica que si Alemania instala suficiente capacidad fotovoltaica para abastecer el 25% de su consumo anual de electricidad, y si no se dispone de capacidad de almacenamiento u otros medios de adaptar la producción a la carga, y si la curva de carga permanece sustancialmente igual como lo es ahora, alrededor del 20% de la electricidad solar tendría que ser "derramado", lo que significa que Alemania realmente obtener sólo el 20% de su electricidad a partir de energía solar. capacidad fotovoltaica adicional podría ser añadido para aumentar la contribución solar, pero la mayor parte de la generación adicional sería conseguir perdido porque no habría ningún lugar para enviarlo. Es evidente que el enfoque de ampliar la generación fotovoltaica y sin ningún sitio para almacenar el excedente de energía no es viable.

Por lo tanto, la pregunta es, ¿hay alguna manera de almacenar los excedentes de energía solar para la re-uso a corto plazo? No con la energía solar fotovoltaica mediante la tecnología de almacenamiento existente. Pero se podría hacer con la energía solar concentrada (CSP), que utiliza heliostatos para reflejar la energía solar en los embalses de retención de calor que contienen un fluido (sal generalmente fundida) que suministra vapor a las turbinas tanto, cuando el sol está brillando y cuando ISN 'convencionales t. Las plantas CSP puede actuar de hecho como de seguimiento de carga o incluso la capacidad de carga base si hay suficiente almacenamiento disponible, y esta capacidad se ha demostrado en la planta de CSP en España, que el año pasado completó 36 días de funcionamiento continuo 24/7. (Incluso fue entusiasta.)

¿Por qué no hay más plantas de CSP? Porque a) no son adecuados para el uso doméstico y b) que son mucho más caras que las plantas de energía solar fotovoltaica.

Sin embargo, los costos de capital son en realidad no mucho más alto. La planta Gemasolar (detalles técnicos) es un ejemplo. Tiene una capacidad nominal de 19,9 MW y un costo de 230 millones de euros para construir, lo que equivale a 11.500 euros por KW instalado, aproximadamente cinco veces el costo de una planta fotovoltaica 19.9mW. Ofsetting esto, sin embargo, es el hecho de que Gemasolar produce ~ 110 GWh al año, alrededor de tres veces más que una instalación fotovoltaica de 19,9 MW produciría, y en un factor de carga mucho más alto (oficialmente 63%, con estimaciones recientes de hasta el 75 %).

¿Cómo puede una planta solar presentan factores de carga tan altas? Debido a 19,9 MW es la capacidad de las turbinas, no la capacidad de la matriz solar. Los heliostatos que se funden la sal que produce el vapor que mueve las turbinas de hecho, tienen una capacidad de 76 MWe (304.750 metros cuadrados a 2.172 kWh / m² / año), dando un costo de instalación de poco más de 3.000 euros / KWe, no es que mucho más alto que el costo de un generador fotovoltaico equivalente. El factor de carga del 17% calculado sobre el número de 76MW también es comparable con el 18% de media ~ para las plantas fotovoltaicas en España.

Sobre una base de costo nivelado, sin embargo, electricidad CSP es aproximadamente dos veces más caro que la electricidad fotovoltaica, con la estimación de los costos nivelados a 6-10 euros / kWh para PV y 14-19 euros / kWh para la CSP. Pero, como señala Fraunhofer: "la ventaja de la capacidad de almacenar energía y la capacidad de suministro de CSP .... no fue tenido en cuenta. "¿Qué tan grande es una ventaja de esto? En el caso de Alemania muy, muy grande, porque con CSP que podría generar el 25% de su electricidad anual solar con eficacia sin derrames en absoluto.

Entonces, ¿qué más se puede pedir sobre CSP? Tres cosas. En primer lugar, no funciona de manera muy eficiente a los 50 grados de latitud, pero para los propósitos de análisis podemos considerar a Alemania como un ejemplo genérico que se aplicaría a los países más soleados más cerca del ecuador, como los EE.UU..

En segundo lugar, el almacenamiento CSP puede suavizar sólo fluctuaciones a corto plazo. No puede suavizar los enormes cambios estacionales en la radiación solar que se producen en latitudes más altas y que por lo general se anticorrelated con la demanda. Los próximos dos parcelas de la generación de electricidad mensual total y la generación de energía solar en Alemania ilustran el problema (datos de Fraunhofer):

Incluso con el suministro de energía solar sólo el 5,7% de la electricidad de Alemania, como lo hizo en 2013, Alemania tendría que instalar unos 8 TWh de almacenamiento para convertir las fluctuaciones estacionales de la radiación solar en la generación de carga base continua, y en el nivel de 25% que necesitaría más de 30 TWh. La instalación de esta capacidad de almacenamiento tanto en Alemania o en cualquier otro lugar para esa materia es mucho más allá de los límites de la viabilidad (actuales en todo el mundo por bombeo de capacidad de almacenamiento asciende a sólo el 1 TWh). Con un 25% anual en la generación de CSP Alemania por lo tanto obtener un 40-50% de su electricidad a partir de energía solar en el verano, cuando menos lo necesita, pero sólo alrededor del 5% de su electricidad a partir de energía solar en el invierno cuando más lo necesita. Así, mientras que la expansión de la capacidad de CSP tendrá un impacto global positivo en la generación renovable de Alemania de la mezcla que va a hacer poco o nada para reducir la necesidad de grandes cantidades de generación de copia de seguridad convencional.

Nota: Algunos de invierno el déficit en teoría puedan ser cubiertas por la energía eólica, que se correlaciona positivamente con la demanda durante el ciclo de las estaciones en el norte de Europa, pero la integración de grandes cantidades de energía eólica con la red plantea sus propios problemas. Estos problemas se discuten en mensajes anteriores, y.

En tercer lugar, sería aproximadamente tres veces más barato para Alemania para agregar capacidad de generación de bajas emisiones de carbono mediante la construcción nuclear en lugar de las plantas de CSP, y ofrece una potencia nuclear a un ritmo constante y sin la necesidad de almacenamiento y si el sol está brillando o no.