Nishati ya Maji, Upepo na Jua kwa Ugavi wa Nishati Mbadala 100% Kusini na Amerika ya Kati

Yaliyomo

1. Utangulizi na Muhtasari

Utafiti huu unawasilisha utafiti wa kipekee wa mfano wa mfumo wa nishati uliotatuliwa kwa saa, kwa ajili ya kufikia ugavi wa nishati mbadala 100% (RE) kote Kusini na Amerika ya Kati ifikapo 2030. Kanda hiyo, ingawa kwa sasa inajivunia mchanganyiko wa umeme wenye uchafuzi mdogo zaidi duniani kwa sababu ya kuingiliana kwa nishati ya maji, inakabiliwa na changamoto kubwa kutokana na mabadiliko ya hali ya hewa yanayotishia rasilimali za maji. Utafiti huu unachunguza uwezekano wa kiufundi na kiuchumi wa kuhama kwenye mfumo unaotawaliwa na nishati ya maji, upepo na nishati ya jua (PV), ikisaidiwa na teknolojia zinazowezesha kama usafirishaji wa mkondo wa moja kwa moja wa voltage ya juu (HVDC) na umeme-kwa-gesi (PtG).

2. Mbinu na Mazingira ya Utafiti

2.1. Mfano wa Nishati na Mgawanyiko wa Kanda

Uchambuzi hutumia mfano wa uboreshaji wa mstari ili kupunguza gharama ya jumla ya mfumo kwa mwaka. Eneo la kijiografia limegawanywa katika kanda ndogo 15 zilizounganishwa, na kukuruhusu kuiga ubadilishanaji wa nishati. Mfano huo unatokana na utenguzi wa saa kwa mwaka mmoja wa kumbukumbu, ukichukua mabadiliko ya vyanzo vya nishati mbadala.

2.2. Mazingira ya Utafiti Yaliyobainishwa

Mazingira manne makuu yalitengenezwa ili kukadiria athari ya miundombinu na kuunganisha sekta:

• Mazingira ya 1 (Kanda): Mtandao mdogo wa HVDC, hasa ndani ya kanda ndogo kubwa.
• Mazingira ya 2 (Nchi): Miunganisho iliyoboreshwa ya HVDC ndani ya nchi.
• Mazingira ya 3 (Kanda Nzima): Uchanganyaji kamili wa mtandao wa HVDC kote kanda ndogo 15.
• Mazingira ya 4 (Iliyochanganywa): Inajenga juu ya Mazingira ya 3, na kuongeza mahitaji ya umeme kwa ajili ya utakaso wa maji ya bahari (bilioni 3.9 m³) na uzalishaji wa gesi asilia ya sintetiki (SNG) kupitia PtG (640 TWh_LHV).

2.3. Uchanganyaji wa Utakaso wa Maji ya Bahari na Umeme-kwa-Gesi

Mazingira yaliyochanganywa ni uvumbuzi muhimu, na kuendelea zaidi ya ugavi wa umeme safi. Inashughulikia uhaba wa maji kupitia utakaso wa maji ya bahari na hutoa mafuta yasiyo na kaboni (SNG) kwa michakato ya viwanda ambayo ni vigumu kutumia umeme, ikitumia umeme wa ziada wa nishati mbadala ambao ungekataliwa.

3. Matokeo Muhimu na Uvumbuzi

3.1. Mchanganyiko wa Nishati na Uwezo

Mchanganyiko bora unatawaliwa na nishati ya jua PV (~50-60% ya uzalishaji), ikifuatiwa na nishati ya upepo (~20-30%), na nishati ya maji (~10-20%). Uwezo uliopo wa nishati ya maji una jukumu muhimu sio tu katika uzalishaji, lakini muhimu zaidi, katika kutoa mabadiliko.

3.2. Uchambuzi wa Gharama: LCOE, LCOG, LCOW

Kukusanywa kwa mtandao kunapunguza gharama. LCOE hupungua kutoka 62 €/MWh katika mazingira ya kusambazwa (Kanda) hadi 56 €/MWh katika mazingira ya kukusanywa kabisa (Kanda Nzima). Mazingira yaliyochanganywa hutoa SNG na maji yaliyotakaswa kwa gharama zilizotajwa, na kuonyesha uwezekano wa kiuchumi wa kuunganisha sekta.

3.3. Jukumu la Nishati ya Maji kama Hifadhi ya Mtandaoni

Uvumbuzi muhimu ni matumizi ya madamu ya maji yaliyopo kama "betri za mtandaoni." Kwa kusambaza nishati ya maji kwa mkakati pamoja na uzalishaji wa jua na upepo, hitaji la hifadhi ya ziada ya kikemikali ya umeme hupunguzwa sana. Hii inatumia gharama za miundombinu iliyotumika kwa faida kubwa ya utulivu wa mtandao.

3.4. Faida za Uchanganyaji wa Mfumo

Kuchanganya utakaso wa maji ya bahari na PtG kunasababisha kupunguzwa kwa 5% kwa uzalishaji wa umeme unaohitajika na kupunguzwa kwa 8% kwa gharama ya jumla ya mfumo. Hii inafikiwa kwa kutumia nishati mbadala ambayo ingekataliwa, na kuboresha matumizi ya jumla ya mfumo na uchumi.

4. Maelezo ya Kiufundi na Mfumo wa Hisabati

Kiini cha mfano huo ni tatizo la kupunguza gharama. Kazi ya lengo hupunguza gharama ya jumla ya mwaka $C_{total}$:

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

Kulingana na vikwazo vya:

• Usawa wa Nishati: $\sum_{tech} Gen_{t,r,tech} + \sum_{r2} Trans_{t, r2, r} = Demand_{t,r} + \sum_{r2} Trans_{t, r, r2} + Storage_{out, t, r} - Storage_{in, t, r}$ kwa saa zote $t$, mikoa $r$.
• Vikomo vya Uwezo: $Gen_{t,r,tech} \leq CF_{t,r,tech} \cdot Cap_{r, tech}$ ambapo $CF$ ni kipengele cha uwezo cha saa.
• Mienendo ya Hifadhi: $E_{t+1, r} = E_{t, r} + \eta_{in} \cdot Storage_{in, t, r} - \frac{1}{\eta_{out}} \cdot Storage_{out, t, r}$
• Usimamizi wa Bwawa la Maji: Vikwazo vinavyoiga mtiririko wa maji, mipaka ya hifadhi, na mtiririko wa chini wa mazingira.

Mchakato wa PtG unaigwa kwa ufanisi $\eta_{PtG}$ (mfano, ~58% kwa SNG), na kuunganisha pembejeo ya umeme $E_{in}$ na pato la gesi $G_{out}$: $G_{out} = \eta_{PtG} \cdot E_{in}$.

5. Matokeo ya Majaribio na Maelezo ya Chati

Chati 1: Uwezo Uliowekwa Kulingana na Mazingira
Chati ya baa iliyokusanywa ingeonyesha GW ya uwezo kwa jua PV, upepo, maji, na turbine za gesi (kwa ajili ya dhamana katika baadhi ya mazingira) katika mazingira manne. Mazingira ya "Iliyochanganywa" yanaonyesha uwezo wa jumla wa juu zaidi kwa sababu ya mahitaji ya ziada kutoka kwa PtG.

Chati 2: Profaili ya Uzalishaji wa Saa kwa Kanda Ndogo ya Mwakilishi (mfano, Kusini-Mashariki mwa Brazil)
Chati ya mistari mingi kwa muda wa wiki moja ingeonyesha uzalishaji wa nishati ya maji ukisawazisha vipeo vikubwa vya mchana kutoka kwa jua PV na pato la kutofautiana zaidi kutoka kwa upepo. Athari ya "betri ya mtandaoni" inaonekana wazi kwa macho wakati uzalishaji wa maji unapungua wakati wa kipindi cha jua/upepo na kuongezeka usiku au wakati wa utulivu.

Chati 3: Mgawanyiko wa Gharama ya Mfumo
Chati ya pai kwa Mazingira Iliyochanganywa inaonyesha sehemu ya gharama ya jumla ya mwaka inayohusishwa na: CAPEX & OPEX ya Jua PV, CAPEX & OPEX ya Upepo, Mtandao wa HVDC, Mitambo ya Umeme-kwa-Gesi, na Mitambo ya Utakaso wa Maji ya Bahari. Hii inasisitiza hali ya mtindo wa mpito yenye gharama kubwa ya mtaji.

6. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Utafiti wa Mazingira

Kesi: Kutathmini Upanuzi wa Mtandao dhidi ya Hifadhi ya Ndani
Kampuni ya huduma nchini Chile (jua nyingi) inazingatia ikiwa itawekeza katika laini mpya ya HVDC hadi Argentina (upepo/maji ya ziada) au kujenga shamba kubwa la betri.

Utumiaji wa Mfumo:
1. Bainisha Nodi: Chile (Nodi A), Argentina (Nodi B).
2. Ingiza Data: CF ya jua kwa saa kwa A, CF ya upepo/maji kwa saa kwa B, profaili za mahitaji, gharama za mtaji kwa laini ya HVDC ($/MW-km) na betri ($/kWh).
3. Endesha Aina za Mfano:
- Aina ya 1 (Iliyotengwa): Nodi A lazima ikutane na mahitaji yake ndani, na kuhitaji uwezo mkubwa wa betri kufunika usiku.
- Aina ya 2 (Iliyounganishwa): Nodi A na B zimeunganishwa na laini ya HVDC yenye uwezo uliobainishwa. Jua la ziada kutoka A linaweza kutumwa hadi B wakati wa mchana; usiku, maji/upepo kutoka B wanaweza kusambaza A.
4. Boresha na Linganisha: Mfano huo hupunguza gharama ya jumla ya aina zote mbili. Matokeo kwa kawaida yanaonyesha kuwa hata kwa gharama za usafirishaji, Aina ya 2 ni nafuu kwa sababu ya hitaji la kupunguzwa kwa hifadhi ya gharama kubwa katika A na matumizi bora ya maji yaliyopo yanayobadilika katika B. Hii inafanana na uvumbuzi wa msingi wa utafiti kuhusu thamani ya usafirishaji.

7. Uchambuzi Muhimu na Tafsiri ya Wataalamu

Uelewa wa Msingi: Utafiti huu sio tu ndoto ya kijani kibichi; ni mpango wa uhandisi wenye nguvu unaofunua thamani ya kifedha na ya kimkakati iliyofichwa katika miundombinu ya maji iliyopo Amerika Kusini. Mafanikio halisi ni kuweka upya madamu ya maji sio kama vizuizi tu, lakini kama wasawazishaji wa mtandao wa kiwango cha bara, bila gharama ya ziada—"betri ya mtandaoni" ambayo inaweza kuokoa mabilioni ya dola katika uwekezaji mpya wa hifadhi. Hii inageuza udhaifu wa hali ya hewa (mabadiliko ya maji) kuwa msingi wa ustahimilivu.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja hiyo ni ya mstari yenye mvuto: 1) Nishati mbadala zinazobadilika (jua/upepo) sasa ndizo vyanzo vya bei nafuu zaidi. 2) Kutokuwa na thabiti kwao ndio tatizo kuu. 3) Amerika Kusini ina suluhisho la kipekee, lililolipwa mapema—kundi lake kubwa la maji—ambalo linaweza kuwa bora tena kwa kidijitali kwa ajili ya uendeshaji wa kwanza wa hifadhi. 4) Kuongeza "nyuzi" za HVDC kati ya mikoa inayosaidiana (mfano, Patagonia yenye upepo hadi Kaskazini-Mashariki mwa Brazil yenye jua) huunda athari ya betri ya kijiografia, na kupunguza zaidi gharama. 5) Hatimaye, kutumia elektroni za ziada za nishati mbadala kutengeneza molekuli (gesi) na maji inashughulikia matatizo ya karibu ya viwanda na uhaba ya mabilioni ya dola, na kuunda mzunguko mzuri wa kiuchumi.

Nguvu na Kasoro:
Nguvu: Uigaji wa saa ni wa kisasa na hauwezi kubadilishwa kwa ajili ya utafiti wa kuaminika wa RE. Kuunganisha sekta (PtG, utakaso wa maji ya bahari) huenda zaidi ya mazoezi ya kitaaluma hadi umuhimu wa sera ya ulimwengu wa kweli. Kutumia maji yaliyopo ni wazo bora la fikra za vitendo.
Kasoro: Uzuri wa mfano huo unaficha vikwazo vikali vya kisiasa na vya kisheria. Kujenga mitandao ya HVDC inayovuka bara inahusisha majanga ya utawala sawa na mapambano ya EU. Ratiba ya 2030 ni ya matumaini sana kwa ajili ya fedha za mradi na kiwango cha kibali cha ukubwa huu. Pia inadhania kibali cha kijamii kwa miundombinu mikuu mipya, ambayo inapingwa zaidi. Makadirio ya gharama, ingawa yanarejelea 2015, yanahitaji sasisho la haraka baada ya mfumuko wa bei na mshtuko wa mnyororo wa usambazaji wa 2022.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa:
1. Kwa Wadhibiti: Mara moja rekebisha miundo ya soko la umeme ili kulipa fidia kwa mabadiliko na uwezo (sio tu nishati). Waendeshaji wa maji wanapaswa kulipwa kwa "huduma za usawa" sawa na betri.
2. Kwa Wawekezaji: Fursa kubwa zaidi ya karibuni sio katika mashamba mapya ya jua—ni katika kidijitali na mifumo ya udhibiti kwa ajili ya nishati ya maji iliyopo ili kuongeza mapato yao ya usawa wa mtandao.
3. Kwa Serikali: Anza na mikataba ya "daraja la nishati" ya pande mbili (mfano, Chile-Argentina) kama miradi ya majaribio. Lengo la R&D ni kupunguza CAPEX ya kioliza cha PtG, kwani hii ndio kiini cha mazingira yaliyochanganywa.
4. Njia Muhimu: Kipengele kimoja muhimu zaidi cha mafanikio ni usafirishaji. Bila hiyo, betri ya mtandaoni inabaki kugawanyika. Mpango wa Mtandao wa Pan-American, ulioigwa kwenye TEN-E ya Ulaya, lazima iwe kipaumbele cha juu cha kidiplomasia.

8. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

• Uhamasishaji wa Hidrojeni ya Kijani: Sehemu ya PtG ya mfano inaweza kupanuliwa ili kuiga uzalishaji wa kiwango kikubwa wa hidrojeni ya kijani kwa ajili ya kusafirishwa hadi Ulaya na Asia, na kubadilisha Amerika Kusini kuwa nguvu ya nishati mbadala.
• Uigaji wa Ustahimilivu wa Hali ya Hewa: Kazi ya baadaye lazima ichanganye zaidi mifano ya hali ya hewa ili kujaribu mfumo dhidi ya mabadiliko yanayotarajiwa katika mizunguko ya maji na mifumo ya upepo.
• Uchanganyaji wa Rasilimali za Nishati Zilizosambazwa (DERs): Kujumuisha jua la paa, hifadhi ya nyuma ya mita, na kuchaji gari la umeme ndani ya mfano ili kuelewa athari yao kwenye upangaji wa mtandao wa kati.
• Uthaminishaji wa Hifadhi ya Juu: Uchambuzi wa kina wa thamani ya kiuchumi inayotolewa na mabadiliko ya nishati ya maji, na kuunda vipimo vya kawaida ili kuvutia uwekezaji kwa ajili ya kisasa.
• Uigaji wa Sera na Soko: Kuunganisha mfano wa kiteknolojia na kiuchumi na mifano ya msimamizi ili kuiga mifumo ya udhibiti, tabia ya uwekezaji, na makubaliano ya biashara ya umeme ya njia ya mpaka.

9. Marejeo

1. Benki ya Dunia. (2016). Viashiria vya Maendeleo ya Dunia. Ukuaji wa GDP (asilimia ya mwaka).
2. Shirika la Nishati la Kimataifa (IEA). (2014). Mtazamo wa Nishati ya Dunia 2014.
3. Shirika la Nishati la Kimataifa (IEA). (2015). Takwimu Muhimu za Nishati ya Dunia 2015.
4. Idara ya Habari ya Nishati ya Marekani (EIA). (2015). Takwimu za Nishati ya Kimataifa.
5. de Jong, P., et al. (2015). Nishati ya maji, mabadiliko ya hali ya hewa na kutokuwa na hakika nchini Brazil. Mapitio ya Nishati Mbadala na Endelevu.
6. ONS (Mwendeshaji wa Mtandao wa Kitaifa wa Brazil). (2015). Ripoti za Uendeshaji za Wiki.
7. EPE (Ofisi ya Utafiti wa Nishati ya Brazil). (2015). Usawa wa Nishati wa Brazil 2015.
8. Bogdanov, D., & Breyer, C. (2016). Mtandao Mkuu wa Asia ya Kaskazini-Mashariki kwa ugavi wa nishati mbadala 100%: Mchanganyiko bora wa teknolojia za nishati kwa chaguzi za ugavi wa umeme, gesi na joto. Usimamizi wa Ubadilishaji wa Nishati. (Kwa muktadha wa mbinu).
9. Shirika la Kimataifa la Nishati Mbadala (IRENA). (2020). Mtazamo wa Nishati Mbadala ya Ulimwengu: Mabadiliko ya nishati 2050. (Kwa data ya gharama na uwezo iliyosasishwa).
10. Jacobson, M.Z., et al. (2015). 100% safi na nishati mbadala ya upepo, maji, na mwanga wa jua (WWS) ramani za njia za nishati ya sekta zote kwa nchi 139 za ulimwengu. Joule. (Kwa mbinu ya utafiti wa kulinganisha wa RE 100%).