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Ökologisierung Des Netzes: Angemessenheit Der Ressourcen, Intermittenz Und CO2-Preisgestaltung
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Anonim

Bitte bei mir tragen. Ich weiß, dass dieser Titel jeden außer den übelsten Energie-Nerds abschreckt, aber dies ist ein wirklich wichtiges Thema, wenn wir den Klimawandel lösen wollen. Wie in meinen ersten beiden Artikeln (hier und hier) erwähnt, müssen wir das Raster grün machen.

Um das Stromnetz grüner zu machen, müssen wir eine Strategie verfolgen, unseren Energiebedarf mit kostengünstigen erneuerbaren Wind- und Solarressourcen zu decken. Die offensichtliche Frage ist, wie man das Problem der Unterbrechungen lösen 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, jetzt die kostengünstigsten Energiequellen, unterliegen einer „Intermittivität“, auch bekannt als „Was tun, wenn der Wind nicht weht oder die Sonne nicht scheint“.

Die Intermittivität 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: die Angemessenheit der Ressourcen

Das eigentliche Problem ist die Angemessenheit der Ressourcen. Reichen die Ressourcen, die ich in diesem Moment einsetzen kann, um den Strombedarf zu decken? Unterbrechungen KÖNNEN ein Problem sein, wenn andere Ressourcen nicht verfügbar sind, um bei Bedarf einzugreifen. Die Variation der Solar- oder Windleistung ist nur eine Teilmenge des Problems der Ressourcenangemessenheit, die Faktoren wie:

Variabilität der Stromnachfrage

  • Nichtverfügbarkeit von Ressourcen durch mechanischen Ausfall
  • Unfähigkeit der Ressourcen, schnell genug (oder überhaupt) auf Nachfrageänderungen zu reagieren
  • Versorgungsschwankungen aufgrund der Verfügbarkeit von Sonne oder Wind oder Wasserfluss (intermittierend)

Erneuerbare Energien fügen der Frage der Angemessenheit der Ressourcen neue Facetten hinzu, helfen in gewisser Weise und machen sie in anderen schwieriger. Die Strommenge, die Sie daraus beziehen können, wird nicht vollständig von den Stromnetzbetreibern kontrolliert, sondern unterliegt Schwankungen in Tages-, Jahreszeit und Wetter. Die Leistung der erneuerbaren Energien wird von den Netzbetreibern nur insoweit gesteuert, als ihre Leistung reduziert werden kann.

Erneuerbare Energien helfen jedoch, da sie in kleinen Schritten (1 oder 2 Megawatt (MW) gegenüber 500 oder 1000 MW bei einer fossil befeuerten Anlage) erhältlich sind. Alle mechanischen Zuverlässigkeitsprobleme, die Wind- und Solaranlagen haben könnten, erfordern nicht die gleiche hohe Reservekapazität, die zu einem Zeitpunkt verfügbar ist, die große fossile oder nukleare Kraftwerke benötigen. Es ist möglich, dass ein von erneuerbaren Energien dominiertes Netz bei Spitzenbedarf mit geringeren Reserven auskommt als das aktuelle Netz.

Schließlich bietet der Stand der aufkommenden Batterietechnologien billigere, dichtere, leichtere und leistungsfähigere Speicherressourcen. Durch unterschiedliche chemische und stoffliche Eigenschaften können wir Energie aus erneuerbaren Ressourcen speichern und bei Bedarf für die Netzsicherheit entladen.

Ein persönlicher Exkurs

Die Kombination meines Studiums der Wirtschaftswissenschaften und des Sprechens von „Southern“hat mir zu meinem ersten Job als Energieberater verholfen. Mein neuer Arbeitgeber hatte zugestimmt, ein Computermodell zu bauen, um den Strombedarf für die „Southern Company“zu prognostizieren, die damals und noch heute einer der größten Energieversorger in den USA war. Ein Teil davon war der Aufbau eines „Lastform-Prognosemodells“. Ich hatte keine Ahnung, was das war, aber der Kunde zahlte gutes Geld, also musste ich es lernen!

Es stellte sich heraus, dass die Lastform nur der stündliche Strombedarf im Tages-, Wochen-, Monats- und Jahresverlauf ist. Dies ist bei der Versorgungsplanung von entscheidender Bedeutung, da Sie diesen Bedarf jede Minute des Tages mit Stromressourcen decken müssen. Sie können sich vorstellen, wie überwältigt dieser frischgebackene MBA war, als er erfuhr, dass wir 8760 Datenpunkte pro Jahr prognostizieren wollten! Seit 30 Jahren! Wir haben nie eine genaue Lastformvorhersage erstellt, aber wir haben dabei einige nützliche Erkenntnisse gewonnen.

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

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In meinem nächsten Job wechselte ich von der Strombedarfsprognose zur Planung des Stromversorgungssystems. Meine Kollegen haben sich auf die Modellierung zur Simulation des Stromnetzes spezialisiert. Ihre geheime Zutat war ein Durchbruch bei der Modellierung der Nichtverfügbarkeit von Ressourcen aufgrund eines mechanischen Zusammenbruchs. Ich war ein einsamer Ökonom, umgeben von Ingenieuren! Aber ich habe viel mehr über Intermittivität gelernt und eine Software für die Langstreckenplanung entwickelt, die auch heute noch von Energieversorgern eingesetzt wird. Mit diesem Problem der Ressourcenadäquanz beschäftigen sich Netzbetreiber seit langem.

Solar & Wind stellen die Versorgungsplanung auf den Kopf

Denken Sie nicht nur, dass Solar und Wind billiger sind als Gas oder Kohle, dass sie sofort übernehmen werden. Sie brauchen ein wenig Hilfe. Das Problem besteht darin, dass die stündliche Leistung nicht unter der Kontrolle der Netzbetreiber steht und oft nicht mit dem stündlichen Strombedarf übereinstimmt.

Machen wir ein Gedankenexperiment am Beispiel der 7,5 Kilowatt (KW) Solaranlage in meinem Haus in Asheville. Die stündliche Leistung an den Tagen Februar und Juli liegt darunter (beachten Sie, dass meine Module nach Westen ausgerichtet sind, sodass ihre Leistung später am Tag als bei nach Süden ausgerichteten Modulen erreicht wird und im Winter besonders nachteilig ist).

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Hier also ein Gedankenexperiment. Lassen Sie uns meine Sonnenkollektoren hochskalieren, um zu versuchen, den gesamten regionalen Strombedarf für den Tag (aber nicht stündlich) für diese spezifischen Januar- und Julitage zu decken. Hier ist das Profil für diesen Tag im Februar:

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Beeindruckend. Dafür wird eine riesige Menge an Solarenergie benötigt. Ich weiß, dass das stimmt, weil ich bei mir zu Hause im Sommer Überschüsse betreibe und dann im Winter zu wenig Solarleistung habe. Ich benutze Duke Energy als meine riesige Batterie! Aber wie zu erwarten, würden wir, wenn wir das etablierte Versorgungsunternehmen aus dem Bild nehmen würden, tagsüber eine riesige Batterieladung benötigen, die die Last nachts bewältigen könnte. (Dies wird noch verschlimmert, wenn man annimmt, dass der Roundtrip-Wirkungsgrad des Ladens und Entladens einer Großbatterie 85% beträgt.) Um den Energiebedarf für diesen Tag zu decken, wären 8 Gigawatt (GW) Solarenergie oder etwa 20 KW pro Person in der Region erforderlich. Bei sagen wir 1 US-Dollar pro Watt, einem guten Preis heutzutage, würde es coole 8 Milliarden US-Dollar kosten. Und obendrein bräuchten wir Speicher für 8,5 Gigawattstunden (GWH) Strom, um den Bedarf nachts zu decken, was bei Kosten von 100 US-Dollar pro Kilowattstunde (kwh) (der heilige Gral-Batteriepreis für die EV-Dominanz) wäre weitere 850 Millionen Dollar gekostet.

Aber schauen Sie sich die Grafik unten an, die diesen Juli-Tag 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 Sonnenstunden im Sommer benötigen wir 6,7 GWh Speicher gegenüber 8,4 GWh am Wintertag.

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Ich biete diese Illustration, weil in einem vollständig erneuerbaren Stromsystem dies die Art von Diskrepanz ist, mit der sich Versorgungsplaner auseinandersetzen müssen. Glücklicherweise werden viele Faktoren zusammenwirken, um 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 bläst nicht immer“!

Hinzufügen von Angebotsvielfalt zum Mix

Es gibt zahlreiche Lösungen für das Problem der Ressourcenangemessenheit, und viele davon sind wahrscheinlich wirtschaftlicher als das bloße Hinzufügen von Batterien. Am offensichtlichsten ist es, die Angebotsvielfalt zu erhöhen! Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu tun – Hinzufügen von Windkraft (offshore und landbasiert), Erhöhung der Übertragungsverbindungen, Hinzufügen von Sonnenstrahlen in verschiedene Richtungen usw. Erweitern wir das Gedankenexperiment mit Windkraft. In diesem Fall fügen wir am Julitag Wind zu gleichen Anteilen zur Sonne hinzu. Wie viel Speicherplatz benötigen wir in diesem Fall?

Für dieses Gedankenexperiment habe ich das Stundenprofil der Windkraft in Texas an ähnlichen Tagen verwendet. (Ich weiß, Texas Wind kann man im Moment nicht nach WNC bringen, aber vielleicht in Zukunft.) Ich gehe davon aus, dass die Hälfte des täglichen Energiebedarfs mit Wind und die andere Hälfte aus Solarenergie gedeckt wird. Gute Nachrichten! Der Wind weht nachts UND er weht im Winter mehr als im Sommer. Vereinfacht ging ich davon aus, dass Wind und Sonne jeweils die Hälfte der Tagesenergie für den Julitag decken würden. Dann würde ich angesichts der Menge an Wind und Sonne sehen, ob ich genug hatte, um den Tag im Februar zu erfüllen.

Hier ist der Juli-Tag:

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Bei der gleichen Energiemenge aus Wind und Sonne am Julitag wird viel weniger Speicher benötigt, um die Last zu decken als nur bei Solar. Die Probleme der Ressourcenknappheit und der Intermittivität wurden reduziert. Vielfalt hilft! Last und erneuerbare Energien sind in den frühen Morgenstunden gut aufeinander abgestimmt, während Batterien bis zum Mittag benötigt werden, um Strom zu liefern. Von Mittag bis ca. 21:00 Uhr lädt die Solarenergie die Batterien auf, und während der TV-Hauptzeit wird wieder Batteriestrom benötigt.

Wenn die gleichen MW Wind- und Solarenergie auf den Februartag angewendet werden, stellen wir fest, dass an diesem Tag sehr wenig Solarenergie benötigt wird (Gott sei Dank), da an diesem Tag viel mehr Windleistung vorhanden ist und tatsächlich das gesamte System überschüssig ist der Punkt, an dem die zur Speicherung verfügbare Energiemenge den Energiebedarf für diesen Tag übersteigt:

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Die Batterieentladung ist morgens und ein kleines bisschen am frühen Abend erforderlich, aber ansonsten produziert das System mehr Energie als benötigt wird. Abhängig von der Batteriekapazität kann das System ein „Abkürzungsereignis“haben (so viel Sonne und Wind, dass die Batterien nicht alles halten können).

Fazit: Ich habe dem Mix nur eine mögliche Lösung hinzugefügt und hatte eine dramatische Reduzierung des benötigten Batteriespeichers. Wenn dies eine echte Versorgungsplanung wäre, hätte ich viel leistungsfähigere Analysewerkzeuge zur Verfügung und könnte auf viele andere Optionen zurückgreifen, um die Angemessenheit der Ressourcen sicherzustellen. Meine Schlussfolgerung 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 gibt möglicherweise Optionen für gezielte staatliche Investitionen. Insgesamt liegt die Lösung dieses Problems in der Erfahrung von Versorgungsplanern, aber es erfordert eine neue Denkweise, die von der Idee ausgeht, den Energiebedarf zu decken und dann über eine Reihe von Werkzeugen wie Energiespeicherung zu verfügen, um eine genaue Abstimmung von Angebot und Nachfrage zu ermöglichen.

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

CO2-Preise können in diesem Teil der Energiewende eine große Rolle spielen

Ich bin ein großer Fan von CO2-Preisen, weil damit allen Wirtschaftsakteuren signalisiert wird, dass sie eine Rolle bei der Energiewende spielen. Und das Signal ist, dass Sie entsprechend Ihrem Beitrag zur Reduzierung Ihres CO2-Fußabdrucks bezahlt werden. Stromunternehmen haben heute einen enormen CO2-Fußabdruck (27% der gesamten CO2-Emissionen) und werden einen großen Anreiz haben, die Emissionen zu reduzieren.

Mein liebster Vorschlag für eine CO2-Gebühr ist der Vorschlag für CO2-Gebühren und Dividenden, der als Gesetzentwurf im Kongress namens Energy Innovation and Dividend Act (EICDA) eingereicht wurde. Dieser Gesetzentwurf fordert eine steigende zielbasierte Gebühr für CO2, 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 Angemessenheit der Ressourcen in dem Maße erhöhen, in dem sie den CO2-Fußabdruck des Netzes verringern. Eine einfache Möglichkeit, dies zu betrachten, basiert auf der Wirtschaftlichkeit der Einführung von Batteriespeichern, um die Substitution fossiler Energie durch erneuerbare Energien zu ermöglichen. Derzeit können die meisten Versorgungsunternehmen einfach erneuerbare Energien hinzufügen, den Verbrauch fossiler Brennstoffe reduzieren und die Vorteile nutzen. Der Batteriespeicher kommt zum Tragen, wenn zu viel CO2-freie Energie für das Netz vorhanden ist, um diese Energie zu verarbeiten, 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 zu einem Zeitpunkt den Verbrauch fossiler Brennstoffe erhöht und zu einem anderen, kohlenstoffintensiveren Zeitpunkt verringert.

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

Betrachten wir für ein neues Gedankenexperiment die Wirtschaftlichkeit von Batterien im Vergleich zur Erdgas-Peaking-Anlage, 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 einer Round-Trip-Effizienz von 85 % durchläuft. Die Kosten für Batteriespeicher werden gemäß „Cost Projections for Utility-Scale Battery Storage“, einer Studie des National Renewable Energy Laboratory (NREL) vom Juni 2019, voraussichtlich sinken. Wir verwenden das Mid-Case-Szenario (von 287 USD pro kWh heute auf 76 USD bis 2050). Die CO2-Gebühren steigen in Übereinstimmung mit den niedrigen CO2-Gebührenerhöhungen im Rahmen der EICDA. Sowohl die CO2-Gebühren als auch die Gaskosten stimmen mit meiner früheren Analyse in dieser Serie überein.

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Die Wirtschaftlichkeit bewegt sich mit dem prognostizierten Rückgang der Lagerkosten positiv (grüne Balken), und sie wird mit einer Gebühr für Kohlenstoff extrem hoch. Und auch wenn die Wirtschaftlichkeit allein aufgrund der Gaskosten heute nicht positiv ist, werden Speicher aufgrund der anderen Vorteile der Speicherung über den einfachen Kosten-pro-MWH-Vergleich hinaus trotzdem ins Netz aufgenommen – insbesondere die geringe Größe und die schnelle Bauzeit des Speichers gegenüber dem eine viel größere Größe einer Peaking-Anlage, was bedeutet, dass ein Versorgungsunternehmen Speicher bereitstellen und ihn gleichmäßiger an den sich entwickelnden Bedarf anpassen kann.

Aber was ist mit einer bestehenden Verbrennungsturbinenanlage (Peaker)? Für Anlagen, die bereits in Betrieb sind, lohnt es sich nicht, eine Batterie zu verwenden, um ihren Verbrauch auszugleichen, es sei denn, der Kohlenstoffpreis ist festgelegt, selbst bei den bis 2050 erwarteten supergünstigen Batterien. Die folgende Grafik zeigt die Situation:

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Fazit

Netzunterbrechungen durch billige erneuerbare Energien stellen Netzbetreiber und Planer vor neue Probleme, da wir immer mehr erneuerbare Energie in das Netz einspeisen. Glücklicherweise stehen ihnen viele Werkzeuge zur Verfügung, darunter vor allem (1) die Suche nach einer Vielfalt von kohlenstofffreien Versorgungsressourcen und (2) Speicherbatterien, deren Kosten sinken. Die Einbeziehung eines CO2-Preises in Netzplanungs- und Betriebsentscheidungen wird ein wirksamer Mechanismus sein, der dazu führen wird, dass Lösungen immer wirtschaftlicher werden.

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