Wir brauchen mehr als Übertragungsleitungen

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Dies haben wir kürzlich vom NRDC in einem Artikel erfahren: „Wir dürfen nicht zulassen, dass die alternde Übertragung den Fortschritt im Bereich der sauberen Energie behindert”, veröffentlicht unter CleanTechnica:

„Die gute Nachricht ist, dass es eine Fülle sauberer Energie gibt, die darauf wartet, online zu gehen. Tatsächlich warten rund 2.000 Gigawatt an neuen Ressourcen – hauptsächlich erneuerbare Energien und Speicher – darauf, an die Stromnetze im ganzen Land angeschlossen zu werden. Das ist mehr als die Gesamtleistung aller heute in den Vereinigten Staaten betriebenen Kraftwerke. Die schlechte Nachricht ist, dass es aufgrund eines veralteten Zusammenschaltungsprozesses mittlerweile durchschnittlich mehr als fünf Jahre dauert, bis neue Generatoren von der Anwendung in den kommerziellen Betrieb gelangen. Die meisten Projekte werden nie realisiert, teilweise aufgrund der Verzögerungen.“

So sehr ich das NRDC respektiere, denke ich, dass wir möglicherweise keine weiteren Übertragungsleitungen benötigen, wenn wir das bekommen, was wir wirklich am meisten brauchen.

Ich möchte mit einer einfachen Aussage beginnen, die manche für unglaublich halten: „Wir können unser Netz nicht allein mit Grundlaststrom versorgen.“ Ich gebe zu, dass es theoretisch möglich ist, das Netz ausschließlich mit Grundlastanlagen zu versorgen, allerdings nur für eine sehr kurze Zeit, vielleicht in der Größenordnung von fünf Minuten.

Das ist die Kehrseite des Arguments gegen erneuerbare Energien: „Die Sonne scheint nicht immer und der Wind weht nicht immer.“ Ebenso wahr ist, dass die Grundlastleistung allein nicht ausreicht. Sonnenschein und Wind sind aufgrund der schwankenden oder intermittierenden Leistung nicht in der Lage, das Netz allein mit Strom zu versorgen. Grundlastkraftwerke sind nicht in der Lage, das Netz allein mit Strom zu versorgen, da sie zu unflexibel sind, um den ständigen Änderungen der Nachfrage gerecht zu werden.

Für die Steuerung des Netzes ist es unbedingt erforderlich, dass die Stromnachfrage und das Stromangebot möglichst genau übereinstimmen. Im Extremfall, wenn nicht genügend Strom vorhanden ist, um den Bedarf zu decken, oder wenn zu viel Strom für den Bedarf vorhanden ist, können kritische Geräte durchbrennen. Beides lässt sich am besten durch eine vollständige Abschaltung des Netzes vermeiden.

Das alte Paradigma, aufgebaut auf Grundlaststrom

Überlegen Sie, was Grundlastleistung ist. Wikipedia sagt„Die Grundlast (auch Grundlast) ist die Mindestbelastung eines Stromnetzes über einen bestimmten Zeitraum.“ Weiter heißt es: „Kraftwerke, die ihre Leistung nicht schnell ändern, wie zum Beispiel große Kohle- oder Atomkraftwerke, werden im Allgemeinen als Grundlastkraftwerke bezeichnet.“ Zu den Grundlastkraftwerken zählen neben Kohle- und Kernkraftwerken auch einige Arten von Erdgaskraftwerken und Geothermiekraftwerken. Einige Wasserkraftwerke dienen der Bereitstellung von Grundlaststrom.

Natürlich können wir das Netz nicht über einen längeren Zeitraum mit Strom versorgen, indem wir Kraftwerke verwenden, die nur für die Bereitstellung von Strom ausgelegt sind Minimum Nachfrage. Es muss also andere Arten von Anlagen geben, die so gebaut sind, dass sie Zeiten abdecken, in denen der Bedarf das Minimum übersteigt, was fast 100 % der Zeit ist. Zu den Kraftwerken, die zusätzlichen Strom liefern, gehören Lastfolgekraftwerke und Spitzenlastkraftwerke, die in der Vergangenheit häufig mit Diesel betrieben wurden, heutzutage jedoch hauptsächlich mit Gas. Außerdem können manche Wasserkraftwerke ihre Leistung innerhalb weniger Minuten anpassen und folgen so der Last.

Es gibt einen Grund, warum Grundlastkraftwerke bewusst so ausgelegt wurden, dass sie der Last nicht folgen. Ziel war es, den von ihnen erzeugten Strom so günstig wie möglich zu machen. Nehmen wir als Beispiel ein Kohlekraftwerk: Der Kessel ist riesig, und obwohl es Möglichkeiten gibt, die Leistung eines Kessels dieser Größe schnell zu ändern, sind diese sehr teuer, sodass sie in der Planung von Grundlastkraftwerken nicht berücksichtigt werden.

Grundlastanlagen neigen dazu, bestimmte Eigenschaften gemeinsam zu haben. Die meisten befinden sich in der Nähe von Wasser, um sie zu kühlen, da die meisten nur einen Wirkungsgrad von etwa 40 % haben und daher 60 % der von ihnen erzeugten Wärme abgeführt werden müssen. Eine Ausnahme bilden Kombi-Gaskraftwerke, da sie einen Wirkungsgrad von bis zu 60 % haben können und daher etwas einfacher zu kühlen sind. Grundlastanlagen können so gebaut werden, dass sie kein Wasser zur Kühlung benötigen, aber das bedeutet teure Investitionen in Dinge wie Kühltürme, die viele Menschen mit Kernkraft assoziieren. Kühltürme werden auch in Kohle- und Gaskraftwerken gebaut.

Grundlastkraftwerke müssen in der Regel auch über einen einfachen Zugang zu Transportsystemen verfügen, die ihnen die Brennstoffbeschaffung ermöglichen. Aus diesem Grund haben Kohlekraftwerke in der Regel Zugang zu Bahnhöfen oder Kaianlagen. Grundlast-Erdgasanlagen müssen über Gasleitungen verfügen.

Da Grundlastanlagen nur eine festgelegte Strommenge zur Deckung der Mindestlast bereitstellen, sind Lastfolgekraftwerke und Spitzenlastkraftwerke erforderlich, die sich an die Nachfrage anpassen und über die Mindestlast hinausgehende Lasten abdecken, allerdings sehr teuren Strom produzieren. Sie steigen auch nicht so schnell an oder ab. Das bedeutet, dass der Netzbetreiber bestimmte Mittel einsetzen muss, um das Stromangebot schnell an die Nachfrage anzupassen. Dies kann durch den Rückgriff auf Mechanismen wie die Änderung der Geschwindigkeit, mit der Wechselstrom betrieben wird, erreicht werden. Dies muss innerhalb eines engen zulässigen Bereichs erfolgen.

Wir sollten beobachten, dass Spitzenlast- und Lastfolgekraftwerke nicht mehr häufig gebaut werden, da der Strom aus Batterien viel weniger kostet und die Möglichkeit bietet, die Leistung nahezu augenblicklich zu ändern. Die Kosten für Batteriespeicher sind nahezu kontinuierlich gesunken. Kohle- und Gaskraftwerke brauchen Backup, aber das beste Backup ist derzeit vielleicht das günstigste: Batterien.

Ein anderes Paradigma, basierend auf erneuerbarer Energie

Die Dinge haben sich seit hundert Jahren verändert. In gewisser Weise geschah der größte Teil dieser Veränderung in den letzten zwanzig Jahren. Die Kosten für Windkraft, Solarstrom und Batterien sinken seit langem im zweistelligen Prozentbereich. Wir sollten darüber nachdenken, wie diese zusammenarbeiten.

Die Sonne scheint in der Regel zu den Zeiten, in denen der Wind am wenigsten weht, und der Wind bläst in der Regel am stärksten zu den Zeiten, in denen die Sonne nicht so hell scheint. Der Wind ist nachts und im Winter am stärksten. Das bedeutet, dass eine Kombination aus Sonne und Wind einer kontinuierlichen Stromversorgung am nächsten kommt. Eine kontinuierliche Nutzung gelingt jedoch am besten mit etwas Backup, beispielsweise einer Batterie.

Ein Vorteil dezentraler Energiesysteme auf Basis erneuerbarer Energien ist, dass sie skalierbar sind. Stromnetze können von wenigen solarbetriebenen Stromkreisen in einem Haus bis hin zu großen Systemen reichen, die große geografische Gebiete mit Strom versorgen. Darüber hinaus können die großen Bereiche eines Netzes Mininetze umfassen, und diese können aus kleineren Netzen, sogenannten Mikronetzen, bestehen, die möglicherweise aus noch kleineren Einheiten bestehen, die auf Haushaltsebene betrieben werden. Und diese können im Falle eines Ausfalls des größeren Netzes alle autark gemacht werden.

Solar- und Windkraftanlagen können einfacher platziert werden als Grundlastanlagen. Sie benötigen keinen Treibstoff und haben daher keinen ständigen Bedarf an Sondertransporten. Da sie nicht durch Verbrennung betrieben werden, besteht kein großer Kühlbedarf. Sie können dorthin gehen, wo sie gebraucht werden. Ob sie es tun oder nicht, ist eine andere Frage.

Da die Kosten für die Erzeugungs- und Speicherkomponenten des gesamten verteilten Systems gesunken sind, sind auch die Stromkosten gesunken. NextEra Energy’s Investorenpräsentation im Juni 2022 hatte ziemlich bemerkenswertes Material darin. Zum einen sprach es von der Idee einer „nahezu festen“ Solar- und Windenergie. Der Begriff bedeutet, dass die Ressourcen sehr zuverlässig sind, um zu Spitzenlastzeiten regelbare Energie zu erzeugen. In dem Bericht sagte NextEra Energy, dass es in den nächsten zehn Jahren nicht in Wärmekraftwerke investieren werde, egal ob Verbrennungs- oder Kernkraftwerke, sondern sich stattdessen ausschließlich auf Solar-, Wind- und Energiespeicherung konzentrieren werde. Die Grafik auf Seite 122 des Berichts zeigt, warum NextEra Energy zu diesen Schlussfolgerungen kam. Sie gehen davon aus, dass neue nahezu stabile Wind- und nahezu stabile Solarenergie alles andere, ob neu oder bereits vorhanden, übertreffen werden.

Wir sollten beachten, dass Solar- und Windenergie, wenn sie ausreichend mit Batterien unterstützt werden, nicht nur eine ebenso gute Leistung erbringen können wie Grundlastkraftwerke, sondern wenn sie durch Verbrennungsanlagen unterstützt werden, könnten sie dies auch auf eine Weise tun, die möglicherweise einen Netzausfall verhindern würde Es kommt zu großflächigen Stromausfällen, wie wir sie in der Vergangenheit erlebt haben. Darüber hinaus könnten sie dies zu geringeren Kosten und ohne die massive Umweltverschmutzung tun, die Wärmekraftwerke verursachen. Viele Menschen haben diese Dinge vorhergesehen. Aber ein Argument, das ich vorbringen muss, ist, dass diese Arbeit ohne neue Übertragungsleitungen erledigt werden könnte.

Eine Möglichkeit, Übertragungsleitungen zu vermeiden, besteht darin, geografische Gebiete zu identifizieren, die auf autarken Mini- oder Mikronetzen betrieben werden können, und diese Systeme zu entwickeln. Dadurch können Stromerzeugungsanlagen nahe genug an den Ort gebracht werden, an dem ihr Strom benötigt wird, sodass Übertragungsleitungen kein Problem darstellen. Aber jedes Mal, wenn diese Art von Arbeit durchgeführt wird, wird dadurch auch die Belastung der vorhandenen Übertragungsstrukturen verringert.

Der Übergang vom alten Paradigma zu einem solchen neuen, wie ich es beschrieben habe, erfordert etwas, das es noch nicht gibt, nämlich den Bau neuer Batterien. Für diejenigen, die es nicht wissen: Eines davon ist das Eisen-Luft-Batteriesystem von Form Energy, das in zahlreichen Artikeln unter vorgestellt wurde CleanTechnicaeinschließlich Beispiele von Steve Hanley und von Tina Casey.

Meine eigene Schlussfolgerung ist, dass uns ein Mangel an Übertragungsleitungen wirklich nicht aufhalten sollte. Meiner Meinung nach hält uns dieses Defizit nur deshalb aufrecht, weil wir glauben, dass es so ist. Vielleicht sagt uns das, was wir tun müssen: Hören Sie einfach auf zu denken, als wären wir noch in der Vergangenheit, in einem alten Paradigma.