¿Qué tipo de desarrollos son necesarios para permitir la generación de energía completamente renovable para el planeta (incluyendo viento, agua, energía solar, etc.) en los próximos [20 | 50 | 100 | X] años?

Answer 1

El desafío es que la mayoría de las energías renovables actúan como “carga negativa”, reduciendo la generación de servicios públicos necesaria en ciertos momentos en lugar de ser una capacidad de generación controlable. Las únicas excepciones importantes a esto son la energía hidroeléctrica (limitada por la geografía a aproximadamente el 10% de la electricidad global) y la energía solar térmica concentrada (muy cara y bastante no probada).

Como nota al margen aquí, la CSP tiene un potencial real, pero solo existen unas pocas plantas, por lo que la escalabilidad es un gran interrogante. La practicidad a largo plazo de mantener miles de heliostatos y espejos mecánicos en medio de un desierto es un poco sospechoso. Pero repito, tiene mucha promesa.

De todos modos, este comportamiento de “carga negativa” significa que puede predecir estocásticamente cuándo las energías renovables proporcionarán energía, pero realmente no puede controlarlo. Siempre que su relación de generación controlada: no controlada se mantenga por debajo de cierto punto, quizás 1: 4 o más, la cuadrícula lo maneja bastante bien. Las centrales eléctricas de combustible fósil controlables aceleran hacia arriba y hacia abajo según sea necesario. Pero a mayores penetraciones de energías renovables, se hace cada vez más difícil equilibrar el suministro y la demanda de electricidad en cada instante. Hay un punto en el que simplemente no puede eliminar ninguna capacidad de generación más convencional sin apagones periódicos. (Alemania y California ya se están acercando a este límite). La solución es el almacenamiento de energía a escala de red para compensar todas las fluctuaciones, pero hoy en día ninguna de las tecnologías sobre la mesa es tan asequible a la escala necesaria para una penetración del 100% de las energías renovables.

Los lugares que están obteniendo> 20% de su poder de las energías renovables hoy en día lo hacen utilizando vecinos que queman fósiles para absorber la variabilidad. Un país como Bélgica o Dinamarca es lo suficientemente pequeño como para exportar fácilmente el exceso de energía solar / eólica y luego importar carbón / energía nuclear para cubrir las fallas. Esto obviamente no es viable a escala global. Para un 100% de electricidad global, necesitamos almacenamiento en la red o granjas de CSP masivas o algo que aún no se haya inventado.

Con todo lo dicho, aquí está mi estimación de qué tan factible es cada período de tiempo:

20 años – No puede ocurrir físicamente. La economía mundial no puede cambiar de marcha, reorganizar y construir infraestructura tan rápido. Si no me crees, ve a comprar una copia de Transiciones de energía de Vaclav Smil y revisa la información por ti mismo. El sector energético global es inimaginablemente enorme: es un gigante construido gradualmente en los últimos 150 años, y esas criaturas no se vuelven un centavo. Recuerde, la vida útil de diseño de una central eléctrica es de aproximadamente 50 años y hay líneas eléctricas en servicio hoy en día que se acercan a 100. Este no es un software.

50 años – Depende. ¿Contas el nuclear como renovable?

• Si es así, entonces es probable que puedas llegar con una mezcla de energía hidroeléctrica solar + eólica + concentrada y térmica. Este es un escenario tecnológicamente creíble, pero probablemente no sea políticamente factible debido a los riesgos de Fukushima y la proliferación de armas. Es probable que requiera una “base de guerra” global contra el calentamiento global para lograrlo.
• Si no hay expansión nuclear, este período de tiempo se vuelve espectacularmente improbable. Todavía no tenemos la tecnología para hacer que la energía eólica y solar funcionen a una fracción suficientemente grande del suministro de electricidad. Sin almacenamiento a escala de red, la energía solar fotovoltaica está condenada a ser marginal (aproximadamente 5% del suministro) y el viento se limita, en el mejor de los casos, a la igualdad con los combustibles fósiles (~ 20-40% si somos optimistas). La única forma viable es construir una red de energía superconductora global masiva para conectar toda la energía solar y eólica del mundo con algunas instalaciones de almacenamiento masivo de energía hidroeléctrica bombeada en, por ejemplo, Noruega y Nepal.

100 años – Ahora estamos llegando a alguna parte. En este punto, es de esperar que tengamos el problema de almacenamiento resuelto y / o el CSP comprobado sea viable para una implementación a gran escala. No me sorprendería si estuviéramos obteniendo el 50-75% de nuestro poder de las energías renovables en este momento. Quizás podamos alcanzar el 100%, aunque sospecho que muchos países simplemente preferirán seguir quemando combustibles fósiles domésticos mientras duren.

400 años – (Si la civilización aún existe) Definitivamente usaremos renovables, reactores de fisión reproductores o reactores de fusión. Este es el punto donde el carbón y el gas natural en realidad pueden agotarse hasta el punto en que ya no son factibles para la generación de energía a escala de la red.

Así que sí. Tomará un tiempo. Esto es en gran medida un problema de ingeniería, y la ingeniería de infraestructura en particular no se beneficia del optimismo. Tenemos que ser realistas sobre lo difícil que será la transición a las energías renovables, o va a fracasar.

Answer 2

Permítanme comenzar con los EE. UU., Que cuenta con recursos eólicos y solares muchas veces su uso actual de electricidad. Lo que falta es suficiente almacenamiento para equilibrar el suministro intermitente con la demanda a lo largo de un ciclo completo de día y noche, y suficiente capacidad de transmisión desde áreas de alto suministro a áreas de demanda. Esto incluye Texas, Nuevo México y Arizona a California; Texas al sureste; Las Dakotas y Iowa a Chicago, y otros corredores similares. Por razones políticas, la red de Texas está casi completamente aislada del resto del país. Sin embargo, se convertirá en un gran exportador de energía renovable, y el dinero real triunfa sobre la política. Varias compañías tienen proyectos para proporcionar las interconexiones necesarias.

El futuro del almacenamiento radica en la mejora de las tecnologías de baterías, que aumentan la capacidad y reducen los costos a un ritmo rápido. Se han construido decenas de millones de megavatios de almacenamiento de batería altamente despachable, y la capacidad puede aumentar fácilmente para satisfacer la necesidad de equilibrio de carga y desplazamiento de tiempo. Esto desplazará a muchas plantas de energía de despacho que se pueden despachar actualmente, en particular el gas. Cuando los autos y autobuses eléctricos toman una parte significativa del mercado de transporte, esperamos que el almacenamiento en la flota de transporte sea más que suficiente para toda la red.

Europa también tiene problemas de capacidad de transmisión y almacenamiento, que se resolverán de la misma manera. La transmisión desde paneles solares en el norte de África y Medio Oriente será particularmente importante allí.

India y China tienen vastos recursos solares y eólicos, a menudo en áreas remotas, y tendrán los mismos problemas de infraestructura con las mismas soluciones. Han descubierto que no pueden manejar sus actuales centrales eléctricas de carbón a una capacidad cercana a su capacidad, por lo que sería una tontería seguir construyendo más. Muchos burócratas en los ministerios de energía están resistiendo esta conclusión, pero es inevitable ahora que las energías renovables cuestan menos que el carbón.

En los países en desarrollo, el mayor problema son los pueblos que actualmente están completamente fuera de la red. Community microrred solar parece ser la solución para ellos, en la mayoría de los casos, tan pronto como el almacenamiento de la batería se vuelve asequible para tales sistemas. Ruanda es una excepción, con una nueva represa construida en China y un agresivo programa de infraestructura para llevar electricidad a cada aldea del país, luego a Internet de banda ancha y una computadora de Una Computadora Portátil por Niño para cada alumno.