Wie man ein vollständig erneuerbares Stromnetz hat

Wie man ein vollständig erneuerbares Stromnetz hat
Ein vollständig erneuerbares Netz wird mehr Strom und mehr Übertragungsleitungen bedeuten. Russ Allison Loar / Flickr, CC BY-NC-ND

Die Hauptlösung für Klimawechsel ist bekannt - hör auf fossile Brennstoffe zu verbrennen. Die Vorgehensweise ist komplizierter, aber als Wissenschaftler, der sich mit Energiemodellierung befasst, sehen ich und andere die Umrisse einer Zukunft nach fossilen Brennstoffen: Wir Machen Sie Strom aus erneuerbaren Quellen und elektrifizieren Sie fast alles.

Das heißt, Fahrzeuge und Züge mit Strom fahren, Gebäude mit Strom heizen Wärmepumpenelektrisierend industrielle Anwendungen wie Stahlerzeugung und Verwendung von erneuerbarem Strom zu machen Hydrierung (ähnlich wie Erdgas) für andere Anforderungen. Der Schwerpunkt liegt also auf der Versorgung des Stromnetzes mit erneuerbaren Energien.

Es wird jedoch diskutiert, ob es sich um vollständig erneuerbare Stromsysteme handelt möglich und wie schnell der Übergang kann gemacht werden. Hier argumentiere ich, dass die Machbarkeit klar ist, so dass nur die Übergangsfrage relevant ist.

Bekannte Technologien

Wie man ein vollständig erneuerbares Stromnetz hatHow to have a All Renewable Electric Grid
Ein Windpark in Texas. Texas hat ungefähr 15% seines Stroms aus Wind in 2017 erhalten.
Draxis / flickr, CC BY-ND

Meine Forschung konzentriert sich auf die Ökonomie der erneuerbaren Energien. Um die Machbarkeit und die geschätzten Kosten erneuerbarer Elektrizitätssysteme zu demonstrieren, verwenden die Forscher Computermodelle, die die potenzielle Produktion aus verschiedenen Technologien zu jedem Zeitpunkt basierend auf sich ändernden Wetterbedingungen berechnen. Ein Modell zeigt auf, welche Kombination aus Stromquellen und Energiespeichersystemen die niedrigsten Kosten verursacht und gleichzeitig die Nachfrage befriedigt.

Viele Studien zeigen, dass vollständig erneuerbare Stromnetze in der EU realisierbar sind Vereinigte Staaten, Europa, Australien und anderswo. Meine Kollegen und ich haben kürzlich eine kleine Studie über den Inselstaat abgeschlossen Mauritius. Inseln sind attraktiv Orte für anfängliche erneuerbare Übergänge aufgrund ihres geringen Umfangs, der relativen Einfachheit und der Abhängigkeit von importierten Brennstoffen.

Es gibt eine Reihe von Möglichkeiten zur Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen: Wasser-, Wind-, Solar-Photovoltaik, Geothermie und Verbrennung verschiedener Arten von Biomasse (Pflanzenmaterial) Effizienz steigern weniger Energie verbrauchen. Dies sind ausgereifte Technologien mit bekannten Kosten.

Andere Möglichkeiten umfassen Welle, Flut und Solarenergie konzentrieren, wo Reflektoren Sonnenstrahlen fokussieren, um Strom zu erzeugen. Während diese möglicherweise in der Zukunft genutzt werden, ist die Bekämpfung des Klimawandels dringend erforderlich, und nach meiner Einschätzung reichen die ausgereiften Technologien aus.

Meinungen zu Kernenergie lauf stark, das ist ein anderes gespräch. Modelle zeigen jedoch, dass die USA keine Kernenergie benötigen, um fossile Brennstoffe aus dem Verkehr zu ziehen.

Das Gitter der Zukunft

Systeme für erneuerbare Energien sind standortspezifisch: Das beste System hängt von den Ressourcen eines Standorts (ist es windig?), Seinem zeitlichen Muster (wie oft ist es nicht windig?) Und der Verfügbarkeit ergänzender Quellen ab (gibt es Wasserkraft für die Datensicherung?). Trotz dieser Ortsempfindlichkeit finden Studien an verschiedenen Orten ähnliche Ergebnisse.

Eine Vielfalt erneuerbarer Energien kann die Kosten senken. Insbesondere Solar und Wind sind komplementär wenn die sonnige Jahreszeit nicht die windige Jahreszeit ist; Modelle stellen fest, dass eine Kombination aus beidem in der Regel günstiger ist als beide allein.

Für die meisten Technologien Größerer Maßstab reduziert die Kosten. In den USA beispielsweise können Solarparks in großem Maßstab mehr als das 1,000-fache von Dachanlagen in Wohngebäuden und etwa die Hälfte der Kosten betragen. Um die Kosten zu minimieren, bauen wir große Systeme.

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Der Bau von großen Projekten für erneuerbare Energien wie dieser 550-Megawatt-Solaranlage in der kalifornischen Mojave-Wüste führt zu geringeren Kosten für die erzeugte Energie.
US-Innenministerium, CC BY-SA

Da sich die Sonnen- und Windbedingungen in der Landschaft unterscheiden, ist das System unterschiedlich Kosten sinken, wenn die Produktionsfläche wächstEs muss also einen geben robustes elektrisches netz Strom von Orten mit Angebot zu Orten mit Nachfrage zu transportieren. Wir brauchen auch mehr Strom für Anwendungen wie Transport, die derzeit fossile Brennstoffe verwenden. Das heißt, das Gitter muss wachsen.

Studien zeigen, dass ein Stromnetz mit variabler erneuerbarer Energie betrieben wird Dazu gehört, dass Sie nicht etwas Energie verbrauchen oder entsorgen Manchmal eine Strategie, die die Kosten senkt, verglichen mit dem Speichern von überschüssiger Energie.

Trotzdem irgendeine Form von Stromspeicher wird gebraucht. Batterien sind gut geeignet, um kurzfristige Schwankungen auszugleichen, aber um Energie für viele Stunden oder Tage zu speichern. Pumpspeicher für Wasserkraft ist weniger teuer. Pumped Hydro nutzt zusätzliche Energie im Netz, um Wasser bergauf zu pumpen. Wenn Energie benötigt wird, fließt das Wasser zurück, um Strom in einer Turbine zu erzeugen. Die Vereinigten Staaten haben einige Beispiele und viele mögliche Standorte. Bei der Netzerweiterung kann sich der Speicher in einiger Entfernung von den Benutzern befinden.

Wasserkraft und Biomasse stehen bei Bedarf zur Verfügung. Wenn diese in einem erneuerbaren Stromnetz vorhanden sind, wird der Bedarf an Energiespeichern verringert und die Kosten gesenkt. Beide haben Umwelteinflüsse, die beherrscht werden müssen.

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US Energy Information Administration, CC BY

Wasserkraft kann lokale Ökosysteme verändern. Verbrennung Biomasse stößt Kohlendioxid aus, aber eine Studie, an der ich gearbeitet habe, zeigt, dass Biomasseemissionen sind reversibel und sind den Emissionen fossiler Brennstoffe eindeutig vorzuziehen. Nachhaltigkeit hängt auch entscheidend von der Bewirtschaftung von Biomassefeldern und Wäldern ab. die menschliche Erfolgsbilanz dazu war nicht herausragend.

Erneuerbare Energiesysteme benötigen Land. EIN US-Studie zeigt, dass für die Versorgung mit Strom aus Wind, Wasser und Sonne 0.42% der Landfläche und 1.6% der Landfläche für den Raum zwischen Windkraftanlagen erforderlich sind. Biomassenergie benötigt viel mehr Land als Wind oder Sonne, daher muss Biomasse ein kleiner Teil der erneuerbaren Energielösung sein.

Echte Barrieren sind politisch und kulturell

Ein zukünftiges Stromnetz für erneuerbare Energien mit entsprechender Elektrifizierung kann oder kann nicht Energiekosten senken. Um die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels zu vermeiden, muss man auf fossile Brennstoffe verzichten, auch wenn dies Kosten spart. Dennoch wird der Übergang zu erneuerbaren Energien schneller und politisch einfacher, wenn er kostengünstiger ist.

In MauritiusUnsere Studie ergab, dass die Kosten für erneuerbaren Strom auf der Grundlage der aktuellen Kapitalkosten für erneuerbare Energien den derzeitigen Kosten dort ähnlich sind. Einige Studien Die Kosten für künftigen Strom aus erneuerbaren Quellen sind niedriger als die derzeitigen Kosten für fossile Brennstoffe, für den Fall, dass die Kosten sinken, wenn wir mehr Systeme für erneuerbare Energien aufbauen und diese verbessern.

Und das wars aus technischer Sicht. Eine Kombination aus erneuerbaren Quellen und Energiespeichern - die spezifische Kombination, die von den örtlichen Bedingungen und Vorlieben abhängt - kann den gesamten benötigten Strom zu einem erschwinglichen Preis liefern und reduziert die Luftverschmutzung.

Um auf erneuerbare Energien umzusteigen, ist jedoch eine Politik der Regierung erforderlich. Der Klimawandel ist eine externe Kostenquelle, die eher von der Gesellschaft als von den Energieerzeugern getragen wird. Daher werden die Marktkräfte allein den Übergang nicht schaffen. Neben einem Preis für Kohlenstoff (vielleicht mit Dividenden kehrten an die Öffentlichkeit zurück) könnte die Regierung den Aufbau der erforderlichen Infrastruktur erleichtern. Und öffentliche Unterstützung ist erforderlich: Beispielsweise ist die öffentliche Akzeptanz von Übertragungsleitungen für die Verlagerung von Strom aus der windigen Tiefebene in die Innenstadt eine weitere Herausforderung für ein vollständig erneuerbares Stromnetz.

Ein Projekt in der Größenordnung der Umgestaltung des Energiesystems wird folgen Arbeitsplätze zu schaffen - viele Arbeitsplätze - das ist vielleicht das wirtschaftliche Maß, das für die Bürger am wichtigsten ist.

Untersuchungen von mir und anderen zeigen, dass vollständig erneuerbare Stromnetze mit der aktuellen Technologie zu aktuellen Preisen realisierbar sind. Hemmnisse für die Nutzung erneuerbaren Stroms sind politischer und kultureller als technologischer oder wirtschaftlicher Natur.

Über den Autor

David TimmonsAssoziierter Professor für Wirtschaftswissenschaften Universität von Massachusetts Boston

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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