100% bis 2035? 90% könnten besser sein: Berücksichtigen Sie die Opportunitätskosten

31. August 2020 durch Brad Rouse

---

Ich würde gerne bis 2035 100% sauberen Strom haben. Ein solches Ziel ist bewundernswert für seine Kühnheit und für seine Fähigkeit, Menschen zu motivieren. Dafür begrüße ich es. Aber wenn wir uns darauf konzentrieren, wird es eine kluge Politik sein? Könnte es sein, dass 90% mehr CO2 einsparen als 100%?

Die Biden-Kampagne forderte kürzlich bis 2035 100% sauberen Strom. Das Problem, mit dem wir konfrontiert sind, ist jedoch nicht sauberer Strom an sich. Das Problem, mit dem wir konfrontiert sind, ist die Notwendigkeit, es zu reduzieren insgesamt Kohlenstoffemissionen. Um eine Reduzierung der CO2-Emissionen um 100% oder eine saubere Energie von 100% (im Gegensatz zu sauberem Strom) zu erreichen, müssen wir drei Dinge tun:

1. Fördern Sie nach Möglichkeit Energieeffizienz und Energieeinsparung.
2. Grün das Gitter
3. Elektrifiziere alles.

Derzeit verursacht das Netz etwa 27% der gesamten Kohlenstoffemissionen der USA. Wenn wir also sagen, dass wir das Netz auf 100% gegenüber 90% begrünen werden, sagen wir, dass wir zusätzliche Anstrengungen unternehmen werden, um die verbleibenden 2,7% der US-Emissionen aus dem Elektrizitätssektor bis 2035 gegenüber etwa 2050 umzuwandeln ist es besser, diese 2,7% für eine Weile auf dem Tisch zu halten, sich auf die verbleibenden 73% zu konzentrieren und später darauf zurückzukommen?

Die Frage ist, was Ökonomen als "Opportunitätskosten" bezeichnen. Was kostet es, bis 2035 die letzten 2,7% der Stromemissionen zu senken, bis 2050? Könnten wir die gleichen Dollarkosten für die Förderung der Energieeffizienz oder für die Elektrifizierung von allem ausgeben und noch größere CO2-Einsparungen erzielen? Gibt es eine bessere Möglichkeit, die benötigten Mittel auszugeben?

Die CO2-Preisgestaltung hilft uns, die Antwort zu finden

Ich kenne die Antwort auf die obige Frage nicht, aber ich weiß, wie wir das herausfinden können! Du hast es erraten! Die gesamtwirtschaftliche CO2-Preisgestaltung ist die Antwort. Wenn wir eine Gebühr für Kohlenstoff erheben, die wir projizieren, werden wir bis 2035 zu 90% sauberem Strom fahren, die Erhaltung fördern und die Elektrifizierung von allem fördern. Dann kann der zusätzliche Vorteil eines Wechsels von einem zu 90% sauberen Netz zu einem zu 91% grünen Netz gegen den Vorteil einer zusätzlichen Elektrifizierung oder einer zusätzlichen Erhaltung abgewogen werden. Die billigste Form der CO2-Reduktion wird weiterhin gewinnen. Durch die Einbettung der Kohlenstoffkosten in unsere Entscheidungen in der gesamten Wirtschaft müssen wir keine Entscheidungen als zentrale Planer treffen – die einzelnen Planer in Unternehmen in der gesamten Wirtschaft können diese Entscheidungen für uns treffen. Und wenn wir als demokratische Gesellschaft mit der Ökologisierungsrate unzufrieden sind, können wir die CO2-Gebühr schneller erhöhen, um die Dinge zu beschleunigen!

Das Pareto-Prinzip, AKA Es gilt die 80/20-Regel

Die Folklore vieler Unternehmensbereiche enthält Hinweise auf das „Pareto-Prinzip“, benannt nach Vilfredo Pareto, einem italienischen Ökonomen und Soziologen, dessen Analyse ich zum ersten Mal am College studiert habe. Das Prinzip wird auch als 80/20-Regel bezeichnet, dh 20% der Arbeit führen im Allgemeinen zu 80% der Ergebnisse. Umgekehrt heißt es, dass die letzten 80% der Arbeit nur 20% des Ergebnisses produzieren, nachdem diese ersten 80% der Ergebnisse erzielt wurden. Das ist das Vierfache des Aufwands, ein Viertel des Ergebnisses zu erzielen.

Oder betrachten Sie den Aphorismus, der Voltaire häufig zugeschrieben wird: "Machen Sie das Perfekte nicht zum Feind des Guten."

Oder betrachten Sie die weltliche Theorie aus Investitionen und Wirtschaft: das „Gesetz der sinkenden Renditen“, das im Wesentlichen besagt, dass „nach Erreichen eines optimalen Niveaus zusätzliche Anstrengungen zu einem sinkenden Ergebnis pro Aufwandseinheit führen“.

Es ist gesunder Menschenverstand und konventionelle Weisheit. Die letzten 10% von 90% auf 100% werden der schwierigste Teil sein.

Wie wirkt es sich auf die Energiewende aus?

Das Pareto-Prinzip gilt für alle drei Hauptbereiche der Energiewende:

Energieeffizienz und -einsparung: Ich weiß das aus meiner eigenen Erfahrung in der Arbeit mit Familien mit niedrigem Einkommen. Sie können mehrere Wege wählen, um den Energieverbrauch zu senken. Dichtungsstüren, das Hinzufügen von LED-Lichtern, das Herunterdrehen des Thermostats, das Waschen mit kaltem Wasser usw. sind Beispiele für „niedrig hängende Früchte“. Andere Maßnahmen verbrauchen mehr Geld, um ein Ergebnis zu erzielen, z. B. das Hinzufügen von Isolierungen oder das Umstellen auf neue Geräte.

Manchmal verringert der Nutzen einer Anstrengung den Nutzen einer anderen. Ziehen Sie beispielsweise in Betracht, eine Isolierung hinzuzufügen oder auf ein effizienteres Gerät umzuschalten. Wenn ich zuerst eine Isolierung hinzufüge, verringert sich der zusätzliche Vorteil des Hinzufügens eines effizienteren Heizsystems. Wenn ich zuerst das effizientere Heizsystem hinzufüge, verringert sich der zusätzliche Vorteil des Hinzufügens der Isolierung.

Alles elektrisieren: Wie ich bereits ausführlich besprochen habe ArtikelEinige energieverbrauchende Aktivitäten lassen sich leicht von fossilen Brennstoffen auf Elektrizität (Beleuchtung) umstellen, andere sind möglich, hängen jedoch von der wirtschaftlichen Entwicklung ab (Autofahren, Heizen eines Hauses), und andere sind viel schwieriger (Zementherstellung, Luftfahrt). . Die Marktkräfte werden uns veranlassen, zuerst die kostengünstigeren Lösungen zu wählen und die anderen für später zu überlassen. Die CO2-Preisgestaltung wird diesen Marktkräften helfen, bessere Entscheidungen für uns alle zu treffen. Offensichtlich werden die späteren teurer sein (ohne neue Entdeckungen). Diese späteren sind logische Felder für die subventionierte Forschung.

Begrünung des Gitters: Darauf werde ich mich im weiteren Verlauf des Artikels konzentrieren.

Intermittenz zu lösen ist schwer. Das Lösen saisonaler Unterbrechungen ist am schwierigsten.

In einem anderen früher Artikel Ich habe gezeigt, dass es mit einer geringen Gebühr für Kohlenstoff wirtschaftlich wäre, alle fossilen Brennstoffe durch erneuerbare Energien zu ersetzen, selbst aus bereits gebauten hocheffizienten Gasanlagen, solange die Kosten für die Speicherung oder andere Lösungen für die Unterbrechung nicht berücksichtigt werden. Das Problem ist, dass die Kosten für die Lösung von Intermittenz mit zunehmender Geschwindigkeit zunehmen, wenn wir immer mehr fossile Brennstoffe vom Netz nehmen.

Eine Möglichkeit, dieses Problem zu betrachten, besteht darin, die Wirtschaftlichkeit der Batteriespeicherung als Funktion der Anzahl der Zyklen des Ladens und Entladens der Batterie zu betrachten. Die erste Batterie, die ein Versorgungsunternehmen kaufen könnte, wird häufig verwendet – möglicherweise mehrmals am Tag. Aber wenn Sie mehr und mehr hinzufügen, verringern sich die Chancen – so dass Sie irgendwann Speicher hinzufügen, um die letzten kWh fossiler Brennstoffe im System zu ersetzen. Dieser Bedarf an den letzten kWh fossiler Brennstoffe in einem Jahr kann bedeuten, dass die zuletzt gekaufte Batterie nur einige Male in ihrer Lebensdauer gefahren wird. Dies kann im Gegensatz zur täglichen oder wöchentlichen Lagerung auch als „saisonale Lagerung“ bezeichnet werden. Die Wirtschaftlichkeit der saisonalen Speicherung unterscheidet sich stark von der Wirtschaftlichkeit der täglichen Speicherung, und selbst bei einem hohen Kohlenstoffpreis ist die saisonale Speicherung möglicherweise nicht wirtschaftlich.

In meinem früheren Artikel über Intermittenz Ich habe ein Diagramm (gegen Ende) gezeigt, das beschreibt, wie sich die Wirtschaftlichkeit der Speicherung unter Schätzungen von a ändern würde sinkende Kosten von Batterien aus dem National Renewable Energy Laboratory und a steigende CO2-Gebühr aus dem Gesetz über Energieinnovation und Kohlendividenden. Mein Fazit war, dass unter diesen Umständen und unter der Annahme einer Lebensdauer von 20 Jahren und 100 Lade- / Entladezyklen pro Jahr solche Batterien in den nächsten 20 bis 30 Jahren wahnsinnig wirtschaftlich werden würden.

Die Verschärfung nur einer dieser Annahmen führt zu einer anderen Einsicht in das Problem der saisonalen Intermittenz. Nachfolgend sind die wirtschaftlichen Nettovorteile im Zeitverlauf gegenüber der Anzahl der Zyklen pro Jahr dargestellt. Die ursprüngliche Annahme von 100 Zyklen wird mit Ergebnissen mit 50, 25, 10 und 2 Zyklen pro Jahr verglichen. Wie Sie sehen, ist der wirtschaftliche Nettovorteil umso geringer, je seltener ein Akku einen Lade- / Entladezyklus durchläuft. Selbst bei niedrigeren Batteriekosten und hohen CO2-Gebühren übersteigen die Kosten für Speicherlösungen, die nur zwei- oder zehnmal pro Jahr durchlaufen werden (dunkelblaue und orangefarbene Linien), die Vorteile.

Sie fragen: „Warum sollte ich eine Batterie bauen, die nur zweimal im Jahr einen Zyklus durchläuft? Das ist absurd! " Und natürlich ist es bei den heutigen Batteriepreisen absurd. Das ist der Punkt. Wenn jemand sagt, dass Batterien allein das Intermittenzproblem lösen können, damit wir zu 100% erneuerbar sind, sagt er, dass wir Batterien (oder andere Arten der Speicherung) bauen werden, die nur einige Male im Jahr verwendet werden. Und um die Variabilität des Energiebedarfs sowie der Sonnen- und Windleistung zu berücksichtigen, heißt es, dass Sie einige Batterien in Reserve halten werden, die Sie nur einmal alle 5 oder 10 Jahre verwenden werden, um die extremsten Bedingungen zu berücksichtigen! Das wird wahrscheinlich eine sehr kostenintensive Lösung sein.

Da wir von 90% auf 100% sauberen Strom umsteigen, investieren wir in die Lösung von Unterbrechungen, die immer höhere Kosten pro von fossilem zu sauberem Strom umgewandeltem Strom und damit einen abnehmenden Nutzen verursachen. Wir können diesen abnehmenden Nutzen zeigen, indem wir uns auf 2035 konzentrieren, um abnehmende wirtschaftliche Vorteile in Abhängigkeit von der Anzahl der Zyklen zu zeigen, selbst bei den angenommenen niedrigen Batteriekosten (25 – 112 USD pro kWh) und dem hohen Kohlenstoffpreis (155 USD pro Tonne) zu diesem Zeitpunkt.

Die x-Achse gibt die Anzahl der Zyklen pro Jahr über 20 Jahre an, die für die Berechnung verwendet wurden. Das Verringern der Anzahl von Zyklen bedeutet, dass die Batterie über ein Jahr immer weniger verbraucht wird, was einer Lösung immer tieferer Intermittenzniveaus entspricht. In allen Fällen nimmt der wirtschaftliche Nutzen zusätzlicher Speicher mit abnehmenden Zyklen ab. Selbst bei 25 USD pro kWh für die Speicherung (1/3 der von NREL für 2050 prognostizierten Kosten) sind wirtschaftliche Vorteile mit 10 oder weniger Zyklen pro Jahr einfach nicht vorhanden.

Aktuelle Studie bestätigt die Kosten der letzten 10%

Die Berkeley Goldman School of Public Policy der University of California und die private Denkfabrik GridLab führten eine detaillierte und umfassende Analyse durch: „2035 Der Bericht – Sinkende Solar-, Wind- und Batteriekosten können unsere Zukunft für saubere Energie beschleunigen.Dieser Bericht wirft ein Licht auf diese Diskussion. Insgesamt ist der Bericht in der Tat eine sehr gute Nachricht:

• 90% saubere Energie kann bis 2035 zu geringeren Stromkosten als derzeit erzielt werden.
• Das zu 90% saubere Netz kann zuverlässig und zuverlässig Strom erzeugen.
• Die Anforderungen zur Lösung des Intermittenzproblems sind überschaubar und kostengünstig – bescheidene Verbesserungen bei der Übertragung und bei der Installation neuer Batterien. Größere Neuinvestitionen in ein nationales Netz sind nicht erforderlich.
• Es werden viele neue Arbeitsplätze geschaffen.
• Zu den öffentlichen Vorteilen zählen eine verbesserte Gesundheit und weniger Todesfälle aufgrund einer Verringerung der Umweltverschmutzung.
• Um diese Zukunft zu erreichen, sind nachhaltige politische Verpflichtungen erforderlich.
• Der Übergang von 90% auf 100% stellt erhebliche Herausforderungen dar, obwohl ein Weg in der Studie nicht berücksichtigt wurde.

Das Lesen der Details des Berichts ist faszinierend, sogar der Anhang! Die Studie versucht von Anfang an, einen relativ schnellen und kostengünstigen Weg zu finden, um die meisten Vorteile der „Ökologisierung des Stromnetzes“ zu nutzen. Zu Beginn des Berichts wird erörtert, warum das 90% ige saubere Netz für 2035 gegenüber dem 100% -Ziel gewählt wurde, das laut Bericht der Plan für 2042 oder 2050 sein sollte.

Hier sind einige meiner Imbissbuden:

Mit den vorhandenen hocheffizienten Gasgeneratoren ist es einfach, die letzten 10% des Energieverbrauchs im Jahr 2035 zu decken. Trotz umfangreicher Elektrifizierung ist keine neue fossile Erzeugung erforderlich. Bestehende Generatoren werden zwar benötigt, weisen jedoch im Laufe der Zeit eine allmählich abnehmende Auslastung auf.

Bis 2035 wird die vorhandene fossile Erzeugung selten genutzt. Verbleibende fossile Generatoren haben einen durchschnittlichen Kapazitätsfaktor von nur 10%. Sie werden selten verwendet. Die maximal zur Spitzenzeit benötigte Gaserzeugung beträgt 360 GW bei einer verbleibenden Kapazität von 450 GW. 70 GW werden so selten verwendet, dass es nur 1% der Zeit verwendet wird. Denken Sie heute eine Minute über die Wirtschaftlichkeit nach oder ersetzen Sie diese durch eine Art Speicher, um die letzten 70 GW zu ersetzen.

Es sind viele Technologien in der Pipeline, die diese endgültigen 70 GW erreichen könnten. Denken Sie daran, dass 70 GW eine saisonale Speicherung oder einen massiven Überbau von Wind und Sonne erfordern. Der Grund dafür, dass das 90% -Szenario so kostengünstig ist und unter den heutigen Strompreisen liegt, ist, dass wir bereits heute über die Kapazität verfügen, die saisonale Belastung zu decken – es handelt sich um die Flotte zur Erzeugung fossiler Gase.

Das Lösen von Unterbrechungen ist mit 90% einfach

Die Studie führte eine umfassende Analyse der Intermittenz und Ressourcenadäquanz für 2035 unter den angenommenen Bedingungen durch. Sie untersuchten 7 Jahre stündliche Wetterbedingungen an über 100 verschiedenen Standorten in den USA, kombiniert mit den Sonnen- und Windbedingungen an jedem Ort und zu jeder Zeit für jede Stunde. Das sind über 60.000 Stundenberechnungen. Die Analyse war erforderlich, um zu zeigen, dass das elektrische System die Anforderungen zu jeder dieser Stunden erfüllen konnte, und ihre endgültige Lösung tat dies.

Dabei wurden nur zwei Optionen in Betracht gezogen, um die erforderliche Ressourcenadäquanz zu erreichen – Batteriespeicherung und zusätzliche Übertragung. Während frühere Studien auf die Notwendigkeit einer Fernübertragung hingewiesen haben, ergab die UCAL / Gridlab-Studie, dass keine neue Fernübertragung unbedingt erforderlich war, dass jedoch auf regionaler Ebene ein erheblicher Ausbau von Wind und Sonne erforderlich war und dass eine neue Übertragung erforderlich war benötigt, um Strom von diesen neuen Solar- und Windanlagen in den USA zu Ladezentren zu transportieren. Auch hier war keine neue Fernübertragung erforderlich (könnte aber hilfreich sein).

Es wurde jedoch eine erhebliche Menge an Speicher benötigt. Wesentlich, bis Sie es zweimal betrachten. 600 GWh / 150 GW wurden benötigt, um die Zuverlässigkeit sicherzustellen. Das ist viel mehr Speicher als heute im Netz. Aber das sind Erdnüsse, wenn wir uns nur den Speicher ansehen, der die Elektrifizierung der Fahrzeugflotte erfordert. Mein Tesla verfügt über einen Speicher von 75 kWh, sodass bis 2035 umgerechnet 8 Millionen von ihnen benötigt werden, um den von uns benötigten Netzspeicher bereitzustellen. Angesichts der Tatsache, dass es in den USA heute über 250 Millionen Autos und Lastwagen gibt, sind 8 Millionen ein Rückgang der Eimer. Wenn wir alle elektrifizieren wollen, ist das enorm mehr Speicher als von UCAL / Gridlab in Betracht gezogen. Nur ein kleiner Teil der Flotte muss für die Fahrzeug-zu-Netz-Technologie eingerichtet werden. Außerdem werden einige der von uns bis dahin gebauten Elektrofahrzeuge bis 2035 bereits ihre Nutzungsdauer beendet haben. Denken Sie daran, dass gebrauchte EV-Batterien weiterhin für die Speicherung auf Netzebene verwendet werden können. Ich würde sagen, dass wir bis 2035 weit mehr als 150 GW und bis 2050 sogar noch mehr haben können. Relativ kurzfristige Speicherung sollte kein Problem sein.

Ich plane, bald einen Begleitartikel über Optionen für die saisonale Lagerung zu schreiben. Saisonale Speicherung ist etwas, das wir vielleicht lieber langsam angehen, bis wir uns weiter mit Elektrifizierung, Sonnen- und Windausbau und Forschungsfortschritten bei Langzeitspeicherung und grünem Wasserstoff befassen.

Synthese

Ich habe behauptet, dass die Kosten für den Übergang von 90% auf 100% Null-Kohlenstoff-Netz bis 2035 im Vergleich zu später sehr hoch sein könnten. Es ist vielleicht besser, sich stattdessen darauf zu konzentrieren, alles schneller zu elektrifizieren. Pareto wies uns in diese Richtung, die Daten zu den Speicherkosten pro Zyklus legen diese Schlussfolgerung nahe, ebenso wie die UCAL / Gridlab-Studie. Hoffentlich können wir das alles in diesem letzten Gedankenexperiment zusammenbringen.

Was ist besser für die Reduzierung der CO2-Emissionen – Gebäudebatterien für das Stromnetz im Vergleich zu Gebäudebatterien für Elektroautos? Wir gehen davon aus, dass das Netz zu 90% sauber ist, sodass der Strom zum Laden der Autos zu 90% aus Kohlenstoff und zu 10% aus Gas besteht. Nehmen wir weiter an, wir könnten 1 GWh Batterien bauen, um das Netz weiter zu elektrifizieren, oder wir könnten dieselben Batterien verwenden, um 13.333 neue Tesla Model 3s mit jeweils 75 kWh Batteriepack zu bauen. Wir gehen davon aus, dass diese Batterien nicht in der Lage sind, „EV zu netzen“. Wir können dann die CO2-Emissionen pro Jahr jeder Option als Funktion der Lade- / Entladezyklen des Netzes und der durchschnittlichen gefahrenen Kilometer pro Jahr der Autos berechnen. Wir gehen von 4 Meilen pro kWh für Elektrizität und 30 Meilen pro Gallone für Gas aus. Hinweis: Die Lade- / Entladezyklen des Netzes und die gefahrenen Kilometer entsprechen dem Verbrauch der Batterie in einem Jahr. Die folgende Grafik zeigt die Ergebnisse.

Bei 365 Lade- / Entladezyklen ist es besser, die Batterie in das Netz einzubinden, da die CO2-Einsparungen des Netzes im Vergleich zu Autos höher sind. Dies ist ein täglicher Lade- / Entladezyklus. Wenn wir jedoch jeden zweiten Tag (187) Zyklen laden / entladen, sind die Ergebnisse gemischt. Wenn wir einmal pro Woche (52 Zyklen) oder einmal im Monat (12) oder einmal im Quartal (4) entladen, zeigen die Ergebnisse einen immer größeren Nutzen für die Nutzung unserer Batteriekapazität, um mehr Elektrofahrzeuge zu bauen, anstatt in das Netz zu investieren.

Genau das würden Sie erwarten. Je tiefer wir uns mit der Dekarbonisierung von Netzen befassen, desto weniger Möglichkeiten haben wir für einen zusätzlichen Batterieverbrauch, und irgendwann lohnt es sich, unsere Dekarbonisierungsbemühungen an anderer Stelle zu platzieren.

Wie wird das in der Praxis funktionieren? Es gibt viele Unbekannte und weit mehr Variablen im Spiel. Natürlich kann heute niemand sagen, dass es der beste Weg ist, auf ein zu 100% entkohltes Netz zu eilen. Wir sollten kein Ziel erreichen, das unsere Optionen in Zukunft einschränkt. Es wäre besser, einen Preis für Kohlenstoff festzulegen und ihn dann vom Markt berechnen zu lassen, wenn alle Variablen bekannter werden. Durch die Preisgestaltung für Kohlenstoff können wir unsere Wirtschaft dekarbonisieren und auf dem Weg zwischen der Elektrifizierung und der Ökologisierung des Stromnetzes die richtige Mischung finden.

---

Schätzen Sie die Originalität von CleanTechnica? Erwägen Sie, ein CleanTechnica-Mitglied, Unterstützer oder Botschafter zu werden – oder ein Benutzer von Patreon.

Melden Sie sich kostenlos an täglicher Newsletter oder wöchentlicher Newsletter nie eine Geschichte verpassen.

Haben Sie einen Tipp für CleanTechnica? Senden Sie uns eine E-Mail: [email protected]

---

Neueste Cleantech Talk Episode

---

Stichworte: "Das wirtschaftliche Argument für saubere Energie", #Elektrifizieren, 100% sauberer Strom, Kohlenstoffpreis, Kohlenstoffpreise, CO2-Emissionen, Erhaltung, Dekarbonisierung, Elektrifizierung von Städten, Elektrifizierung des Verkehrs, Energieeffizienz, Unterbrechung, USA, Abfallreduzierung