Увеличение необычных погодных условий, связанных с изменением климата, означает, что спрос на электроэнергию и доступность солнечной, гидро- и ветроэнергетики могут стать более изменчивыми.

Метод, разработанный исследователями из Геофизического института Университета Аляски в Фэрбенксе и в Испании, поможет местным специалистам по энергетическому планированию определить оптимальное сочетание возобновляемых источников энергии и потребностей в хранении энергии.

Исследование было опубликовано в августе в журнале Земля. Профессор Геофизического института атмосферных наук Ума Бхатт является ведущим автором.

"Обществу важно понимать влияние изменения климата и его изменчивости на возобновляемые источники энергии, чтобы спроектировать устойчивую энергетическую систему и подготовиться к будущему", - сказал Бхатт.

Исследователи изучали непостоянство, производство электроэнергии и хранение энергии в контексте исторических климатических данных в двух местах: городе Кордова на Аляске в проливе Принс-Уильям, который имеет субполярный океанический климат, и Пальма-де-Майорка, городе на субтропическом испанском острове. Исследователи получили данные о климате за 60 лет для каждого местоположения.

Ветер, солнце и гидроэнергетика - все это подвержено влиянию климата, который становится все менее предсказуемым и приводит к более экстремальным погодным явлениям. Увеличение облачности может привести к снижению доступности солнечной энергии. Уменьшение количества осадков может привести к снижению доступности гидроэнергетики. Усиление ветра может увеличить доступность энергии ветра.

Без надлежащего планирования электросети рискуют стать менее надежными, поскольку возобновляемые источники энергии составляют все большую часть поставок.

"Если у вас слишком высокий процент возобновляемых источников энергии с высокой изменчивостью без соответствующего резервного питания в вашей системе, это на самом деле сильно снижает надежность системы", - сказал Дэвид Ньюман, соавтор исследования и профессор физики в Геофизическом институте UAF.

Еще больше усложняет ситуацию то, что спрос на электроэнергию меняется непредсказуемым образом по мере того, как погода становится все более изменчивой. Даже при нормальном спросе внезапное снижение доступности возобновляемого источника - например, ветер перестает вращать турбины - может привести к отключениям электроэнергии, если нет резервного источника для немедленного использования.

"Как ты это исправляешь? Вы должны найти способ устранить изменчивость или иметь способ быстро компенсировать ее", - сказал Ньюман.

Самый простой и очевидный способ - это перевести генераторы на ископаемом топливе в режим ожидания. Из них генераторы, работающие на природном газе, при необходимости могут быть запущены довольно быстро. Но это все еще продукт ископаемого топлива, хотя и более чистый, чем другие источники ископаемого топлива.

Другой, более чистый метод заключается в хранении избыточной энергии, производимой из возобновляемых источников, в периоды нормального спроса.

Достижения в области технологий позволили усовершенствовать сетевые аккумуляторы, которые могут накапливать избыточную мощность, которую можно распределять для кратковременного использования во время повсеместного отключения электроэнергии.

Другие способы хранения включают гидроэнергетику с накачкой, гравитационное накопление энергии, накопление энергии маховика и накопление энергии сжатого воздуха. Все они являются принципиально простыми методами и объяснены Национальной лабораторией возобновляемых источников энергии.

"Это одна из действительно захватывающих областей [изучения] прямо сейчас", - сказал Ньюман.

На гидроэнергетику с накачкой приходится 95% всех мощностей по накоплению энергии в коммунальных масштабах в Соединенных Штатах. Вода перекачивается из одного водохранилища гидроэлектростанции в другое на большей высоте во время превышения мощности, повышая уровень более высокого водохранилища. Эта вода при необходимости поступает в генераторы нижнего резервуара.

Накопление гравитационной энергии предполагает использование избыточной энергии для подъема массивных грузов, состоящих из песка, гравия или камня, и оставления грузов подвешенными. Когда требуется питание, грузам разрешается падать, а прикрепленные к ним кабели приводят в действие генератор.

Накопитель энергии с маховиком обычно используется в небольших приложениях и для гораздо меньших потребностей в энергии, чем другие методы хранения. Двигатель приводит в действие маховик, тяжелое колесо, которое свободно вращается, когда двигатель теряет мощность. Свободно вращающееся колесо вращает генератор, который вырабатывает электричество в течение нескольких минут.

Накопитель энергии сжатого воздуха может обеспечивать электроснабжение в масштабе сети в течение нескольких дней. Электричество используется для сжатия и хранения воздуха под землей, часто в соляных пещерах. При необходимости воздух выпускается и нагревается до расширения для питания генератора.

Авторы исследовательских работ предлагают заметное предостережение к своей работе: изменение климата является сложным и варьируется в зависимости от местоположения, как и доступные источники возобновляемой энергии.

"И климат, и энергетика являются взаимосвязанными сложными системами, и важно, чтобы мы обучали следующее поколение мыслить в разных дисциплинах, чтобы они были готовы решать сложные проблемы, которые надвигаются", - сказал Бхатт.