Tenaga Hidro, Angin dan Solar untuk Bekalan Tenaga Boleh Diperbaharui 100% di Amerika Selatan dan Tengah

Kandungan

1. Pengenalan & Gambaran Keseluruhan

Penyelidikan ini membentangkan kajian perintis pemodelan sistem tenaga beresolusi setiap jam untuk mencapai bekalan tenaga boleh diperbaharui (RE) 100% di seluruh Amerika Selatan dan Tengah menjelang 2030. Wilayah ini, walaupun kini mempunyai campuran elektrik paling rendah intensiti karbon di dunia kerana penembusan tenaga hidro yang tinggi, menghadapi cabaran besar daripada kebolehubahan iklim yang mengancam sumber air. Kajian ini menyiasat kebolehlaksanaan teknikal dan ekonomi untuk beralih kepada sistem yang didominasi oleh kuasa hidro, angin dan fotovolta (PV) solar, disokong oleh teknologi pemudah seperti penghantaran arus terus voltan tinggi (HVDC) dan kuasa-ke-gas (PtG).

2. Metodologi & Senario

2.1. Model Tenaga dan Pembahagian Wilayah

Analisis menggunakan model pengoptimuman linear untuk meminimumkan jumlah kos sistem tahunan. Kawasan geografi dibahagikan kepada 15 sub-wilayah yang saling bersambung, membolehkan simulasi pertukaran tenaga. Model ini berdasarkan resolusi setiap jam untuk satu tahun rujukan, menangkap kebolehubahan sumber boleh diperbaharui.

2.2. Senario yang Ditakrifkan

Empat senario utama dibangunkan untuk menilai kesan infrastruktur dan gandingan sektor:

• Senario 1 (Wilayah): Grid HVDC terhadap, terutamanya dalam sub-wilayah besar.
• Senario 2 (Negara): Sambungan HVDC dipertingkatkan dalam negara.
• Senario 3 (Seluruh Kawasan): Integrasi grid HVDC penuh merentas semua 15 sub-wilayah.
• Senario 4 (Bersepadu): Membina atas Senario 3, menambah permintaan elektrik untuk penyahgaraman air laut (3.9 bilion m³) dan penghasilan gas asli sintetik (SNG) melalui PtG (640 TWh_LHV).

2.3. Integrasi Penyahgaraman Air dan Kuasa-ke-Gas

Senario bersepadu adalah inovasi utama, melangkaui bekalan elektrik tulen. Ia menangani kekurangan air melalui penyahgaraman dan menyediakan bahan api neutral karbon (SNG) untuk proses industri yang sukar dielektrikkan, menggunakan lebihan elektrik boleh diperbaharui yang sebaliknya akan dipotong.

3. Hasil Utama & Penemuan

3.1. Campuran Tenaga dan Kapasiti

Campuran optimum didominasi oleh PV solar (~50-60% daripada penjanaan), diikuti oleh kuasa angin (~20-30%), dan tenaga hidro (~10-20%). Kapasiti tenaga hidro sedia ada memainkan peranan penting bukan sahaja dalam penjanaan, tetapi lebih penting, dalam menyediakan fleksibiliti.

3.2. Analisis Kos: LCOE, LCOG, LCOW

Pemusatan grid mengurangkan kos. LCOE menurun daripada 62 €/MWh dalam senario terpencar (Wilayah) kepada 56 €/MWh dalam senario berpusat sepenuhnya (Seluruh Kawasan). Senario bersepadu menghasilkan SNG dan air yang dinyahgaram pada kos yang dinyatakan, menunjukkan potensi ekonomi gandingan sektor.

3.3. Peranan Tenaga Hidro sebagai Storan Maya

Satu penemuan kritikal ialah penggunaan empangan hidro sedia ada sebagai "bateri maya." Dengan mengagihkan tenaga hidro secara strategik bersama-sama dengan output solar dan angin, keperluan untuk storan elektrokimia tambahan dikurangkan secara drastik. Ini memanfaatkan kos infrastruktur tenggelam untuk faedah kestabilan grid yang besar.

3.4. Faedah Integrasi Sistem

Mengintegrasikan penyahgaraman dan PtG menghasilkan pengurangan 5% dalam penjanaan elektrik yang diperlukan dan pengurangan 8% dalam jumlah kos sistem. Ini dicapai dengan menggunakan tenaga boleh diperbaharui yang sebaliknya akan dipotong, meningkatkan penggunaan dan ekonomi sistem keseluruhan.

4. Butiran Teknikal & Rumusan Matematik

Teras model ialah masalah peminimuman kos. Fungsi objektif meminimumkan jumlah kos tahunan $C_{total}$:

$C_{total} = \sum_{t, r} (C_{cap} \cdot Cap_{r, tech} + C_{op} \cdot Gen_{t, r, tech} + C_{trans} \cdot Trans_{t, r1, r2})$

Dikawal oleh kekangan untuk:

• Imbangan Tenaga: $\sum_{tech} Gen_{t,r,tech} + \sum_{r2} Trans_{t, r2, r} = Demand_{t,r} + \sum_{r2} Trans_{t, r, r2} + Storage_{out, t, r} - Storage_{in, t, r}$ untuk semua jam $t$, wilayah $r$.
• Had Kapasiti: $Gen_{t,r,tech} \leq CF_{t,r,tech} \cdot Cap_{r, tech}$ di mana $CF$ ialah faktor kapasiti setiap jam.
• Dinamik Storan: $E_{t+1, r} = E_{t, r} + \eta_{in} \cdot Storage_{in, t, r} - \frac{1}{\eta_{out}} \cdot Storage_{out, t, r}$
• Pengurusan Takungan Hidro: Kekangan memodelkan aliran masuk air, had storan, dan aliran persekitaran minimum.

Proses PtG dimodelkan dengan kecekapan $\eta_{PtG}$ (contohnya, ~58% untuk SNG), menghubungkan input elektrik $E_{in}$ kepada output gas $G_{out}$: $G_{out} = \eta_{PtG} \cdot E_{in}$.

5. Hasil Eksperimen & Penerangan Carta

Carta 1: Kapasiti Dipasang mengikut Senario
Carta bar berlonggok akan menunjukkan kapasiti dalam GW untuk PV solar, angin, hidro, dan turbin gas (untuk sandaran dalam beberapa senario) merentas empat senario. Senario "Bersepadu" menunjukkan jumlah kapasiti tertinggi disebabkan permintaan tambahan daripada PtG.

Carta 2: Profil Penjanaan Setiap Jam untuk Sub-wilayah Perwakilan (contohnya, Tenggara Brazil)
Carta berbilang garis selama satu minggu akan menunjukkan penjanaan tenaga hidro melicinkan puncak harian besar daripada PV solar dan output lebih berubah-ubah daripada angin. Kesan "bateri maya" jelas kelihatan secara visual apabila penjanaan hidro menurun semasa tempoh cerah/berangin dan meningkat pada waktu malam atau semasa tempoh tenang.

Carta 3: Pecahan Kos Sistem
Carta pai untuk Senario Bersepadu menunjukkan bahagian jumlah kos tahunan yang dikaitkan dengan: CAPEX & OPEX PV Solar, CAPEX & OPEX Angin, Grid HVDC, Loji Kuasa-ke-Gas, dan Loji Penyahgaraman. Ini menyerlahkan sifat peralihan yang intensif modal.

6. Kerangka Analisis: Contoh Pemodelan Senario

Kes: Menilai Pengembangan Grid vs. Storan Tempatan
Satu utiliti di Chile (solar tinggi) mempertimbangkan sama ada untuk melabur dalam talian HVDC baharu ke Argentina (angin/hidro pelengkap) atau membina ladang bateri berskala besar.

Aplikasi Kerangka:
1. Takrifkan Nod: Chile (Nod A), Argentina (Nod B).
2. Data Input: Faktor kapasiti solar setiap jam untuk A, faktor kapasiti angin/hidro setiap jam untuk B, profil permintaan, kos modal untuk talian HVDC ($/MW-km) dan bateri ($/kWh).
3. Jalankan Variasi Model:
- Varian 1 (Terpencil): Nod A mesti memenuhi permintaannya secara tempatan, memerlukan kapasiti bateri yang besar untuk menampung waktu malam.
- Varian 2 (Bersambung): Nod A dan B disambungkan dengan talian HVDC kapasiti tertentu. Lebihan solar dari A boleh dihantar ke B pada waktu siang; pada waktu malam, hidro/angin dari B boleh membekalkan A.
4. Optimumkan & Bandingkan: Model meminimumkan jumlah kos kedua-dua varian. Hasilnya biasanya menunjukkan bahawa walaupun dengan kos penghantaran, Varian 2 lebih murah disebabkan keperluan berkurangan untuk storan mahal di A dan penggunaan lebih baik hidro fleksibel sedia ada di B. Ini mencerminkan penemuan teras kajian tentang nilai penghantaran.

7. Analisis Kritikal & Tafsiran Pakar

Pandangan Teras: Kajian ini bukan sekadar fantasi hijau; ia adalah pelan kejuruteraan pragmatik yang mendedahkan nilai kewangan dan strategik terpendam dalam infrastruktur hidro sedia ada Amerika Selatan. Kejayaan sebenar ialah membingkai semula empangan hidro bukan sebagai penjana semata-mata, tetapi sebagai penstabil grid berskala benua, kos marginal sifar—"bateri maya" yang boleh menjimatkan ratusan bilion dalam pelaburan storan baharu. Ini mengubah kerentanan iklim berpotensi (perubahan hidrologi) menjadi asas ketahanan.

Aliran Logik: Hujahnya linear dan meyakinkan: 1) Tenaga boleh diperbaharui berubah-ubah (solar/angin) kini adalah sumber termurah. 2) Ketidakselanjaran mereka adalah masalah utama. 3) Amerika Selatan mempunyai penyelesaian unik, pra-bayar—armada hidro luasnya—yang boleh dioptimumkan semula secara digital untuk operasi storan-dahulu. 4) Menambah "tali" HVDC antara wilayah pelengkap (contohnya, Patagonia berangin ke Timur Laut Brazil cerah) mencipta kesan bateri geografi, mengurangkan kos lagi. 5) Akhirnya, menggunakan elektron boleh diperbaharui lebihan untuk membuat molekul (gas) dan air menangani masalah industri dan kekurangan bernilai berbilion dolar bersebelahan, mencipta kitaran ekonomi positif.

Kekuatan & Kelemahan:
Kekuatan: Pemodelan setiap jam adalah terkini dan tidak boleh dirunding untuk kajian RE yang kredibel. Gandingan sektor (PtG, penyahgaraman) melangkaui latihan akademik kepada relevan dasar dunia sebenar. Memanfaatkan hidro sedia ada adalah langkah bijak pemikiran pragmatik.
Kelemahan: Keanggunan model mengaburkan halangan politik dan peraturan yang sukar. Membina grid HVDC merentas benua melibatkan mimpi ngeri kedaulatan serupa dengan perjuangan EU. Garis masa 2030 adalah sangat optimistik untuk kewangan projek dan kelulusan skala sebegini besar. Ia juga mengandaikan lesen sosial untuk infrastruktur mega baharu, yang semakin dipertikaikan. Anggaran kos, walaupun dirujuk kepada 2015, memerlukan kemas kini segera selepas inflasi 2022 dan kejutan rantaian bekalan.

Pandangan Boleh Tindak:
1. Untuk Pengawal Selia: Segera reformasi reka bentuk pasaran elektrik untuk memberi ganjaran kewangan kepada fleksibiliti dan kapasiti (bukan hanya tenaga). Pengendali hidro harus dibayar untuk "perkhidmatan pengimbangan" serupa dengan bateri.
2. Untuk Pelabur: Peluang terdekat terbesar bukan dalam ladang solar baharu—ia dalam pendigitalan dan sistem kawalan untuk tenaga hidro sedia ada untuk memaksimumkan hasil pengimbangan grid mereka.
3. Untuk Kerajaan: Mulakan dengan perjanjian "jambatan tenaga" dua hala (contohnya, Chile-Argentina) sebagai projek perintis. Fokus R&D pada menurunkan CAPEX elektrolizer PtG, kerana ini adalah kunci untuk senario bersepadu.
4. Laluan Kritikal: Faktor kejayaan tunggal paling penting ialah penghantaran. Tanpanya, bateri maya kekal terpecah. Inisiatif Grid Pan-Amerika, dimodelkan berdasarkan TEN-E Eropah, mesti menjadi keutamaan diplomatik utama.

8. Aplikasi Masa Depan & Hala Tuju Penyelidikan

• Eksport Hidrogen Hijau: Komponen PtG model boleh diperluaskan untuk memodelkan penghasilan hidrogen hijau berskala besar untuk dieksport ke Eropah dan Asia, mengubah Amerika Selatan menjadi kuasa tenaga boleh diperbaharui.
• Pemodelan Ketahanan Iklim: Kerja masa depan mesti mengintegrasikan model iklim lebih terperinci untuk ujian tekanan sistem terhadap perubahan unjuran dalam kitaran hidrologi dan corak angin.
• Integrasi Sumber Tenaga Teragih (DERs): Menggabungkan solar bumbung, storan belakang meter, dan pengecasan kenderaan elektrik ke dalam model untuk memahami kesannya terhadap perancangan grid berpusat.
• Penilaian Storan Lanjutan: Analisis terperinci nilai ekonomi yang disediakan oleh fleksibiliti tenaga hidro, mencipta metrik piawai untuk menarik pelaburan untuk pemodenan.
• Simulasi Dasar & Pasaran: Menggandingkan model tekno-ekonomi dengan model berasaskan ejen untuk mensimulasikan rangka kerja kawal selia, tingkah laku pelaburan, dan perjanjian perdagangan elektrik rentas sempadan.

9. Rujukan

1. World Bank. (2016). World Development Indicators. GDP growth (annual %).
2. International Energy Agency (IEA). (2014). World Energy Outlook 2014.
3. International Energy Agency (IEA). (2015). Key World Energy Statistics 2015.
4. U.S. Energy Information Administration (EIA). (2015). International Energy Statistics.
5. de Jong, P., et al. (2015). Hydropower, climate change and uncertainty in Brazil. Renewable and Sustainable Energy Reviews.
6. ONS (Brazilian National Grid Operator). (2015). Weekly Operation Reports.
7. EPE (Brazilian Energy Research Office). (2015). Brazilian Energy Balance 2015.
8. Bogdanov, D., & Breyer, C. (2016). North-East Asian Super Grid for 100% renewable energy supply: Optimal mix of energy technologies for electricity, gas and heat supply options. Energy Conversion and Management. (Untuk konteks metodologi).
9. International Renewable Energy Agency (IRENA). (2020). Global Renewables Outlook: Energy transformation 2050. (Untuk data kos dan potensi terkini).
10. Jacobson, M.Z., et al. (2015). 100% clean and renewable wind, water, and sunlight (WWS) all-sector energy roadmaps for 139 countries of the world. Joule. (Untuk metodologi kajian RE 100% perbandingan).