Это явление известно как комплексная энергетическая засуха. В новой статье исследователи из Тихоокеанской северо-Западной национальной лаборатории (PNNL) обнаружили, что в некоторых частях страны эти энергетические засухи могут длиться почти неделю.

"Когда у нас полностью обезуглероженная энергосистема и мы сильно зависим от солнца и ветра, энергетические засухи могут оказать огромное влияние на энергосистему", - сказал Кэмерон Брэкен, ученый-землевед из PNNL и ведущий автор статьи. Сетевым операторам необходимо знать, когда произойдут энергетические засухи, чтобы они могли подготовиться к получению энергии из различных источников. Кроме того, понимание того, где, когда и как долго происходят энергетические засухи, поможет экспертам управлять системами аккумуляторных батарей сетевого уровня, которые могут накапливать достаточно электроэнергии для использования в периоды наибольшей потребности в энергии.

Команда опубликовала результаты 31 октября в журнале Возобновляемые источники энергии и будет представлен на ежегодном собрании Американского геофизического союза на этой неделе.

Охота в пасмурные, безветренные дни

В прошлом исследователи изучали сложные энергетические засухи в масштабе штата или региона. Но в общенациональном масштабе изучено не так много. Чтобы узнать больше о риске энергетической засухи на всей континентальной части США, исследователи изучили данные о погоде, а затем использовали исторические данные о спросе на энергию, чтобы понять, как часто возникает энергетическая засуха, когда эта энергия нужна больше всего.

Команда изучила почасовые данные о погоде за 4 десятилетия для континентальной части США и сосредоточилась на географических районах, где сегодня работают фактические солнечные и ветряные электростанции. Данные о погоде включали скорость ветра на высоте ветряных турбин, а также интенсивность солнечной энергии, поступающей на солнечные панели. Времена, когда данные о погоде показывали застой воздуха и облачное небо, приводили к снижению выработки энергии ветряными и солнечными установками - сложной энергетической засухе.

"По сути, мы сделали снимок инфраструктуры по состоянию на 2020 год и проанализировали данные о погоде за 40 лет, начиная с 1980 года", - сказал Брэкен. "По сути, мы говорим: "вот как действовала бы текущая инфраструктура при исторических погодных условиях"."

Исследователи обнаружили, что энергетические засухи могут возникать в любое время года на всей территории континентальной части США, хотя они сильно различаются по частоте и продолжительности. Например, в Калифорнии облачные и безветренные условия могут длиться несколько дней, в то время как в Техасе те же условия могут длиться всего несколько часов. В штатах Юта, Колорадо и Канзас часты энергетические засухи продолжительностью как в несколько часов, так и в несколько дней. Северо-запад и Северо-восток Тихоокеанского региона, тем временем, по-видимому, испытывают энергетические засухи, которые длятся несколько часов чаще, чем несколько дней. Различные временные рамки (почасовые и суточные) помогут оценить влияние энергетической засухи на энергосистему - продлится ли она всего несколько часов или несколько дней?

В целом, исследователи обнаружили, что самая продолжительная потенциальная энергетическая засуха в часовом масштабе составила 37 часов (в Техасе), в то время как самая продолжительная энергетическая засуха в дневном масштабе составила шесть дней (в Калифорнии).

Энергетическая засуха на пике спроса

По словам Брэкена, простое знание того, где и как возникают энергетические засухи, - это всего лишь одна часть головоломки. Он также подчеркнул, что засуха солнечной и ветровой энергии не обязательно приведет к дефициту энергии. Операторы электросетей могут обратиться к другим источникам энергии, таким как гидроэнергия, ископаемое топливо или энергия, передаваемая из других регионов США.

Но поскольку страна стремится отказаться от ископаемого топлива и больше полагаться на солнечную энергию и энергию ветра, операторы электросетей должны понимать, не возникнут ли энергетические засухи в периоды, когда спрос на электроэнергию может превысить предложение. Изменение климата приводит к более жаркому лету и более интенсивным зимним штормам, и это времена, когда люди не только используют больше энергии для обеспечения безопасности (для охлаждения или обогрева), но и доступ к электричеству может означать жизнь или смерть.

Чтобы понять возможную связь между энергетическими засухами и спросом на энергию, команда сопоставила свои исторические гипотетические данные о выработке электроэнергии с историческими данными о спросе на энергию за 40 лет, которые также охватывали реальные электростанции по всему континенту.

Данные показали, что "ветровые и солнечные засухи случаются во время пиковых нагрузок чаще, чем можно было бы ожидать из-за случайности", - сказал Брэкен, имея в виду, что чаще всего безветренные и безоблачные периоды происходили в периоды, когда спрос на электроэнергию был высоким. На данный момент Брэкен не уверен, что корреляция означает причинно-следственную связь.

"Это может быть связано с хорошо изученным метеорологическим явлением, таким как инверсии, подавляющие ветер и повышающие температуру, но необходимы дальнейшие исследования", - сказал Брэкен.

Накопитель энергии для энергетических засух

По словам Натали Вуазен, ученого-землеведа из PNNL и соавтора статьи, изучение закономерностей частоты и продолжительности энергетических засух также поможет в разработке долгосрочных проектов по хранению энергии. Этот документ является первым, в котором представлен единый стандарт того, что такое комплексная энергетическая засуха и как долго она может длиться в разных частях страны.

"Мы даем представление о том, как правильно проектировать многодневные хранилища и управлять ими. Итак, когда вы знаете, что энергетическая засуха продлится пять часов или пять дней, вы можете стимулировать соответствующее управление хранилищами", - сказал Вуазен.

Далее Брэкен и его команда экстраполируют данные о погоде и спросе на будущее, чтобы увидеть, как изменение климата повлияет на частоту и продолжительность энергетических засух. Команда планирует моделировать энергетические засухи вплоть до конца столетия в сочетании с развивающейся инфраструктурой.

Это исследование финансировалось PNNL в рамках ее внутренней инициативы GODEEEP.