Grid Storage Gewinner Teil 2: Wie Viel Von Welchem Speicher Bis Wann?

2023 Autor: Isabella Ferguson | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2023-11-26 12:43

Im Gitterspeicher laufen mehrere Rennen. Der große ist derzeit die Sicherung einer Startfinanzierung für potenzielle Batterietechnologien. In oft schwache Hoffnungen werden Milliarden investiert. Innerhalb von Technologiegruppierungen wie Redox-Flow konkurrieren eine Vielzahl von Chemien darum, welche am praktikabelsten sind.

Doch in den kommenden Jahrzehnten wird das Rennen ein reines Einsatz-Rennen sein. Dieser Artikel ist eine Projektion mit großen Fehlerbalken meiner Erwartung, wie sich dieses Rennen bis 2060 entwickeln wird.

Falls Sie den ersten Teil dieser Serie noch nicht gelesen haben, werden hier die Attribute dargelegt, die zur groben und qualitativen Bewertung der Hauptkonkurrenten von Netzspeichern verwendet werden. Der Speicherbedarf ist vielfältig und komplex, und keine einzelne Technologie wird dominieren. Als Ergebnis wurden drei primäre Technologiegruppen für unterschiedliche Aspekte des Speicherbedarfs ausgewählt: Pumpspeicher mit geschlossenem Kreislauf, Lithium-Ionen-Batterien und das dunkle Pferd, Redox-Flow-Batterien.

Letzteres hat die Kommentatoren im normalerweise guten Kommentarbereich von CleanTechnica und auf LinkedIn wahrscheinlich am meisten herausgefordert, wo Experten für globale Speicher und Netztransformation zu Wort kamen. geschmolzenes Salz und andere Technologien, die in die Kategorie "auch ausgeführt" fallen, wurden beanstandet und manchmal beleidigt.

Die nächste offensichtliche Frage ist jedoch, wie viel von welchem Speicher wahrscheinlich bereitgestellt wird und wo also das gesamte Geld für die Speicherung fließen wird. Dies wird in den kommenden 40 Jahren oder so ein großes Geschäft sein, bis wir eine Dekarbonisierung des Netzes zu 99 % erreicht haben.

Wie groß wird es sein?

Das ist eine Millionen-Dollar-Frage. Eigentlich ist das eine Multi-Milliarden-Dollar-Frage. Ich entschied mich, dies zu beantworten, indem ich auf den neuesten Bericht von Mark Z. Jacobson und seinem Team zur Erreichung von 100 % erneuerbaren Energien bis 2050 zurückkehrte. Ich wusste, dass die Modellierung von Jacobson und Co. 143 Länder abdeckt, die in 24 Netzregionen unterteilt sind, und die Erhöhung der Übertragung angeht, die erforderlich ist, um erneuerbare Energien zu bewegen Strom herum, und befasste sich auch mit der Speicherung. Obwohl die Studie ihre Kritiker hat, habe ich genug Aspekte der Mathematik dupliziert, die Kritikpunkte überprüft und meine kleineren Bedenken so oft mit Jacobson besprochen, dass ich überzeugt bin, dass sie robust ist.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Mark Z. Jacobson und Stanford

Als ich mit Jacobson über seine Technologieentscheidungen sprach, machte er deutlich, dass sie eine sehr konservative Auswahl getroffen hatten, basierend auf dem, was derzeit verfügbar war, was bereits eingesetzt wurde und den aktuellen Preisen. Meine Projektionen sind ziemlich unterschiedlich, kommen aber auch mit klaren Vorbehalten.

Tabelle 3 der Studie enthält die Aufschlüsselung des Teams zum erforderlichen Speicher.

Bild mit freundlicher Genehmigung von Mark Z. Jacobson und Stanford

Wie ich immer wieder behauptet habe, ist der erforderliche Speicherplatz viel geringer, als die meisten Leute erwarten. Und wie klar ist, unterscheiden sich meine Erwartungen an die Bereitstellung dieses Speichers wesentlich von denen des Stanford-Teams. Solarthermie, als ein Beispiel, fällt in meine Einschätzung, ist aber eine tragende Säule des Systems von Jacobson et al. Projektion. Das soll nicht heißen, dass wir anderer Meinung sind, sondern dass sie eine bestimmte Reihe konservativer Entscheidungen getroffen haben, keine Vorhersage, was die Speicherung dominieren wird. Ich bin in diesem Artikel mehr im Vorhersagegeschäft, werde aber auch klar sagen, dass dies eine Projektion eines Szenarios ist, das ich für wahrscheinlich halte, und keine in Stein gemeißelte Tony Seba-artige Aussage magischer Gewissheit.

Als Randbemerkung habe ich einen anderen Ort gefunden, an dem meine Entscheidungen anders sind als bei Jacobson und seinem Team, nämlich dass ich denke, dass die Konzentration von Solarstrom und Wärmespeicherung meistens eine Sackgasse ist. Es wird durch die direkte Stromerzeugung mit Photovoltaik überholt, die viel billiger, einfacher zu implementieren, trivial zu kalibrieren und kostengünstig zu betreiben ist. Der andere Ort ist die Solaranlage auf dem Dach, auf die sich Jacobson und sein Team für etwa 15 % der zukünftigen Stromerzeugung verlassen, die jedoch eher im Bereich von 5 % liegen. Jacobson und ich diskutierten dies in einem CleanTech Talk, kurz bevor COVID-19 die Welt veränderte.

So wie ich diese Tabelle lese, werden 3,7 TW Speicher im Netz benötigt. Es ist möglich, dass ich das falsch lese und begrüße Einsichten und Klarstellungen. Beachten Sie, dass dies nicht TWh ist, sondern die lieferbare Kapazität, die Leistung. Die tatsächliche Energiespeicherung ist ein Multiplikator davon, der in Jacobsons Studie nicht mitgezählt wird. Dies ist ein wesentlicher Punkt. Derzeit verfügen wir pro Quelle über 9.000 GWh (Energie) Pumpspeicherkraftwerke, aber nur 160 GW Kapazität (Strom). Unter der Annahme, dass das Verhältnis stimmt, bedeutet dies, dass wir weltweit etwa 210 TWh Speicher benötigen werden.

Es ist auch erwähnenswert, dass die Netzspeicherung ein Endspiel für die Dekarbonisierung des Netzbedarfs ist, keine Voraussetzung. Jede GWh gelieferten Stroms aus erneuerbaren Energien belastet bereits heute die Kapazitätsfaktoren Kohle und Erdgas. Erdgas war vor der Fracking-Revolution eine Spitzen- und Reservestromquelle; es wird zu dieser Rolle zurückkehren und schließlich vollständig durch Speicher ersetzt werden. Aber der Großteil der Netzspeicherkapazität wird nach 2040 gebaut. Job eins baut so schnell wie möglich so viel Wind und Sonne wie möglich, da dadurch am schnellsten das meiste Kohle und Gas verdrängt wird.

Die Netzspeicherung wird auf verschiedene Weise gemessen, wie die Leute schnell betonten. Ich habe mich für eine Kennzahl, Kosten pro MWh, in meinen Auswahlkriterien entschieden. Dafür werde ich jedoch auf Basis von GW Kapazität/Leistung projektieren.

Zur Erinnerung: Lithium-Ionen-Leistung und Energie sind ziemlich eng gekoppelt. Das macht es für Autos und die Verschiebung der Nachmittagssonne um vier Stunden in die Zukunft sowie für bestimmte Arten von Netzzusatzdiensten geeignet, aber es bedeutet, dass es kein großer Teil der Netzspeicherwelt sein wird.

Und es lohnt sich wahrscheinlich, kurz auf die Erwartungen von Vehicle-to-Grid (V2G) zurückzukommen. V2G-Befürworter waren eine weitere Gruppe, die sich gegen die von mir ausgewählten Gewinner wandte. Allerdings hatte ich in einem früheren Beitrag die verschiedenen Wertversprechen von Fahrzeugbatterien für das Netzmanagement projiziert.

Diagramm nach Autor

Das Netz ist, dass aufgrund einer Vielzahl von Hindernissen für die Nutzung von V2G, einschließlich des relativ langsamen Wachstums von Elektrofahrzeugen, der langen Lebensdauer von Nicht-Elektrofahrzeugen, fehlender aktueller Standards, fehlender Verpflichtung der Automobilhersteller, erheblicher globaler Variabilität, Netzregulierung Strukturen, die Herausforderungen der Netzmanagement-Legacy-Technologie, die Notwendigkeit einer zwischengeschalteten Aggregation, eine ausgeprägte Herausforderung bei der Reduzierung von Strom und Reichweite aus den Fahrzeugen, damit dies funktioniert, die 90% der Asiaten, die in Mehrfamilienhäusern leben, und schließlich die Stromversorgung Energiebeschränkungen halte ich V2G für einen relativ kleinen Akteur bei der Bereitstellung von Backups, aber einen wichtigen Akteur bei der Bereitstellung von Demand-Management-Abdeckung zur Reduzierung der Spitzennachfrage. Nichtsdestotrotz wird es ein Teil der Mischung sein, aber den Bedarf einfach etwas reduzieren.

Wie viel von welcher Generation bis wann?

Wie ich im ersten Beitrag betont habe, ist Pumpspeicherkraftwerk (PSH) noch lange nicht am Start, während andere Netzspeichertechnologien gerade erst am Ziel sind. Es sind bereits 160 GW PSH am Netz und weitere 60 GW im Bau, die ich identifizieren konnte, davon allein 50 GW in China. Lithium-Ionen-Batteriespeicher, insbesondere von Tesla, sorgen für die meisten Schlagzeilen, rangieren aber kaum. Meine dritte Wahl, Redox-Flow-Batterien, liegt derzeit weit hinter Lithium-Ionen zurück, aber wie bereits in meiner ersten Einschätzung festgestellt, erwarte ich, dass sie aufgrund der Entkopplung von Leistung und Energie mehr als aufholen und nur noch nach PSH on an zweiter Stelle stehen werden das Gitter.

Diagramm nach Autor

Ich ergänze einen Vorbehalt. Dies ist eine Projektion von 40 Jahren in die Zukunft. Es ist eine Expertenmeinung, keine Metaanalyse aller Studien einer großen Universität. Es steht am unteren Ende der Evidenzpyramide und sollte als informativ und nicht als prädiktiv behandelt werden. Dazu gibt es große Fehlerbalken. Ich denke, es ist richtiger als nicht, aber ich bin mit Kahneman und Tetlock meiner Meinung nach undifferenzierte Schlagzeilenjäger, die kühne und distanzierte Vorhersagen treffen, ohne sich die Mühe zu machen, spezifisch zu sein oder die Genauigkeit zu überprüfen.

Aufmerksame Leser werden gleich zwei Dinge bemerken. Meine Prognose ist 2060, nicht 2050, und die Gesamtkapazität beträgt nicht 3.700 GW. Der Grund dafür ist, dass ich zwar weiß, dass Jacobsons Ziel für 2050 durchaus erreichbar ist, es aber meiner Meinung nach unwahrscheinlich ist, sodass mein Zeitrahmen für eine vollständige Dekarbonisierung länger ist. Ich denke, wir werden bis 2080 oder 2090 immer noch etwas Gas verbrennen und Speicher- und Erzeugungskapazitäten aufbauen. Dies ist eine offensichtliche und umstrittene Zeit- und Kapazitätsherausforderung, aber ich bin sicher, dass sie realistisch genug ist, während ich mich wie immer mit den Auswirkungen für Erderwärmung. Während RCP8.5 immer unwahrscheinlicher geworden ist, sind wir mit seiner Erwärmung von 2 bis 3,7 Grad und einem durchschnittlichen Anstieg des Meeresspiegels von 60 cm bis 2100 noch nicht einmal nahe daran, RCP6.0 zu verlassen. Meine Prognosen basieren auf diesem pragmatischen, wenn unglücklich, Zone der Realität.

Ich denke, die Pumpspeicherung wird sich bis 2030 mit allen Projekten, die heute in Bau und Entwicklung sind, fast verdoppeln. Ich denke, Lithium-Ionen werden aufgrund der relativen Reife der Technologien bis 2030 immer noch die Nase vorn beim Redox-Flow haben, aber der Redox-Flow-Einsatz wird bis dahin immer noch im Bereich von 3 GW liegen. Danach wird der Redox-Flow aufholen und Lithium-Ionen deutlich übertreffen, wenn der skalierte Speicherbedarf steigt.

Es ist auch erwähnenswert, dass die Kategorie "Also-ran" immer noch nahe 100 GW an Leistung und wahrscheinlich 6 TWh an Energiespeichern liegt. Dies ist eine nicht triviale Nische, und obwohl ich denke, dass die drei Technologien, die ich ausgewählt habe, die Gewinner sein werden, gibt es eine Menge Geld, das in der Kategorie „auch ausgeführt“sinnvoll ausgegeben wird. Wenn Sie ein großer Fan von Deutschlands Plänen für Wasserstoff-Salzkavernen oder Flüssigluft- oder Druckluftspeicher sind, können Sie sich darauf verlassen, dass diese Randgehäuse in einer dicken Ecke liegen.

Noch etwas erwähnenswert. Es gibt weit mehr als genug Süßwasser für gepumpte Wasserkraft. Ich höre dies regelmäßig als Argument dagegen, also lass es uns beruhigen. Die vorgeschlagene Kapazität von etwa 2 TW entspricht etwa 120 TWh Kapazität. Bei Pumpspeichern mit geschlossenem Kreislauf wird bei einer Fallhöhe von 500 Metern ein Gigaliter Wasser benötigt, um eine GWh-Speicherung bereitzustellen. Das entspricht 120.000 Gigaliter, die für gepumpte Wasserkraft benötigt werden.

Ein Gigaliter klingt viel, ist aber 1/1200stel des täglich in den USA verbrauchten Wassers. 120.000 Gigaliter klingen viel, aber es gibt 10,5 Millionen Mal mehr Süßwasser auf der Erde. Pumpspeicherkraftwerke verbrauchen das Wasser nicht täglich, es sitzt einfach da und wird in das Oberbecken gepumpt und läuft dann in das Unterbecken hinunter. Der Einsatz von Pumpspeicherkraftwerken ist unbedenklich. Die zweite Sorge betrifft Flachland, das sowohl durch Transmission als auch durch Redox-Flow-Speicherung adressiert wird, einer der Bereiche, in denen sie einen Vorteil hat. Mit anderen Worten, wie die meisten Bedenken, die die Leute in Bezug auf gepumpte Wasserkraft haben, ist dies unbegründet.

Schließlich gibt es noch das Landnutzungsargument, das die Leute vorbringen und behaupten, dass es keinen Platz gibt. Wie die Australian National University herausgefunden hat, besteht der weltweite Bedarf an Standorten mit mehr als 400 Metern Fallhöhe, in der Nähe von Übertragungswegen, abseits von Wasserstraßen und außerhalb geschützter Gebiete. Eine GWh-Speicherung auf 500 Meter Fallhöhe erfordert 2 Quadratkilometer Reservoir zwischen oberem und unterem, während ein einzelner 800-MW-Damm, Standort C in BC, 93 Quadratkilometer Reservoir benötigt. Der Umfang der Landnutzung ist sehr gering, und die Umwelt- und Einsatzbedenken bleiben gering. Für die 120 TWh würden etwa 0,24 Millionen Quadratkilometer Speicher auf der ganzen Welt verteilt benötigt, und die Landmasse der Erde beträgt 149 Millionen Quadratkilometer.

Teil 3 dieser Bewertung wird die Redox-Flow-Chemie und ihre Auswirkungen aufschlüsseln. Es gibt viele Technologien, und ich werde sie bewerten. Und vollständige Offenlegung: So wie ich geschäftliche Gespräche mit Entwicklern von Pumpspeicherkraftwerken und Geschäftsleuten für Lithium-Ionen-Batterien geführt habe, bin ich in einer leitenden Position bei einem Redox-Flow-Unternehmen tätig. Ich habe Haut in diesem Spiel. Mehr dazu in Teil 3.