Μελέτη περίπτωσης:Προς ένα σύστημα χημικών και ηλεκτρισμού που βασίζεται σε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας
Η μετάβαση σε ένα σύστημα ενέργειας και καυσίμων που βασίζεται στις ανανεώσιμες πηγές είναι προκλητική. Η δημιουργία ενός συστήματος παραγωγής που αξιοποιεί στο έπακρο την ηλιακή και αιολική ενέργεια, καθώς και τη βιομάζα και τα απόβλητα, καθώς και την ευθύνη για τη χρήση του νερού, απαιτεί οργανωμένη συστηματική αξιολόγηση των τεχνολογιών, των εναλλακτικών λύσεων και των περιορισμών τους.
Τα τελευταία 30 χρόνια, έχουν αναπτυχθεί διάφορες τεχνολογίες για την παραγωγή βιοκαυσίμων και ανανεώσιμης ενέργειας. Μεταξύ των τεχνολογιών επεξεργασίας βιομάζας, τα βιοκαύσιμα πρώτης γενιάς αποφεύγονται λόγω του ανταγωνισμού τροφίμων και καυσίμων. Έτσι, οι πιο κοινές διεργασίες χρησιμοποιούν λιγνοκυτταρινική βιομάζα για την παραγωγή βιοαιθανόλης μέσω βιοχημικών ή αλλιώς θερμικών οδών. Επιπλέον, συνθετικά καύσιμα και ενδιάμεσες χημικές ουσίες όπως μεθανόλη ή υδρογόνο μπορούν επίσης να παραχθούν ακολουθώντας θερμικές οδούς από βιομάζα.
Από την άλλη πλευρά, η ηλιακή και η αιολική έχουν αυξήσει το μερίδιό τους στο ενεργειακό μείγμα. Για την ηλιακή ενέργεια, οι τεχνολογίες συγκεντρωμένης ηλιακής ενέργειας (CSP) ή τα φωτοβολταϊκά (PV) είναι οι πιο συχνά χρησιμοποιούμενες για τη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ενέργεια. Ο άνεμος χρησιμοποιείται σε ανεμογεννήτριες. Ωστόσο, η αναντιστοιχία μεταξύ της προσφοράς ηλεκτρικής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές και της ζήτησης ενέργειας δημιουργεί προκλήσεις για την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών.
Η δυνατότητα αποθήκευσης αυτής της ενέργειας με τη μορφή χημικών ή καυσίμων όπως το μεθάνιο και η μεθανόλη είναι μια ενδιαφέρουσα εναλλακτική λύση λόγω των σημερινών περιορισμών στη χωρητικότητα των μπαταριών. Σε αυτές τις διαδικασίες, το υδρογόνο παράγεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας μέσω ηλεκτρόλυσης και CO2 συλλαμβάνεται και επαναχρησιμοποιείται για σύνθεση. Επιπλέον, η ηλιακή ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την καλλιέργεια φυκιών για την παραγωγή βιοντίζελ. Ωστόσο, για να είναι ανανεώσιμη, η μεθανόλη, η αλκοόλη που απαιτείται, πρέπει επίσης να λαμβάνεται από βιώσιμους πόρους. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν και οι δύο, ηλεκτρολυτική ή μεθανόλη με βάση τη βιομάζα. Τέλος, η υδροηλεκτρική ενέργεια είναι μια άλλη τεχνολογία ικανή να αποθηκεύει την περίσσεια ισχύος αντλώντας νερό σε ένα φράγμα για περαιτέρω χρήση. Η λειτουργία ενός τέτοιου συστήματος τεχνολογιών απαιτεί επίσης ισχύ ή/και θερμική ενέργεια που πρέπει να παραχθεί μέσα στο σύστημα.
Μέχρι στιγμής, κάθε μία από τις παραπάνω διαδικασίες έχει μελετηθεί ξεχωριστά. Ειδικότερα, τα βιοκαύσιμα και οι τεχνολογίες ενέργειας έχουν μελετηθεί από διαφορετικές κοινότητες. Ενώ οι ηλεκτρολόγοι μηχανικοί είναι εξοικειωμένοι με την παραγωγή ενέργειας, τα βιοκαύσιμα ανήκουν στον τομέα των χημικών και βιολογικών μηχανικών. Ως αποτέλεσμα, η ανάπτυξη των δικτύων παροχής ενέργειας και χημικών έχουν αξιολογηθεί ως δύο διαφορετικές οντότητες και οι προκλήσεις στη διαχείριση της ενέργειας δεν έχουν αντιμετωπιστεί σωστά. Η δυνατότητα αποθήκευσης ενέργειας με τη μορφή χημικών ουσιών, όπως ακριβώς κάνει η φύση με τη μορφή βιομάζας, μπορεί να βοηθήσει πολύ. Εναλλακτικά, μπορεί να χρησιμοποιηθεί υπερβολική ισχύς για την άντληση νερού. Με βάση αυτές τις αρχές και την ολοκλήρωση διεργασιών, διαφορετικοί πόροι έχουν ενσωματωθεί τελευταία σε υβριδικές διεργασίες, προκειμένου να μετριαστεί η μεταβλητότητα της ηλιακής ή αιολικής ενέργειας ως πρώτο στάδιο για τη χρήση ενός δεύτερου πόρου για την ικανοποίηση της ζήτησης.
Η ιδέα πίσω από αυτό το έργο είναι να έχουμε μια ολιστική άποψη. Δεν στοχεύουμε στην ενσωμάτωση μίας ή δύο τεχνολογιών, αλλά μάλλον στον καθορισμό της καλύτερης ενσωμάτωσης τεχνολογιών που βασίζονται στις ανανεώσιμες πηγές για την κάλυψη της ζήτησης ενέργειας και καυσίμων σε μια περιοχή ή μια ολόκληρη χώρα. Οι τεχνικές μαθηματικής βελτιστοποίησης επιτρέπουν στους ερευνητές να επιλέγουν συστηματικά τις τεχνολογίες που μετατρέπουν τους φυσικούς πόρους μιας συγκεκριμένης κατανομής σε ενέργεια και καύσιμα. Αυτή η προσέγγιση μπορεί να εφαρμοστεί σε διαφορετικές κλίμακες:από μια οικιστική περιοχή, ένα βιομηχανικό συγκρότημα, μια κομητεία, μια πολιτεία ή σε μια ολόκληρη χώρα.
Τα οικονομικά, περιβαλλοντικά και κοινωνικά ζητήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κριτήρια λήψης αποφάσεων για την επιλογή των πόρων που θα χρησιμοποιηθούν και των τεχνολογιών για τη μετατροπή τους. Αν και χρησιμοποιήσαμε μια σειρά παραδειγμάτων για επαρχίες, περιφέρειες και τη χερσόνησο της Ισπανίας, το προτεινόμενο πλαίσιο μοντελοποίησης είναι ευέλικτο και γενικό, ώστε να μπορεί να εφαρμοστεί σε άλλες περιπτώσεις. Μπορούν επίσης να αξιολογηθούν πρόσθετες τεχνολογίες, καθώς και η επίδραση της μελλοντικής ανάπτυξης των τεχνολογιών ως προς το κόστος τους
Τα ενδιαφέροντα αποτελέσματα που προέκυψαν σχετίζονται με την αποτελεσματική χρήση των πόρων. Εάν χρειάζεται να καλύψουμε τη ζήτηση για ενέργεια και καύσιμα μιας συγκεκριμένης περιοχής, η επιλογή των τεχνολογιών μετασχηματισμού εξαρτάται από την τοπική διαθεσιμότητα και το κόστος. Ωστόσο, η αποτελεσματικότητα της χρήσης των πόρων μπορεί να μην είναι η καλύτερη. Για παράδειγμα, εάν η ταχύτητα του ανέμου δεν είναι αρκετά υψηλή αλλά δεν υπάρχει άλλη ανανεώσιμη πηγή, αυτός ο πόρος θα εξακολουθεί να χρησιμοποιείται. Ωστόσο, το κόστος παραγωγής ενέργειας θα είναι υψηλό. Η επιλογή των τεχνολογιών για τη χρήση των φυσικών πόρων αλλάζει όταν μια ευρύτερη περιοχή περιλαμβάνεται στην ανάλυση.
Μια πιο αποτελεσματική λύση επιτυγχάνεται όταν εξετάζονται μεγαλύτερες περιφέρειες, έτσι ώστε οι πόροι κάθε περιοχής να αξιοποιούνται πιο αποτελεσματικά και να ανταλλάσσονται μεταξύ τους. Έτσι, μια προσπάθεια για ενσωμάτωση είναι θετική για το περιβάλλον. Ένα άλλο ενδιαφέρον γεγονός είναι το πρόσθετο κόστος που σχετίζεται με την αβεβαιότητα στη διαθεσιμότητα ηλιακής και αιολικής ενέργειας. Για να διασφαλιστεί η κάλυψη της ζήτησης, απαιτείται μεγαλύτερη επένδυση, καθώς πρέπει να έχουμε εφεδρικές τεχνολογίες σε περίπτωση που η διαθεσιμότητα των πόρων είναι κάτω από την αναμενόμενη. Τέλος, ένα άλλο πλεονέκτημα της μελέτης είναι η ικανότητά της να αξιολογεί πολιτικές, παρέχοντας ένα πιο ρεαλιστικό αποτέλεσμα όπου λαμβάνονται υπόψη κοινωνικά ζητήματα, συμπεριλαμβανομένων εκείνων που σχετίζονται με την αποτελεσματικότερη ανάπτυξη των διαφόρων περιοχών.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Βέλτιστη ενσωμάτωση διεργασιών που βασίζονται σε ανανεώσιμες πηγές για καύσιμα και παραγωγή ενέργειας:μελέτη περίπτωσης Ισπανίας, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Mariano Martín από το Πανεπιστήμιο της Σαλαμάνκα και τον Ignacio E. Grossmann από το Πανεπιστήμιο Carnegie Mellon.
