Десять лучших технологий года по версии MIT. #10: Умная энергия ветра и солнца

8 020 просмотров
Об авторе

Ветряки

Новости технологий полны важных событий, но немногие из них представляют собой настоящие прорывы. Лучший в мире вуз 2014 года, Массачусетский технологический институт, регулярно выдающий на-гора невероятные открытия и разработки, представил свой топ из десяти прорывных технологий настоящего времени. По мнению авторов, это «прорывы, которые будут иметь значение многие годы». В этом цикле статей мы подробно ознакомимся с каждым пунктом.

Умная энергия ветра и солнца — массивы данных и искусственный интеллект производят ультраточные прогнозы, которые позволяют интегрировать в сеть больше источников возобновляемой энергии.

Прорыв:

Невероятно точные прогнозы поведений ветра и солнца.

Почему это важно:

Работа с переменчивостью возобновляемой энергии важна для ее расширения.

Ключевые игроки:

  • Xcel Energy
  • GE Power
  • Национальный центр атмосферных исследований

Энергия ветра переживает расцвет на открытых равнинах Восточного Колорадо. В семи милях к северу от города Лимон на 71 шоссе, а затем на восток по Conty Road 3p, полоса пыльного гравия перемежается с новыми линиями электропередач. Через несколько минут вас окружат высокие турбины, ряды которых простираются на многие километры. Три больших ветропарка были построены в этой области с 2011 года. Новый будет построен в этом году.

Каждые несколько секунд почти каждая из сотен турбин записывает скорость ветра и свою собственную выходную мощность. Каждые пять минут они отсылают данные на высокопроизводительный компьютер Национального центра атмосферных исследований в Боулдере. Уже там программное обеспечение на базе искусственного интеллекта перебирает числа, обрабатывая также данные метеорологических спутников, станций и других ветряков штата. В результате прогнозы ветряной энергии осуществляются с беспрецедентной точностью. Колорадо может использовать больше возобновляемой энергии, а падение цен на ветряки еще больше разгоняет тенденцию.

Прогнозы помогают энергетическим компаниям справляться с одной из самых больших проблем ветряной энергии: ее переменчивостью. Использование небольших количеств ветряной энергии — не проблема для коммунальщиков. Они привыкли иметь дело с изменчивостью: объемы электроэнергии колеблются от сезона к сезону, даже от минуты к минуте. Тем не менее утилитарному хозяйству, которое использует энергию ветра, нужно обзавестись запасным объемом энергии, чтобы защитить себя от внезапного исчезновения ветра. Такие бэкап-заводы, которые обычно сжигают горючее топливо, — дорогие и грязные. Но с более точными прогнозами хозяйства могут уменьшить объем энергии, которую нужно хранить в запасе, минимизировав ее роль.

До того, как появились подобные прогнозы, Xcel Energy, которая поставляет большую часть энергии Колорадо, запустила рекламу с противоположным: она использует возобновляемые источники энергии ради скромных 10% своей мощности. Листовка разошлась по клиентам и сообщила, что такое положение дел увеличит стоимость электричества на 1,5 миллиарда долларов за 20 лет.

Ветряки

Но благодаря прогнозам, Xcel, одно из крупнейших коммунальных хозяйств, сделало поворот.

Компания установила больше ветряков, чем любое другое хозяйство США, и получает до 30% энергии из возобновляемых источников, говоря, что можно получать и больше.

Ранняя версия системы прогнозов Национального центра атмосферных исследований вышла в 2009 году, но в прошлом году ее точность существенно улучшилась, и прогнозы сохраняют Xcel столько денег, сколько у них было последние три года в сумме. В этом году НЦАИ тестирует подобную систему прогнозирования для солнечной энергии.

Работа с прогнозами позволяет разработать более гибкую и эффективную систему электроэнергии, которая может существенно поспособствовать амбициозным международным целям в области сокращений выбросов углерода, говорит Брайан Хэннеган, директор фабрики на 135 миллионов долларов в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (НЛВИЭ) в Голдене, Колорадо, которая использует суперкомпьютерные моделирования для разработки путей расширения использования возобновляемой энергии.

«Мы хорошо видим то, куда идем, если говорить о долгосрочных целях нашей энергетики и заботы об окружающей среде, — говорит он. — Раньше мы не могли говорить об этом».

В погоне за ветром

Никто не знает больше о проблемах интеграции ветряной энергии в сеть, чем Дейтон Джонс, диспетчер электростанции Xcel Energy. Из своего гнезда на десятом этаже здания Xcel в центре Денвера он отвечает за поддержание света в Колорадо. Для этой работы необходимо поддерживать соответствие производства электроэнергии потребностям в ней, выключая и включая электростанции по необходимости. Производство слишком многого или недостаточного количества энергии может повредить электроприборы или даже оставить без света весь город. Энергия ветра, с его переменными колебаниями, усложняет эту работу.

Несколько лет назад диспетчеры вроде Джонса не могли верить прогнозам о том, сколько энергии ветра может быть доступно для сети в определенный момент. Такие прогнозы были верны лишь на 20%, а иногда и вовсе подводили. В итоге решили запустить угольные станции на холостом ходу, чтобы в любой момент они могли полностью подменить ветряки за несколько минут. Этот подход дорогостоящий, и чем больше система полагается на силу ветра, тем дороже обходится. Более того, запуск запасных генераторов энергии на угле означает «выбросить уголь в небо»: это стоит денег и это плохо для окружающей среды, говорит Уильям Махони, замдиректора Лаборатории исследовательских задач в НЦАИ.

Прогнозы НЦАИ вселили в Джонса достаточную уверенность в энергии ветра, чтобы закрыть большую часть заводов, работающих в холостую. Их количество зависит от определенности прогноза. Если погода холодная и влажная, чтобы частички льда на ветряных турбинах не могли замедлить их или остановить, Джонс включает больше заводов.

Но в ясные дни, с хорошим и мощным ветром, он может закрыть все быстродействующие запасные заводы, даже те, которые обычно зарезервированы для реагирования на изменение спроса. При таких обстоятельствах Джонс может работать только с ветряками, чтобы уровень энергии соответствовал спросу: выход энергии ветряных турбин можно мгновенно изменить, повернув лопасти так, чтобы за них «цеплялось» больше ветра. Автоматизированное управление координирует сотни турбин.

Изначально Xcel делала прогнозы на основе данных одной или двух электростанций. Теперь НЦАИ собирает данные почти с каждой ветряной турбины. Эти данные питают погодную модель с высоким разрешением и объединяются с данными пяти других прогнозов ветра. Используя историю данных, программное обеспечение НЦАИ определяет, какие прогнозы самые лучшие, и придает каждому из них отдельный вес. Результат поражает. На основе данных о том, сколько энергии каждая турбина может сгенерировать в зависимости от разных скоростей ветра, НЦАИ сообщает Xcel, сколько энергии можно ожидать с 15-минутным шагом на срок до семи дней.

Прогнозирование солнечной энергии — следующая задача НЦАИ и Xcel, но она может быть сложнее, чем с ветром. С одной стороны, Xcel не получает информацию о том, как много энергии генерируют частные солнечные батареи на крышах, поэтому не знает, сколько энергии может потерять в случае, если небо покроется тучами. Прогнозы НЦАИ будут использовать данные спутников, тепловизоров неба, мониторов загрязнения и солнечных панелей государственного назначения, чтобы вывести объем генерации солнечной энергии, а затем предсказать, как будет меняться это число.

Виртуальная энергия

Как могут чрезвычайно точные прогнозы ветра и солнца помочь нам в использовании источников возобновляемой энергии и существенно снизить выбросы углекислого газа? Исследователи Национальной лаборатории возобновляемой энергии начали с того, насколько хорошо ветряная и солнечная энергия могут компенсировать друг друга. В какой степени, например, ночной ветер может восполнить недостаток солнечного света. Также они рассматривают возможность совмещения прогнозов с умными посудомоечными машинами, водонагревательными устройствами, инверторами солнечных панелей, водоочистных сооружений и электрических автомобильных зарядных устройств, чтобы пережидать неизбежные безветренные и облачные периоды, не прибегая к ископаемому топливу.

Возьмем, к примеру, электромобили. Автомобиль сохраняет достаточно электроэнергии для питания дома где-то от полудня до нескольких дней, в зависимости от размера аккумулятора. И у него достаточно сложная электроника, чтобы контролировать время и скорость зарядки. Это могло бы компенсировать колеблющуюся силу ветра путем вариации спроса на электроэнергию. Грубо говоря, батареи электромобилей могли бы накапливать энергию для дома. На сегодня в мире не так много электромобилей, но это может измениться в ближайшие десять лет, когда источники возобновляемой энергии будут обеспечивать 30-40% энергии, то есть в десять раз больше, чем сейчас.

В Национальной лаборатории возобновляемой энергии исследователи могут подключить 30 электромобилей в доки, которые позволяют им взаимодействовать с питанием сети, моделируемой на суперкомпьютере, и спрогнозировать, что произойдет, если в сети будут тысячи автомобилей. Идея в том, что электромобили могут хранить энергию солнечных панелей и использовать ее для обеспечения электроэнергией ближайших домов, когда спрос на электричество достигает пика, а потом перезаряжать батареи с помощью силы ветра в ранние утренние часы.

Подобные прогнозы «крайне необходимы», говорит Бри-Матиас Ходж, старший инженер-исследователь НЛВЭ. Они помогут определить, когда батареи автомобиля смогут отдавать максимальное количество электроэнергии и не оказаться пустыми, когда водителю понадобится куда-то ехать.

Еще до того, как это станет реальностью, прогнозы НЦАИ уже оказывают большое влияние. В прошлом году, в один ветреный выходной, когда спрос на электроэнергию был низким, Xcel установила рекорд: в течение одного часа 60% всей электроэнергии для Колорадо шло от ветра.

«Такого рода зависимость от ветра вызвала бы у диспетчеров сердечный приступ пару лет назад, — говорит Дрейк Бартлетт из Xcel. В то время, отмечает он, диспетчеры не могли знать, когда энергия внезапно исчезнет. «Сейчас мы берем ее на ходу. И этот рекорд точно будет побит».

Десять лучших технологий года по версии MIT. #10: Умная энергия ветра и солнца

Приложение
Hi-News.ru

Новости высоких технологий в приложении для iOS и Android.

Новый комментарий

Для отправки комментария вы должны авторизоваться или зарегистрироваться.