Utafiti huu unawasilisha utafiti wa kipekee wa kuiga mfumo wa nishati unaotatua kila saa, kwa lengo la kufikia ugavi wa nishati mbadala 100% (RE) katika Kusini na Amerika ya Kati ifikapo mwaka 2030. Utafiti huu unashughulikia changamoto mbili za eneo hilo: kudumisha ukuaji wa kiuchumi wakati huo huo kugeuza sehemu yake kubwa ya nishati mbadala (inayoongozwa na nishati ya maji) kuelekea mfumo unaotumia vyanzo mbalimbali, wenye nguvu na endelevu kabisa. Uvumbuzi mkuu upo katika kuunganisha sio umeme tu, bali pia utakaso wa maji na uzalishaji wa gesi asilia bandia (SNG) kupitia teknolojia ya umeme-kwa-gesi (PtG) katika mfano mmoja ulioimarishwa.
2030
Kila Saa
15
4
Utafiti huu unatumia mfano wa uboreshaji wa mstari ili kupunguza gharama ya jumla ya kila mwaka ya mfumo wa nishati uliochanganyika, kwa kuzingatia kukidhi mahitaji ya kila saa ya umeme, maji na gesi.
Mfano huu ni zana ya uboreshaji wa gharama ambayo huamua mchanganyiko bora wa uwezo wa uzalishaji, uhifadhi na usambazaji. Unatumia data ya hali ya hewa ya kihistoria (2005-2009) kwa mnururisho wa jua na kasi ya upepo ili kuzalisha vipengele vya uwezo vya kila saa vya kielektroniki kwa mitambo ya nishati ya jua (PV) na upepo katika maeneo ndogo 15.
Bara liligawanywa katika maeneo ndogo 15 kulingana na mipaka ya kisiasa na miundo ya soko la nishati ili kuiga usambazaji wa rasilimali na mahitaji ya usambazaji kwa usahihi.
Mfano unapata kuwa mfumo wa RE 100% unawezekana kiufundi. Uwezo uliowekeshwa unaongozwa na nishati ya jua (PV) (takriban GW 415) na nishati ya upepo (takriban GW 200), huku nishati ya maji iliyopo (takriban GW 150) ikitoa usawa na uhifadhi. Biomass na nishati ya joto ya dunia huwa na majukumu madogo ya kisaidizi.
Uvumbuzi muhimu ni matumizi ya mabwawa ya maji yaliyopo kama "betri za kielektroniki." Kwa kupeleka nishati ya maji kwa mkakati pamoja na uzalishaji wa jua na upepo, hitaji la teknolojia za ziada za uhifadhi wa kielektronikikemikali au nyingine hupunguzwa kwa kiasi kikubwa. Hii inatumia miundombinu iliyopo kwa utulivu wa mtandao.
Mazingira ya mchanganyiko yanaonyesha "thamani ya mfumo" ya kuunganisha sekta. PtG na utakaso wa maji hufanya kazi kama mizigo ya uhifadhi isiyo ya betri, inayochukua uzalishaji wa ziada wa nishati mbadala na kuboresha matumizi ya mali kwa ujumla, na kusababisha gharama za chini.
Kiini cha mfano ni tatizo la uboreshaji la mstari linalopunguza gharama ya jumla ya kila mwaka $C_{total}$:
$\min C_{total} = \sum_{t,i} (C_{cap,i} \cdot G_{i} + C_{op,i} \cdot g_{i,t}) + \sum_{l} C_{trans,l} \cdot T_l + \sum_s C_{store,s} \cdot S_s$
Kuzingatia:
1. Usawa wa Nishati (kila saa): $\sum_i g_{i,t} + \sum_s (p_{s,t}^{dis} - p_{s,t}^{ch}) + \sum_l I_{l,t} = D_{t}^{elec} + D_{t}^{PtG} + D_{t}^{Desal}$
2. Vikwazo vya Uwezo: $0 \le g_{i,t} \le CF_{i,t} \cdot G_i$
3. Mienendo ya Uhifadhi: $E_{s,t+1} = E_{s,t} + \eta_s^{ch} \cdot p_{s,t}^{ch} - p_{s,t}^{dis} / \eta_s^{dis}$
Ambapo $G_i$ ni uwezo wa teknolojia $i$, $g_{i,t}$ ni uzalishaji wake kwa wakati $t$, $T_l$ ni uwezo wa usambazaji, $S_s$ ni uwezo wa uhifadhi, na $D_t$ inawakilisha mahitaji mbalimbali.
Mawazo muhimu ni pamoja na data ya hali ya hewa ya 2005-2009 kwa VRE, makadirio ya gharama za teknolojia kwa 2030 kutoka kwa fasihi, gharama ya wastani ya uzito wa mtaji (WACC) ya 8%, na makadirio ya mahitaji ya umeme (TWh 1813), maji na gesi.
Maelezo ya Chati (Kulingana na Matokeo ya Kawaida ya Mfano): Chati muhimu ya matokeo ingeonyesha mchanganyiko wa uzalishaji wa umeme wa kila saa kwa mwakati wa kuwakilisha katika Mazingira ya Mchanganyiko (4). Chati ya eneo lililopangwa ingekuwa na wakati (masaa) kwenye mhimili wa x na nguvu (GW) kwenye mhimili wa y. Tabaka zingewakilisha: Nishati ya Jua (PV) (inaonyesha mizunguko mikali ya mchana), Nishati ya Upepo (inayobadilika zaidi, mchana na usiku), Nishati ya Maji (inayofanya kazi kama msingi wa usawa unaobadilika, ikijaza mapengo wakati jua na upepo viko chini), na tabaka nyembamba za biomass/nishati ya joto ya dunia. Mstari wa juu unawakilisha mahitaji ya jumla, ikijumuisha matumizi ya moja kwa moja na mizigo kwa PtG/utakaso wa maji. Chati ingeonyesha kwa macho jinsi usambazaji wa nishati ya maji na mizigo ya sekta zilizounganishwa (PtG/Desal) "inapunguza" vilele vya ziada ya VRE na kujaza mabonde ya upungufu, na kuhakikisha usawa wa kila wakati.
Kesi: Kutathmini Ukusanyaji wa Mtandao dhidi ya Uchanganyiko wa Sekta
Mfumo: Matrix ya uchambuzi wa mhimili mbili inaweza kutumika kulinganisha mazingira manne.
Kupanga Mazingira:
Ufahamu: Kusogea kulia (mtandao bora) hupunguza LCOE. Kusogea juu (kuongeza sekta) hupunguza gharama ya jumla ya mfumo na kuongeza uthabiti. Muundo bora wa mfumo (Mazingira 4) unahitaji uwekezaji katika miundombinu ya usambazaji na teknolojia za kuunganisha sekta mbalimbali.
Ufahamu Mkuu: Utafiti huu sio tu ukaguzi wa uwezekano; ni mpango wa kutumia mali ya kipekee ya Amerika Kusini—nishati kubwa ya maji—kama kiini cha mtandao wa kizazi kijacho wa nishati mbadala uliochanganyika na sekta. Uvumbuzi halisi ni kufafanua upya nishati ya maji kutoka kwa kizalishaji tu hadi kuwa betri ya kielektroniki ya msingi ya kuunda mtandao ya bara, ikipunguza kwa kiasi kikubwa hitaji la uhifadhi mpya wenye gharama kubwa na kuwezesha kuingia kwa kina kwa jua na upepo.
Mtiririko wa Mantiki: Hoja hiyo ni ya kulazimisha: 1) Hatari ya hali ya hewa inafanya mifumo inayotawaliwa na nishati ya maji kuwa isiyoaminika. 2) Eneo hilo lina rasilimali za kiwango cha juu cha ulimwengu za jua/upepo. 3) Tatizo ni kutokuwa thabiti. 4) Suluhisho: Tumia mabwawa ya maji yaliyopo kwa uhifadhi, sio uzalishaji tu. 5) Ziada: Tumia nguvu ya ziada ya nishati mbadala kutengeneza mafuta ya kijani na maji, na kuunda mfumo wa mzunguko wa nishati-maji. Mantiki kutoka tatizo hadi suluhisho la mchanganyiko ni thabiti na inashughulikia mahitaji ya kiuchumi, kiufundi na kukabiliana na hali ya hewa wakati huo huo.
Nguvu na Kasoro: Nguvu ya mfano ni mbinu yake ya jumla, ya kila saa, ya uboreshaji wa gharama na uchanganyiko wa kuvunja kigogo wa PtG/utakaso wa maji—hatua zaidi ya utafiti wengi wa RE 100% ambao huzingatia umeme tu. Hata hivyo, uchambuzi una mapungufu muhimu. WACC ya 8% ni ya matumaini kwa masoko yanayoibuka; uchambuzi wa unyeti na viwango vya juu zaidi (mfano, 10-12%) ni muhimu. Uwezekano wa kisiasa na kisheria wa mtandao mkubwa wa HVDC kote bara ndio tatizo kubwa, lililopitwa na mfano wa kiteknolojia-kiuchumi. Zaidi ya hayo, ingawa kutumia nishati ya maji kama uhifadhi ni busara, inaweza kugongana na haki za maji zilizopo, udhibiti wa mafuriko, na majukumu ya ikolojia—changamoto ya uboreshaji ya malengo mengi ambayo haijagusiwa sana. Utafiti huu, kama wengi katika uwanja huo (mfano, mipango ya Jacobson et al. ya RE 100% kwa Marekani), unafanikiwa katika uwezo wa kiufundi lakini unahitaji utafiti mwenza wenye nguvu juu ya utawala, fedha na leseni ya kijamii.
Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wana sera na huduma za umeme katika eneo hilo, kipaumbele kinapaswa kuwa: 1) Sasisha Utawala wa Nishati ya Maji: Anza kurekebisha sheria za soko la maji na nishati sasa ili kuwezesha mitambo ya nishati ya maji kufanya kazi kwa ustadi kwa huduma za mtandao, sio nishati tu kwa wingi. 2) Jaribu Kuunganisha Sekta: Sekta ya madini ya Chile (inayohitaji maji na nguvu) au vituo vya viwanda vya Brazil ni majaribio kamili kwa miradi ya PtG/utakaso wa maji. 3> Panga Mipito ya Mtandao kwa Mkakati: Badala ya mtandao kamili wa bara, zingatia mipito muhimu ya pande mbili (mfano, Brazil-Uruguay-Argentina kwa upepo) ambayo hujenga uaminifu na kuonyesha faida. 4) Jaribu na Fedha Halisi: Endesha mfano huo na gharama za ufadhili zilizorekebishwa kwa hatari maalum za eneo ili kupata picha halisi ya gharama ya mtaji. Utafiti huu unatoa maono ya kiufundi; hatua inayofuata ni kujenga usanifu wa kisiasa na kifedha ili kuifanya iwe halisi.