Reddingslijn voor hernieuwbare energie

Duw door een kogelvrije draaideur in een onopvallend gebouw in een troosteloos stukje voormalig Oost-Berlijn en je betreedt het controlecentrum voor Vattenfall Europe Transmission, het bedrijf dat het elektriciteitsnet in Noordoost-Duitsland beheert. Een monitor die een diagram van dat raster weergeeft, neemt het grootste deel van één muur in beslag. Een reeks kleinere schermen toont de realtime output van regionale windturbines en de output die de vorige dag was voorspeld. Duitsland is 's werelds grootste gebruiker van windenergie, met voldoende turbines om 22.250 megawatt elektriciteit te produceren. Dat is ongeveer het equivalent van de output van 22 kolencentrales, genoeg om in ongeveer 6 procent van de Duitse behoeften te voorzien. En omdat het servicegebied van Vattenfall 41 procent van de Duitse windenergie produceert, is de controlekamer een kritieke proeftuin voor het vermogen van het net om met hernieuwbare energie om te gaan.

Groene lijnen: Voor het aftappen van energie van afgelegen wind- en zonneparken zijn meer hoogspanningslijnen zoals deze nodig, in de buurt van Yermo, CA, die het zuiden van Nevada met Los Angeles verbinden.

Zoals alle elektriciteitsnetten, moet het elektriciteitsnet dat Vattenfall beheert, voortdurend de stroomproductie afstemmen op de vraag van huizen, kantoren en fabrieken. De uitdaging is om een ​​stabiele stroomvoorziening te behouden en tegelijkertijd elektriciteit op te nemen uit een bron die zo grillig is als wind. Als er te weinig windenergie is, moeten de ingenieurs van het bedrijf mogelijk op korte termijn fossiele energiecentrales opstarten, een inefficiënt proces. Als er te veel is, kan dit het systeem overbelasten, waardoor black-outs ontstaan ​​of fabrieken gedwongen worden stil te leggen.

De ingenieurs hebben echter weinig opties. Het netwerk heeft een beperkt vermogen om extra stroom naar andere regio's te shunten, en het heeft geen energieopslagcapaciteit buiten een handvol kleine faciliteiten die water in bergopwaartse reservoirs pompen en het vervolgens via turbines afgeven tijdens perioden van piekvraag. Dus elke ochtend, als kantoren en fabrieken hun stroom inschakelen, moeten de ingenieurs windvoorspellingen gebruiken om te helpen beslissen hoeveel elektriciteit conventionele centrales moeten gaan produceren.

Maar die voorspellingen zijn verre van perfect. Naarmate er in Duitsland steeds meer windturbines verschijnen, nemen ook overbelastingen en tekorten toe als gevolg van onverwachte veranderingen in het windniveau. In 2007 moesten de technici van Vattenfall hun dagelijkse planningsplannen ongeveer om de dag schrappen om de elektriciteitsvoorziening meteen opnieuw te configureren; begin 2008 werden dergelijke veranderingen elke dag noodzakelijk. Energiecentrales moesten inefficiënt aan en uit fietsen en het bedrijf moest tegen hoge prijzen noodstroom inkopen. Dagen met zeer veel wind en weinig vraag dwongen de Vattenfall-werknemers zelfs om de windparken snel te sluiten.

Notitieboekje van de verslaggever : David Talbot

De problemen van Vattenfall zijn een voorproefje van de enorme uitdagingen die voor ons liggen nu stroom uit hernieuwbare bronnen, voornamelijk wind- en zonne-energie, een grotere rol begint te spelen over de hele wereld. Om gebruik te maken van deze schone energie, hebben we meer transmissielijnen nodig die stroom van de ene regio naar de andere kunnen transporteren en die energieverslindende steden verbinden met de afgelegen gebieden waar veel van onze hernieuwbare energie waarschijnlijk zal worden opgewekt. We zullen ook veel slimmere controles nodig hebben in het hele distributiesysteem - technologieën die extra elektriciteit van windparken kunnen opslaan in de accu's van plug-in hybride auto's, bijvoorbeeld, of op afstand energieverslindende apparaten aan en uit kunnen zetten als de energievoorziening stijgt en valt.

Als deze netupgrades niet plaatsvinden, kunnen nieuwe projecten voor hernieuwbare energie worden stopgezet, omdat ze onaanvaardbare spanningen op bestaande elektrische systemen zouden leggen. Volgens een recente studie gefinancierd door de Europese Commissie, zou de groeiende elektriciteitsproductie uit wind (nieuwe faciliteiten voor de Noordzee en de Oostzee zouden tegen 2030 nog eens 25.000 megawatt aan het Duitse elektriciteitsnet kunnen toevoegen) soms enorme overbelastingen veroorzaken. In de Verenigde Staten deed de North American Electric Reliability Corporation, een niet-gouvernementele organisatie die is opgericht om de industrie te reguleren na een enorme stroomuitval in 1965, in november een soortgelijke waarschuwing. We gebruiken het systeem nu al dichter bij de rand dan in het verleden, zegt de voorzitter van de groep, Rick Sergel. We hebben eenvoudigweg niet de transportcapaciteit om nieuwe hernieuwbare bronnen goed te integreren.

multimedia

• Bekijk grafieken en infographics over Amerikaanse elektriciteitsbronnen, vraag en vernieuwing van het elektriciteitsnet.

Terug naar de basis: Om hernieuwbare energie in de VS op te voeren, is niet zozeer nieuwe technologie nodig als wel een basisinfrastructuur, zoals dit onderstation in de buurt van Santa Clarita, CA, om die energie op de markt te helpen brengen.

De uitdaging waarmee de Verenigde Staten worden geconfronteerd, is bijzonder opvallend. Terwijl Duitsland al 14 procent van zijn elektriciteit uit hernieuwbare bronnen haalt, haalt de Verenigde Staten slechts ongeveer 1 procent van zijn elektriciteit uit wind-, zonne- en geothermische energie samen. Maar meer dan de helft van de staten heeft ambitieuze doelen gesteld om het gebruik van hernieuwbare energiebronnen te vergroten, en verkozen president Barack Obama wil dat 10 procent van de elektriciteit van het land tegen het einde van zijn eerste termijn uit hernieuwbare bronnen komt, en dat dit in 2025 moet stijgen tot 25 procent. Maar in tegenstelling tot Duitsland, dat is begonnen met het plannen van nieuwe transmissielijnen en het aannemen van nieuwe wetten die bedoeld zijn om de aanleg ervan te versnellen, hebben de Verenigde Staten geen nationale inspanningen ondernomen om hun systeem te moderniseren. Als we ons netwerk niet verbeteren, zal dit een aanzienlijke last zijn voor de ontwikkeling van nieuwe hernieuwbare technologieën, zegt Vinod Khosla, oprichter van Khosla Ventures, een durfkapitaalbedrijf in Menlo Park, CA, dat zwaar heeft geïnvesteerd in energietechnologieën.

Gridlock
Toen de bouw ervan aan het eind van de 19e eeuw begon, was het de bedoeling dat het Amerikaanse elektriciteitsnet de meeste mensen de goedkoopste stroomvoorziening zou bieden. In de afgelopen eeuw hebben regionale monopolies en overheidsinstanties energiecentrales gebouwd - meestal op fossiele brandstoffen - zo dicht mogelijk bij bevolkingscentra. Ze hebben ook transmissie- en distributienetwerken gebouwd die zijn ontworpen om de elektriciteitsverbruikers van elke regio te bedienen. Er is een patchworksysteem ontstaan ​​en de verbindingen tussen lokale netwerken zijn vooral bedoeld als backstops tegen stroomuitval. Tegenwoordig omvat het netwerk van de Verenigde Staten 164.000 mijl aan hoogspanningstransmissielijnen - die bekende rijen stalen torens die elektriciteit van elektriciteitscentrales naar onderstations transporteren - en meer dan 5.000 lokale distributienetwerken. Maar hoewel de omvang en complexiteit enorm zijn gegroeid, is de basisstructuur van het netwerk weinig veranderd sinds Thomas Edison in 1882 een distributiesysteem voor 59 klanten in Lower Manhattan inschakelde. Als Edison vandaag wakker zou worden en naar het netwerk zou kijken, zou hij zeggen: 'Daar heb ik het gelaten', zegt Guido Bartels, algemeen directeur van de IBM Global Energy and Utilities Industry-groep.

Hoewel deze structuur opmerkelijk goed heeft gediend om goedkope stroom te leveren aan een brede bevolking, is het niet bijzonder geschikt voor fluctuerende energiebronnen zoals zon en wind. Allereerst zitten de transmissielijnen niet op de juiste plaatsen. De vlagerige vlaktes van het Midwesten en de zonovergoten woestijnen van het Zuidwesten - gebieden die in theorie het hele land van wind- en zonne-energie zouden kunnen voorzien - bevinden zich aan de uiteinden van het net, geïsoleerd van de dikke slagaders die stroom leveren aan, laten we zeggen, Chicago of Los Angeles. Ten tweede mist het net de opslagcapaciteit om variabiliteit aan te kunnen - om een ​​bron zoals zonne-energie, die 's nachts geen energie opwekt en weinig op bewolkte dagen, om te zetten in een consistente bron van elektriciteit. En ten slotte is het raster voor het grootste deel een dom eenrichtingssysteem. Bedenk dat wanneer de stroom in uw straat uitvalt, het hulpprogramma dit waarschijnlijk niet weet, tenzij u of een van uw buren de telefoon opneemt. Dat is niet het soort systeem dat de fluctuerende output van zonnepanelen op het dak of gedistribueerde windturbines kan bewaken en beheren.

De regelgevende structuur van het Amerikaanse netwerk is net zo verouderd. Terwijl de Federal Energy Regulatory Commission (FERC) verzoeken van nutsbedrijven voor elektriciteitstarieven kan goedkeuren en transmissie over staatslijnen kan verlenen, behouden individuele staten de controle over of en waar grote transmissielijnen daadwerkelijk worden gebouwd. In de jaren negentig hebben veel staten hun regelgeving herzien in een poging concurrentie op de energiemarkt te introduceren. Nutsbedrijven moesten hun transmissielijnen openstellen voor andere energieproducenten. Een gevolg van deze regelgevende maatregelen was dat bedrijven minder geneigd waren om in het net te investeren dan in nieuwe elektriciteitscentrales, en niemand had een duidelijke verantwoordelijkheid voor het uitbreiden van de transmissie-infrastructuur. Tegelijkertijd betekende de meer open markt dat producenten stroom probeerden te verkopen aan verder weg gelegen regio's, waardoor de bestaande verbindingen tussen netwerken nieuwe lasten kregen. Het resultaat is een landelijk transmissietekort.

Deze problemen kunnen nu het grootste obstakel zijn voor een breder gebruik van hernieuwbare energie, dat anders steeds levensvatbaarder lijkt. Onderzoekers van het National Renewable Energy Laboratory in Golden, CO, hebben geconcludeerd dat er geen technische of economische reden is waarom de Verenigde Staten tegen 2030 niet 20 procent van hun elektriciteit uit windturbines zouden kunnen halen. De onderzoekers berekenen echter dat het bereiken van dit doel zou een investering van $ 60 miljard vergen in 12.650 mijl aan nieuwe transmissielijnen om windparken op het net aan te sluiten en hun output in evenwicht te brengen met die van andere elektriciteitsbronnen en met de vraag van de consument. De ontoereikende netwerkinfrastructuur is verreweg het belangrijkste probleem met betrekking tot de uitbreiding van wind, zegt Steve Specker, president van het Electric Power Research Institute (EPRI) in Palo Alto, CA, de onderzoeksfaciliteit van de industrie. Het begint al een deel van de potentiële groei van wind in sommige delen van het westen te beperken.

De Midwest Independent Transmission System Operator, die het net beheert in een regio die delen van 15 staten van Pennsylvania tot Montana beslaat, heeft honderden aanvragen voor netaansluitingen ontvangen van potentiële energieontwikkelaars wiens voorgestelde windprojecten samen 67.000 megawatt aan stroom zouden genereren. Dat is meer dan 14 keer zoveel windenergie als de regio nu produceert, en veel meer dan het alleen zou kunnen verbruiken; het zou ongeveer 6 procent van het totale Amerikaanse elektriciteitsverbruik vertegenwoordigen. Maar het bestaande transmissiesysteem heeft niet de capaciteit om zoveel elektriciteit naar de delen van het land te krijgen die het nodig hebben. In veel van de staten in de regio is er geen specifieke urgentie om dingen te verplaatsen, aangezien elk van hen alle macht heeft die het nodig heeft. Dus de meeste aanvragen voor netaansluitingen wachten gewoon in de rij, sommige belemmerd door het gebrek aan infrastructuur en andere door bureaucratische en regelgevende vertragingen.

Lisa Daniels wachtte bijvoorbeeld drie jaar op een netaansluiting voor een geplande ontwikkeling van 9 tot 12 turbines op haar land in Kenyon, MN, 60 mijl ten zuiden van Minneapolis. De installatie zou 18 megawatt aan stroom kunnen produceren. De locatie - slechts anderhalve kilometer van een onderstation - is klaar voor een bulldozer, zegt Daniels, die ook uitvoerend directeur is van een regionale non-profitorganisatie die lokale windprojecten wil stimuleren. Het systeem zou plug-and-play moeten zijn, maar dat is het niet, zegt ze.

Nutsbedrijven aarzelen echter om nieuwe transmissiecapaciteit te bouwen totdat ze weten dat het vermogen van afgelegen wind- en zonneparken dit zal rechtvaardigen. Tegelijkertijd aarzelen investeerders in hernieuwbare energie om nieuwe wind- of zonneparken te bouwen totdat ze weten dat ze hun stroom op de markt kunnen krijgen. Meestal kiezen ze ervoor om te wachten op nieuwe transmissiecapaciteit voordat ze de moeite nemen om voorstellen te doen, zegt Suedeen Kelly, een FERC-commissaris. Het is een soort kip-en-ei-verhaal, zegt ze.

Meer intelligentie
Het raamloze laboratorium van GE Global Research in Niskayuna, NY, is gevuld met keukenapparatuur en is bekleed met muurschermen zoals die in de controlecentra voor een elektriciteitsnet. In het lab beschrijft Juan de Bedout, manager van het Electric Power and Propulsion Systems Laboratory, hoe een smart grid duurzame energie praktisch kan maken. Stel je voor, zegt hij, dat de windsnelheid plotseling daalt bij een windpark, of dat een wolkenbank over een fotovoltaïsche installatie beweegt. Bestaande transmissiecontrolesystemen, zoals die bij Vattenfall, zullen de daling van het aanbod detecteren en een toename van de stroomproductie uit andere bronnen, met name aardgascentrales, die snel kunnen worden opgestart, bestellen.

Maar in een smart grid zou de controller een bericht naar een regionaal distributiesysteem kunnen sturen om de vraag te verminderen. Onmiddellijk zou een signaal uitgaan naar meters in de huizen of kantoren van klanten die hadden ingestemd, in ruil voor tariefverlagingen, om het nutsbedrijf een aantal van hun apparaten te laten optuigen om het stroomverbruik te verminderen tijdens het wegvallen van de levering. Binnen enkele seconden zouden elektrische boilers een paar minuten uitschakelen en elektronische thermostaten zouden automatisch twee of drie graden worden afgesteld. Het zou niet nodig zijn om de aardgascentrale van stroom te voorzien.

Windstoot: Bestaande windparken in Zuid-Californië, zoals deze ten noorden van Santa Clarita, worden uitgebreid met grotere parken, aangezien nieuwe transmissielijnen het gebied verbinden met Los Angeles.

In een van de meer geavanceerde proefprojecten die een dergelijk systeem testen, investeren het in Minneapolis gevestigde nutsbedrijf Xcel Energy en verschillende leveranciers $ 100 miljoen om een ​​smart-grid-infrastructuur te installeren in Boulder, CO. Tegenwoordig is een 115-koppige Xcel-ploeg op pad fulltime, het installeren van bidirectionele elektriciteitsmeters bij 50.000 huizen. Huiseigenaren krijgen software waarmee ze hun energieverbruik op internet kunnen bekijken en beheren, en sommige van hun apparaten worden uitgerust met schakelaars waarmee het hulpprogramma ze op afstand kan uitschakelen tijdens perioden van grote vraag.

Smart-grid-technologieën kunnen het totale elektriciteitsverbruik met 6 procent verminderen en de piekvraag met maar liefst 27 procent. Volgens de Brattle Group, een adviesbureau in Cambridge, MA, zou alleen al de vermindering van de piekvraag in 20 jaar tussen $ 175 miljard en $ 332 miljard besparen. Niet alleen zou een lagere vraag transmissiecapaciteit vrijmaken, maar de kapitaalinvestering die anders nodig zou zijn voor nieuwe conventionele elektriciteitscentrales, zou kunnen worden omgebogen naar hernieuwbare energiebronnen. Dat komt omdat smart-grid-technologieën kleine installaties van windturbines en fotovoltaïsche panelen veel praktischer zouden maken. Ze zullen het mogelijk maken om veel grotere hoeveelheden hernieuwbare energie op het net te integreren en de effectieve totale systeembrede kosten van die hernieuwbare energiebronnen te verlagen, zegt Peter Fox-Penner van de Brattle Group.

In Boulder moedigt Xcel bijvoorbeeld consumenten aan om zonnepanelen op hun daken te installeren en accu's in hun kelders - onderdeel van een plan om te demonstreren hoe het variabele vermogen dat door duizenden of miljoenen zonnedaken wordt geproduceerd, kan worden opgeslagen in individuele huizen en teruggeleverd aan het net wanneer dat nodig is. De afgelopen maanden heeft Xcel zelfs een paar plug-in hybride auto's gekocht en aangesloten op het net, om software te testen waarmee de voertuigen als energieopslagapparaten kunnen fungeren.

En Xcel is niet de enige. Zowel startups als grote bedrijven perfectioneren en commercialiseren dakbedekkingsmaterialen op zonne-energie, apparaten voor energieopslag in de kelder, batterijen voor plug-in hybrides en slimme software om het elektriciteitsverbruik te optimaliseren. Maar net zoals grootschalige opwekking van hernieuwbare energie afhankelijk is van het verbeteren van de transmissie-infrastructuur, zijn veel van deze vorderingen nutteloos zonder betere netcontroles. U kunt de batterij van een plug-in niet gebruiken voor netopslag als het net niet op een intelligente manier stroom uit de auto kan halen.

Het goede nieuws is dat veel hulpprogramma's zijn begonnen met het installeren van de vereiste meters, die op intelligente wijze de stroomstroom uit een huis en naar binnen controleren. De vraag is nu hoe we verder kunnen komen dan de sneeuwstorm van proefprojecten, slimmere technologieën over het netwerk installeren en beginnen met het integreren van meer hernieuwbare energie in de nieuwe infrastructuur. De smart-grid-visie is leuk; we hebben allemaal onze PowerPoint-dia's in kleur, zegt Don Von Dollen, die bij EPRI intelligent grid-onderzoek leidt. Ik denk dat mensen de visie inmiddels wel een beetje begrijpen. Nu is het tijd om dingen gedaan te krijgen.

Vicieuze cirkel
Afgelopen zomer begon voormalig vice-president Al Gore te argumenteren dat het land binnen tien jaar een volledig koolstofvrij elektriciteitssysteem moest implementeren om het gevaar van opwarming van de aarde af te wenden. Als onderdeel van zijn visie riep Gore op tot een verenigd nationaal slim netwerk dat stroom opgewekt uit hernieuwbare bronnen naar steden zou verplaatsen, de efficiëntie van het elektriciteitsgebruik zou verhogen en meer controle over hernieuwbare bronnen mogelijk zou maken. Hij schatte dat de revisie van het net over 10 jaar $ 400 miljard zou kosten.

Het plan van Gore beschrijft niet precies hoe zo'n enorm project zou worden uitgevoerd. Als het sneller is om uitgebreide wetgeving te hebben die staten ertoe aanzet om samen te werken en privékapitaal binnen te stromen, geweldig, zegt Cathy Zoi, CEO van de Alliance for Climate Protection, de non-profitorganisatie die Gore heeft opgericht in Menlo Park, CA, om aan te dringen op dringende actie tegen klimaatverandering. Als het sneller en gemakkelijker is om federaal geld toe te wijzen en dit als een project van openbare werken te doen, is dat ook goed. We zijn niet gebonden aan één beleidsinstrument.

Op dit moment is natuurlijk geen van beide strategieën aangenomen. Hoewel proefprojecten zoals die in Boulder de moeite waard zijn als een manier om nieuwe technologieën te demonstreren, zijn ze op een mengelmoes uitgevoerd, waarbij verschillende hulpprogramma's verschillende technologieën in verschillende staten inzetten. Transmissieprojecten vorderen stapsgewijs, maar ze worden vaak gecompliceerd door conflicten tussen de staten. Wat we vandaag hebben, is een lappendeken van regels en voorschriften die per staat verschillen, zegt Peter Corsell, CEO van GridPoint, een startup in Arlington, VA, die smart-grid-software maakt en deelneemt aan het Boulder-project. We zijn allemaal verankerd in dit kapotte systeem en er is geen overeenstemming over hoe het te repareren. Het is een vicieuze cirkel.

Sommigen denken dat het antwoord is om FERC meer autoriteit te geven. Tegenwoordig kan het agentschap de beslissingen van staten over de locatie van transmissielijnen terzijde schuiven, maar alleen in regio's die het Amerikaanse ministerie van Energie heeft aangewezen als cruciaal voor de zekerheid van de elektriciteitsvoorziening. Tot nu toe zijn er slechts twee van dergelijke corridors aangewezen: een in de mid-Atlantische staten en een andere in het zuidwesten. Zelfs in die regio's houden de vertragingen aan. Zuid-Californië Edison heeft een grote transmissielijn voorgesteld in de zuidwestelijke corridor; dat zich uitstrekt van buiten Los Angeles tot in de buurt van Phoenix, AZ, zou het in staat zijn om de stroom te verwerken die wordt opgewekt door toekomstige fotovoltaïsche en thermische zonne-energiecentrales. Maar Arizona verwierp het idee, dus het nutsbedrijf bereidt zich voor om zijn plannen naar FERC te brengen.

Anderen denken dat de oplossing een nieuw federaal beleid is dat de markt voor hernieuwbare energie lucratiever zou maken, misschien door de uitstoot van kooldioxide te reguleren, zoals het door Obama voorgestelde cap-and-trade-beleid zou doen. Met een dergelijk beleid zouden windenergie en andere koolstofvrije elektriciteitsbronnen veel waardevoller worden, wat een stimulans zou zijn voor nutsbedrijven om hun capaciteit om ze te verwerken uit te breiden (zie V&A, p. 28) . Het zou allemaal heel snel kunnen veranderen, zegt Will Kaul, vice-president voor transmissie bij Great River Energy in Minnesota, die leiding geeft aan een gezamenlijke inspanning voor transmissieplanning met 11 nutsbedrijven in het Midwesten. Als er een koolstofbeleid zou zijn, of een nationale norm voor hernieuwbare energie, dan zou de schaal van windopwekking exploderen.

Zoals Gore en andere milieudeskundigen waarschuwen - en zoals de ingenieurs van Vattenfall zouden getuigen - zal een explosie in het gebruik van hernieuwbare energiebronnen sterk afhangen van de verbetering van het netwerk. Dat zal niet goedkoop zijn, maar de uitbetaling kan het waard zijn. We moeten hierover op dezelfde manier denken als over de rol van het federale wegennet, zegt Ernest Moniz, een professor natuurkunde aan het MIT die leiding geeft aan het energieonderzoeksinitiatief van de school. Het is de belangrijkste factor die ons in staat stelt ons hele elektriciteitsproductiesysteem te moderniseren. En hernieuwbare energiebronnen zijn een bijzonder belangrijke begunstigde. Er is geen technologische reden waarom we hier niet agressief mee om kunnen gaan.

David Talbot is Technologie beoordeling ’s hoofdcorrespondent.

zich verstoppen