100% kohlenstofffrei, 100% elektrisch, Up Our Game 6 × (Teil 1)

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Batterien

Veröffentlicht auf 17. Oktober 2020 |
von Brad Rouse

17. Oktober 2020 durch Brad Rouse

Das Energiesystem kann bis 2050 von seinem heutigen Standort vollständig umgestaltet werden, aber wir müssen das Tempo wirklich beschleunigen. Wir müssen in den nächsten 30 Jahren von etwa 20 Gigawatt (GW) Wind und Sonne pro Jahr auf etwa 130 GW pro Jahr umsteigen. Dieser Artikel geht die Zahlen durch.

Es gibt eine Reihe von Wegen, um bis 2050 zu einem 100% kohlenstofffreien Energiesystem zu gelangen, aber alle werden eine Kombination aus 5 Hauptbestandteilen sein:

  • Ökologisieren Sie das Stromnetz – beenden Sie den Einsatz fossiler Brennstoffe im Stromnetz.
  • Elektrifizieren Sie alles – beenden Sie die Verwendung fossiler Brennstoffe für alles andere und bieten Sie in der Regel überlegene elektrische Alternativen.
  • Investieren Sie in Energieeffizienz – insbesondere in geringes Einkommen.
  • Implementieren Sie einen aggressiven Kohlenstoffpreis, um unzählige Entscheidungen des privaten und öffentlichen Sektors zu treffen.
  • Investieren Sie im öffentlichen Sektor in die Forschung und in die Beseitigung von Hindernissen für den Übergang.

Wie in meinen früheren Artikeln erwähnt, bevorzuge ich einen gesamtwirtschaftlichen Preis für fossile Brennstoffe, der dem in der EU entwickelten ähnlich ist Gesetz über Energieinnovation und Kohlendividenden (EICDA), eine Rechnung im US-Repräsentantenhaus. Die EICDA fordert eine CO2-Gebühr, die bei 15 USD pro Tonne beginnt und entweder um 10 USD oder um 15 USD pro Jahr steigt. Die Steigerungsrate hängt davon ab, ob bestimmte Ziele erreicht werden. Alle Einnahmen werden in einem vom US-Finanzministerium getrennten Fonds angelegt und umgehend als Dividende an US-Haushalte ausgeschüttet. Exporte und Importe unterliegen einer Grenzwertanpassung für Kohlenstoff, um die US-Industrie zu schützen und die Handelspartner zu ermutigen, eine ähnliche Gebühr für Kohlenstoff zu erheben.

Ich bin zu dem Schluss gekommen, dass diese CO2-Gebühr sowie strategische Investitionen in Forschung und Beseitigung von Hindernissen zu einer Steigerung der Energieeffizienz, zur Ökologisierung des Stromnetzes und zur Beendigung des direkten Verbrauchs fossiler Brennstoffe führen werden. Die wirtschaftlichen Anreize werden massiv sein, die Hand der Regierung wird auf „chirurgische“ Weise helfen, den Weg zu erleichtern, und die technologischen Trends sind bereits vorhanden, um dieses gesamte Unternehmen zu einer vollständigen Transformation des Energiesystems zusammenzubringen. Die Transformation wird wahrscheinlich auch ohne die Gebühr und die öffentlichen Investitionen stattfinden, aber die Transformation wird zu langsam sein und wahrscheinlich so viel später in diesem Jahrhundert stattfinden, dass unser Kampf gegen den Klimawandel stark behindert würde.

Dies ist jetzt mein 6. Artikel in CleanTechnica zu diesem allgemeinen Thema und mein dritter in einer Reihe, die zeigt, wie sich das Energiesystem entwickeln könnte. Ich beziehe mich weiterhin auf weitaus anspruchsvollere akademische Studien, die ich als die bezeichnen werde Bericht 2035 und Jacobson untenindem ich meine eigenen Tabellenkalkulationen und vernünftigen Annahmen als eine Art „Gedankenexperiment“ entwickle, um einen „Angemessenheitstest“ für die komplexeren Studien bereitzustellen.

In dem Bericht von 2035 wird erörtert, wie ein 90% iges grünes Netz in einem Zwischenjahr wie 2035 sinnvoller sein könnte als ein 100% iges grünes Netz. Jacobson zeigt, dass ein massiver Anstieg der Wind- und Solarinvestitionen erforderlich sein wird, um bis 2050 ein 100% iges grünes Netz zu haben und 100% des nicht elektrischen Energieverbrauchs bis zu diesem Zeitpunkt zu elektrifizieren. Trotz der massiven Investitionen, die erforderlich sind, hätte das resultierende elektrische System in Zukunft geringfügig niedrigere Stromtarife als das heutige System, mit weitaus geringeren sozialen Kosten für umweltbedingte Gesundheitsprobleme und allgemeine Klimaauswirkungen.

Bis 2050

Ab 2035 müssen wir von einem 90% igen grünen Netz und einer 50% igen Elektrifizierung zu einem 100% igen grünen Netz und einer 100% igen Elektrifizierung bis 2050 übergehen.

Die größten Herausforderungen sind:

  1. Aufbau der enormen Mengen an Wind und Sonne, die benötigt werden, um dorthin zu gelangen.
  2. Umwandlung aller aktuellen Endverwendungen fossiler Brennstoffe (Heizung, Transport usw.) in Elektrizität.
  3. Lösung des Problems der saisonalen Unterbrechung im Netz. Die Lösung häufigerer Intermittenzprobleme ist einfacher, da die Kosten für die Batteriespeicherung sinken und die für den elektrischen Transport erforderlichen Batterien schnell entwickelt werden. Aber Batterien können die saisonale Unterbrechung nicht lösen, und wir müssen uns wahrscheinlich vor allem mit dem Überbau erneuerbarer Energien befassen.

Aufbauend auf dem Energiebedarf, den ich für 2035 in meinem postuliert habe letzter Artikelkönnen wir die Analyse erweitern, um zu zeigen, wie hoch der Gesamtenergiebedarf im Jahr 2050 sein würde. Die Annahmen:

  1. Der Bedarf an elektrischer und nicht elektrischer Energie (vor der Umstellung auf Elektrizität) ist für 2035 und 2050 derselbe wie 2019, mit Ausnahme eines Rückgangs der Primärenergie für Gewerbe- und Wohnimmobilien um 10% aufgrund von Effizienzprogrammen und CO2-Preisen.
  2. Bescheidene Investitionen in die Speicher- und Netzinfrastruktur und die begrenzte Nutzung fossiler Brennstoffe lösen kurzfristige Intermittenzprobleme mit einem Netz von 90%.
  3. Eine Mischung aus 50% Wind und 50% Sonne bringt uns zu einem 90% sauberen Netz. Kernkraftwerke, Wasserkraftwerke und bestehende erneuerbare Energien bleiben gegenüber 2019 unverändert.
  4. Die Analyse ignoriert regionale Ungleichgewichte im elektrischen System (zugegebenermaßen unrealistisch).
  5. Durch die Eliminierung der Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen wird Energie gespart, indem die industrielle Energie um 20% (hauptsächlich Raffination), der Transport um 5% und die kommerzielle um 2% reduziert werden.
  6. Immense Effizienzgewinne durch die Umwandlung fossiler Brennstoffe in elektrische:
    • Wohnen und Gewerbe – 75%.
    • Industrie – 50%.
    • Transport – 75%.

In einem anderen früheren Artikel habe ich einige Fallbeispiele zur Reduzierung des Primärenergieverbrauchs untersucht. Diese Annahmen werden durch ähnliche Annahmen von Jacobson et al. Jacobson geht jedoch von noch größeren Effizienzgewinnen aus. Eine weitere gute Quelle für diejenigen, die an einem tieferen Tauchgang interessiert sind, finden Sie in NRELs „Elektrifizierungs-Zukunftsstudie. ”

Unter diesen Annahmen ist hier die Nachfrage nach elektrischen Systemen in den Jahren 2035 und 2050.

Das elektrische System 2050 benötigt etwa 2,5-mal so viel Energie wie heute. Während das nach einer großen Zahl klingt, müssen wir über 16 Jahre (2019–2035) ein jährliches Wachstum von 3,45% und über die nächsten 15 Jahre (2035–2050) ein langsameres jährliches Wachstum von 2,36% erreichen, was einer Gesamtrate von 2,92% entspricht. .

Diese Wachstumsraten im elektrischen System sind ausschließlich auf die Elektrifizierung anderer Energienutzungen zurückzuführen. Sie sind hoch im Vergleich zum Wachstum des elektrischen Systems in den letzten zwei Jahrzehnten, aber sie sind viel niedriger als die elektrischen Wachstumsraten der 20er Jahreth Jahrhundert.

Der vollelektrische Energiebedarf für 2050 von 10.141 TWh ist vergleichbar mit Jacobsons endgültiger Schätzung von 8.230 TWh. Der Unterschied zwischen dieser Einschätzung und der von Jacobson beruht hauptsächlich auf der Annahme größerer Effizienzgewinne und einer stärkeren Verringerung des Endbedarfs aufgrund der Eliminierung des Energieverbrauchs der Industrie für fossile Brennstoffe.

Das 2050 Grid zu 90% sauber

Im Gegensatz zu dem 90% sauberen 2035-Netz, das wir im letzten Artikel untersucht haben, muss sich das 100% saubere 2050-Netz mit dem lästigen Problem des saisonalen Ungleichgewichts befassen. Um zu unserem Endergebnis für dieses Gedankenexperiment zu gelangen, betrachten wir zunächst, wie das System 2050 aussehen würde, wenn noch 10% Fossilien im Netz sind. Meistens versorgen erneuerbare Ressourcen (Wind und Sonne) das Netz mit Strom, so dass die verbleibende Flotte fossiler Brennstoffe monatelang den Energiebedarf decken kann, wenn Wind und Sonne nicht ausreichen. So sehen monatlicher Energiebedarf und Produktion aus:

Die monatliche Energie hat sich nun verschoben, und was 2019 ein Sommergipfel war, ist stattdessen ein ausgeprägter Wintergipfel bis 2050. Vergleiche Januar, April und Juli. Im Januar befinden sich Solar und Wind in der Nähe ihres Jahrestiefs (546 TWh), während der Bedarf an elektrifizierter Energie aufgrund des starken Wärmeverbrauchs im Wohn- und Gewerbebereich auf dem Jahrestief liegt. Der Verbrauch fossiler Brennstoffe (271 TWh) ist im Januar am höchsten, sodass dort Strom aus saisonalen Speichern benötigt wird. Im April erreichen Sonne und Wind ihren höchsten Überschuss gegenüber dem Jahresbedarf, sodass die Kürzungen (112 TWh) am höchsten sind. Im Juli erreichen Sonne und Wind ihren Höchststand (735 TWh), fossile Brennstoffe werden jedoch weiterhin benötigt.

Das 100% Gitter

Wenn wir uns nicht um saisonale Speicher kümmern müssten, wäre es einfach, 100% zu erreichen – nutzen Sie Energie einfach in überschüssigen Monaten wie April, um Energie in Monaten wie Januar zu liefern, in denen die Nachfrage hoch und Wind und Sonne niedrig sind. Die Zahlen für diese Option (wenn überhaupt realistisch) deuten darauf hin, dass von April bis Oktober etwa 550 TWh Strom gespeichert werden müssen, um von November bis März Strom zu erzeugen.

Leider unterscheidet sich das saisonale Problem qualitativ vom täglichen oder wöchentlichen Problem. Saisonale Ungleichgewichte eignen sich nicht für eine Lösung, die tagsüber Energie aus Sonnenenergie speichert, um den Energiebedarf nachts zu decken, und die mit billigen Batterien lösbar ist. Dieses saisonale Problem erfordert mehr von Ihrer Lösung, Brennholz den ganzen Sommer über zu schneiden, um genug für den Winter zu haben.

Wie gehen wir mit diesem wahrscheinlichen saisonalen Speicherbedarf um? Welche Möglichkeiten haben wir?

Es werden keine Batterien sein

Das Hinzufügen von genügend Batterien, um die saisonale Lagerung im Maßstab zu lösen, ist einfach nicht wirtschaftlich. Angenommen, die Batterie wird 50 Jahre lang verwendet, und Sie können sie unter die jüngste Prognose von Tesla-CEO Elon Musk am Tesla-Batterietag bringen, um die Batteriekosten um 56% zu senken. Angenommen, wir sind noch erfolgreicher und es kostet nur 50 USD pro kWh. Und nehmen wir an, dass eine solche Batterie im Laufe der Zeit keine Leistungsverschlechterung aufweist. (Batterien verlieren heute Strom, wenn sie längere Zeit nicht genutzt werden, ebenso wie Wasserkraft durch Verdunstung.) Aber selbst wenn Sie eine Batterie ohne Verschlechterung erhalten könnten, betragen die Kosten für einen Zyklus pro Jahr 1,00 USD pro kWh (50 USD pro kWh amortisiert) über 50 Jahre).

Es wird viel billigere Alternativen geben als eine Batterie, die 1 USD pro kWh und Nutzung kostet. Stellen Sie sich das so vor: Der wirtschaftliche Grund für Batterien besteht darin, dass sie Strom speichern können, wenn er billig ist, sodass der Akku zur Verfügung steht, wenn Energie teuer ist (oder wenn erneuerbare Energie nicht verfügbar ist). Die Kosten für die Erzeugung von Erdgas liegen heute im Bereich von 0,028 USD pro kWh. Selbst wenn der von mir verbrauchte Strom kostenlos ist, betragen die Batteriekosten das 40-fache der Kosten, die ich ersetze. Es würde eine außerordentlich hohe CO2-Gebühr für Gas erfordern, um dies wirtschaftlich zu machen, und sicherlich werden andere Optionen weniger kostspielig sein.

Überbau erneuerbarer Energien

Eine Lösung besteht darin, mehr erneuerbare Energien zu bauen, als wir brauchen. Zach Shahan hat kürzlich in einem Artikel über diese Lösung geschriebenund auf diese Option wird Jacobson in hohem Maße zurückgreifen. Wenn Sie unser Gedankenexperiment fortsetzen, betrachten Sie eine Version des 2050-Systems, die nur auf dem Überbau erneuerbarer Energien beruht, um das Problem der saisonalen Speicherung zu lösen.

Bei genauerer Betrachtung der Daten hat Wind eine viel höhere Produktion, wenn er am dringendsten benötigt wird – im Winter. Angenommen, unser gesamtes Übergebäude besteht aus Windenergie. Unten sehen Sie, wie Windenergie überbaut wird, um von einem zu 90% sauberen Netz zu einem zu 100% sauberen Netz überzugehen.

Voila! Es gibt keinen Monat mehr, in dem fossile Brennstoffe benötigt werden! In jedem Monat übersteigt die Energieerzeugung die Nachfrage, mit Ausnahme des Januar, in dem zuvor die meisten fossilen Brennstoffe verbraucht wurden.

In einigen Monaten übersteigt die verfügbare Energie die Nachfrage bei weitem. Zum Beispiel gibt es im April eine überschüssige Solar- und Windproduktion von 436 TWh über einem Gesamtenergiebedarf von 754 TWh. Für das Jahr liegt der Überschuss an Wind und Sonne um 2.465 TWh über einem Gesamtenergiebedarf von 9.941 TWh.

Wie ist dieses Szenario im Vergleich zu einer Speicherlösung mit jährlichen Kosten von 1 USD pro kWh? In dem Szenario, in dem wir den Bedarf allein durch Speicherung decken konnten, müssten 550 TWh Speicher verfügbar sein, und bei 1 USD pro kWh würde dies 550 Mrd. USD pro Jahr kosten. Und diese geringen Kosten sind nur mit sehr günstigen Batteriekosten und Leistungsmerkmalen möglich.

Nehmen Sie für die Überbauoption eine Reduzierung um 25% ab 2019 auf einen Niveaukosten von 30 USD pro MWh für die Windenergiekosten an. Der Überbau von 2.465 TWh Wind würde die US-Verbraucher somit etwa 74 Milliarden US-Dollar pro Jahr kosten. 74 Milliarden Dollar sind viel weniger als 576 Milliarden Dollar!

Und es gibt noch mehr. Die USA bekommen etwas für diese zusätzliche Windenergie – eine Ressource, die während des größten Teils des Jahres für extrem billige Energie zur Verfügung steht und für andere nützliche Aktivitäten genutzt werden könnte.

Diese zusammenfassenden Zahlen lassen sich gut mit Jacobson vergleichen. Das hier modellierte Energiesystem mit saisonaler Speicherung durch Überbauung führt zu einem System, das mehr als 11.000 TWh Wind und Sonne benötigt und in Bezug auf die Produktion in etwa 2/3 Wind und 1/3 Solar unterteilt ist. In Bezug auf die Kapazität entspricht dies ungefähr 2,2 TW Solar und 2,1 TW Wind (abgeleitet aus der Annahme eines Kapazitätsfaktors von 20% für Solar und 40% für Wind). Jacobsons weitaus ausgefeiltere Analyse ergab ein 2050-System mit 2,1 TW Solar und 2,3 TW Wind. Meine endgültige Tabellenkalkulationsanalyse war ziemlich knapp.

Fazit

Teil 1 dieses Artikels zeigt ein 2050-Erzeugungssystem, das durch saubere Energie den gesamten Energiebedarf der USA decken und die saisonalen Intermittenzprobleme durch Überbau der Windenergie lösen kann. Überbau allein ist vielleicht nicht die beste Option, aber es ist dem Energiespeicher für Gebäude allein zum Zweck der Lösung saisonaler Unterbrechungen eindeutig überlegen.

Ich habe auch geschätzt, wie viel Gesamtenergie und Kapazität sowohl für Wind als auch für Sonne benötigt werden. Die insgesamt rund 4 TW erneuerbaren Kapazitäten stehen in enger Verbindung mit Jacobsons umfassenderer und anspruchsvollerer Studie.

Die 4 TW, die wir bauen müssen, erhöhen die installierte Gesamtkapazität in den nächsten 30 Jahren um eine Größenordnung. Dies sind ungefähr 130 GW neue Kapazität, die jedes Jahr benötigt wird, oder ungefähr das Sechsfache dessen, was wir 2019 in Wind- und Solarkapazität installiert haben. Wir haben unsere Arbeit für uns ausgeschnitten. Die USA müssen in der Größenordnung von 150 Milliarden US-Dollar pro Jahr für die Solar- und Windkapazität investieren, die erforderlich ist, um dorthin zu gelangen.

Ich arbeite jetzt an Teil 2 meiner Bewertung des 2050-Systems. Darin möchte ich mich eingehender mit der Lösung des Problems der saisonalen Intermittenz befassen und das Ausmaß der Energiewende genauer erörtern.

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Stichworte: Bericht 2035, Cap-and-Dividend, Kohlenstoffdividende, Kohlenstoffdividendenplan, Energy Innovation and Carbon Dividends Act (EICDA), Gebühr und Dividende, Mark Z. Jacobson


Über den Autor

Brad Rouse lebt in Asheville, NC, und ist stark in die lokalen Bemühungen um die Energiewende involviert. Er setzt sich als Freiwilliger für die Citizens Climate Lobby für den Kongress für CO2-Gebühren und Dividenden ein. 2016 gründete Brad ein gemeinnütziges Netzwerk – Energy Savers Network -, das Freiwillige mobilisiert, um Menschen mit niedrigem Einkommen dabei zu helfen, Energie zu sparen. Er hat eine Solaranlage auf dem Dach und seine Familienautos sind ein Tesla Model 3 und ein Prius Plug-in-Hybrid mit 150.000 Meilen und einer Reichweite von nur 9 Meilen EV. Er studiert seit über vierzig Jahren Energiewirtschaft und hat einen BA in Wirtschaftswissenschaften von der Yale University, wo er im Preis für Studienanfänger in Wirtschaftswissenschaften etwas über die Preisgestaltung von Umweltverschmutzung lernte. Er hat auch einen MBA von der University of North Carolina in Chapel Hill.