Biomasse
Veröffentlicht auf 29. Oktober 2020 |
von Brad Rouse
29. Oktober 2020 durch Brad Rouse
Wir müssen unsere Bemühungen um eine Energiewende in den USA zu 100% kohlenstofffrei und zu 100% elektrisch drastisch verstärken. Es wird sich absolut lohnen!
Teil 1 Schätzungen zufolge müssen wir die erneuerbaren Energien bis 2050 um das 27-fache der von den USA im Jahr 2019 produzierten Menge ausbauen. Dies bedeutet eine jährliche Steigerung, die dem 7-fachen der Steigerung im Jahr 2019 entspricht.
Das größte technische Hindernis für ein solches Energiesystem sind saisonale Ungleichgewichte zwischen erneuerbarem Angebot und Strombedarf, die durch einen massiven Überbau der Wind- und Solarressourcen behoben werden können.
Das Energiesystem von 2050 erfordert, dass wir das Tempo unserer Bemühungen durch eine Kombination aus (1) Ökologisierung des Netzes, (2) Elektrifizierung, (3) Investition in Energieeffizienz, (4) aggressive Preisgestaltung für Kohlenstoff und ( 5) Investitionen des öffentlichen Sektors in Forschung und andere Bereiche, in denen die CO2-Preisgestaltung nicht ausreicht, um das von uns benötigte Ergebnis zu erzielen.
Das elektrische System von 2050 wird aufgrund der Elektrifizierung heute etwa 2,5-mal so groß sein wie das elektrische System. Strom ist jedoch bei der Erzeugung der endgültigen „Energiedienstleistungen“ (Wärme, Antriebskraft, Licht usw.) so viel effizienter, dass der Gesamtenergieverbrauch weitaus geringer sein wird als heute.
Leider ist Strom über lange Zeiträume schwerer zu speichern als fossile Brennstoffe. Fossile Brennstoffe sind nichts anderes als gespeicherte Sonnenenergie. Sie eignen sich daher auf natürliche Weise für die Idee, „gerettet zu werden, bis Sie sie brauchen“. Fortschritte in der Batterietechnologie haben das Problem der kurzen Speicherung von Elektrizität für kurze Zeit zu angemessenen Kosten praktisch gelöst, jedoch nicht das Problem der „saisonalen Speicherung“, bei der Energie für viel längere Zeiträume gespeichert werden muss und die Speicherung möglicherweise nur so wenig wie möglich benötigt wird einmal im Jahr oder noch weniger. Dies ist wahrscheinlich ein Problem der Wintersaison in den USA.
Teil 2 wird eingehender auf (1) die Art des Überbaus eingehen, um saisonale Ungleichgewichte auszugleichen, (2) Alternativen zum Überbau, um alle saisonalen Ungleichgewichte auszugleichen, und (3) die relativen Kosten dieses „dramatischen Anstiegs“.
Überbau oder eine Kombination von Optionen?
Das saisonale Problem kann durch Überbau erneuerbarer Energiequellen gelöst werden. Überbauten werden wahrscheinlich einen Preis haben, der weit unter dem einer hypothetischen Batterieressource liegt, selbst wenn die Batteriekosten im Vergleich zu heute viel niedriger sind. Der erforderliche Überbau führt jedoch zu einem Überangebot an Wind und Sonne in Höhe von 25% der gesamten Jahresproduktion, was es zu einem teuren Teil der Lösung macht. Könnte es günstigere Alternativen geben?
Ich habe anhand des für Teil 1 entwickelten Tabellenkalkulationsmodells verschiedene Ebenen des Überbaus untersucht. Je mehr wir überbauen, desto größer sind die Vorteile eines zusätzlichen Überbaus.
Betrachten Sie drei weitere Szenarien, die über die 90% und 100% kohlenstofffreien Szenarien für 2050 hinausgehen: Überbau auf 92,5%, 95% und 97,5% kohlenstofffrei. Der Rest des Strombedarfs würde durch die kostengünstigste Option gedeckt, um dorthin zu gelangen. Ich schließe daraus, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass mehr als 95% überbaut werden.
Jeder Balken in der folgenden Grafik stellt die inkrementellen Windbeschränkungen dar, die erforderlich sind, um die gleiche inkrementelle Menge verbleibender Energie aus fossilen Brennstoffen zwischen 90% und 100% kohlenstofffrei zu vermeiden (jedes Inkrement entspricht 2,5% der Gesamtenergie).
Die Erzeugung fossiler Brennstoffe für jedes Segment beträgt 248 Terawattstunden (TWH), und für das Segment von 90% bis 92,5% erhalten wir eine Kürzung von 180 TWH, um die gleichen 248 TWH einzusparen. Für das Segment 97,5% bis 100% benötigen wir eine Kürzung von 1.308 TWH oder etwa das Achtfache. Dies ist, was Ökonomen eine nach oben geneigte inkrementelle Kostenkurve nennen. Je näher wir den magischen 100% kommen, desto schwieriger wird es.
Wir können auch die Kosten für den Ersatz jedes Teils der verbleibenden Entwicklung fossiler Brennstoffe untersuchen, einschließlich der Kosten für Energieeinsparungen. Um Kostenschätzungen zu erstellen, ging ich davon aus, dass die inkrementelle Erzeugung aus Windenergie stammt, die besser zur Deckung des Winterbedarfs geeignet ist als Solarenergie. Die Kosten betragen 30 USD pro Megawattstunde (MWH), was einer Reduzierung von 25% gegenüber Lazards jüngster entspricht Kostenschätzung und trägt somit zu nachhaltigen Verbesserungen bei der Senkung der Windkosten bei einer konstanten Jahresrate bei.
Die Kosten, einschließlich der Kürzungskosten, für diesen letzten Schritt, um zu 100% sauberer Energie zu gelangen, reichen von 51,70 USD pro MWH für das Inkrement von 90% bis 92,5% bis 187,50 USD pro MWH für 97,5% bis 100%. Dies zeigt wiederum eine zunehmende Grenzkostenkurve.
Diese 187,50 USD für die letzten 2,5% des gesamten Energieverbrauchs könnten viel erscheinen, wenn man sie mit den angenommenen 30,00 USD für Windenergie im Jahr 2050 vergleicht. Wenn Sie dies glauben, sollten Sie sich Lazards geschätzten Energiekostenbericht (Version 2020, veröffentlicht) ansehen ) oder bei mein Artikel in CleanTechnica Vergleich der Kosten für 2019. Im Jahr 2020 schätzt Lazard die Kosten für die Spitzenleistung von Verbrennungsturbinen auf einen Mittelwert von 174 USD ohne CO2-Preis. Dies liegt nur geringfügig unter den endgültigen Zusatzkosten. Wir können uns nur auf Überbauten für diese letzten 2,5% verlassen und kaum mehr dafür bezahlen, als wir heute für Spitzenleistung bezahlen würden!
Es ist interessant, die Kohlenstoffemissionen zu berücksichtigen, die bei jedem Überbau vermieden werden (siehe unten):
Ein Überbau für das erste Inkrement würde nur 52 USD pro Tonne kosten, um zusätzliche Kohlenstoffemissionen zu vermeiden, während das letzte Inkrement 378 USD pro Tonne kosten würde. Vergleichen Sie das oben Gesagte mit der CO2-Gebührenprojektion aus dem Energieinnovationsgesetz (meine bevorzugte CO2-Preislösung). Die Gebühr bis 2050 für diesen Akt würde zwischen 300 USD pro Tonne und 450 USD pro Tonne liegen, sodass der Satz von 95 bis 97,5% weit unter dem Minimum liegt und der Satz von 97,5 bis 100% auf halbem Weg zwischen dem Minimum und dem Maximum liegt.
Nur weil eine CO2-Gebühr auf einem bestimmten Niveau festgelegt ist, bedeutet dies NICHT, dass alle Möglichkeiten zur Reduzierung des CO2-Ausstoßes unter dieses Niveau akzeptiert werden. Die CO2-Gebühr schafft einen Anreiz, aber rationale Versorgungsunternehmen würden keine Lösung wählen, die den CO2-Ausstoß zu Kosten in Höhe der Gebühr (z. B. 136 USD oder 378 USD pro Tonne) reduziert, wenn es eine Lösung gäbe, mit der derselbe CO2-Ausstoß zu geringeren Kosten reduziert werden könnte. Die CO2-Gebühr wird zur OBEREN GRENZE der Preise, die die Versorgungsunternehmen akzeptieren würden.
Meine Intuition sagt mir, dass Energieversorger über 95% (oder über 83 USD pro Tonne oder über 87 USD pro MWH) nach anderen Optionen suchen möchten, die den Energiebedarf decken und die CO2-Emissionen wirtschaftlicher reduzieren könnten. Somit würde es eine Mischung aus Überbauung und anderen Optionen geben. Was können wir über diese anderen Optionen sagen?
Optionen für die 95% bis 100% ige Lösung:
Hier sind einige Möglichkeiten, die mir in den Sinn kommen. Bitte schlagen Sie weitere in den Kommentaren vor!
Nutzen Sie das wärmende Klima: Wie viel wärmer wird es bis 2050 sein? Es ist möglich, dass sich der Strombedarf mit wärmeren Wintern und heißeren Sommern dramatisch verschiebt (ausgeglichen durch die Klimamigration nach Norden). Vielleicht verschwinden die prognostizierten Winterspitzenmonate irgendwann. Wie viel davon wird bis 2050 passieren?
Maximale Wassernutzung für die saisonale Speicherung: 20 Jahre lang besaß unsere Familie ein Haus an einem TVA-Stromsee in Nordgeorgien. An den meisten Tagen wurde das Wasserkraftwerk Lake Chatuge wie eine Batterie betrieben, wobei der Seespiegel nachts leicht anstieg und tagsüber etwas abfiel, um Strom zu erzeugen, wenn die Nachfrage am höchsten war. Ein Hauptzweck des Sees war es jedoch, Erholung zu bieten und dem Tourismus zu helfen, so dass der tägliche Gebrauch den See nie stark belastete. Nachdem der See den ganzen Sommer und Herbst über auf einem hohen Niveau geblieben war, wurde er im Spätherbst auf das typische Niveau des Winterpools abgesenkt. Dieser 10-Fuß-Abfall des Seespiegels stellte eine enorme Menge an Strom dar, die einmal pro Jahr verfügbar war. Dieser saisonale Speicher war kostengünstig, da der Damm bereits gebaut wurde. Jede Wasserressource könnte bewertet werden, um festzustellen, ob solche Möglichkeiten verfügbar sind.
Mehr Verwitterung von Privat- und Geschäftskunden: Durch das Festziehen der Gebäudehülle, das Hinzufügen von Isolierungen und das Erhöhen der HLK-Effizienz werden die Energieeinsparungen auf die Wintermonate konzentriert. Die CO2-Preisgestaltung bietet größere Anreize, die mit Werbung, Finanzierung und Subventionen, insbesondere für einkommensschwache Personen, kombiniert werden könnten, um unsere Gebäude so umzubauen, dass sie im Winter viel weniger Energie verbrauchen. Einiges davon ist bereits in meiner Prognose für den Energiebedarf enthalten. Um über die Grundlinie hinauszugehen, brauchen wir ein umfangreiches Programm nationaler und gemeinschaftlicher Anstrengungen, das sich in vielerlei Hinsicht auszahlt.
Grüner Wasserstoff: Erneuerbare Energien können erneuerbaren Wasserstoff erzeugen, der wiederum gespeichert werden kann, um im Winter Strom zu erzeugen. Wasserstoff wird heute in der chemischen Industrie verwendet und könnte als Ersatz für die fossile Brennstoffkomponente unserer Szenarien verwendet werden. Die Produktion von „grünem Wasserstoff“ könnte die ansonsten verschwendete erneuerbare Energie nutzen und wird in der Luftfahrt und in einigen industriellen Prozessen eine Rolle spielen. Erneuerbare Energien mit Batterien sind jedoch für die meisten Anwendungen wahrscheinlich weitaus kostengünstiger. Die Verwendung von erneuerbarem Strom zur Erzeugung von grünem Wasserstoff zur Erzeugung von erneuerbarem Strom zu einem anderen Zeitpunkt erfordert Kapitalinvestitionen und führt zu Effizienzverlusten. Ich denke, grüner Wasserstoff wird eine Rolle bei der Lösung des saisonalen Speicherproblems zusammen mit seinen anderen Verwendungszwecken spielen, obwohl das Ausmaß dieses Beitrags noch abzuwarten ist. Michael Liebreich schrieb zwei ausgezeichnete Artikel in Bloomberg New Energy Finance zu diesem Thema für diejenigen, die an einem tiefen Tauchgang interessiert sind, Hier und Hier.
Biokraftstoffe: Biokraftstoffe können in verschiedenen Sektoren, einschließlich Elektrizität, eine Rolle spielen. Methan aus Müll oder Abfall, Ethanol aus Mais oder einfaches altes Brennholz kann zur Stromerzeugung oder zur direkten Wärmeerzeugung verwendet werden. Genau wie Wasserstoff können Biokraftstoffe über lange Zeiträume kostengünstig gelagert werden und helfen dann, das Problem der saisonalen Speicherung zu lösen. Wir produzieren bereits viel Ethanol, um es mit Benzin zu mischen, und wir werden es für diesen Zweck nicht benötigen, sobald der Bodentransport elektrisch ist. Ein Teil dieses Ethanols könnte zum Heizen, Lufttransport oder zur Stromerzeugung verwendet werden.
Erwarte Antwort: Versorgungsunternehmen können große Benutzer für das Herunterfahren während der Wintermonate bezahlen. Sie können auch saisonale Tarifstrukturen entwerfen, die den Verbrauch von weniger Strom in Monaten mit hoher Nachfrage / wenig Wind und Sonne belohnen. Wenn die Stromtarife in den Wintermonaten so umgestaltet werden, dass sie am höchsten sind, kann jeder Elektrokunde davon profitieren, Teil der Lösung zu sein. Sobald wir einen Überschuss an eingeschränktem erneuerbarem Strom haben, wird es auch einen Anreiz für Unternehmen geben, ihre Geschäftstätigkeit darauf auszurichten, die niedrigen Kosten dieser Ressource direkt zu nutzen.
Kohlenstoffabscheidung: Eine Möglichkeit besteht darin, weiterhin fossile Brennstoffe zu verbrennen und den Kohlenstoff direkt zu binden ODER nur Kohlenstoff aus der Luft zu binden, um die Verbrennung fossiler Brennstoffe an anderer Stelle auszugleichen. Eine negative Nettoform der Energieerzeugung wäre die Verbrennung von Biokraftstoffen und die Abscheidung des Kohlenstoffs. Diese Optionen sind heute unwirtschaftlich, könnten jedoch mit hohen CO2-Preisen und technologischen Verbesserungen einhergehen.
Nuklear oder geothermisch: Mit kohlenstofffreien Grundlasttechnologien wie Kernkraft oder Geothermie könnte ein Kostendurchbruch erzielt werden, der den für Wind erforderlichen Überbau verringert und einen Strombestandteil ohne saisonale Schwankungen liefert. Auch hier bevorzugt die Wirtschaft diese Ansätze derzeit nicht gegenüber Solar und Wind mit Batterien. Dies ist keine gezielte Lösung für den Bedarf an saisonaler Lagerung, würde jedoch den Bedarf als „Nebeneffekt“ verringern.
Zusammenfassung: Es gibt viele ausgezeichnete Optionen, und der Standard, sich ausschließlich auf Wind- und Solarüberbauten zu verlassen, ist sowieso nicht so schlimm. Und wir müssen uns jetzt nicht entscheiden, wie wir mit saisonaler Lagerung umgehen sollen. Wir müssen uns nur darauf konzentrieren, Wind- und Sonnenstrahlen zu produzieren, die Energieeffizienz zu verbessern und den langen Prozess der Elektrifizierung von allem zu beginnen. Die Lösung des saisonalen Speicherproblems muss erst erarbeitet werden, nachdem viel getan wurde – beispielsweise 2035-2050. Wir können diese Optionen weiter erforschen und Pilotprogramme für die nächsten 15 Jahre einführen. Bis dahin kann die CO2-Preisgestaltung hoch genug sein, um den Markt bei der Auswahl des besten Optionsmixes zu unterstützen. Durch die CO2-Preisgestaltung wird sichergestellt, dass die Klimavorteile jeder Option in den Kosten entlang der Lieferketten aller beteiligten Branchen berücksichtigt werden.
Wird es zu teuer sein?
Wir sprechen von einem starken Anstieg von Wind und Sonne: Unter der Annahme eines Kapazitätsfaktors von 22% für Sonne und 40% für Wind würde das Energiesystem 2050 im Fall 100% eine Kapazität von etwa 2,2 TW Solar und 2,1 TW Wind benötigen. Wenn wir uns für die 95% ige Überbaulösung entscheiden, würde das Energiesystem 1,5 TW Wind benötigen, was einer Reduzierung von 0,6 TW (600 GW) entspricht.
Ende 2019 hatten die USA laut Angaben etwa 55 Gigawatt (GW) Sonnenenergie und 104 GW Wind Daten von EIAfür insgesamt etwa 159 GW. Wir müssen diese Summe bis 2050 für den 100% -Fall 27-mal und für den 95% -Fall 23-mal erweitern. Wir müssen ungefähr 140 GW bzw. 114 GW pro Jahr hinzufügen, 7- oder 5,75-mal so viel wie 2019.
Meines Erachtens wird eine solche Größenordnung nicht von alleine eintreten, insbesondere bei auslaufenden Subventionen für Wind und Sonne. Es wird wahrscheinlich irgendwann von alleine passieren, aber nicht mit der Geschwindigkeit, die für unser Netto-Null-Ziel 2050 erforderlich ist.
Wir brauchen Regierungspolitik, um den erforderlichen raschen Fortschritt zu unterstützen!
Glücklicherweise wird eine starke Expansion von Wind und Sonne keine wirtschaftliche Belastung sein! Unter der Annahme von 1000 USD pro Kilowatt Solarkosten und 1.300 USD für Wind (in der Nähe der aktuellen Schätzungen von Lazard) ergeben sich 4,5 Billionen USD für den Fall 100% (148 Mrd. USD pro Jahr) und 3,7 Billionen USD (120 Mrd. USD pro Jahr) für den Fall 95% Überbau .
Diese Kosten könnten gesenkt werden, indem eine Verwendung für die eingeschränkte erneuerbare Energie gefunden wird. Der 100% ige Überbau hat keine Erzeugung fossiler Brennstoffe und 2.465 TWH Wind- und Sonnenenergie, die nicht benötigt werden, für die wir aber bezahlen müssen. Im Fall von 95% verbleiben 497 TWH der Erzeugung fossiler Brennstoffe und müssen durch eine der anderen Optionen beseitigt werden, und wir haben 686 TWH nicht genutzte erneuerbare Energie zur Verfügung, um zu helfen. Die Wasserstoffelektrolyse könnte dafür funktionieren. Die Kohlenstoffabscheidung könnte dafür funktionieren.
Sind 120 oder 148 Milliarden US-Dollar so viel pro Jahr auszugeben? Treten Sie zurück und vergleichen Sie diese Kosten mit den Ausgaben der US-Verbraucher für andere Dinge. Hier einige Vergleiche für 2019 für die Ausgaben der US-Verbraucher für andere Dinge: Tabak – 100 Mrd. USD, Mahlzeiten im Restaurant – 680 Mrd. USD, Alkohol – 250 Mrd. USD oder Gesundheitswesen – 3.700 Mrd. USD. Und vergessen Sie nicht die Verteidigungsausgaben – 720 Mrd. USD im Budget 2020. Es scheint im Vergleich zu unseren derzeitigen Verbraucherausgaben kein so großer Betrag zu sein.
Und die Investitionen entsprechen in etwa dem, was wir bereits in Energie investieren. Gemäß Daten des Bureau of Economic Analysis2019 investierte die US-Wirtschaft 106 Mrd. USD in die Energiewirtschaft und 116 Mrd. USD in die Öl- und Gasexploration. Beeindruckend. Wenn wir nur das Öl- und Gasbudget in den Energiesektor verlagern könnten, wären wir fast da. Wir könnten weiterhin Öl und Gas aus bestehenden Bohrlöchern fördern, aber den Bau neuer Pipelines und neuer Explorationen einstellen.
In unseren Sammelbudgets ist Platz für den Übergang. Wir können auf eine ganz neue Energiequelle umsteigen und aufhören, uns selbst zu töten, und möglicherweise weniger für das Ganze bezahlen! Und sobald wir zu 100% übergegangen sind, wird die Flotte der Solar- und Windparks des Landes in Zukunft viel geringere Investitionen erfordern, als es die Industrie für fossile Brennstoffe erforderlich gemacht hätte. Eine lebenswerte Welt wird wirklich eine bessere Zukunft sein!
Also ja, es ist viel Geld, aber es ist kein großer Aufschwung im Vergleich zu anderen Ausgaben, und es sind Erdnüsse im Vergleich zu den Klimaschäden, wenn man es nicht tut!
Fazit
Wir müssen unsere Investitionen in erneuerbare Energien versechsfachen. Wir müssen einen Weg finden, unser Spiel zu verbessern und die Investitionen zu tätigen, die wir brauchen. Die Ergebnisse werden tiefgreifend sein. Die Luft wird unglaublich sauber sein. Krankheit und Tod aufgrund der Luftverschmutzung durch fossile Brennstoffe werden aufhören. Die USA werden nicht länger vom Ausland abhängig sein, um unseren Energiebedarf zu decken. Die USA werden führend bei der Bekämpfung des Klimawandels sein. Wir müssen die Erde nicht mehr für Bohrungen und Bergbau mit fossilen Brennstoffen vernarben. Die Elektrifizierung wird eine bessere Erfahrung für die vielen Arten des Energieverbrauchs bieten, und sobald unsere ersten Übergangsinvestitionen getätigt sind, werden wir eine Ära billiger Energie erleben.
Indem wir die CO2-Preisgestaltung als Kernstück unserer Politik einbeziehen, werden die von uns getätigten Investitionen hauptsächlich vom privaten Sektor bezahlt. Keine Notwendigkeit, den Bundeshaushalt weitgehend zu erschließen. Und wenn wir das Energy Innovation Act verabschieden, erhalten die US-Bürger eine schöne monatliche Dividende, um all die großartigen Gehälter zu erhöhen, die die Menschen in den neuen Arbeitsplätzen verdienen, die wir schaffen.
Weiter!
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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 durch eine Gebühr in der Erstsemester-Wirtschaftsklasse etwas über die Preisgestaltung von Umweltverschmutzung lernte. Er hat auch einen MBA von der University of North Carolina in Chapel Hill.