Wie man Wyoming-Wind nach Kalifornien bringt und 80 % der CO2-Emissionen in den USA reduziert

Adani

Einige Meilen südlich von Rawlins, Wyoming, auf einer Rinderfarm östlich der Kontinentalscheide, haben Bautrupps damit begonnen, Straßen und Unterlagen anzulegen, die schließlich bis zu 1.000 Windturbinen untermauern könnten. Nach Fertigstellung könnte das Projekt Chokecherry and Sierra Madre jährlich rund 12 Millionen Megawattstunden Strom erzeugen und wäre damit der größte Windpark des Landes.

Doch wie bringt man so viel Windkraft dorthin, wo sie tatsächlich gebraucht wird?

Das in Denver ansässige Unternehmen hinter dem Projekt hofft, eine Reihe von Stahlmasten zu errichten, die eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitung 730 Meilen quer durch den amerikanischen Westen strecken würden. Es könnte bis zu 3.000 Megawatt Windkraft aus Wyoming zu den Strommärkten von Kalifornien, Nevada und Arizona transportieren. Mit den richtigen Deals könnte die Übertragungsleitung auch solar erzeugten Strom zurückliefern, ausgleichen Wyomings starke Winde am späten Nachmittag mit Kaliforniens strahlender Tagessonne.

Wie der Wyoming-Wind (in Grün) die kalifornische Sonne (in Rot) im Juni den ganzen Tag über ausgleichen könnte. Quelle: Wind Diversity Enhancement of Wyoming and California Wind Energy Projects, 2015. Jonathan Naughton, Wind Energy Research Center.

Das 3-Milliarden-Dollar-TransWest-Express-Übertragungsprojekt gehört zu einer Handvoll vorgeschlagener Gleichstromübertragungsleitungen in den Vereinigten Staaten und ist im Planungsprozess am weitesten fortgeschritten. Es unterstreicht das große Versprechen dieser Hochleistungsleitungen, das volle Potenzial erneuerbarer Energien zu erschließen.

Übertragung ist nicht sexy (siehe unsere Story-Art oben). Es ist grundlegende Infrastruktur. Lange Drähte und hohe Türme (siehe Wie Blockchain uns ein intelligenteres Energienetz geben könnte).

Aber eine wachsende Zahl von Studien kommt zu dem Schluss, dass der Aufbau eines landesweiten Netzwerks von Gleichstromübertragungsleitungen dazu beitragen könnte, dass erneuerbare Quellen den Großteil der US-Energieerzeugung ersetzen könnten, was vielleicht die schnellste, billigste und effizienteste Möglichkeit zur Senkung der Treibhausgasemissionen bietet.

Die Entwicklung dieser Übertragungsleitungen ist jedoch unglaublich zeitaufwändig und teuer. Das TransWest-Projekt wurde erstmals 2005 vorgeschlagen, aber die Entwickler können sich glücklich schätzen, ihre endgültigen Genehmigungen zu erhalten und Ende nächsten Jahres mit der Erdbewegung zu beginnen.

Es gibt keine einzelne Behörde, die für die Überwachung oder Durchführung solcher Projekte zuständig ist, sodass Unternehmen durch ein Dickicht sich überschneidender Bundes-, Landes-, Bezirks- und Stadtgerichte navigieren müssen, von denen alle ihre Zustimmung geben müssen, damit ein Projekt beginnen kann. Infolgedessen werden nur wenige solcher Übertragungsleitungen jemals gebaut.

Ein Makroraster

Gleichstrom, bei dem elektrische Ladungen ständig in eine Richtung fließen, ist eine alte Technik. Sie und Wechselstrom waren Gegenstand einer der weltweit ersten Schlachten um Technologiestandards, in der Thomas Edison gegen seinen ehemaligen Schützling Nikola Tesla antrat Krieg der Strömungen beginnend in den 1880er Jahren (siehe Edison’s Revenge: The Rise of DC Power).

Wechselstrom gewann diesen frühen Krieg, hauptsächlich weil seine Spannung dank der Entwicklung von Transformatoren für die Fernübertragung erhöht und für Privathaushalte und Unternehmen heruntergesetzt werden konnte.

Aber eine Reihe von technologischen Verbesserungen haben die Funktionalität von Gleichstrom erheblich erweitert und neue Wege zur Gestaltung und Vernetzung des Stromnetzes eröffnet.

Ab den 1950er Jahren begannen einige Unternehmen und Länder mit der Installation von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen der nächsten Generation. Diese Systeme könnten mehr Energie viel weiter transportieren als Wechselstromleitungen, die über größere Entfernungen viel mehr Verluste erleiden. Entscheidend ist, dass Gleichstromleitungen auch zur Übertragung von Strom zwischen asynchronen Wechselstromsystemen wie den drei großen regionalen Netzen des Landes verwendet werden können, die ansonsten keinen Strom teilen können.

In den letzten zwei Jahren hat James McCalley, ein Ingenieurprofessor an der Iowa State University, im Rahmen der 220-Millionen-Dollar-Initiative zur Netzmodernisierung des Energieministeriums untersucht, wie diese massiven Netzsysteme am besten miteinander verbunden werden können.

Eine Möglichkeit, das Problem zu lösen, besteht darin, bestehende Back-to-Back-Umwandlungsstationen zu erweitern, um mehr Ost-West-Übertragungskapazität bereitzustellen. Diese Systeme ermöglichen die Übertragung zwischen zwei Netzen, indem sie den Strom an der Stelle, an der sie das Flöz kreuzen, in Gleichstrom und dann wieder zurück in Wechselstrom umwandeln.

Ein anderer Ansatz fügt drei Punkt-zu-Punkt-Übertragungsleitungen hinzu, die von Ost nach West verlaufen und das Herz jedes Netzes mit dem des anderen verbinden. Eine weitere Lösung ist ein sogenanntes Makronetz aus langen DC-Übertragungsleitungen, die einen Großteil des Landes abdecken. Sie verläuft den Florida Panhandle hinauf, quer durch den Süden, nördlich nach Seattle, östlich nach Minneapolis und zurück nach Louisiana, wobei mehrere zusätzliche Linien den Westen durchqueren.

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McCalley und sein Team entwickelten Modelle, um jedes dieser Szenarien über einen Zeitraum von 15 Jahren zu simulieren. Sie stellten fest, dass sich alle drei wirtschaftlich auszahlen und einen Vorteil von mindestens 2,50 USD an Einsparungen für jeden in das Übertragungssystem investierten USD bieten.

Mit Gleichstromleitungen haben Netzbetreiber den ganzen Tag über mehr Möglichkeiten für Energiequellen, sodass sie in Zeiten der Spitzennachfrage beispielsweise billigen Wind zwei Bundesstaaten weiter nutzen können, anstatt sich für eine nahe gelegene, aber teurere Erdgasanlage zu entscheiden wenige Stunden. Die Tatsache, dass Regionen für ihren Spitzenbedarf auf Energie aus fernen Staaten angewiesen sein können, bedeutet auch, dass sie nicht so viel kostenintensive Erzeugung vor Ort aufbauen müssen.

Das Punkt-zu-Punkt-DC-Übertragungsszenario zeigte die höchste unmittelbare wirtschaftliche Rendite in der Studie, die in den kommenden Monaten veröffentlicht wird. Der Makro-Grid-Ansatz bietet jedoch eine weitaus größere Redundanz und Ausfallsicherheit und stellt sicher, dass das Netz weiter funktioniert, wenn eine Leitung ausfällt. Es ermöglicht auch den Ausbau von deutlich mehr erneuerbarer Energieerzeugung.

Das Makronetz bietet Ihnen eine Autobahn zu all diesen Lasten und bindet all diese Märkte zusammen, sagt Dale Osborn, Technischer Direktor für Übertragungsplanung beim Midcontinent Independent System Operator (MISO), der das System zuerst entworfen hat. Sie erhalten die effizienteste und kostengünstigste Energie, die möglich ist.

Riesige Batterien

Ein nationales Gleichstromnetz könnte auch dazu beitragen, die Emissionen innerhalb von 15 Jahren um bis zu 80 Prozent unter das Niveau von 1990 zu senken, und das alles mit kommerziell verfügbarer Technologie und ohne Erhöhung der Stromkosten, so eine frühere lernen in Natur Klimawandel.

Die Forscher erstellten ein idealisiertes Übertragungsnetz, das 32 Knoten im ganzen Land verband und unter anderem Wasserkraft im pazifischen Nordwesten, Solarenergie in Kalifornien, Windenergie im Südwesten und Kernenergie an der Ostküste miteinander verband.

Ein nationales Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsnetz, das von Vibrant Clean Energy entworfen wurde.

Einfach gesagt, das System gleicht die Schwankungen erneuerbarer Energiequellen über große Entfernungen aus, sodass immer irgendwo eine zuverlässige Erzeugung vorhanden ist. In der Lage zu sein, es von jedem Winkel des Landes aus anzuzapfen, senkt die Kosten für die Energieversorgung bei Spitzenbedarf, reduziert die in jedem einzelnen Gebiet erforderliche Erzeugungsmenge, minimiert die überschüssige Erzeugung und beseitigt die Notwendigkeit, teure Speichersysteme im Netzmaßstab zu entwickeln ( siehe Das neue Unternehmen eines seriellen Batterieunternehmers geht das größte Problem sauberer Energie an ).

Wir bekommen die große Batterie, die wir wollen, im Grunde umsonst, sagt Christopher Clack, einer der Hauptautoren der Studie und Geschäftsführer von Vibrant Clean Energy.

Super Drähte

Einige neue Technologien könnten die Vorteile der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung sogar noch weiter steigern.

Die in den 1990er Jahren entwickelten Spannungsquellenumrichter ermöglichen es, den Strom an jedem Punkt entlang von HGÜ-Leitungen abzugreifen, anstatt nur an den beiden Endpunkten. Sie sind derzeit nicht weit verbreitet, aber sie könnten ein noch stärker vernetztes Netz ermöglichen als das von MISO entworfene, schreibt Varun Sivaram, Wissenschafts- und Technologiestipendiat beim Council on Foreign Relations, in seinem demnächst erscheinenden Buch Die Sonne zähmen .

Darüber hinaus untersuchen Forscher verschiedene Arten von Halbleitern, um die Kosten und die Leistung von Leistungsschaltern und Spannungswandlern zu verbessern, sagt Sivaram, und arbeiten an supraleitenden Kabeln, die die Leistungskapazität erhöhen und Energieverluste auf nahezu Null reduzieren könnten.

China drängt voran

Unterdessen hat China bereits mit dem breiten Einsatz sogenannter Ultrahochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen begonnen, die rund eine Million Volt übertragen können.

Ein Großteil des landesweiten Booms beim Bau von Übertragungsnetzen wurde durch die Bemühungen vorangetrieben, die in abgelegenen nördlichen Provinzen konzentrierte Energieerzeugung mit entfernten Bevölkerungszentren zu verbinden, eine geografische Diskrepanz, die zu riesigen Mengen an überschüssiger Sonnen- und Windenergie geführt hat. Aber es spiegelt natürlich auch die Tatsache wider, dass Chinas Energieentwicklung für öffentliche Kommentare und Umweltverträglichkeitsberichte nicht viel verlangsamt wird.

Es gibt bereits eine Hand voll von Gleichstrom-Übertragungsleitungen in den Vereinigten Staaten und eine wachsende Zahl von Vorschlägen, einschließlich des New England Clean Power Link, der 1.000 Megawatt erneuerbare Energie von Kanada nach Neuengland transportieren würde. Houstons Clean Line Energy hat mindestens eine ein halbes Dutzend Vorschläge in verschiedenen Phasen, darunter die Plains and Eastern Clean Line, die West-Oklahoma mit den Märkten im Südosten verbindet, und die Grain Belt Express Clean Line, die sich von Kansas nach Indiana erstreckt.

Die Eastern Alberta Transmission Line, eine Hochspannungs-Gleichstromleitung in Alberta, Kanada.

Aber all dies bewegt sich in einem trödelnden Tempo durch den Genehmigungsprozess. Die TransWest-Entwickler haben sich seit der Übernahme des Projekts im Jahr 2008 die Genehmigung für zwei Drittel der Strecke, die auf Bundesland liegt, gesichert. Sie arbeiten jedoch noch daran, die Genehmigungen von Bundesstaaten und privaten Landbesitzern abzuschließen.

Die geplante Grain Belt-Linie von Clean Line wurde von drei der vier Staaten, die sie durchquert, genehmigt, die Aufsichtsbehörden von Missouri jedoch zweimal abgelehnt .

Die meisten Entwickler und Experten für Energiepolitik sagen, dass zur Beschleunigung dieser Projekte eine Bundesbehörde mit mehr Befugnissen erforderlich ist, um sie durchzusetzen. EIN Prüfbericht Das im Oktober von Stanford veröffentlichte Dokument hob eine Reihe von Möglichkeiten hervor, darunter die Gewährung der gleichen Standortbestimmungsbehörde für die Übertragungsleitungen, die sie bereits für Erdgaspipelines hat, an die Federal Energy Regulatory Commission.

Ohne eine klare, vorhersehbare Standortbestimmung wird es sehr schwierig sein, ein intelligentes, umfassendes HGÜ-Netzwerk aufzubauen, sagt Dan Reicher, Executive Director des Steyer-Taylor Center for Energy Policy and Finance in Stanford und Mitautor des Berichts.

Eine weitere kritische Herausforderung für die Übertragung über große Entfernungen besteht darin, dass die Versorgungsunternehmen wenig Anreiz haben, für diese Leitungen zu bezahlen, fügt Osborn von MISO hinzu. Die Regeln müssten geändert werden, damit die Versorgungsunternehmen ihre Investitionen amortisieren und sie ermutigen, überregional zusammenzuarbeiten, sagt er.

Ohne zusätzliche regulatorische Veränderungen und konzentrierte Bundesbehörden werden wir wahrscheinlich mehr von dem sehen, was wir gesehen haben: einmalige Projekte, bei denen die Wirtschaftlichkeit funktionieren kann, um eine bestimmte Energiequelle mit einem bestimmten Markt zu verbinden. Aber wir werden wahrscheinlich kein integriertes Netzwerk sehen, wie es MISO und andere sich vorstellen.

Und ohne diese oder einen Durchbruch bei der Netzspeicherung werden erneuerbare Energien wahrscheinlich nie ihr volles Potenzial ausschöpfen. Anlagen erzeugen manchmal mehr Wind- oder Solarenergie, als ein einzelner Markt verbrauchen kann, und an diesem Punkt sinkt der Preis – und der Anreiz, mehr erneuerbare Energie hinzuzufügen, schrumpft. Und zu anderen Zeiten werden sie nicht genug für diesen Markt erzeugen, was die Region dazu zwingt, sich weiterhin auf fossile Brennstoffanlagen zu stützen.

Am Ende weicht man also von dem ab, was optimal wäre, und kann den erneuerbaren Energien auf lange Sicht schaden, sagt Clack.

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Eine Sache, die zumindest in einigen Fällen für Gleichstromleitungen spricht, ist eine starke überparteiliche Unterstützung. Tatsächlich hat Trumps Übergangsteam mehrere Übertragungsvorschläge auf seine Seite gestellt Prioritätenliste von Notfall- und nationalen Sicherheitsprojekten, einschließlich TransWest.

Das könnte zum Teil daran liegen, dass die Leitungen selbst die Kosten senken und Märkte verbinden, selbst wenn sie Strom aus Kohle oder Erdgas statt aus erneuerbaren Quellen transportieren. Aber ein weiterer Faktor ist mit ziemlicher Sicherheit, dass die Unternehmen, die solche Linien vorschlagen, manchmal Unterstützer der Republikanischen Partei sind. Insbesondere besitzt der Milliardär und große GOP-Spender Philip Anschutz das Unternehmen hinter dem Windpark in Wyoming und der TransWest-Leitung.

Das könnte bedeuten, dass die HGÜ-Übertragung neben fortschrittlicher Kernkraft einer der wenigen Bereiche sein könnte, in denen Befürworter sauberer Energie potenziell mit der Trump-Regierung an einem gemeinsamen Ziel arbeiten könnten.

Es laufen jedoch bereits Rechtsstreitigkeiten, die prüfen werden, wie viel Macht die Bundesbehörden in diesen Angelegenheiten haben. Mehrere Gruppen, die Landbesitzer in Arkansas vertreten, haben eingereicht eine Beschwerde vor einem US-Bezirksgericht gegen die Anwendung eines Gesetzes aus dem Jahr 2005 durch das Energieministerium zur Förderung des Plains-and-Eastern-Projekts von Clean Line.

Ähnliche Fälle werden wahrscheinlich auftauchen, wenn andere neue Ansätze ausprobiert werden. Aber der Präsident von Clean Line, Michael Skelly, sagt, dass das Unternehmen viel investiert, um diese Kämpfe zu gewinnen und die rechtlichen Präzedenzfälle zu schaffen, die notwendig sind, um andere Projekte voranzutreiben.

Unser Motto ist, keine Anwaltskanzlei zurückzulassen, sagt er.

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