Der 2,5-Billionen-Dollar-Grund, warum wir uns nicht auf Batterien verlassen können, um das Stromnetz zu bereinigen

Bild des Moss Landing Power Plant Hugo | flickr

Zwei 500-Fuß-Schornsteine ​​ragen aus einem Erdgaskraftwerk am Hafen von Moss Landing, Kalifornien, und werfen einen industriellen Schleier über die hübsche Küstenstadt.

Wenn die staatlichen Aufsichtsbehörden jedoch zustimmen, könnte dies der Standort des weltweit größten Lithium-Ionen-Batterieprojekts sein Ende 2020 , was dazu beiträgt, schwankende Wind- und Sonnenenergie im kalifornischen Netz auszugleichen.

Die 300-Megawatt-Anlage ist eines von vier riesigen Lithium-Ionen-Speicherprojekten, die Pacific Gas and Electric, Kaliforniens größter Energieversorger, fragte die California Public Utilities Commission Ende Juni genehmigen. Zusammen würden sie dem Netz genügend Speicherkapazität hinzufügen, um etwa 2.700 Haushalte einen Monat lang zu versorgen (oder um etwa 0,0009 Prozent des Stroms zu speichern, den der Staat jedes Jahr verbraucht).

Die kalifornischen Projekte gehören zu einer wachsenden Zahl von Bemühungen auf der ganzen Welt, einschließlich Teslas 100-Megawatt-Batterie-Array in Südaustralien, um immer größere Lithium-Ionen-Speichersysteme zu bauen, da die Preise sinken und die erneuerbare Energieerzeugung zunimmt. Sie schüren wachsenden Optimismus, dass diese riesigen Batterien es Wind- und Solarenergie ermöglichen werden, einen wachsenden Anteil fossiler Kraftwerke zu verdrängen.

Aber es gibt ein Problem mit diesem rosigen Szenario. Diese Batterien sind viel zu teuer und halten nicht annähernd lange genug, was die Rolle, die sie im Netz spielen können, einschränkt, sagen Experten. Wenn wir planen, uns auf sie für massive Speichermengen zu verlassen, wenn immer mehr erneuerbare Energien ans Netz kommen – anstatt sich einer breiteren Mischung aus kohlenstoffarmen Quellen wie Atom- und Erdgas mit CO2-Abscheidungstechnologie zuzuwenden – könnten wir uns auf einen gefährlich unbezahlbaren Weg begeben.

Kleine Dosen

Laut a 2016 funktioniert die heutige Batteriespeichertechnologie am besten in einer begrenzten Rolle als Ersatz für Spitzenkraftwerke Analyse von Forschern des MIT und des Argonne National Lab. Dies sind kleinere Anlagen, die heute häufig mit Erdgas betrieben werden, die es sich leisten können, selten zu arbeiten und schnell hochzufahren, wenn Preise und Nachfrage hoch sind.

Lithium-Ionen-Batterien könnten innerhalb der nächsten fünf Jahre wirtschaftlich mit diesen Erdgas-Spitzenreitern konkurrieren, sagt Marco Ferrara, Mitbegründer von Form Energy, einem MIT-Spinout, das Netzspeicherbatterien entwickelt.

Das Gas-Peaker-Geschäft steht kurz vor dem Ende, und Lithium-Ionen sind ein großartiger Ersatz, sagt er.

Diese Spitzenrolle ist genau diejenige, die die meisten der neuen und bevorstehenden Lithium-Ionen-Batterieprojekte einnehmen sollen. Tatsächlich könnten die kalifornischen Speicherprojekte schließlich drei Erdgasanlagen in der Region ersetzen, von denen zwei sind Peaker-Pflanzen .

Aber weit über diese Rolle hinaus stoßen Batterien auf echte Probleme. Die Autoren der Studie aus dem Jahr 2016 fanden stark abnehmende Renditen, wenn viel Batteriespeicher an das Netz angeschlossen wird. Sie kamen zu dem Schluss, dass die Kopplung von Batteriespeichern mit erneuerbaren Kraftwerken ein schwacher Ersatz für große, flexible Kohle- oder Erdgas-Kombikraftwerke ist, die jederzeit angezapft werden können, kontinuierlich laufen und die Ausgangsleistung variieren, um der sich ändernden Nachfrage im gesamten Jahr gerecht zu werden Tag.

Die Lithium-Ionen-Technologie ist nicht nur zu teuer für diese Rolle, sondern aufgrund der begrenzten Batterielebensdauer eignet sie sich auch nicht gut zum Füllen von Lücken während der Tage, Wochen und sogar Monate, wenn die Wind- und Solarenergie nachlässt.

Dieses Problem ist besonders akut in Kalifornien, wo sowohl Wind als auch Sonne während der Herbst- und Wintermonate steil abfallen.

Dies führt zu einem kritischen Problem: Wenn die erneuerbaren Energien im Netz ein hohes Niveau erreichen, braucht man viel, viel mehr Wind- und Solaranlagen, um in Spitzenzeiten genug überschüssige Energie zu erzeugen, um das Netz während dieser langen saisonalen Einbrüche in Betrieb zu halten, sagt Jesse Jenkins. Mitautor der Studie und Energiesystemforscher. Das wiederum erfordert Batterien über Batterien, die alles verstauen können, bis es gebraucht wird.

Und das wird am Ende astronomisch teuer.

Kalifornien träumt

Es gibt Probleme, die Kalifornien nicht lange ignorieren kann. Der Staat ist schon auf der Strecke bis 2020 50 Prozent seines Stroms aus sauberen Quellen zu beziehen, und der Gesetzgeber ist es erneut in Anbetracht eine Rechnung, die vorschreibt, dass sie bis 2045 100 Prozent erreichen muss. Um die Dinge zu komplizieren, die Regulierungsbehörden im Januar gewählt das letzte Kernkraftwerk des Staates zu schließen, das eine kohlenstofffreie Quelle liefert 24 Prozent der Energie von PG&E. Dadurch wird Kalifornien stark auf erneuerbare Quellen angewiesen sein, um seine Ziele zu erreichen.

Die Clean Air Task Force, eine in Boston ansässige Denkfabrik für Energiepolitik, stellte kürzlich fest, dass das Erreichen der 80-Prozent-Marke für erneuerbare Energien in Kalifornien in den Sommermonaten eine enorme Überschusserzeugung bedeuten würde, die 9,6 Millionen Megawattstunden Energiespeicher erfordern würde. Um 100 Prozent zu erreichen, wären 36,3 Millionen erforderlich.

Insgesamt verfügt das Land derzeit über 150.000 Megawattstunden Energiespeicher. (Das sind hauptsächlich Pumpspeicherkraftwerke mit einem kleinen Anteil an Batterien.)

Wenn erneuerbare Energien 80 Prozent des kalifornischen Stroms liefern würden, würden während der Sommerspitzen mehr als acht Millionen Megawattstunden überschüssige Energie erzeugt. Analyse der CAISO-Daten durch die Clean Air Task Force.

Der Aufbau des Niveaus an erneuerbarer Erzeugung und Speicherung, das zur Erreichung der staatlichen Ziele erforderlich ist, würde die Kosten exponentiell in die Höhe treiben, von 49 US-Dollar pro Megawattstunde Erzeugung bei 50 Prozent auf 1.612 US-Dollar bei 100 Prozent.

Und das setzt voraus, dass Lithium-Ionen-Batterien etwa ein Drittel dessen kosten, was sie jetzt kosten.

Die Kosten des kalifornischen Stromsystems steigen exponentiell, wenn erneuerbare Energien den Großteil des Stroms erzeugen. Analyse der CAISO-Daten durch die Clean Air Task Force.

Das System wird vollständig von den Speicherkosten dominiert, sagt Steve Brick, Senior Advisor der Clean Air Task Force. Sie bauen diese riesige Speichermaschine, die Sie bis Mitte des Jahres füllen und dann einfach auflösen. Es ist eine massive Kapitalinvestition, die nur sehr wenig genutzt wird.

Diese Kräfte würden die Stromkosten für die Verbraucher dramatisch erhöhen.

Man muss innehalten und sich fragen: „Gibt es eine Möglichkeit, dass die Öffentlichkeit dafür stehen würde?“, sagt Brick.

Ähnlich eine Studie Anfang dieses Jahres in Energie- und Umweltwissenschaften fanden heraus, dass die Deckung von 80 Prozent des US-Strombedarfs durch Wind und Sonne entweder ein landesweites Hochgeschwindigkeitsübertragungssystem erfordern würde, das die erneuerbare Erzeugung über Hunderte von Kilometern ausgleichen kann, oder 12 Stunden Stromspeicherung für das gesamte System (siehe Allein auf erneuerbare Energien setzen). erhöht die Kosten für die Überholung von Energie erheblich ).

Bei aktuellen Preisen würde ein Batteriespeichersystem dieser Größe mehr als 2,5 Billionen US-Dollar kosten.

Ein erschreckender Preis

Natürlich ist eine billigere und bessere Netzspeicherung möglich, und Forscher und Start-ups untersuchen verschiedene Möglichkeiten. Form Energy, die vor kurzem gesicherte Finanzierung von Bill Gates’ Breakthrough Energy Ventures, versucht, wässrige Schwefel-Flow-Batterien mit viel längerer Lebensdauer zu einem Fünftel der Kosten zu entwickeln, wo Lithium-Ionen-Batterien wahrscheinlich landen werden.

Die Modellierung von Ferrara hat ergeben, dass eine solche Batterie es den erneuerbaren Energien ermöglichen könnte, 90 Prozent des Strombedarfs für die meisten Netze zu decken, und das zu nur geringfügig höheren Kosten als heute.

Aber es ist gefährlich, sich auf diese Art von Durchbrüchen bei Batterien zu verlassen – und selbst wenn Form Energy oder ein anderes Unternehmen es schafft, würden die Kosten immer noch exponentiell über die 90-Prozent-Schwelle steigen, sagt Ferrara.

Das Risiko, sagt Jenkins, besteht darin, dass wir die Kosten einer umfassenden Dekarbonisierung im Energiesektor bis zu dem Punkt in die Höhe treiben, an dem die Öffentlichkeit entscheidet, dass es einfach unerschwinglich ist, in Richtung null Kohlenstoff weiterzumachen.

Update: Ein Diagramm wurde aus dieser Geschichte entfernt, weil es den Grad der Durchdringung erneuerbarer Energien im Stromnetz, das auf der vertikalen Achse dargestellt ist, falsch angegeben hat.

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