Làm toán về tương lai sử dụng năng lượng mặt trời
dao động cách nhiệt. Đường cong màu đen được làm phẳng năng lượng trung bình hàng ngày trong 45 ngày trên một đơn vị diện tích ở vùng St. Louis, 1980–2019 và một phạm vi độ lệch chuẩn bị gạch ngang. Cũng được hiển thị là dữ liệu hàng ngày cho năm 1980 (màu xanh lam) và việc thực hiện điển hình dữ liệu tổng hợp của chúng tôi (màu đỏ). Đường đứt nét màu xanh phía trên tương ứng với tải có f = 1 (xem văn bản để biết định nghĩa của f) và đường dưới tương ứng với f = 1,5. Sự khác biệt giữa dữ liệu hàng ngày và các đường đứt nét mang lại sự dư thừa/thâm hụt năng lượng hàng ngày cho hai giá trị f này. Ảnh: Biên giới trong nghiên cứu năng lượng (2023). DOI: 10.3389/fenrg.2023.1098418
Nhà vật lý Anders Carlsson, tại Đại học Washington ở St. Louis, và Sid Redner của Viện Santa Fe đã tạo ra một mô hình toán học mới để mô tả cách khai thác năng lượng mặt trời đáng tin cậy, hiệu quả và tiết kiệm chi phí nhất.
Các tính toán của họ, được xuất bản gần đây trên tạp chí Biên giới nghiên cứu năng lượng, cho thấy những cải tiến nhỏ trong việc tạo và lưu trữ năng lượng có thể có tác động lớn đến độ tin cậy tổng thể của lưới điện năng lượng mặt trời.
Sử dụng dữ liệu năng lượng mặt trời trong 40 năm từ vùng St. Louis, Carlsson và Redner đã thực hiện các phép tính trong hàng triệu năm giả định để xác định sự kết hợp tối ưu giữa sản xuất và lưu trữ điện nhằm xây dựng một lưới điện đáng tin cậy chạy bằng năng lượng tái tạo. Một hệ thống như vậy còn nhiều năm nữa mới xuất hiện trên thực tế và Carlsson lưu ý rằng một lưới điện tái tạo ở St. Louis sẽ phải kết hợp năng lượng mặt trời và năng lượng gió.
Tuy nhiên, các nhà vật lý tìm thấy một số chỗ để lạc quan. Phân tích của họ cho thấy rằng, chỉ với những cải tiến hệ thống khiêm tốn, lưới điện năng lượng mặt trời có thể cực kỳ ổn định.
Carlsson, giáo sư vật lý tại Nghệ thuật & Khoa học cho biết: "Độ tin cậy cải thiện theo cấp số nhân nếu bạn tăng công suất phát điện hoặc dung lượng lưu trữ".
Khả năng lưu trữ là rất quan trọng vì ánh nắng mặt trời có thể thiếu trong mùa đông ở nhiều vùng của đất nước, bao gồm cả St. Louis. Điều đó có nghĩa là bất kỳ hệ thống năng lượng sử dụng năng lượng mặt trời nào cũng phải bao gồm pin có thể cung cấp năng lượng vào những ngày tương đối tối.
Chế tạo pin tốt hơn là nhiệm vụ quan trọng đối với các nhà khoa học tại WashU và các nơi khác. Những tiến bộ trong công nghệ pin chắc chắn có thể giúp cách mạng hóa lưới điện, nhưng tính toán của Carlsson và Redner cho thấy việc giảm chi phí cho các tấm pin mặt trời có thể có tác động tương đối lớn hơn đến hiệu quả của toàn bộ hệ thống.
Ở St. Louis, mặt trời đủ tin cậy để cung cấp năng lượng cho lưới điện trong phần lớn thời gian trong năm, nghĩa là phần lớn năng lượng sẽ đến trực tiếp từ nhà máy điện chứ không phải từ pin. Ông nói: “Nhưng vì khoa học về pin mang lại nhiều tiềm năng hơn cho những khám phá làm thay đổi cuộc chơi, nên nghiên cứu về pin vẫn nên được ưu tiên.
Carlsson cho biết toán học về năng lượng tái tạo chỉ ra một bài học quan trọng khác: Việc tìm kiếm sự hoàn hảo có thể phản tác dụng. Ông nói, một hệ thống giả định chạy hoàn toàn bằng năng lượng mặt trời và năng lượng gió tái tạo sẽ đắt hơn đáng kể so với hệ thống tái tạo sử dụng một lượng nhỏ khí tự nhiên làm dự phòng.
Ông ước tính rằng, với công nghệ hiện tại, một hệ thống tái tạo 100% cung cấp năng lượng cho St. Louis có thể tiêu tốn 130.000 USD cho mỗi hộ gia đình. Tuy nhiên, một hệ thống có thể tái tạo 95% hoặc 99% có thể nằm trong khoảng từ 80.000 đến 90.000 đô la.
Carlsson cho biết: “Các hệ thống có khả năng tái tạo cực cao rất đắt đỏ. "Nếu chúng ta có thể đạt được 99% tái tạo trong 10 năm, so với 100% tái tạo trong 30 năm, tốt hơn chúng ta nên tìm cách đạt được 99% đó."
