Przestajemy postrzegać energię elektryczną jako prosty towar. Nie chodzi tylko o produkcję i konsumpcję. Należy wziąć pod uwagę zachowanie ludzi. Weź pod uwagę swój styl jazdy. Weź pod uwagę styl życia. Następnie należy wziąć pod uwagę kaprysy wiatru i pogody.
Teraz wyobraźcie sobie, że to wszystko się miesza. Jaki jest balans? Kiedy energia wiatrowa faktycznie wytwarza energię elektryczną? Kiedy kierowcy naprawdę tego potrzebują?
Jeśli się nad tym dokładnie zastanowisz, możesz dojść do wniosku, że tak nie jest.
Masz rację. Przynajmniej częściowo. Idealna odpowiedź zależy od wielu zmiennych. Jest możliwe, ale mało prawdopodobne, że pewnego dnia odpowiedź będzie brzmieć „tak”.
Wyzwania zmian kulturowych
Problem turbin wiatrowych nie jest już problemem podaży i popytu. Jest to raczej kwestia społecznych i kulturowych zmian nawyków i sposobów myślenia.
Przejście z mil na galon na kilowatogodziny na milę nie polega tylko na wymianie zbiornika paliwa na akumulator. Chodzi o zmianę nawyków za kierownicą. Wynika to z nawyków podróżniczych. Zmienia się nawet sposób, w jaki myślimy o pracy i dojazdach do pracy.
Ale nawet jeśli te tradycje kulturowe ulegną zmianie, energii wiatrowej nadal będzie brakowało.
Oczywiście możesz także wygenerować potrzebną energię elektryczną. Ale tylko wtedy, gdy farm wiatrowych będzie wystarczająco dużo. Tylko jeśli istnieje wystarczająca liczba sposobów dystrybucji energii. A co jeśli, co jeśli, co jeśli.
Wiatr jest zjawiskiem zmiennym. Pomimo nowoczesnych metod prognozowania, zależy to od pory roku. Zależy od burzy. Zmienia się i zmienia. Dużo więcej niż ludzkie zachowanie.
Teczka, a nie panaceum
Energia wiatrowa dla samochodów może być częścią alternatywnego miksu energetycznego. To połączenie może pewnego dnia zastąpić tradycyjne elektrownie węglowe, gazowe i olejowe.
Dowiedz się, dlaczego energia wiatrowa nie zasila floty samochodowej w kraju. Może jednak służyć jako jedno narzędzie w szerszym zestawie narzędzi energetycznych. Ten zestaw narzędzi ma sprawić, że Stany Zjednoczone staną się bardziej ekologicznym i energooszczędnym krajem.
Wiatr jest nieprzewidywalny
Jeszcze zanim termin „globalne ocieplenie” stał się terminem powszechnym, profesor MIT Stephen Connors badał skrzyżowanie alternatywnych źródeł energii i tradycyjnego wytwarzania energii elektrycznej. Ustalenia Komisji dotyczące wykorzystania pojazdów elektrycznych w kraju są mieszane. To nie ma nic wspólnego z geografią. Najwyższy czas.
Ludzie są zaniepokojeni tym, skąd pochodzą elektrony. Powinni zapytać, kiedy samochód ich potrzebuje.
„Jednym z największych problemów pojazdów elektrycznych jest to, że ludzie chcą je ładować w nocy” – powiedział Connors. Praktyka ta doskonale wpisuje się w charakterystykę tradycyjnej infrastruktury sieciowej. Większość energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych jest nadal wytwarzana przez turbiny parowe spalające gaz ziemny, węgiel i ropę naftową. Takie elektrownie nie lubią bezczynności. To nieskuteczne. Dlatego kontynuują pracę przez całą noc. Tworzy to ogromną nadwyżkę taniej energii elektrycznej w czasie, gdy zapotrzebowanie jest minimalne. Chyba że masz samochód elektryczny, który ładuje się o 2 w nocy. Wtedy ta nadwyżka stanie się Twoim rabatem.
Energia wiatrowa nie dba o Twój harmonogram ani godziny pracy w Twoim kraju. To zależy od warunków pogodowych. Warunki te można przewidzieć jedynie w pewnym stopniu. I rzadko pokrywają się z ludzkim zachowaniem.
„Istnieje ogromna rozbieżność pomiędzy sposobem ładowania pojazdów elektrycznych a dostępnością energii wiatrowej” – stwierdził Connors.
Pory roku nie pasują
Nie zawsze jest wiatr. To cykliczne. Najsilniejsze wiatry wieją w miesiącach zimowych. Jednak nasze nawyki dotyczące ładowania nie zmieniają się wraz z porami roku. W lipcu samochody łączymy w ten sam sposób, co w styczniu.
Trendy sezonowe wykazują codzienne wahania. Różnią się one w zależności od regionu. Szczytowe wiatry w jednym stanie mogą wystąpić podczas przerw w innym. Te przyszłe trendy determinują rzeczywistą ilość wyprodukowanej energii. Wiatr może uzupełniać sieć. Nie możemy być jedynym dostawcą energii dla pojazdów elektrycznych na terenie całego kraju.
„Ten element sezonowy nie zaspokaja jeszcze potrzeb” – stwierdził Connors.
Czy sama energia wiatrowa może zasilać pojazdy elektryczne?
Jeśli spojrzeć na dane, odpowiedź brzmi: nie. Infrastruktura sieci elektroenergetycznych w USA jest zbudowana dla obciążenia podstawowego, czyli stabilnej i przewidywalnej mocy. Wiatr jest zmienny. Technologie magazynowania energii wciąż się rozwijają, ale ogromne ilości energii potrzebnej do ładowania milionów samochodów nocą, gdy ucichnie wiatr, powodują niedobory.
Sieci elektryczne potrzebują czegoś więcej niż tylko wiatru. Potrzebujesz mieszanki. Elektrownie szczytowe opalane gazem mogą zwiększyć produkcję energii, gdy ustanie wiatr. Energia wodna mogłaby wypełnić tę lukę. Choć energia słoneczna jest przydatna w ciągu dnia, nie rozwiązuje problemu ładowania w nocy.
Stanowisko Connorsa jest proste. Próbujemy dopasować kwadratowy kołek (sezonowy, zależny od pogody) do okrągłego otworu (24/7, wymagające ładowania w nocy).
Skąd pochodzi energia?
Miejsce ma mniejsze znaczenie niż czas. Farmy wiatrowe w Teksasie mogą wygenerować nadwyżkę mocy w marcu. Jeśli jednak energii tej nie można magazynować ani transportować, kiedy i gdzie jest potrzebna, zostanie ona utracona. Networking to działanie równoważące. Obecnie bilans jest zbyt mocno przechylony w stronę tradycyjnych źródeł działających 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.
Wiatr jest częścią rozwiązania. Ale to nie jest całe rozwiązanie.
Ile wiatru naprawdę potrzebujemy?
Całkowite zastąpienie tradycyjnego wytwarzania energii elektrycznej wymaga rozwiązań w zakresie magazynowania energii, które jeszcze nie istnieją na wymaganą do tego skalę. Baterie się poprawiają. Istnieją elektrownie szczytowo-pompowe, ale ich wykorzystanie jest ograniczone geograficznie. W sytuacji braku dużych możliwości magazynowania energii, źródłem pomocniczym pozostaje energia wiatrowa.
Kluczowym problemem jest brak równowagi pomiędzy produkcją i zużyciem energii elektrycznej. Samochody elektryczne ładują się w nocy. Zimą często wieje silniejszy wiatr. Letnie dni są spokojne. Sieć
Dlaczego sam wiatr nie wystarczy, aby zasilić całą Amerykę?
Przekształcenie krajowej floty pojazdów w czystą energię wiatrową to bardziej hipotetyczne ćwiczenie teoretyczne niż plan logistyczny. Pierwsza przeszkoda? Cała flota musi stać się elektryczna. Nawet liderzy branży, tacy jak Connors, wątpią, czy przejście zostanie w pełni zrealizowane do 2050 r.
Załóżmy jednak, że tak się stanie. Liczby nie kłamią.
Aktualne dane pokazują, że Amerykanie w codziennych podróżach zużywają 400 milionów galonów benzyny. Aby pokonać taki dystans, nowoczesne pojazdy elektryczne wymagają około 40 kilowatogodzin (kWh) energii. Opiera się to na konserwatywnej średniej wynoszącej 15 mpg. Nie uwzględnia to terenu, aerodynamiki i masy samochodu. Skala problemu pozostaje nadal oczywista.
Aby zastąpić dzienne zużycie benzyny, producenci musieliby wytwarzać 16 bilionów kilowatogodzin energii elektrycznej dziennie. To liczba astronomiczna.
Rozważmy sytuację dla jednego kierowcy. Pojazdy zużywają około 500 galonów rocznie. Przy 40 kWh na galon oznacza to 20 000 kWh rocznie. Taka rezerwa wystarczy na 10 000 mil dojazdów do pracy. W 2006 roku na drogach USA było 251 milionów pojazdów pasażerskich. Kiedy to wszystko dodać, ogólny popyt jest niesamowity.
Jednak w 2007 roku całkowita produkcja energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych przekroczyła 4 biliony megawatogodzin. Jedna megawatogodzina równa się 1000 kilowatogodzinom, więc całkowita podaż jest duża. Ale nie chodzi tylko o wiatr. Nie wszystko pochodzi ze źródeł odnawialnych.
Wniosek jest nieunikniony. Same turbiny wiatrowe nie wystarczą do zasilania pojazdów elektrycznych w kraju. Aby wypełnić tę lukę, system energetyczny musi uwzględniać odnawialne źródła energii.
Gdzie wiatr pasuje do miksu energetycznego
Jeśli więc wiatr nie jest w stanie sam wykonać swojej pracy, jaką rolę tak naprawdę odgrywa? Działa jako dodatek do obciążenia podstawowego, a nie jako samodzielne rozwiązanie.
Farmy wiatrowe najlepiej sprawdzają się w obszarach o stabilnym i szybkim przepływie powietrza. Najlepszymi miejscami do tego są Środkowy Zachód i Teksas. Ale wiatr jest zmienny. Kiedy ucichnie wiatr, samochód również przestaje się ładować.
Dlatego tak ważne są magazynowanie energii na skalę sieciową i odnawialne systemy hybrydowe. Energię wiatrową należy zrównoważyć energią słoneczną, wodną lub geotermalną. Bez takiej różnorodności system elektroenergetyczny staje się niestabilny w okresach spokoju.
Technologia pojazdów elektrycznych stale się rozwija. Gęstość akumulatorów stale rośnie. Rozbudowuje się infrastruktura stacji ładowania. Jednak źródło energii jest ważne. Opieranie się wyłącznie na energii wiatrowej ignoruje rzeczywistość zrównoważonej produkcji energii.
Zrównoważonej przyszłości przemysłu motoryzacyjnego nie da się osiągnąć dzięki srebrnej kuli. Będzie ono realizowane poprzez złożoną i wzajemnie połączoną sieć energetyczną. Wiatr jest ważnym wątkiem w tej sieci. Ale to nie jest cała tkanina.
Zmiany sezonowe są ważne. Wiatr jest jednak nadal czystym, odnawialnym źródłem energii i nie trzeba czekać na pozwolenia.
Istnieją dwa główne typy turbin. Oś pozioma wygląda jak gigantyczne śmigło. Dominują w reklamie. Turbiny pionowe są inne. Przypominają współczesne rzeźby. Albo gigantyczna ubijaczka do jaj, która utknęła na polu.
W obu modelach zastosowano zmodyfikowane profile aerodynamiczne. Wiatr na nich wieje. Staje się siłą napędową. Turbina się obraca. Wytwarza energię elektryczną.
Energia ta może uzupełniać większą sieć elektryczną lub być wychwytywana i magazynowana.
Ta matematyka ma dziwną zaletę. To nie jest zależność liniowa. Gdy produkcja energii elektrycznej jest liniowa, jeden obrót generatora wytwarza jedną kilowatogodzinę. Ale energia wiatrowa może osiągnąć zależność sześcienną. Przy wystarczającej sile wiatru może wytworzyć 3 kilowatogodziny energii na obrót. To jest relacja sześcienna. Większa prędkość oznacza wykładniczo większą moc.
Pomimo tych zalet fizycznych farmy wiatrowe to wciąż za mało. Liczba turbin wiatrowych jest nadal stosunkowo niewielka.
Stephen Connors, badacz energii z Massachusetts Institute of Technology (MIT), twierdzi, że energia wiatrowa to tylko kolejny element układanki. Nie oczekuje, że sama poradzi sobie z ciężarem obowiązków. Plan ten obejmuje znacznie większy pakiet. Energia geotermalna. Energia wodna. Energia słoneczna. Biomasa.
Do tej listy często dodawana jest także energia jądrowa. Bez węgla. Pasuje do profilu.
Ta kombinacja energii musi ewoluować wraz z innymi. samochody elektryczne. Oraz technologie, które je wspierają. Szczególnie inteligentne sieci. Sieć ta przekierowuje nadmiar energii elektrycznej. Pobiera energię tam, gdzie jest najbardziej potrzebna. Obliczenia zapotrzebowania w czasie rzeczywistym kierują tymi zmianami.
Ale kiedy samochody naprawdę dogonią?
Connors patrzy do roku 2050. Przynajmniej to prawda. To jest jego ostateczny termin na idealny świat. To jest jego definicja idealnego świata. Regulacje rządowe są spójne. Polityka działa. Jednocześnie zmienia się opinia publiczna. Droga do ziemi obiecanej przebiegła gładko.
„To rzadko się zdarza” – powiedział.
Hybrydy są dobrym przykładem do przestudiowania. Toyota Prius weszła na rynek amerykański około 10 lat temu. Była to pierwsza opłacalna opcja z komercyjnego punktu widzenia. Teraz, ponad dekadę później, stają się one powszechnym wyborem samochodów.
Parking jest odnawiany powoli. Minie 15–20 lat, zanim Chiny całkowicie wycofują starsze modele. Zastąpi je nowymi. Pojazdy elektryczne nie są jeszcze opłacalne ani w pełni akceptowane z komercyjnego punktu widzenia.
Rok 2050 to idealna data. Mało prawdopodobny.
W tej chwili wiatr poruszy więcej drzew niż samochodów. Ale to może się zmienić. W odległej przyszłości.
Więcej informacji na temat energii odnawialnej można znaleźć pod linkami na następnej stronie.
Szczegóły
Powiązane artykuły z HowStuffWorks
-
Jak działają elektrownie wodne?
-
Jak działa energia jądrowa?
-
Jak działają sieci elektryczne
-
Jak działają ogniwa słoneczne
-
Jak działa energia wiatrowa
-
Jak działają ładowarki turbin wiatrowych
-
Jak działa energia geotermalna
-
Jak działają akumulatory do samochodów elektrycznych?
Dodatkowe przydatne linki
-
Amerykańskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej
-
Departament Energii USA
-
Administracja Informacji o Energii Stanów Zjednoczonych
Źródła
-
Amerykańskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej. (23 czerwca 2010) http://www.awea.org/
-
Connors, Stephen. Profesor w Massachusetts Institute of Technology. Wywiad osobisty. Przeprowadzono 19 listopada 2009 r.
-
Departament Energii USA. (23 czerwca 2010) http://www.energy.gov/
-
Administracja Informacji o Energii Stanów Zjednoczonych. (23 czerwca 2010) http://www.eia.doe.gov/
