منع انقطاع التيار الكهربائي في تكساس باستخدام الطاقة المتجددة

بعد اثني عشر شهرًا ، الشبكة الكهربائية للدولة ، بينما تحسنت ، لا يزال عرضة للخطر لانقطاع التيار الكهربائي بسبب الطقس.

قال أندرو ديسلر ، أستاذ علوم الغلاف الجوي في جامعة تكساس إيه آند إم: “إذا تعرضنا لعاصفة أخرى هذا العام ، مثل أوري في عام 2021 ، فسوف تنخفض الشبكة مرة أخرى”. “لا يزال هذا يمثل مخاطرة كبيرة بالنسبة لنا.”

الآن ، أ دراسة حديثة يوضح أنه يمكن تجنب انقطاع الكهرباء في جميع أنحاء البلاد – ربما حتى أثناء الأحداث الجوية الشديدة – من خلال التحول إلى طاقة نظيفة ومتجددة بنسبة 100 في المائة ، مثل الطاقة الشمسية وطاقة الرياح والمياه.

“قال مارك جاكوبسون ، المؤلف الرئيسي للورقة وأستاذ الهندسة المدنية والبيئية في جامعة ستانفورد ، “من الناحية الفنية والاقتصادية ، لدينا 95 بالمائة من التقنيات التي نحتاجها لتحويل كل شيء اليوم”. تمثل الرياح والمياه والطاقة الشمسية بالفعل حوالي خمس الكهرباء في البلاد ، على الرغم من أن التحول الكامل في العديد من المجالات بطيء.

وأظهرت الدراسة أن التحول إلى مصادر الطاقة المتجددة من شأنه أيضًا أن يقلل من متطلبات الطاقة ، ويقلل من تكاليف المستهلك ، ويخلق ملايين الوظائف الجديدة ، ويحسن صحة الناس.

لسنوات ، أعرب البعض عن شكوكهم بشأن جدوى اعتماد مصادر الطاقة المتجددة على نطاق واسع ، بسبب تكاليفها. لكن ديسلر قال إنه على الرغم من أن الطاقة الشمسية كانت مصدر طاقة باهظ الثمن قبل 10 سنوات ، إلا أنها كذلك واحدة من أرخص الأسعار اليوم.

قال ديسلر ، الذي لم يشارك في البحث: “لقد أصبح فهم الكثير من الناس للطاقة المتجددة قديمًا للغاية”.

يمكن أن تكون طاقة الرياح أيضًا فعالة جدًا وتوفر نصف طاقة تكساس في بعض الأيام – وهي حقيقة فاجأها podcaster جو روجان عندما ظهر كضيف في حلقة الخميس من “تجربة جو روغان”.

قال ديسلر: “الطاقة الشمسية وطاقة الرياح هي أرخص مصادر الطاقة المتاحة”. “يبدو أن الناس لا يفهمون ذلك ، ولا يفهمون أيضًا أننا نعرف كيف نصنع شبكة موثوقة تعتمد بشكل أساسي على مصادر الطاقة المتجددة.”

في الدراسة الأخيرة ، أوضح جاكوبسون وزملاؤه كيفية تلبية متطلبات الطاقة كل 30 ثانية في جميع أنحاء الولايات المتحدة دون انقطاع التيار الكهربائي في دولة أكثر خضرة وسكانًا في عامي 2050 و 2051.

في عمليات المحاكاة ، تخيلوا أن جميع المركبات كانت كهربائية أو تعمل بخلايا وقود الهيدروجين. استبدلت المضخات الحرارية الكهربائية وسخانات المياه وتوربينات الرياح والألواح الشمسية بدائل الوقود الأحفوري. شمل الفريق أيضًا مصادر طاقة حرارية جديدة ولكن لم يكن هناك محطات كهرومائية جديدة.

قاموا بنمذجة استقرار الشبكة في جميع أنحاء الولايات المتحدة المتجاورة ، بما في ذلك البيانات من نموذج تلوث الهواء والمناخ والطقس ، والذي يتضمن عوامل المناخ وأنماط الطقس النموذجية إحصائيًا التي تحدث في منطقة معينة. باستخدام بيانات استهلاك الطاقة من إدارة معلومات الطاقة ، قام الفريق بمحاكاة متطلبات الطاقة لعام 2050-2051. كان لابد أن يتساوى إمداد الطاقة مع الطلب على الطاقة كل 30 ثانية ، وإلا فسيتم إغلاق النموذج.

وجد الفريق أن الطلب الفعلي على الطاقة انخفض بشكل كبير عن طريق التحول ببساطة إلى الموارد المتجددة ، والتي تعتبر أكثر كفاءة. بالنسبة للولايات المتحدة بأكملها ، انخفض إجمالي الطلب على الطاقة للاستخدام النهائي بنحو 57 بالمائة. كان نصيب الفرد من تكاليف الطاقة السنوية للأسر المعيشية أقل بنحو 63 في المائة من سيناريو “العمل كالمعتاد”.

قالت آنا كاتارينا فون كرولاند ، مؤلفة مشاركة ومرشحة دكتوراه في مختبر جاكوبسون: “كل ما نقوم به حاليًا باستخدام الوقود الأحفوري سيتم باستخدام التكنولوجيا التي يتم تشغيلها من خلال الكهرباء”. “كمية الطاقة اللازمة لأداء الأنشطة ، أساسًا لتشغيل الضوء أو لتزويد العمليات الصناعية بالوقود ، والتي ستنخفض في الواقع إذا كنت تستخدم مصدر طاقة أكثر كفاءة.”

خلال حدث الطقس المتطرف ، يعد انخفاض الطلب على الطاقة أمرًا مهمًا للمساعدة في إبقاء الشبكة متصلة بالإنترنت. في تكساس ، من شأن التحول الأخضر الكامل أن يقلل من متوسط ​​الطلب على الطاقة للاستخدام النهائي السنوي بنسبة 56 في المائة. كما أنه يقلل من أحمال الذروة ، أو أكبر كمية من الطاقة التي يسحبها المرء من الشبكة في كل مرة. قال جاكوبسون إن العديد من المنازل سيكون لها أيضًا تخزين خاص بها ولن تحتاج إلى الاعتماد على الشبكة بنفس القدر.

وجد الفريق أيضًا أن ربط الشبكات الكهربائية من مناطق جغرافية مختلفة يمكن أن يجعل نظام الطاقة أكثر موثوقية ويقلل من التكاليف. من المرجح أن تهب الرياح في المناطق الأكبر حجمًا أو تسطع الشمس أو تعمل الطاقة الكهرومائية في مكان آخر ، والتي قد تكون قادرة على المساعدة في سد أي فجوات في الإمداد.

قال ديسلر: “ينخفض ​​التقطع في الطاقة المتجددة كلما نظرت إلى مناطق أكبر وأكبر”. “إذا لم يكن الجو عاصفًا في تكساس ، فقد يكون الجو عاصفًا في ولاية أيوا. في هذه الحالة ، يمكن أن يكونوا مفرطين في إنتاج الطاقة ويمكن أن يشحنوا بعض قوتهم الإضافية إلينا “.

ذكرت الدراسة أن التكاليف لكل وحدة طاقة في تكساس أقل بنسبة 27 في المائة عند ربطها بشبكة الغرب الأوسط مقارنةً بالعزلة ، كما هي حاليًا.

قال فون كرولاند: “في جميع المجالات ، وجدنا أنه سيكون أقل تكلفة ، وأكثر موثوقية ، والاستفادة بشكل أفضل من الطاقة إذا أردنا التوسع في التوصيل البيني”. تضيف على الرغم من ذلك “حتى لو كانت كل ولاية مقسمة إلى جزر من تلقاء نفسها ، فسيظل من الممكن تنفيذ 100 في المائة من مياه الرياح والطاقة الشمسية في كل ولاية على حدة “.

خلال فصل الشتاء في تكساس ، قال جاكوبسون إن توربينات الرياح التي تتم صيانتها بشكل صحيح ستساعد أيضًا في الحفاظ على إمدادات الطاقة. خلال موجة البرد في فبراير 2021 ، تم إغلاق بعض توربينات الرياح المجمدة بسبب نقص معدات إزالة الجليد. (الفحم والغاز والمصادر النووية اغلاق ايضا من التجميد المباشر للمعدات وساهم في حدوث انخفاض أكبر في الطاقة.)

قال جاكوبسون: “في تلك الأيام التي يكون فيها الجو باردًا ، يكون لديك رياح شديدة ، وهي أخبار جيدة حقًا لأنه عندما يكون الجو باردًا ، يكون لديك طلب تدفئة”. “في الواقع تحصل على مزيد من الطاقة الناتجة في الأيام الباردة.”

خلال فصل الشتاء ، قد يجعل ضوء الشمس المنخفض الألواح الشمسية غير مفيدة. في هذه الحالة ، تعتبر توربينات الرياح والألواح الشمسية مصادر طاقة تكميلية. إذا فشل كلاهما في نقطة ما ، فيمكن أن يبدأ مصدر آخر للطاقة ، مثل الطاقة الحرارية الأرضية أو الطاقة الكهرومائية.

تُستخدم البطاريات أيضًا لتزويد الطاقة عندما تكون الطاقة الشمسية أو طاقة الرياح منخفضة ، لكن الفريق أظهر أن البطاريات طويلة الأمد ليست ضرورية أو مفيدة لاستقرار الشبكة. يمكن توصيل العديد من البطاريات التي تعمل لمدة 4 ساعات الموجودة حاليًا في السوق لتوفير تخزين طويل الأجل ، مثل أثناء انقطاع التيار الكهربائي. هذه النتيجة مفيدة بشكل خاص لأن تقنية البطاريات طويلة الأمد قد لا تزال بعيدة نسبيًا عن الوصول إلى السوق.

قال ديسلر: “من الخطأ التفكير في مصادر الطاقة المتجددة على أنها لا يمكن الاعتماد عليها لأنك لا تفكر في مصادر الطاقة المتجددة في حد ذاتها”. “أنت تفكر فيهم كجزء من نظام. ستتميز الشبكة المستقرة التي تتميز بالكثير من مصادر الطاقة المتجددة أيضًا بقدرة ثابتة قابلة للنشر والتي ستنتعش عندما تنخفض مصادر الطاقة المتجددة “.

اقترحت محاكاة الفريق أيضًا انقطاع التيار الكهربائي في كاليفورنيا ، مثل تلك في أغسطس 2020، بتكلفة منخفضة. يمكن أن يؤدي تركيب المزيد من توربينات الرياح البحرية خلال فصل الصيف إلى توفير الطاقة ، بما في ذلك تبريد المباني. يمكن أن يؤدي الانتقال إلى جميع أنواع الطاقة النظيفة والمتجددة إلى تقليل الطلب على الطاقة في كاليفورنيا بنسبة 60 في المائة.

بالإضافة إلى تحسين استقرار الشبكة ، وجدت الدراسة أن تشغيل شبكة نظيفة ومتجددة يمكن أن يخلق ما يقرب من 5 ملايين وظيفة طويلة الأجل بدوام كامل ، من البناء إلى التصنيع إلى التوظيف غير المباشر في الشركات. ستنتج الأنظمة أيضًا هواءًا أنظف ، مما قد يقلل الوفيات المرتبطة بالتلوث بمقدار 53000 شخص سنويًا ويقلل من الأمراض المرتبطة بالتلوث لملايين الأشخاص في عام 2050.

قال روبرت هوارث ، الأستاذ بجامعة كورنيل والذي لم يشارك في البحث: “هذه دراسة مهمة للغاية”. “تستمر صناعات الوقود الأحفوري في القول بأن مصادر الطاقة المتجددة تجربة خطيرة ، وأن استقرار الشبكة وموثوقيتها سيستمران في الاعتماد جزئيًا على الوقود الأحفوري. هنا ، يظهر جاكوبسون وزملاؤه بوضوح أن هذا ليس هو الحال على الإطلاق “.

يوافق ديسلر على أنه لا يعتقد أن نتائج هذه الدراسة “مثيرة للجدل على الإطلاق”.

“من الواضح أنها ستنجح فقط لأن هناك الكثير من الطاقة المتجددة المتاحة على هذا الكوكب. فقط من وجهة نظر الفيزياء ، ليس هناك أي قيود أساسية هنا ، “قال. “القيد سياسي. عليك أن تجعل الناس يجتمعون ويقررون القيام بذلك ، وهذا أمر صعب حقًا “.

خلال نوبة البرد في فبراير 2021 ، قال حاكم تكساس السابق ريك بيري إن سكان تكساس سيقضون وقتًا أطول في البرد وبدون كهرباء “لإبقاء الحكومة الفيدرالية خارج أعمالهم” و إحباط الديمقراطيين الذين يريدون اقتراح لوائح جديدة.

وضعت حوالي 15 ولاية وإقليم وأكثر من 180 مدينة سياسات تزيد من كمية الكهرباء المتجددة ، لكن جاكوبسون تأمل في أن تمنح نتائج مثل هذه الثقة لصانعي السياسات لتمرير القوانين والسياسات من أجل انتقال أسرع. دراسات جاكوبسون السابقة والعمل من خلال منظمته غير الربحية مشروع الحلول ساعدوا في خطط مستنيرة مثل الصفقة الخضراء الجديدة والمجلس التشريعي للولاية.

“نحن بحاجة إلى انتقال سريع حقًا بنسبة 80 بالمائة [of clean energy] بحلول عام 2030 و 100 في المائة في أقرب وقت ممكن بعد ذلك ، قال جاكوبسون. “إنها تتطلب حقًا جهدًا واسع النطاق بين الكثير من الأشخاص لحل هذه المشكلة. إنها ليست دراسة علمية واحدة ستحل المشكلة “.