Angemessenheit der Ressourcen, Intermittenz und CO2-Preisgestaltung

1. August 2020 durch Brad Rouse

---

Bitte bei mir tragen. Ich weiß, dass dieser Titel für jeden anderen als den erbärmlichsten Energie-Nerd abschreckend ist, aber dies ist ein wirklich wichtiges Thema, wenn wir den Klimawandel lösen wollen. Wie in meinen ersten beiden Artikeln erwähnt (Hier und Hier) Wir müssen das Gitter begrünen.

Um das Netz grüner zu machen, müssen wir eine Strategie verfolgen, um unseren Energiebedarf mit kostengünstigen erneuerbaren Wind- und Solarressourcen zu decken. Die offensichtliche Frage ist, wie das Intermittenzproblem gelöst werden kann (was passiert, wenn der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint). Die Lösung dieses Problems ist eine notwendige Zutat, um den Planeten zu retten.

Wind und Sonne, heute die kostengünstigsten Energiequellen, unterliegen einer „Unterbrechung“, auch bekannt als „Was tun, wenn der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint?“.

Die Unterbrechung von Wind und Sonne ist eine Teilmenge des Problems der Ressourcenadäquanz. Haben Netzbetreiber die Ressourcen, um den Strombedarf zu jeder Stunde zu decken?

Das eigentliche Problem: Angemessenheit der Ressourcen

Das eigentliche Problem ist die Angemessenheit der Ressourcen. Reichen die Ressourcen, die ich derzeit einsetzen kann, aus, um den Strombedarf zu decken? Unterbrechung KANN ein Problem sein, wenn andere Ressourcen nicht verfügbar sind, um bei Bedarf einzugreifen. Die Variation der Sonnen- oder Windleistung ist nur eine Teilmenge des Problems der Ressourcenadäquanz, zu der folgende Faktoren gehören:

• Variabilität der Stromnachfrage
• Nichtverfügbarkeit von Ressourcen aufgrund eines mechanischen Ausfalls
• Unfähigkeit der Ressourcen, schnell genug (oder überhaupt) auf Änderungen der Nachfrage zu reagieren
• Angebotsschwankungen aufgrund der Verfügbarkeit von Sonne, Wind oder Wasserfluss (Unterbrechung)

Erneuerbare Energien fügen der Frage der Ressourcenadäquanz neue Falten hinzu, helfen in gewisser Weise und machen sie in anderen herausfordernder. Die Strommenge, die Sie von ihnen erhalten können, wird von den Stromnetzbetreibern nicht vollständig kontrolliert, unterliegt jedoch Schwankungen der Tageszeit, der Jahreszeit und des Wetters. Die Leistung erneuerbarer Energien wird von den Netzbetreibern nur insoweit kontrolliert, als ihre Leistung reduziert werden kann.

Erneuerbare Energien helfen jedoch, weil sie in kleinen Schritten (1 oder 2 Megawatt (MW) gegenüber 500 oder 1000 MW für eine Anlage mit fossilen Brennstoffen) geliefert werden. Für mechanische Zuverlässigkeitsprobleme, die Wind und Sonne möglicherweise haben, ist nicht die gleiche hohe Backup-Kapazität erforderlich, die zu einem Zeitpunkt verfügbar ist, den große fossile oder nukleare Anlagen benötigen. Es ist möglich, dass ein von erneuerbaren Energien dominiertes Netz mit geringeren Reserven bei Spitzenbedarf als das derzeitige Netz auskommt.

Schließlich bietet der Stand der aufkommenden Batterietechnologien billigere, dichtere, leichtere und leistungsfähigere Speicherressourcen. Durch die Verwendung unterschiedlicher chemischer und materieller Eigenschaften können wir die Energieerzeugung aus erneuerbaren Ressourcen speichern und den Strom bei Bedarf für die Netzzuverlässigkeit entladen.

Ein persönlicher Exkurs

Die Kombination aus meinem Studium der Wirtschaftswissenschaften und dem Sprechen von „Southern“ hat mir geholfen, meinen ersten Job als Energieberater zu bekommen. Mein neuer Arbeitgeber hatte zugestimmt, ein Computermodell zu bauen, um den Strombedarf für die „Southern Company“ vorherzusagen, die damals und heute eines der größten Versorgungsunternehmen in den USA ist. Ein Teil davon bestand darin, ein „Modell zur Vorhersage der Lastform“ zu erstellen. Ich hatte keine Ahnung, was das war, aber der Kunde zahlte gutes Geld, also musste ich lernen!

Es stellte sich heraus, dass die Lastform nur der stundenweise Strombedarf im Laufe des Tages, der Woche, des Monats und des Jahres ist. Dies ist bei der Versorgungsplanung von entscheidender Bedeutung, da Sie diesen Bedarf jede Minute eines jeden Tages mit Stromressourcen decken müssen. Sie können sich vorstellen, wie überwältigt dieser neu geprägte MBA war, als er erfuhr, dass wir 8760 Datenpunkte pro Jahr prognostizieren sollten! Seit 30 Jahren! Wir haben nie eine genaue Lastformprognose erstellt, aber wir hatten einige nützliche Erkenntnisse auf dem Weg.

Lassen Sie mich Ihnen zeigen, was sie bedeuteten, als sie über eine Lastform sprachen. Die Energy Information Administration (EIA) veröffentlicht stündliche Lasten für jeden „Ausgleichsbereich“ des US-Netzes. In meinem Fall ist dies die stündliche Lastform des Ausgleichsbereichs von Western North Carolina (WNC) für meinen Bereich für zwei Tage in diesem Jahr:

In meinem nächsten Job ging ich von der Prognose des Strombedarfs zur Planung des Stromversorgungssystems über. Meine Kollegen haben sich auf die Modellierung zur Simulation des Stromversorgungssystems spezialisiert. Ihre geheime Zutat war ein Durchbruch bei der Modellierung der Nichtverfügbarkeit von Ressourcen aufgrund eines mechanischen Ausfalls. Ich war ein einsamer Ökonom, umgeben von Ingenieuren! Aber ich habe viel mehr über Intermittenz gelernt und Software für die langfristige Planung entwickelt, die heute noch von Energieversorgungsunternehmen verwendet wird. Mit diesem Problem der Ressourcenadäquanz beschäftigen sich die Netzbetreiber seit langem.

Solar & Wind Turn Utility Planning auf den Kopf stellen

Denken Sie nicht nur, dass Solar und Wind, da sie billiger als Gas oder Kohle sind, sofort die Kontrolle übernehmen werden. Sie brauchen ein bisschen Hilfe. Das Problem ist, dass die stundenweise Leistung nicht von den Netzbetreibern kontrolliert wird und häufig eine schwerwiegende Abweichung vom stündlichen Strombedarf darstellt.

Lassen Sie uns ein Gedankenexperiment mit dem 7,5-Kilowatt-Solar-Array (KW) in meinem Haus in Asheville als Beispiel durchführen. Die Stundenleistung an den Tagen Februar und Juli ist unten angegeben (beachten Sie, dass meine Panels nach Westen ausgerichtet sind, sodass ihre Leistung später am Tag ihren Höhepunkt erreicht als die nach Süden ausgerichteten Panels und im Winter besonders benachteiligt ist). Hier ist also ein Gedankenexperiment. Skalieren wir meine Solarmodule, um zu versuchen, den gesamten regionalen Strombedarf für den Tag (aber nicht Stunde für Stunde) für diese spezifischen Januar- und Julitage zu decken. Hier ist das Profil für diesen Tag im Februar:

Beeindruckend. Dazu ist eine RIESIGE Menge Solar erforderlich. Ich weiß, dass dies wahr ist, weil ich bei mir zu Hause im Sommer Überschüsse habe und dann im Winter nicht genug Sonnenenergie habe. Ich benutze Duke Energy als meine riesige Batterie! Aber wie zu erwarten wäre, würden wir, wenn wir das etablierte Versorgungsunternehmen aus dem Bild nehmen würden, tagsüber eine riesige Batterieladung benötigen, die die Last nachts aufnehmen könnte. (Dies wird durch die Annahme verschlimmert, dass der Wirkungsgrad beim Laden und Entladen einer Batterie im Versorgungsmaßstab 85% beträgt.) Um den Energiebedarf für diesen Tag zu decken, wären 8 Gigawatt (GW) Solar oder etwa 20 KW pro Person in der Region erforderlich . Bei einem Dollar pro Watt, ein guter Preis heutzutage, würde es coole 8 Milliarden Dollar kosten. Darüber hinaus benötigen wir Speicher für 8,5 Gigawattstunden (GWH) Strom, um den Bedarf nachts zu decken, was zu einem Preis von 100 USD pro Kilowattstunde (kWh) (dem Preis für die Batterie des heiligen Grals für die Dominanz von Elektrofahrzeugen) erforderlich wäre kostete weitere 850 Millionen Dollar.

Schauen Sie sich jedoch die folgende Grafik an, die diesen Julitag darstellt. Um den Energiebedarf an diesem Tag zu decken, benötigen wir nur etwa 2 GW Solar gegenüber 8 GW am Wintertag. Und aufgrund der längeren Sommersonnenstunden benötigen wir 6,7 GWH Speicherplatz gegenüber 8,4 GWH am Wintertag.

Ich stelle diese Illustration zur Verfügung, da dies in einem vollständig erneuerbaren elektrischen System die Art von Missverhältnis ist, mit der sich Versorgungsplaner auseinandersetzen müssen. Glücklicherweise werden viele Faktoren dazu beitragen, die eigentliche Lösung viel praktikabler zu machen als dieses zugegebenermaßen weit hergeholte Beispiel, was ein unschuldiger Zuschauer dennoch verstehen könnte, wenn er die Worte hört – „aber, aber, aber, aber, aber die Die Sonne scheint nicht immer und der Wind weht nicht immer “!

Hinzufügen von Angebotsvielfalt zum Mix

Es gibt zahlreiche Lösungen für das Problem der Ressourcenadäquanz, und viele davon sind wahrscheinlich wirtschaftlicher als nur das Hinzufügen von Batterien. Am naheliegendsten ist es, die Angebotsvielfalt zu erhöhen! Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu tun – Hinzufügen von Windkraft (Offshore und Land), Erhöhen der Übertragungsbindungen, Hinzufügen von Sonneneinstrahlung in verschiedene Richtungen usw. Erweitern wir das Gedankenexperiment mit Windkraft. In diesem Fall fügen wir der Sonne am Julitag Wind zu gleichen Anteilen hinzu. Wie viel Speicher würden wir in diesem Fall benötigen?

Für dieses Gedankenexperiment habe ich an ähnlichen Tagen das stündliche Profil der Windkraft in Texas verwendet. (Ich weiß, Sie können derzeit keinen texanischen Wind zu WNC bringen, aber vielleicht in Zukunft.) Ich gehe davon aus, dass die Hälfte des täglichen Energiebedarfs durch Wind und die Hälfte durch Sonnenenergie gedeckt wird. Gute Nachrichten! Wind weht nachts UND es weht mehr im Winter als im Sommer. Zur Vereinfachung ging ich davon aus, dass Wind und Sonne jeweils die Hälfte der täglichen Energie für den Julitag decken würden. Dann, wenn man bedenkt, wie viel Wind und Sonne das waren, würde ich sehen, ob ich genug hatte, um den Tag im Februar zu treffen.

Hier ist der Julitag:

Bei der gleichen Energiemenge, die am Julitag aus Wind und Sonne stammt, wird viel weniger Speicher benötigt, um die Last zu decken, als nur mit Sonne. Die Probleme der Unzulänglichkeit und Unterbrechung der Ressourcen wurden verringert. Vielfalt hilft! Die Ladung und die erneuerbaren Energien sind in den frühen Morgenstunden gut aufeinander abgestimmt, während Batterien benötigt werden, um bis gegen Mittag Strom zu liefern. Von 12.00 bis ca. 21.00 Uhr lädt Solar die Batterien auf, und während der „Prime Time“ des Fernsehgeräts wird wieder Batteriestrom benötigt.

Wenn das gleiche MW an Wind und Sonne auf den Februar-Tag angewendet wird, stellen wir fest, dass an diesem Tag nur sehr wenig Sonnenenergie benötigt wird (Gott sei Dank), da an diesem Tag viel mehr Windleistung vorhanden ist und das gesamte System tatsächlich einen Überschuss aufweist der Punkt, an dem die zur Speicherung verfügbare Energiemenge die für diesen Tag benötigte Energie übersteigt:

Die Batterie wird morgens und am frühen Abend ein wenig entladen, ansonsten produziert das System mehr Energie als benötigt. Abhängig von der Batteriekapazität kann es im System zu einer „Einschränkung“ kommen (so viel Sonne und Wind, dass die Batterien nicht alles aufnehmen können).

Fazit: Ich habe dem Mix nur eine mögliche Lösung hinzugefügt und den benötigten Batteriespeicher drastisch reduziert. Wenn dies eine echte Planungsübung für Versorgungsunternehmen wäre, hätte ich viel leistungsfähigere Analysewerkzeuge zur Verfügung und könnte auf viele andere Optionen zurückgreifen, um die Angemessenheit der Ressourcen sicherzustellen. Mein Fazit ist, dass die Angemessenheit der Ressourcen ein sehr lösbares Problem ist. Aus politischer Sicht müssen wir natürlich die Technologie durch Forschung weiter verbessern, und es kann Optionen für gezielte staatliche Investitionen geben. Insgesamt liegt die Lösung dieses Problems in der Erfahrung der Versorgungsplaner. Es ist jedoch eine neue Denkweise erforderlich, die von der Idee ausgeht, den Energiebedarf zu decken und dann über eine Reihe von Tools wie Energiespeicher zu verfügen, um eine genaue Abstimmung von Angebot und Nachfrage zu ermöglichen.

Ich werde mich mit diesen Themen befassen und in einem späteren Artikel einige umfassende Studien zu diesem Thema untersuchen.

Die Kohlenstoffpreise können in diesem Teil der Energiewende eine große Rolle spielen

Ich bin ein großer Fan davon, einen Preis für Kohlenstoff festzulegen, weil dies allen Akteuren der Wirtschaft ein Signal sendet, dass sie eine Rolle bei der Energiewende spielen. Und das Signal ist, dass Sie entsprechend Ihrem Beitrag zur Reduzierung Ihres CO2-Fußabdrucks bezahlt werden. Elektrizitätsunternehmen haben heute einen enormen CO2-Fußabdruck (27% der gesamten CO2-Emissionen) und werden einen enormen Anreiz zur Emissionsreduzierung haben.

Mein bevorzugter Vorschlag für eine CO2-Gebühr ist der Vorschlag für eine CO2-Gebühr und eine Dividende, der als Gesetzentwurf im Kongress eingereicht wurde Energieinnovations- und Dividendengesetz (EICDA). Diese Gesetzesvorlage sieht eine steigende zielgerichtete Gebühr für Kohlenstoff vor, wobei alle Einnahmen in Form einer Dividende an die Amerikaner zurückgegeben werden.

Die EICDA wird die Belohnungen für die Suche nach Lösungen für Probleme der Ressourcenadäquanz in dem Maße erhöhen, in dem sie den CO2-Fußabdruck des Netzes verringern. Eine einfache Möglichkeit, dies zu betrachten, basiert auf der Wirtschaftlichkeit der Batteriespeicherung, um fossile Energie durch erneuerbare Energie zu ersetzen. Gegenwärtig können die meisten Energieversorger einfach erneuerbare Energien hinzufügen, den Verbrauch fossiler Brennstoffe reduzieren und die Vorteile nutzen. Der Batteriespeicher kommt zur Geltung, wenn das Netz zu viel kohlenstofffreie Energie verbraucht, ohne diese Energie in einen anderen Zeitraum zu verschieben. Dies kann entweder der Fall sein, wenn die erneuerbaren Ressourcen wahrscheinlich eingeschränkt werden oder wenn die Wirtschaft es bevorzugt, den Verbrauch fossiler Brennstoffe zu einem bestimmten Zeitpunkt zu erhöhen und ihn zu einem anderen, kohlenstoffintensiveren Zeitpunkt zu verringern.

Ein einfacher Ansatz, um zu verstehen, wie sich dies auswirken wird, besteht darin, die Kosten für das Hinzufügen von Batteriespeicher mit dem daraus resultierenden Rückgang der Kosten für fossile Brennstoffe aus dem verwendeten Speicher zu vergleichen. Zu den Faktoren, die in diese Bewertung einfließen, gehören die Kosten pro Megawattstunde (MWH) für die Stromerzeugung aus fossilen Brennstoffen, die Kosten für die Batterie und die Lebensdauer der Batterie in Zyklen (wie oft Sie erwarten können, dass diese Batterie die tatsächlich reduziert Kosten für fossile Brennstoffe) und die Lade- / Entladeeffizienz der Batterie. Die CO2-Preisgestaltung beeinflusst die Produktionskosten mit fossilen Brennstoffen.

Schauen wir uns für ein neues Gedankenexperiment die Wirtschaftlichkeit von Batterien im Vergleich zur Erdgasspitzenanlage an, die normalerweise als Option zur Bereitstellung von Ressourcen verwendet wird. Wir gehen davon aus, dass die Batterie eine Lebensdauer von 20 Jahren hat und 100 Zyklen pro Jahr für 2000 Zyklen über ihre Lebensdauer mit einem Round-Trip-Wirkungsgrad von 85% durchläuft. Es wird davon ausgegangen, dass die Kosten für die Batteriespeicherung gemäß „Kostenvoranschläge für die Batteriespeicherung im Versorgungsmaßstab, ”Eine Studie des National Renewable Energy Laboratory (NREL) vom Juni 2019. Wir verwenden das Mid-Case-Szenario (von 287 USD pro kWh heute auf 76 USD bis 2050). Die CO2-Gebühren steigen entsprechend den im Rahmen der EICDA erhöhten CO2-Gebühren an der Grenze. Sowohl die CO2-Gebühren als auch die Gaskosten stimmen mit meinen früheren überein Analyse in dieser Serie.

Die Wirtschaft bewegt sich positiv (grüne Balken) mit dem prognostizierten Rückgang der Speicherkosten und sie werden mit einer Gebühr für Kohlenstoff extrem hoch. Und obwohl die Wirtschaftlichkeit heute allein aufgrund der Gaskosten nicht positiv ist, wird die Speicherung ohnehin aufgrund der anderen Vorteile der Speicherung in das Netz aufgenommen, die über die einfachen Kosten pro MWH-Vergleich hinausgehen – insbesondere aufgrund der geringen Größe und der schnellen Bauzeit der Speicherung im Vergleich zu viel größere Größe einer Peaking-Anlage, was bedeutet, dass ein Versorgungsunternehmen die Lagerung einschalten und sie im Laufe der Entwicklung gleichmäßiger an den Bedarf anpassen kann.

Was ist aber mit einer bestehenden Verbrennungsturbinenanlage (Peaker)? Für Anlagen, die bereits in Betrieb sind, lohnt es sich nicht, eine Batterie einzuschalten, um ihren Verbrauch auszugleichen, es sei denn, der Preis für Kohlenstoff liegt bei den bis 2050 erwarteten supergünstigen Batterien. Es ist eindeutig erforderlich, dass Kohlenstoffpreise oder eine Art Mandat vergeben werden. Die folgende Grafik zeigt die Situation:

Fazit

Die Netzunterbrechung durch billige erneuerbare Energien bringt Netzbetreibern und Planern neue Probleme, da wir dem Netz immer mehr erneuerbare Energie hinzufügen. Glücklicherweise stehen ihnen viele Werkzeuge zur Verfügung, darunter vor allem (1) die Suche nach einer Vielfalt von Ressourcen ohne Kohlenstoffversorgung und (2) Speicherbatterien, deren Kosten sinken. Die Einbeziehung eines CO2-Preises in Netzplanungs- und Betriebsentscheidungen wird ein wirksamer Mechanismus sein, der dazu führt, dass Lösungen immer wirtschaftlicher werden.

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

Neueste Cleantech Talk-Episoden

---

Neueste CleanTechnica.TV-Folge

---

Stichworte: Kohlenstoffpreise, Ökonomie des Klimawandels, Umwelt North Carolina, North Carolina, Unterbrechung der Sonnenenergie, US-Netz, Unterbrechung der Windenergie