Chagua Lugha

Kudhibiti Mabadiliko ya Nguvu ya Upepo na Jua: Njia ya Kufikia Nishati Mbadala 100%

Uchambuzi wa mikakati ya kupunguza mabadiliko ya nguvu ya upepo na jua kupitia uwezo wa ziada, mita zenye akili, na teknolojia bora, kuwezesha usambazaji kamili wa nishati mbadala.
solarledlight.org | PDF Size: 0.3 MB
Ukadiriaji: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Ukadiriaji Wako
Umekadiria waraka huu tayari
Kifuniko cha Waraka PDF - Kudhibiti Mabadiliko ya Nguvu ya Upepo na Jua: Njia ya Kufikia Nishati Mbadala 100%
Tazama Waraka PDF Pakua PDF Tafsiri PDF
Nyumbani » Nyaraka » Kudhibiti Mabadiliko ya Nguvu ya Upepo na Jua: Njia ya Kufikia Nishati Mbadala 100%

1. Utangulizi

Mabadiliko kuelekea nishati mbadala ni muhimu kwa malengo ya hali ya hewa, lakini mabadiliko ya asili ya nguvu ya upepo na jua yanasababisha changamoto ya msingi ya utulivu wa mtandao wa umeme. Karatasi hii inakabiliana na ukosoaji muhimu wa H.-W. Sinn, ambaye alidai kuwa kupunguza mabadiliko haya kungehitaji uwezo wa kuhifadhi maji "kwa kiwango kikubwa zaidi" kuliko kinavyopatikana sasa Ujerumani, na hivyo kuweka nishati mbadala katika nafasi ya pili ikitumikiawa na mitambo ya kawaida. Waandishi wanaonyesha hoja tofauti, wakipendekeza mkakati wa pande tatu—uwezo wa ziada, mita zenye akili, na teknolojia iliyoboreshwa—ili kupunguza kwa kiasi kikubwa mahitaji ya uhifadhi na kuwezesha mfumo wa umeme wa 100% upepo na jua, uwezekano wa kuongezeka ili kukidhi mahitaji makubwa zaidi ya nishati.

2. Tatizo la Mabadiliko na Changamoto ya Sinn

Hasara kuu ya nishati ya upepo na jua ni utegemezi wao kwenye hali ya hewa inayobadilika, na kusababisha pato la nguvu lisilokuwa thabiti. Hii husababisha kutolingana kati ya uzalishaji ($P_v$) na mahitaji ($P_d$). Uchambuzi wa Sinn ulionyesha kiwango kikubwa cha uhifadhi unaohitajika kudhibiti mabadiliko haya, na kuhitimisha kuwa haikuwezekani kiuchumi na kiutendaji, na hivyo kuhitaji mitambo ya mafuta ya kisukuku. Hoja kuu ya karatasi hii ni kukabiliana na hitimisho hili kwa kufafanua upya vigezo vya tatizo.

2.1. Kupima Mabadiliko na Mahitaji ya Uhifadhi

Mabadiliko yanafafanuliwa kama mabadiliko karibu na wastani wa mwaka. Uwezo unaohitajika wa uhifadhi $E_{sf}^{max}$ unafafanuliwa kama tofauti kati ya kiwango cha juu na cha chini cha nguvu ya mabadiliko ya jumla iliyojumuishwa $E_{sf}(t) = E_{vf}(t) - E_{df}(t)$, ambapo $E_{vf}$ na $E_{df}$ ni sehemu zinazobadilika za uzalishaji na mahitaji, mtawalia.

3. Mfumo wa Suluhisho Unapendekezwa

Waandishi wanapendekeza njia ya pande tatu inayoshirikiana ili kupunguza mabadiliko halisi na hivyo kupunguza mahitaji ya uhifadhi yaliyohesabiwa na Sinn.

3.1. Uwezo wa Ziada (Ujenzi wa Kupita Kiasi)

Kuweka uwezo wa upepo na jua zaidi kuliko unahitajika kwa mahitaji ya wastani ($P_{va} > P_{da}$) kuhakikisha kuwa hata wakati wa hali duni, nguvu ya kutosha inazalishwa. Hii inapunguza kina na mzunguko wa upungufu wa uzalishaji, na kusawazisha mkunjo wa $E_{vf}(t)$.

3.2. Mita Zenye Akili na Usimamizi wa Upande wa Mahitaji

Majibu ya mahitaji yenye akili kupitia mita zenye akili huruhusu matumizi ($P_{df$) kusogezwa ili kufanana na vipindi vya uzalishaji wa juu. Hii "kubadilisha umeme" inapunguza kikamilifu mabadiliko ya jumla $P_{sf} = P_{vf} - P_{df}$, kwa ufanisi kutumia mahitaji kama rasilimali ya uhifadhi ya kawaida.

3.3. Uboreshaji wa Teknolojia: Turbini za Upepo Dhaifu na Paneli za Jua za Mwangaza Dhaifu

Kuendelea zaidi ya vifaa vya kawaida vilivyoboreshwa kwa ufanisi. Kwa kutumia turbini zilizoundwa kwa kasi ya chini ya upepo na paneli za jua zenye ufanisi chini ya mwangaza dhaifu (k.m., seli za perovskite au zenye nyuso mbili) kupanua wasifu wa uzalishaji, kupunguza vipindi vya pato sifuri na kufanya uzalishaji kuwa wa kutabirika zaidi na usio na "mikunjo mikali."

4. Mfumo wa Hisabati na Matokeo

Uchambuzi unategemea mfano wazi wa hisabati unaotumika kwa data halisi ya mtandao wa Ujerumani wa 2019.

4.1. Milinganyo ya Usawa wa Nguvu

Milinganyo ya msingi inayodhibiti mfumo ni: $$P_{va} = P_{da}$$ $$P_{sf} = P_{vf} - P_{df}$$ Nishati ya uhifadhi ni jumla: $E_{sf}(t) = \int_0^t P_{sf} \, dt = E_{vf}(t) - E_{df}(t)$. Kipimo muhimu ni uwezo unaohitajika wa uhifadhi: $E_{sf}^{max} = \max_t\{E_{sf}(t)\} - \min_t\{E_{sf}(t)\}$.

4.2. Uchambuzi wa Upimaji na Utumizi wa Data ya 2019

Kutumia data ya 2019: $P_{da} = 56.4$ GW, $\hat{P}_{va} = 18.9$ GW. Ili kukidhi mahitaji kwa upepo na jua pekee, uzalishaji unapimwa kwa kipengele $s = P_{da} / \hat{P}_{va} \approx 3$. Dhana kuu ni kwamba muundo wa mabadiliko unapimwa kwa mstari. Kutumia mikakati mitatu iliyopendekezwa ndani ya mfano huu uliopimwa inaonyesha kupungua kwa kiasi kikubwa kwenye $E_{sf}^{max}$ iliyohesabiwa ikilinganishwa na msingi wa Sinn, ikionyesha uwezekano.

Kipengele Muhimu cha Data (2019, Ujerumani)

Mahitaji ya Wastani ya Umeme ($P_{da}$): 56.4 GW

Uzalishaji wa Wastani Unaobadilika ($\hat{P}_{va}$): 18.9 GW

Kipengele cha Upimaji Kinachohitajika ($s$): ~3.0

5. Uchambuzi Muhimu na Mtazamo wa Sekta

Ufahamu wa Msingi

Karatasi ya Lustfeld sio tu kukataa kiufundi; ni mabadiliko ya kimkakati kutoka kwa mtazamo unaozingatia uhifadhi hadi mtazamo wa uhandisi wa mifumo katika kupunguza kaboni ya mtandao. Mafanikio halisi ni kutambua kwamba tatizo sio tu kusawazisha usambazaji unaobadilika, lakini kusimamia kwa nguvu uhusiano kati ya usambazaji na mahitaji. Hii inafanana na kanuni za kisasa za usanifu wa mtandao kutoka taasisi kama Taasisi ya Kitaifa ya Nishati Mbadala ya Marekani (NREL), ambayo inasisitiza "mifumo mseto" na kubadilika.

Mtiririko wa Mantiki na Nguvu

Mantiki inavutia: 1) Kubali hesabu ya uhifadhi ya Sinn inayochosha. 2) Tambulisha viwango vitatu visivyo vya uhifadhi (ujenzi wa kupita kiasi, mahitaji yenye akili, teknolojia bora). 3) Onyesha kihisabati jinsi viwango hivi vinavyopunguza moja kwa moja pengo la uhifadhi. Nguvu yake iko katika kutumia data halisi, ya kina (dakika 15) ya Ujerumani—kesi ya kuingizwa kwa nishati mbadala—na kufanya uchambuzi kuwa wa kuaminika. Mwelekeo wa uchaguzi wa teknolojia (turbini za upepo dhaifu) ni mzuri hasa, kuendelea zaidi ya miundo ya kifedha hadi uvumbuzi wa vifaa.

Kasoro na Mapungufu

Hata hivyo, karatasi hii ina mapungufu makubwa. Kwanza, dhana ya upimaji wa mstari ni urahisishaji mkubwa. Kuweka uwezo wa mara 3 hautaongeza tu muundo wa pato mara tatu; utofautishaji wa kijiografia na msongamano wa mtandao utasababisha athari zisizo za mstari. Pili, inapunguza makisio ya gharama za ujumuishaji. Ujenzi wa kupita kiasi husababisha kupunguzwa kwa kiasi kikubwa wakati wa uzalishaji wa kilele, na kuharibu uchumi wa mali isipokuwa ikiunganishwa na uhifadhi wa bei nafuu sana au uzalishaji wa hidrojeni—jambo lililosisitizwa katika tafiti za hivi karibuni za MIT na Princeton Net-Zero America. Tatu, uwezekano wa kijamii na wa kisheria wa usimamizi wa kina wa upande wa mahitaji haujaelezewa vizuri.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa

Kwa wanaoanzisha sera na wawekezaji, hitimisho ni wazi: Acha kuzingatia uhifadhi pekee. Njia ya mchanganyiko ni muhimu:

  • Tengeneza Sera za Kubadilika: Amuru uanzishwaji wa mita zenye akili na uunde soko la majibu ya mahitaji, kama mifano ya Uingereza au California.
  • Wekeza Katika Teknolojia Maalum: Fadhili Utafiti na Uendelezaji kwa jua la mwangaza dhaifu na turbini za upepo dhaifu, sio tu mafanikio ya ziada ya ufanisi katika mifano ya kawaida.
  • Panga Kwa Ujenzi wa Kupita Kiasi na Kupunguzwa: Unganisha vifaa vya uzalishaji wa "hidrojeni kijani" kama sehemu ya kukusanya uzalishaji wa ziada wa nishati mbadala, na kugeuza gharama kuwa chanzo cha mapato.
Thamani ya mwisho ya karatasi hii ni kama mwongozo wa usanifu wa mfumo, sio kikokotoo sahihi. Inatambua vyema viungo muhimu, hata kama uwiano wao halisi unahitaji uboreshaji zaidi.

6. Maelezo ya Kiufundi na Ufahamu wa Majaribio

Uchambuzi unategemea kugawanya data ya nguvu katika sehemu za wastani na zinazobadilika. Kielelezo 1 katika karatasi (kimetajwa lakini hakionyeshwa hapa) kwa kawaida kingeonyesha nishati ya mabadiliko iliyojumuishwa $E_{df}(t)$ kwa mahitaji kwa muda, ikionyesha mkengeuko wa jumla kutoka kwa wastani. "Uhifadhi unaohitajika" $E_{sf}^{max}$ kwa macho ni umbali wa wima kati ya kilele na mwendo wa chini wa mkunjo wa nishati ya mabadiliko ya jumla $E_{sf}(t)$ baada ya kutumia upimaji na marekebisho ya mkakati. Matokeo yanaonyesha kuwa kwa hatua zilizopendekezwa, umbali huu wa kilele-hadi-mwendo wa chini—na hivyo uwezo wa uhifadhi unaohitajika—ni mdogo sana kuliko katika hali ya kawaida ya kufanana na mabadiliko.

7. Mfumo wa Uchambuzi: Mfano Rahisi wa Utafiti

Hali: Mtandao wa kikanda wenye mahitaji ya wastani ya 1 GW. Uzalishaji wa kihistoria unaobadilika una wastani wa 0.4 GW na mabadiliko makubwa. Njia ya Kawaida (Sinn): Pima uzalishaji hadi 1 GW. Mabadiliko ya jumla yanayotokana $E_{sf}(t)$ ni makubwa, na yanahitaji uhifadhi mkubwa. Njia Iliyounganishwa (Lustfeld): 1. Ujenzi wa Kupita Kiasi: Sakinisha uwezo wa 2.5 GW. Uzalishaji wa wastani unakuwa >1 GW, na kusawazisha mkunjo wa $E_{vf}$. 2. Mahitaji Yenye Akili: Badilisha 0.2 GW ya mzigo wa viwanda (k.m., kuchaji gari la umeme, kupasha maji moto) hadi saa za uzalishaji wa kilele, na kupunguza $P_{df}$ wakati wa mwendo wa chini. 3. Teknolojia Bora: Tumia turbini zinazozalisha kwa kiwango cha uwezo cha 15% katika upepo dhaifu dhidi ya 5% kwa zile za kawaida, na kuondoa baadhi ya mapungufu ya uzalishaji. Matokeo: Mkunjo wa $E_{sf}(t)$ ulioboreshwa una amplitude iliyopunguzwa kwa kiasi kikubwa. $E_{sf}^{max}$ iliyohesabiwa inaweza kuwa chini ya 60-70% kuliko katika njia ya kawaida, na kuonyesha kanuni bila uigizaji tata.

8. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo wa Utafiti

Mfumo huu unafungua njia kadhaa muhimu:

  • Mifumo ya Nishati Nyingi: Kutumia mantiki hii kwa kuunganisha sekta—kutumia umeme wa ziada kwa joto (umeme-kwa-joto), usafiri (gari la umeme), na uzalishaji wa hidrojeni (umeme-kwa-gesi). Hii inaunda mahitaji yanayobadilika ambayo yanaweza kukamata uzalishaji wa ziada.
  • Usambazaji Unaoboreshwa na Akili Bandia: Kuunganisha ujifunzaji wa mashine (sawa na mbinu zinazotumika katika kuongeza ufanisi wa mifumo mingine tata kama ile ya fizikia ya kompyuta) kutabiri uzalishaji na bei ya majibu ya mahitaji kwa wakati halisi.
  • Uboreshaji wa Mchanganyiko wa Kijiografia na Teknolojia: Kupanua mfano ili kuongeza ufanisi wa mchanganyiko wa upepo wa nchi kavu/bahari, jua PV, CSP, na uwekaji wa turbini za upepo dhaifu kote Ulaya ili kupunguza mabadiliko ya kiwango cha bara.
  • Ujumuishaji wa Uhifadhi wa Muda Mrefu: Kuunganisha njia hii na uhifadhi wa muda mrefu unaokuja (k.m., betri za mtiririko, hewa iliyobanwa) kushughulikia mabadiliko ya mabaki, ya siku nyingi.
Hatua inayofuata ya uthibitisho, kama waandishi wanavyosema, ni uchambuzi wa miaka mingi na uigizaji wa hali ya juu unaojumuisha vikwazo vya usafirishaji na data ya kina ya utendaji wa teknolojia.

9. Marejeo

  1. Sinn, H.-W. (2017). Buffering volatility: A study on the limits of Germany's energy revolution. European Economic Review, 99, 130-156.
  2. German Federal Ministry for Economic Affairs and Energy. (2020). Energy Storage Monitoring Report.
  3. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (ISE). (2020). Energy Charts [Data set]. Retrieved from https://www.energy-charts.de
  4. International Energy Agency (IEA). (2020). World Energy Outlook 2020. Paris: IEA Publications.
  5. National Renewable Energy Laboratory (NREL). (2021). Hybrid Renewable Energy Systems. Retrieved from https://www.nrel.gov/research/hybrid-systems.html
  6. Jenkins, J. D., Luke, M., & Thermstrom, S. (2018). Getting to Zero Carbon Emissions in the Electric Power Sector. Joule, 2(12), 2498-2510.
  7. MIT Energy Initiative. (2019). The Future of Energy Storage.