Door Devonie McCamey
Een snelle scan van recente energiegerelateerde krantenkoppen en aankondigingen uit de sector laat een toenemende belangstelling voor hybrides zien – en dan hebben we het niet over auto’s.
Hybride hernieuwbare energiesystemen combineren meerdere technologieën voor hernieuwbare energie en/of energieopslag in één enkele installatie, en vertegenwoordigen een belangrijke subset van het bredere universum van hybride systemen. Deze geïntegreerde energiesystemen worden steeds meer geprezen als de sleutel tot het ontsluiten van maximale efficiëntie en kostenbesparingen in toekomstige koolstofarme netwerken – maar een groeiende verzameling analyses van het National Renewable Energy Laboratory (NREL) geeft aan dat er nog steeds uitdagingen zijn bij het evalueren van de voordelen van hybriden met de gebruikte tools. om deze toekomstige netwerken te helpen plannen.
Bij het vergelijken van hybrides met op zichzelf staande alternatieven is het belangrijk om vragen te beantwoorden als: is het altijd voordelig om hernieuwbare technologieën en opslagtechnologieën te combineren, in plaats van elke technologie daar te plaatsen waar hun individuele bijdrage aan het elektriciteitsnet kan worden gemaximaliseerd? Of zijn alleen bepaalde hybride ontwerpen nuttig? Representeert de energieonderzoeksgemeenschap consequent de kenmerken van hybriden in energiesysteemmodellen? En gebruiken we gemeenschappelijke definities bij het bestuderen van hybriden en hun potentiële impact?
Het omdraaien van een Magic 8-Ball kan het volgende antwoord oproepen: Concentreer je en vraag het opnieuw.
"Bij NREL werken we eraan om hybride systemen op een meer genuanceerde, gedetailleerde manier in onze modellen weer te geven om te proberen deze vragen te beantwoorden - en uiteindelijk de stand van de modellering te bevorderen om consistentie te garanderen in de manier waarop hybriden worden behandeld in verschillende tools", aldus Caitlin Murphy, senior analist van NREL en hoofdauteur van verschillende recente onderzoeken naar hybride systemen. “Met de groeiende belangstelling voor deze systemen die op veel verschillende manieren kunnen worden ontworpen en gedimensioneerd, is het van cruciaal belang om de waarde te bepalen die ze aan het elektriciteitsnet leveren – in de vorm van energie, capaciteit en ondersteunende diensten – vooral in relatie tot de inzet van elke technologie afzonderlijk. .”
De resultaten van dit oeuvre laten enkele hiaten zien tussen wat verschillende modellen laten zien en wat velen in de energiegemeenschap – misschien voorbarig – hebben verkondigd als het gaat om de waarde van hybride systemen voor het toekomstige elektriciteitsnet.
“Hybridisering schept kansen en uitdagingen voor het ontwerp, de werking en de regulering van energiemarkten en -beleid – en de huidige gegevens, methoden en analyse-instrumenten zijn onvoldoende om de kosten, waarde en systeemimpact van hybride energiesystemen volledig weer te geven”, aldus Paul. Denholm, hoofdenergieanalist en co-auteur van NREL. “Uiteindelijk wijst ons onderzoek op een behoefte aan meer coördinatie binnen de onderzoeksgemeenschap en met de industrie, om consistentie en samenwerking te bevorderen terwijl we aan antwoorden werken.”
Ten eerste: wat bedoelen we als we het over hybride systemen hebben? NREL stelt een taxonomie voor om af te bakenen wat een systeem tot een echte hybride maakt
Het vinden van antwoorden begint met het spreken van dezelfde taal. Om onderzoekers te helpen op weg naar een gedeeld vocabulaire rond systemen die duurzame energie- en opslagtechnologieën met elkaar verbinden, publiceerden Murphy en collega-NREL-analisten Anna Schleifer en Kelly Eurek een papier een nieuwe taxonomie voorstellen.
Schematische weergave van verschillende voorgestelde technologiecombinaties voor hybride energiesystemen. Uit het literatuuronderzoek van NREL kwamen verschillende voorgestelde technologiecombinaties naar voren. Blauwe knooppunten vertegenwoordigen technologieën voor variabele hernieuwbare energie (VRE), groene knooppunten vertegenwoordigen typen technologie voor energieopslag, en oranje knooppunten vertegenwoordigen minder variabele technologieën of systemen voor hernieuwbare energie (RE); bogen geven technologieparen aan die in de literatuur zijn voorgesteld. PV: fotovoltaïsch; RoR: rivierloop; HESS: hybride energieopslagsysteem; CSP + WKO: concentratie van zonne-energie met thermische energieopslag; Het pictogram voor mechanische opslag omvat energieopslag met perslucht en vliegwielen, die beide uiteindelijk de opgeslagen energie omzetten in elektriciteit. Bron: "Een taxonomie van systemen die hernieuwbare energie op nutsschaal en energieopslagtechnologieën combineren"
"Ons vermogen om de potentiële impact van hybriden te kwantificeren zou kunnen worden belemmerd door een inconsistente behandeling van deze systemen, evenals door een onvolledig begrip van welke aspecten van hybridisatie de grootste invloed zullen hebben," zei Murphy. “Uiteindelijk hopen we dat onze voorgestelde taxonomie de consistentie zal bevorderen in de manier waarop de energiegemeenschap denkt over de kosten, waarden en mogelijkheden van hybrides en deze evalueert.”
Na een grondig literatuuronderzoek ontwikkelde het team een nieuw organisatieschema voor systemen op nutsschaal die technologieën voor hernieuwbare energie en energieopslag combineren – waarvan slechts een subset echt ‘hybriden’ kan worden genoemd. Ze kwamen met drie categorieën op basis van de vraag of de systemen locatie- of operationele koppelingen omvatten, of beide.
“We ontdekten dat technologiecombinaties geen zinvolle afbakening vormen tussen hybriden en niet-hybriden – de aard van de koppelingen zijn belangrijkere verschillen”, aldus Murphy.
De resulterende categorieën kunnen beleidsoverwegingen helpen onderbouwen, omdat ze systeemkenmerken definiëren die bestaande vergunningen, locatiebepaling, interconnectieprocessen en beleidsimplementaties in gevaar kunnen brengen. De taxonomie is ook nuttig bij het informeren van modelontwikkelingsinspanningen, omdat de categorieën de unieke kenmerken identificeren die moeten worden weerspiegeld om hybride systemen adequaat in een model weer te geven - inclusief de effecten van de koppelingen op zowel de kosten van een project als de waarden die het kan opleveren voor de samenleving. rooster.
Dat is waar de volgende reeks analyses van NREL van pas komt.
In een reeks recente rapporten hebben NREL-analisten zich verdiept in een reeks technologiecombinaties en koppelingen die consistent zijn met een echt hybride systeem: het co-optimaliseren van het ontwerp en de zelfplanning van gekoppelde technologieën om de netto economische voordelen te maximaliseren.
Om dit te doen heeft NREL hybride systemen gemodelleerd met behulp van drie verschillende tools die ten grondslag liggen aan veel van de toekomstgerichte onderzoeken naar energiesystemen van het laboratorium. Deze analyses richten zich op DC-gekoppelde fotovoltaïsche zonne-energie en batterij-energieopslag (PV+batterij) hybriden, die steeds vaker worden voorgesteld voor het energiesysteem.
Kunnen we de manier verbeteren waarop capaciteitsuitbreidingsmodellen de waarde van PV+batterijhybriden beoordelen? "Tekenen wijzen op ja."
Het combineren van PV- en batterijtechnologieën in één enkel hybride systeem zou de kosten kunnen verlagen en de energieopbrengst kunnen verhogen ten opzichte van afzonderlijke systemen. Maar voor een nauwkeurige beoordeling van het marktpotentieel van PV+batterijsystemen zijn verbeterde methoden nodig voor het schatten van de kosten- en waardebijdrage in modellen voor capaciteitsuitbreiding, inclusief modellen die gebruik van nutsvoorzieningen voor geïntegreerde resourceplanning.
In Vertegenwoordiging van DC-gekoppelde PV+batterij-hybriden in een capaciteitsuitbreidingsmodel, Eurek, Murphy en Schleifer werkten samen met collega-NREL-analisten Wesley Cole, Will Frazier en Patrick Brown om een nieuwe methode te demonstreren voor het opnemen van PV+batterijsystemen in de openbaar beschikbare NREL-systemen. Regionaal energie-implementatiesysteem (ReEDS) capaciteitsuitbreidingsmodel.
"De methode maakt gebruik van ReEDS' bestaande behandeling van afzonderlijke PV- en batterijtechnologieën, dus de focus ligt op het vastleggen van de interacties daartussen voor een hybride met een gedeelde bidirectionele omvormer", aldus Eurek. “Hoewel we deze methode toepassen op ReEDS, verwachten we dat onze aanpak nuttig kan zijn voor het informeren van de ontwikkeling van PV+batterij-methoden in andere modellen voor capaciteitsuitbreiding.”
Het onderzoeksteam gebruikte de methode om een reeks scenario's voor de Verenigde Staten tot 2050 te onderzoeken, waarbij gebruik werd gemaakt van verschillende kostenaannames die onzeker zijn en die naar verwachting van invloed zullen zijn op hoe concurrerend PV+batterij-hybriden zullen zijn. Deze omvatten de kosten van hybride systemen in verhouding tot afzonderlijke PV- en batterijprojecten, de kwalificatie van de batterijcomponent voor het belastingkrediet voor zonne-energie (ITC) en toekomstige kostentrajecten voor PV- en batterijsystemen.
“Uit de volledige reeks scenario’s blijkt dat de toekomstige inzet van PV+batterij-hybriden op nutsschaal sterk afhangt van de mate van kostenbesparingen die door hybridisatie kunnen worden bereikt. Een grotere verdeling van de systeembalanskosten, een vermindering van het financiële risico of de modulariteit kunnen dus allemaal leiden tot een grotere inzet van hybride PV+batterijen”, aldus Eurek. “De implementatie is ook zeer gevoelig voor het vermogen van de batterijcomponent om te arbitreren, gebaseerd op opladen vanaf het elektriciteitsnet als de prijzen laag zijn en terugverkopen aan het elektriciteitsnet als de prijzen hoog zijn.”
In alle onderzochte scenario's helpt de synergetische waarde van een PV+batterij-hybride een groter deel van de opwekking te benutten, wat voornamelijk afzonderlijke PV- en batterijprojecten verdringt. Met andere woorden: de modelresultaten geven aan dat er een sterke concurrentie bestaat tussen hybride PV+batterijen en afzonderlijke PV- en batterij-implementaties – hoewel het belangrijk is op te merken dat de modellering niet het snellere en eenvoudigere interconnectieproces voor hybride projecten weerspiegelt, dat zou kunnen verschuiven ook de concurrentie met andere soorten hulpbronnen. Als de PV+batterij-hybride zo wordt ontworpen en geëxploiteerd dat de batterijcomponent in aanmerking komt voor de ITC op zonne-energie, zou dat bovendien de implementatie van PV+batterij-hybriden op korte termijn kunnen versnellen.
Het team merkt verschillende manieren op waarop de toekomstige modellering van PV+batterijsystemen kan worden verbeterd, ongeacht welk capaciteitsuitbreidingsmodel wordt gebruikt. Een topprioriteit is het verbeteren van de representatie van de batterijcomponent, inclusief bedrijfsafhankelijke degradatie – die verschillend kan zijn voor hybride versus standalone batterijsystemen – en tijdelijke operationele beperkingen die verband houden met de kwalificatie ervan voor de ITC op zonne-energie. Bovendien kan het modelleren van retrofits van bestaande PV-systemen om batterijen toe te voegen bijzonder belangrijk zijn, omdat dit vaak wordt beschouwd als een van de snelste manieren om hybride PV+batterijen op het elektriciteitsnet te krijgen.
Hoe zit het met de operationele voordelen op systeemniveau van hybrides? “Vooruitzichten zijn goed.”
De werking en waarde van hybride PV+batterijen zijn uitgebreid bestudeerd vanuit het perspectief van projectontwikkelaars door middel van analyses die de inkomsten op fabrieksniveau maximaliseren. Maar de operationele kenmerken van hybride systemen zijn zelden bestudeerd vanuit het perspectief van netbeheerders, die eraan werken de betrouwbaarheid te behouden en de betaalbaarheid te maximaliseren door de prestaties van een reeks opwekkings- en opslagmiddelen te optimaliseren.
In Evaluatie van PV-batterijhybriden op nutsschaal in een operationeel model voor het bulkstroomsysteemNREL-analisten Venkat Durvasulu, Murphy en Denholm presenteren een nieuwe aanpak voor het representeren en evalueren van PV+batterij-hybriden in het PLEXOS-productiekostenmodel, dat kan worden gebruikt om de operationele verzending van opwekkings- en opslagcapaciteit te optimaliseren om aan de belasting in de Amerikaanse bulk te voldoen Energie systeem.
Productiekostenmodellen zijn een belangrijk instrument dat door nutsbedrijven en andere energiesysteemplanners wordt gebruikt om de betrouwbaarheid, betaalbaarheid en duurzaamheid van voorgestelde hulpbronnenplannen te analyseren. Hier demonstreerde NREL een techniek om een productiekostenmodel te verbeteren om de operationele synergieën van PV+batterij-hybriden weer te geven.
“We gebruikten een testsysteem dat ontwikkeld was voor NREL's recent Onderzoek naar 100% hernieuwbare energie in Los Angeles – het vervangen van bestaande PV- en batterijgeneratoren op dit gemodelleerde systeem door PV+batterij-hybriden”, aldus Denholm.
Het onderzoeksteam analyseerde verschillende scenario’s die waren ontworpen om de verschillende drijvende krachten achter operationele strategieën voor PV+batterij-hybriden te isoleren – inclusief hoe de technologieën zijn gekoppeld, de algehele PV-penetratie in het systeem en verschillende belastingsverhoudingen van de omvormer (of de mate van overdimensionering). de PV-array ten opzichte van de interconnectielimiet).
De resultaten laten meerdere voordelen op systeemniveau zien, aangezien de toenemende beschikbaarheid van PV-energie met een toenemende belastingsratio van de omvormer resulteerde in een verhoogd gebruik van de omvormer (dat wil zeggen, resulterend in een hogere capaciteitsfactor), een vermindering van het opladen via het elektriciteitsnet (ten gunste van opladen vanaf de lokale PV, wat efficiënter is) en een verlaging van de productiekosten voor het hele systeem.
Deze grafiek toont de bestemming van alle PV-gelijkstroomenergie (DC) die in de loop van een jaar is verzameld voor gesimuleerde PV+batterij-hybriden als een functie van de belastingsverhouding van de omvormer (ILR). Naast het aantonen van de groeiende beschikbaarheid van PV DC-energie met toenemende ILR, geeft de uitsplitsing van de gebruikte PV DC-energie aan dat het grootste deel rechtstreeks naar het elektriciteitsnet wordt gestuurd en dat 15% tot 25% wordt gebruikt om de lokale batterij op te laden. AC = wisselstroom. Bron: Evaluatie van PV-batterijhybriden op nutsschaal in operationele modellen voor het bulkstroomsysteem
"De aanpak die we hier presenteren kan worden gebruikt in elk onderzoek naar productiekostenmodellering van PV+batterij-hybriden als hulpbron in verschillende energiesysteemconfiguraties en -diensten", aldus Durvasulu. "Dit is een cruciale stap in de richting van het kunnen evalueren van de voordelen op systeemniveau die deze hybrides kunnen bieden, en het verbeteren van ons begrip van hoe een netwerkbeheerder dergelijke systemen kan inschakelen en gebruiken."
Hoe kan de waarde van hybrides in de loop van de tijd evolueren? "Antwoord Wazig, probeer het opnieuw."
Het derde rapport in de serie brengt nog een andere modelleringsmethode op tafel: prijsnemermodellering, die de waarde kwantificeert die kan worden gerealiseerd door PV+batterijsystemen – en onderzoekt hoe deze waarde varieert over meerdere dimensies.
Onder 'De evoluerende energie- en capaciteitswaarden van hybride PV-plus-batterijsysteemarchitecturen op utiliteitsschaal”, onderzoeken Schleifer, Murphy, Cole en Denholm hoe de waarde van PV+batterij-hybriden in de loop van de tijd zou kunnen evolueren – met zeer uiteenlopende resultaten.
Met behulp van een prijsnemermodel met synthetische elektriciteitsprijzen per uur van nu tot 2050 (gebaseerd op de resultaten van de ReEDS- en PLEXOS-modellen), simuleerde NREL de inkomstenmaximaliserende inzet van drie PV+batterij-architecturen op drie locaties. De architecturen variëren in termen van de vraag of de PV+batterijsystemen afzonderlijke omvormers of een gedeelde omvormer hebben en of de batterij kan worden opgeladen via het net. De locaties variëren in termen van de kwaliteit van de zonne-energiebronnen en de netwerkmix, die beide de potentiële waarde van PV+batterij-hybriden beïnvloeden.
"We ontdekten dat de architectuur met de hoogste waarde vandaag de dag grotendeels varieert op basis van PV-penetratie en piekprijsperioden, inclusief wanneer deze zich voordoen en hoe extreem ze zijn", aldus Schleifer. “Bij alle systemen die we hebben bestudeerd, hebben we ontdekt dat hybridisatie de projecteconomie kan verbeteren of schaden. En geen enkele architectuur was de duidelijke winnaar. In sommige gevallen wil je profiteren van een gedeelde omvormer, en in andere gevallen zijn afzonderlijke omvormers en het opladen via het elektriciteitsnet te waardevol om op te geven.”
De resultaten van deze prijsnemeranalyse laten zien dat een primair voordeel van het koppelen van de bestudeerde technologieën de lagere kosten van gedeelde apparatuur, materialen, arbeid en infrastructuur zijn. Maar bij gebrek aan overdimensionering van de PV-array biedt hybridisatie niet meer waarde dan afzonderlijke PV- en batterijsystemen. Hybridisatie kan dat zelfs wel verminderen waarde als de systemen niet op de juiste manier zijn geconfigureerd – wat betekent dat de batterij op de juiste manier moet worden gedimensioneerd en gekoppeld en dat de PV-array waarschijnlijk te groot moet worden gemaakt ten opzichte van de omvormer- of interconnectielimiet.
Een andere belangrijke bevinding is dat beide subcomponenten baat hebben bij hybridisatie. Naarmate de penetratie van PV groeit, neemt de extra energie- en capaciteitswaarde van een nieuw PV-systeem snel af – maar het koppelen van de PV aan batterijopslag helpt de waarde van PV te behouden door toe te staan dat deze wordt verschoven naar perioden waarin het systeem grotere waarde kan bieden. Bovendien kan gekoppelde PV helpen de totale opbrengst van de batterij te vergroten door netgeladen energie te vervangen, wat doorgaans niet-nulkosten met zich meebrengt.
“Naarmate de rol van PV+batterij-hybriden op het bulkenergiesysteem blijft groeien, zal het steeds belangrijker worden om de impact van ontwerpparameters op de economische prestaties te begrijpen”, aldus Schleifer. “Aanvullende analyse is nodig om de factoren te ontrafelen die van invloed zijn op de prestaties en de economie van hybride PV+batterijsystemen – en om systeemplanners en onderzoekers duidelijkere antwoorden te geven over hun mogelijke voordelen.”
Werken aan ‘zonder twijfel:’ een oproep tot coördinatie om de resterende onbekenden op te lossen
Als we naar deze verzameling werk kijken, is één ding duidelijk: geen enkel huidig model is een nauwkeurige Magic 8-Ball voor het voorspellen van de toekomstige waarde van hybrides – maar gecoördineerde inspanningen om onze modellen te verbeteren kunnen de onderzoeksgemeenschap een stap dichter bij een helder vooruitzicht brengen.
En het momentum neemt toe: het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) heeft de DOE Hybrids Task Force bijeengeroepen – die samenwerkte met NREL, Lawrence Berkeley National Laboratory en zeven andere nationale laboratoria om de onlangs vrijgegeven Hybride energiesystemen: kansen voor gecoördineerd onderzoek, waarin innovatieve mogelijkheden worden belicht om gezamenlijk onderzoek naar hybride energiesystemen op drie onderzoeksgebieden te stimuleren. Deze inspanning heeft betrekking op de PV+batterij-hybriden die in dit artikel worden beschreven, en houdt ook rekening met aanvullende technologiecombinaties die in de toekomst een steeds grotere rol zouden kunnen spelen, waaronder PV+wind, kernenergie+elektrolyseen andere hybride systemen met een lage emissie.
“Hoewel het energiesysteem oorspronkelijk werd ontwikkeld als centrales met één technologie, en veel van onze onderzoeksinspanningen zijn geconcentreerd op individuele technologieën, vertegenwoordigt de DOE Hybrid Task Force een stap in de richting van samenwerking”, aldus Murphy. “We waren in staat verschillende onderzoeksmogelijkheden met hoge prioriteit te identificeren die meerdere technologieën omvatten, gemeenschappelijke prioriteiten vast te stellen en een basis te leggen voor verdere dialoog.”
In de komende dagen is NREL op unieke wijze klaar om de validatie van de prestaties en werking van hybride systemen te bevorderen met de Geavanceerd onderzoek naar geïntegreerde energiesystemen (ARIES) onderzoeksplatform. ARIES introduceert zowel een fysieke als een bijna-real-world virtuele emulatieomgeving met hifi, op fysica gebaseerde, real-time modellen die de verbinding tussen honderden echte hardwareapparaten en tientallen miljoenen gesimuleerde apparaten mogelijk maken.
Geïntegreerde energiepaden moderniseren ons net om een brede selectie van opwekkingstypes te ondersteunen, moedigen consumentenparticipatie aan en breiden onze opties voor transportelektrificatie uit.
Uiteindelijk zal het bevorderen van onderzoek naar hybride systemen bij NREL en andere nationale laboratoria meer coördinatie met de industrie vereisen. In het rapport van de DOE Hybrids Task Force werd de noodzaak geïdentificeerd van een workshop met meerdere belanghebbenden om diep in te gaan op wat verschillende belanghebbenden motiveert om verschillende soorten hybride systemen voor te stellen en in te zetten.
“Door mogelijkheden te creëren om rechtstreeks inzichten te vragen bij de industrie, nutsplanners en andere belanghebbenden, kunnen we een dieper inzicht krijgen in welke bronnen van waarde de belangstelling van de industrie voor hybriden stimuleren”, aldus Murphy. “Is er inherente waarde die alleen kan worden ontsloten door middel van hybridisatie, of is een deel van de waarde ingebed in het bekende? Door opslag aan variabele hulpbronnen toe te voegen, kunnen we ze meer laten lijken op en deelnemen aan de beheersbare hulpbronnen die we gewend zijn te hebben in het energiesysteem.
“Het samenbrengen van de belangrijkste spelers zal ons als onderzoekers helpen deze motivaties te herkennen – waarvan we sommige momenteel misschien niet begrijpen – en de kloof te dichten in de manier waarop we ze in onze modellen kunnen weergeven.”
Lees meer over NREL's energie analyse en net modernisering Onderzoek.
Artikel met dank aan de NREL, het Amerikaanse ministerie van Energie
Uitgelichte foto door Ramón Salinero on Unsplash
Coinsmart. Beste Bitcoin-beurs in Europa
Bron: https://cleantechnica.com/2021/06/18/are-hybrid-systems-truly-the-future-of-the-grid-nrels-magic-8-ball-says-concentrate-and-ask- opnieuw/
