22. September 2020 durch Brad Rouse
Für diejenigen, die sich stark für unser zukünftiges Energiesystem interessieren und wissen möchten, wie es sich entwickeln wird, empfehle ich zwei ausführliche Artikel, die im letzten Jahr veröffentlicht wurden.
Das Bericht 2035, ein Produkt eines Teams unter der Leitung von UCAL Berkeley und GridLab, untersucht ein US-amerikanisches Energiesystem von 2035, das zu 90% kohlenstofffrei ist, zu niedrigeren Stromtarifen führt als heute und äußerst zuverlässig ist. Steve Hanley hat den Bericht in ausführlicher geprüft CleanTechnicaDies ist eine kürzere Lesart als der vollständige Bericht Hier.
Der zweite Bericht „Auswirkungen umweltfreundlicher New Deal-Energiepläne auf Netzstabilität, Kosten, Arbeitsplätze, Gesundheit und Klima in 143 Ländern “ veröffentlicht in Eine Erdebietet eine konservative Roadmap für die Versorgung des gesamten Energiebedarfs der USA (und 142 anderer Länder), die bis 2050 zu 99,7% aus erneuerbaren Energien besteht. Die Studie 2050 wurde von einem Team in Stanford unter der Leitung von Mark Jacobson verfasst. Michael Barnard überprüfte diese Studie in zwei großen CleanTechnica Artikel, Hier und Hier.
Anstatt nur über diese sehr umfassenden, gut dokumentierten und komplexen Berichte zu berichten, werde ich Schritt für Schritt eine ähnliche Vision zeigen, wobei einige der gleichen Annahmen und öffentlich verfügbaren Daten unter Verwendung von „Back-of-the-Envelope-Berechnungen“ (Tabellenkalkulationen) verwendet werden. Mein Ziel ist es, (1) mir die Angemessenheit ihrer differenzierteren Ansätze zu demonstrieren und (2) die Grundannahmen und logischen Prozesse auf eine Weise aufzuzeigen, der ein Laienleser folgen kann.
Mit anderen Worten, um zu sehen, ob weniger von einem „Black-Box-Modellierungsansatz“ fast das gleiche Ergebnis zeigen kann. Mit anderen Worten, ein Gedankenexperiment. Kurze Zusammenfassung – es zeigt fast das gleiche Ergebnis und liefert ein paar Einblicke (zumindest für mich).
Dieses Gedankenexperiment beginnt mit meinem jüngsten CleanTechnica Artikel „100% bis 2035? 90% könnten besser sein “ setzt dies fort und wird in einem zukünftigen Artikel darüber ergänzt, was erforderlich ist, um bis 2050 100% kohlenstofffreie Energie zu erreichen.
Erreichen eines 90% -Rasters bis 2035
Beginnen wir mit Annahmen für die Umstellung des Netzes auf 90% erneuerbare Energien.
Annahme 1. Das Stromnetz in den Jahren 2035 und 2050 (vor Berücksichtigung der Elektrifizierung anderer Energienutzungen) wird dieselbe Strommenge verbrauchen wie heute. Zwischen 2005, als die Stromproduktion 4.055 Terawattstunden (TWh oder tausend Gigawattstunden) betrug, und 2019, als sie 4.153 TWh betrug, gab es kaum oder gar kein Wachstum. 2020 wird zweifellos deutlich unter den Zahlen von 2019 oder 2005 liegen. Laufende Effizienzverbesserungen machen das Wirtschaftswachstum und die Elektrifizierung zunichte. Der Strombedarf vor einer zusätzlichen Elektrifizierung würde wahrscheinlich mit der CO2-Preisgestaltung und dem verlangsamten Bevölkerungswachstum sinken. Diese Annahme stimmt in etwa mit dem Bericht von 2035 und dem von Jacobson überein, obwohl keiner von beiden eine Schätzung „keine Elektrifizierung“ liefert.
Annahme 2. Bescheidene Investitionen in Speicher, ein bescheidener Ausbau der Netzinfrastruktur und die begrenzte Nutzung fossiler Brennstoffe können Intermittenzprobleme, die bei einem Netz von 90% nicht von langer Dauer oder saisonal sind, weitgehend lösen. Dies war eine Schlussfolgerung aus dem Bericht von 2035, der ergab, dass für 90% erneuerbare Energien im Jahr 2035 nur 600 Gigawattstunden (GWh) Speicher (entsprechend 8 Millionen Tesla Model 3-Batterien) benötigt würden Ein Kalendermonat kann durch diese begrenzten Speicherinvestitionen überwunden werden.
Annahme 3. Ersatz bestehender Fossilien durch 50% Wind und 50% Sonne, um ein zu 90% sauberes Netz zu erhalten. Diese Mischung stimmt mit Jacobson überein, während der Bericht von 2035 mehrere Szenarien bewertet, die von einer ungefähr gleichmäßigen Mischung aus Wind und Sonne bis zu einem stärker vom Wind dominierten System reichen.
Annahme 4. Bestehende Wasserkraftwerke, andere vorhandene erneuerbare Energien und vorhandene Kernkraftwerke bleiben in allen Szenarien gleich. Dies steht im Einklang mit dem Bericht von 2035, während Jacobson die Atomkraft bis 2050 beseitigt. Im nächsten Artikel werde ich auf die Option ohne Atomkraft für 2050 eingehen.
Annahme 5. Ignorieren Sie regionale Ungleichgewichte und betrachten Sie die USA als Ganzes. Mir ist klar, dass diese letzte Annahme nicht realistisch ist, also nimm das einfach als gegeben. Sowohl der Bericht 2035 als auch die Studie 2050 von Jacobson befassen sich eingehend mit regionalen Unterschieden.
Mit diesen Annahmen kann die heutige Stromerzeugung anhand monatlicher und jährlicher Daten für die Stromerzeugung mit dem 90% -Netz im Jahr 2035 verglichen werden.
Wir werden viel Wind und Sonne brauchen
Die Stromerzeugung für das letzte verfügbare Jahr, 2019, wurde mit 62,1% aus fossilen Brennstoffen, 19,5% aus Kernkraftwerken, 9,8% aus Wind und Sonne und 8,6% aus anderen erneuerbaren Energien erzeugt. Was ist, wenn wir genug Wind und erneuerbare Energien ausbauen, um 90% des Energiebedarfs durch nukleare und erneuerbare Energien zu decken, wie im Bericht 2035?
Fossil wäre 10%, nuklear 19,5% und Wind und Sonne 60,50%. So würde die jährliche Energieerzeugung für das bestehende Netz vor und nach der Umstellung auf 90% CO2-frei aussehen:
Hinweis: Die Einheiten sind in Terawattstunden (TWh) angegeben, was 1.000 Gigawattstunden (GWh) entspricht. Nur als Referenz, dies ist ungefähr das 500-Millionen-fache der Strommenge (8.000 kWh), die normalerweise in einem Jahr in meinem Haus verbraucht wird.
Hier ist das Ergebnis für das 90% -Raster (2035), aufgeschlüsselt nach Monaten. Beachten Sie, dass das System in den Sommermonaten die größte Nachfrage mit einem geringeren Höhepunkt in der Wintersaison hat.
Studieren Sie dieses Diagramm für eine Minute, denn das Verstehen ist ein Schlüssel für das, was als nächstes kommt. Fossile Brennstoffe sind im April und Mai Null. In diesen Monaten haben wir Kürzungen oder Solar- und Windenergie. Wir haben Sonne und Wind, die wir nicht nutzen können. Dies ist gemeint mit „Überbau von Wind und Sonne“. Denken Sie daran, dass unter unseren Annahmen Energie nicht in einem Monat gespeichert und in einem anderen verbraucht wird. Wenn wir dafür genügend Speicher hätten, könnte die im März und April erzeugte Energie in späteren Monaten genutzt werden, und wir müssten nicht so viel Wind und Sonne bauen.
Beachten Sie, dass mit dem zu 90% sauberen Netz der größte Bedarf an fossilen Brennstoffen im Juli und August besteht, wenn die Windenergie am niedrigsten ist. Dies bestätigt die Ergebnisse der Studie von 2035.
Denken Sie auch daran, dass Solar und Wind, die nicht für die Stromerzeugung verwendet werden und die Batteriespeicherkapazität überschreiten, immer noch für etwas verfügbar sind. Und es ist zu Grenzkosten von Null erhältlich.
Können wir so viel Wind und Sonne bauen?
Mit diesem Ausgangspunkt kann unser Gedankenexperiment schnell verstehen, wie viel Wind und Sonne wir bauen müssen. In der ersten Grafik beträgt Wind und Sonne im Jahr 2019 407 TWh, während Wind und Sonne im Jahr 2035 (vorausgesetzt, wir erreichen 90% in diesem Jahr) 2.640 TWh oder etwa das 6,5-fache. Die kombinierte Wind- und Solarkapazität würde um 960 GW wachsen. Zum Vergleich: Der Bericht 2035 zeigt ein Kapazitätswachstum von 1300 GW, der jedoch einen erheblichen Elektrifizierungsaufwand enthielt.
In jedem Fall ist dies eine enorme Veränderung! Aber wie ist es mit dem Fortschritt der letzten Jahre zu vergleichen?
Um die installierte Wind- und Solarproduktion von 407 TWh auf 2.640 TWh zu steigern, ist eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 12,2% pro Jahr erforderlich. Von 2014 bis 2019 betrug die Wachstumsrate der Produktion 14% pro Jahr und es gibt keine Anzeichen einer Verlangsamung. Das langfristige Wachstum von 12,2% scheint aus Sicht der Wachstumsrate im Einklang zu stehen.
Es kann jedoch schwierig sein, sich auf zusammengesetzte Wachstumsraten zu verlassen. Dieses Wachstumsniveau bedeutet auch, dass wir durchschnittlich mehr als 130 TWh neue Wind- und Solarproduktion hinzufügen müssen. Daher müssen wir jedes Jahr etwa 30% der Produktion von 2019 hinzufügen, und jedes Jahr müssen wir durchschnittlich Fügen Sie das Doppelte unseres bisher besten Jahres hinzu, das ich für 2020 auf 67 TWh schätze. Dennoch scheint mir dies machbar zu sein, und es verdoppelt wahrscheinlich die Arbeitsplätze in Wind und Sonne. Wahrscheinlich müssen wir Wind und Sonne für einige Jahre mit einer Beschleunigungsrate erhöhen und dann für den laufenden Ausbau mit einer konstanten Rate abflachen. Und wenn die Kosten weiter sinken, ist es wahrscheinlich weniger (möglicherweise viel weniger), die Leistung von Wind und Sonne zu verdoppeln, als das zu verdoppeln, was wir jetzt zahlen.
Darüber hinaus müssen wir mit dem Übergang zu einer rein (oder größtenteils) elektrischen Wirtschaft beginnen!
Elektrifizierung vieler Dinge bis 2035
Wir können das Stromnetz nicht nur bis 2035 begrünen und erst dann ernsthaft damit beginnen, alles zu elektrifizieren. Wir müssen jetzt damit beginnen, Endnutzungen wie Elektroautos und Heizsysteme auf Elektrizität umzustellen, damit alles grün ist, wenn das Netz grün ist. Das Problem ist, dass das Stromnetz nur 27% der Kohlenstoffemissionen und nur etwa 18% des gesamten Energieverbrauchs ausmacht.
Wir werden unser Gedankenexperiment fortsetzen, indem wir den nicht elektrischen Energieverbrauch untersuchen, bei dem es sich im Wesentlichen um fossile Brennstoffe wie Erdgas, Öl und Kohle handelt, die direkt in Haushalten, Unternehmen, Fabriken und Fahrzeugen verbraucht werden.
Der nicht elektrische Energieverbrauch wird in BTUs (British Thermal Units) gemessen. Die UVP erfasst den nicht elektrischen Energieverbrauch nach wichtigen Sektoren – Wohnen, Gewerbe, Verkehr und Industrie.
Was wäre, wenn wir all diese nicht elektrischen Energieverwendungen in elektrische Energie umwandeln und nicht davon ausgehen würden, dass beim Übergang von fossilen zu elektrischen Energieeffizienzen Effizienzgewinne möglich sind? Dies ist völlig unrealistisch, da beim Übergang von fossilen zu elektrischen Brennstoffen erhebliche Effizienzgewinne erzielt werden (es sei denn, dieser Strom wird hauptsächlich aus fossilen Brennstoffen erzeugt). Aber das ist doch ein Gedankenexperiment.
Der Energiebedarf an einem solchen elektrischen System würde das derzeitige elektrische System mit insgesamt 22.666 TWh für 2019 gegenüber dem Bedarf an elektrischem System für 2019 von 4.153 TWh bei weitem übertreffen. Ohne Effizienzgewinne bei der Elektrifizierung anzunehmen, werden wir wirklich viel Wind und Sonne brauchen, um auch nur zu 90% fossilfrei zu sein – nicht das 6,5-fache des Betrags von 2019, sondern das 40- oder 50-fache!
Dieses Szenario, bevor Effizienzgewinne berücksichtigt werden, ist die erste Spalte in der folgenden Grafik.
Ich zeige dieses Szenario, weil manchmal Leute diese Konvertierungen durchführen, aus Effizienzgründen keine realistischen Konvertierungen vornehmen und dann versuchen, die Leute davon zu überzeugen, dass dieses gesamte Unternehmen hoffnungslos ist.
Realistische Annahmen zur Elektrifizierung
Hier sind unsere Annahmen für die Umwandlung des nicht elektrischen Energieverbrauchs in elektrischen Strom.
Annahme 1. Der nicht elektrische Energiebedarf in den Jahren 2035 und 2050 (bevor wir die Umstellung auf Elektrizität in Betracht ziehen) bleibt derselbe wie 2019, wie zuvor nur für Strom erörtert. Von 2000 bis 2019 stieg der nicht elektrische Primärenergiebedarf nur um 0,2% pro Jahr.
Annahme 2. Eine Ausnahme von Annahme 1 besteht darin, dass wir einen Rückgang der Primärenergie für Gewerbe- und Wohnimmobilien um 10% annehmen, da der Schwerpunkt vermutlich auf der Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden und der Verwendung von CO2-Preisen liegt.
Annahme 3. Durch die Eliminierung der Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen wird Energie gespart, indem Produktion, Raffination und Transport im Industriesektor (geschätzte 15% der Industrie, die sich mit der Raffination von Öl befasst) und 5% für den Transport eliminiert werden. Dies ist weitaus konservativer als Jacobsons Annahme einer Reduzierung des Gesamtenergieverbrauchs um 12,1% aufgrund der Einstellung der Produktion fossiler Brennstoffe.
Annahme 4. Wir gehen von den folgenden Reduzierungen des Energieverbrauchs für jeden Sektor aus, um die immensen Effizienzgewinne bei der Umstellung der Endnutzung auf Elektrizität zu berücksichtigen:
- Wohnen und Gewerbe – 75%. Dies steht im Einklang mit der fortschrittlichen Luftwärmepumpenhausheizung und der Warmwasserbereitung sowie der Geothermie. Kochen ist etwas weniger.
- Industrie – 50%. Ein Großteil der industriellen Nutzung ist Prozesswärme, die auch durch direkten Stromverbrauch effizienter erzeugt werden kann. Ein Teil davon kann von Wärmepumpen, direkter Solarheizung, Kernkraft oder brennendem Wasserstoff stammen. Einige Prozesse können geändert werden, um die Effizienz erheblich zu steigern.
- Transport – 75%. Der elektrische Batterietransport ist weitaus effizienter als der Erdöltransport. Wasserstoffbrennstoffzellen sind ebenfalls effizienter, bieten jedoch weniger Effizienzvorteile als Batterien.
Ich habe einige Fallbeispiele zur Reduzierung des Primärenergieverbrauchs in einem früheren untersucht Artikel. Und meine Annahmen basieren auf ähnlichen Annahmen von Jacobson et al. Eine weitere gute Ressource für diejenigen, die an einem tieferen Tauchgang interessiert sind, finden Sie in NRELs "Elektrifizierungs-Zukunftsstudie."
Im Folgenden wird der jährliche Stromverbrauch in diesen drei Szenarien verglichen:
Die erste Spalte oben zeigt ein vollständig elektrifiziertes Energiesystem ohne Effizienzgewinne bei der Umwandlung fossiler Brennstoffe in elektrische. Die zweite Spalte ist das System, wie es bei allen Annahmen und einer 100% igen Umwandlung sein würde – was wir bis 2050 hoffen könnten. Die dritte Spalte ist das elektrische System, das wir bei einer 50% igen Umwandlung von nicht elektrisch in elektrisch erwarten würden und das nehmen wir für 2035 an.
Das System 2035 stellt einen enormen Anstieg gegenüber der aktuellen Nachfrage dar, von 4153 TWh im Jahr 2019 auf 7121 TWh im Jahr 2035. Dies entspricht einem Wachstum des jährlichen Strombedarfs von 3,4% pro Jahr gegenüber im Grunde keinem Wachstum von 2005 bis 2019. Dies scheint wie ein Vieles, aber als ich zum ersten Mal in die Planung von Stromversorgungsunternehmen einstieg, erwarteten die Energieversorger ein Wachstum von 7%. Wie sich herausstellte, stieg die Stromerzeugung von 1960 bis 2005 um 3,7% pro Jahr. Und dazu gehörten in dieser Zeit viele Ausgaben für Atomkraft! Das elektrische System auf 3,4% zu steigern ist machbar, wir müssen nur wieder so weitermachen, wie wir es früher getan haben, aber diesmal mit Wind und Sonne und Batterien!
Das System 2035 wird auch für die USA eine enorme Reduzierung der CO2-Emissionen bewirken. Die US-Emissionen betrugen 2019 4,8 Gigatonnen (GT). Die CO2-Emissionen des 2035-Systems nach 50% Elektrifizierung und 90% sauberem Netz würden 2,2 GT betragen, was einer Reduzierung von 53% entspricht. Um bis 2035 mehr CO2-Reduktionen als 53% zu erzielen, benötigen wir mehr Elektrifizierung und / oder mehr Energieeffizienz und -einsparung bei den noch nicht elektrifizierten Endanwendungen. Ich sehe viele Möglichkeiten dafür. Ein Wechsel von 90% auf 100% im Netz könnte eine Option sein, aber der maximale Nutzen davon wäre nur weitere 3,5%.
Die saisonale Verteilung des Systems 2035 wird sich erheblich vom System 2019 unterscheiden. Anstelle eines starken Sommergipfels werden die Winter- und Sommergipfelmonate nahezu gleich sein. Dies wird die Art und Weise ändern, wie wir das Intermittenzproblem lösen. Dies steht im Gegensatz zum Bericht 2035, der weiterhin einen Juli-Höhepunkt aufweist, aber der Bericht 2035 enthält etwa die Hälfte der Elektrifizierung, die ich für diese Analyse für 2035 annehme.
Wie viel Wind und Sonne brauchen wir, um bis 2035 50% zu elektrifizieren?
Früher habe ich festgestellt, dass wir, um das Netz bis 2035 auf 90% zu begrünen, Solar- und Windkraft von 2019 auf 2640 TWh 6,5-mal steigern müssen. Wenn wir bis dahin auch 50% elektrifizieren, müssen wir Wind und Sonne 13 Mal wachsen lassen und zusätzliche 2737 TWh für insgesamt 5377 TWh hinzufügen. Hier sind die monatlichen Ergebnisse:
Beachten Sie, dass unser größter Bedarf an fossiler Energie im Jahr 2035 mit dem Wintergipfel nicht mehr im Juli und August sein wird, sondern im Dezember und Januar, wenn der umgebaute Heizbedarf für Wohn- und Gewerbezwecke mit einer geringen Solarleistung kombiniert wird. Im April und Mai kommt es immer noch zu Kürzungen, und im Juni gibt es weder Kürzungen noch den Einsatz fossiler Brennstoffe.
Das Hinzufügen von 5377 TWh von einer Basis von 407 TWh über 16 Jahre bedeutet viel Sonne und Wind UND viel Umwandlung der direkten Endverwendung fossiler Brennstoffe in Elektrizität. Wir müssen eine durchschnittliche Produktionssteigerung von 311 TWh pro Jahr erzielen, was im Grunde bedeutet, dass wir bis 2035 jedes Jahr 75% der bisher gebauten Sonnen- und Windkraftanlagen hinzufügen müssen. Solar- und Windkraftanlagen müssen mit einer durchschnittlichen Rate von 17,5% wachsen .
Ich führte einige schnelle Kostenberechnungen durch und kam auf etwa 200 Milliarden Dollar pro Jahr für die USA. Im Moment verbringen wir herum 1,2 Billionen Dollar Ein Jahr Energie, also klingt eine Investition von 1/6 dieses Betrags eigentlich nicht so schlecht, wenn man bedenkt, dass die Rendite dieser Investition eine Energieinfrastruktur ist, die umweltfreundlich ist und für die kein kontinuierlicher Strom mehr erforderlich ist Abbau und Import fossiler Brennstoffe, um dies zu unterstützen, und was im Laufe der Zeit zu viel, viel geringeren Ausgaben für Energie führen sollte. Das ist eine Zukunft, für die es sich zu arbeiten lohnt.
Schlussfolgerungen
Ich plane, die Auswirkungen auf 2050 und 100% erneuerbare Energien in einem zweiten Artikel zu untersuchen, der der geeignete Ort ist, um ihn mit der Jacobson-Studie zu vergleichen.
Meine Analyse erreicht mithilfe einer vereinfachten Tabellenkalkulationsanalyse den gleichen Wert wie die Ergebnisse des Berichts 2035. Dass ich ihre Ergebnisse größtenteils auf diese Weise bestätigen kann, macht mich zuversichtlicher in ihren sehr hoffnungsvollen Schlussfolgerungen.
Technologien und Märkte entwickeln sich ständig weiter. Es ist heute unmöglich vorherzusagen, was der beste Plan sein wird, um die Energiewende zu erreichen, die wir in den Jahren 2035 und 2050 benötigen. Dennoch können Sie die Daten necken, um Einblicke in die Zukunft zu erhalten und denjenigen entgegenzuwirken, die sagen, dass dies nicht möglich ist getan.
Unsere beste Strategie als Nation besteht darin, Kohlenstoff aggressiv zu bewerten, den Erlös der Kohlenstoffgebühr an die Menschen zurückzugeben und selektiv in Forschung zu investieren und Hindernisse für die Zukunft zu beseitigen, die wir wollen. Mit der CO2-Preisgestaltung kann der Markt die Kombination von Ressourcen auswählen, die die beste Option ist. Die beiden Berichte, die ich studiert habe, und meine eigene Analyse geben mir die Zuversicht, dass wir in diesem Fall eine viel bessere Zukunft aufbauen werden – eine, die sauberer, gesünder, reicher, gerechter ist und nicht die Zuverlässigkeit der Elektrizität beeinträchtigt , was für all diese anderen Attribute erforderlich ist.
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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 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.