Wir brauchen sauberen, festen Strom für ein dekarbonisiertes Energiesystem
Wenn wir dekarbonisieren wollen, werden wir viel mehr Strom brauchen. Und wenn wir dies erfolgreich, erschwinglich und zuverlässig tun wollen, müssen wir jede Art von kohlenstofffreier Energietechnologie einsetzen, die uns zur Verfügung steht.
Um das Stromnetz zu dekarbonisieren, müssen wir die bestehenden, ungebremsten fossilen Energiesysteme durch saubere Energie ersetzen und die Lücke schließen, die die aus dem Verkehr gezogenen Kernkraftwerke hinterlassen, und dann diese Gesamtzahl verdoppeln oder verdreifachen, um die zusätzliche Nachfrage durch die Elektrifizierung des Verkehrs-, Wohn-, Gewerbe- und Industriesektors zu decken. In den Vereinigten Staaten wird diese doppelte Herausforderung das Achtfache der Stromerzeugung erfordern, die derzeit aus kohlenstofffreien Quellen stammt (Abbildung 1).1
Wind, Sonne und Batteriespeicher werden wahrscheinlich ein Eckpfeiler dieses zukünftigen erweiterten Stromnetzes sein, aber wir können uns wahrscheinlich nicht allein auf sie verlassen, da sie wetterabhängig sind - ihre Leistung schwankt je nach Stunde, Tag und Jahreszeit um den Faktor zwei oder mehr - und bei Bedarf nicht zur Verfügung stehen, um die Stromlast zu decken.2 Selbst wenn wir in der Lage wären, unseren Strom ganz oder fast ganz aus diesen Quellen zu beziehen, ist es wahrscheinlich, dass wir zur Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit und zur Begrenzung der Kosten in einem solchen System erhebliche Mengen an wetterunabhängigem, stets verfügbarem kohlenstofffreiem Strom, d. h. sauberem festen Strom, benötigen.
Studien aus Wissenschaft und Industrie zeigen immer wieder, dass eine solche Umstellung nur dann rechtzeitig und zu erschwinglichen Preisen möglich ist, wenn saubere Technologien zur Stromerzeugung Wind, Sonne und Speicher im Strommix ergänzen können. Zu diesen Quellen gehören Geothermie, Wasserstoffverbrennung, Biomasse und Gas mit CO2-abscheidung sowie Kernenergie.3 Sie können zu jeder Tageszeit und an jedem Tag des Jahres Strom liefern, unabhängig von Jahreszeit und Wetter.
Und eine saubere, feste Stromerzeugung ist für die Energiewende nicht nur aus Gründen der Zuverlässigkeit entscheidend. Hier sind fünf von ihnen:
1.Sauberer fester Strom reduziert den Bedarf an überdimensionierten Wind- und Solarkapazitäten
In einem Elektrizitätssystem ohne feste und disponierbare Erzeugung muss die Wind- und Solarkapazität so bemessen sein, dass sie die größte saisonale und tägliche Last decken kann. In Zeiten von Wind- und Sonnenspitzen führt dies zu einem Erzeugungsüberschuss, der über das hinausgeht, was zum Ausgleich der Last benötigt wird. Ein Teil dieses Überschusses könnte zur Auffüllung der Speicher und zur Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse genutzt werden. Ein Großteil dieses Überangebots würde jedoch wahrscheinlich gedrosselt (d. h. absichtlich abgeschaltet) werden. Abbildung 3 zeigt zum Beispiel die historische Drosselung von Wind- und Solarenergie im System des California Independent System Operator ("CAISO").4 Diese überschüssige installierte Kapazität von Wind- und Solarenergie wäre teuer, würde mehr Land und kritische Mineralien verbrauchen und die Übertragungsanforderungen erhöhen - alles erhebliche Herausforderungen, die weiter unten beschrieben werden.
2. Sauberer fester Strom verringert den Bedarf an teuren, selten abgerufenen Langzeitspeicherkapazitäten
Kurzzeitspeicher können in der Regel Strom für 4 Stunden liefern. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass es in einem typischen Jahr längere Zeiträume von mehreren Tagen bis hin zu Monaten mit Engpässen geben wird (Abbildung 4).5 Daher muss die Speicherkapazität auf den jährlich benötigten Spitzenladezustand ausgelegt sein, nicht auf den täglichen Spitzenbedarf. In diesem Beispiel würde die Schließung dieser "Energielücke" und die Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit in diesem System ohne sauberen festen Strom die Installation umfangreicher Speicherkapazitäten (33 TWh) erfordern, um die 68-tägige Knappheitsperiode zu überbrücken. Dieser Speicherausbau würde eine umfangreiche und teure Infrastruktur erfordern, die größtenteils nur einmal im Jahr genutzt wird.
3. Sauberer fester Strom reduziert die Anzahl und die Länge der neu zu bauenden Übertragungsleitungen
Da die variablen erneuerbaren Energieerzeuger verstreut sind, benötigt jedes Cluster und gelegentlich auch einzelne Anlagen eine Übertragungsleitung, um an die Hauptübertragungsleitung angeschlossen zu werden. Eine kürzlich in Kalifornien durchgeführte Studie ergab, dass ein Netz, das sich ausschließlich auf verstreute variable Energiequellen stützt, die ausgeglichen werden müssen, die dreifache Anzahl von Übertragungsleitungen erfordern würde als ein System mit sauberem, festem Strom, z. B. aus Kernenergie.6 Dennoch werden in Kalifornien derzeit nur einige wenige solcher Leitungen pro Jahrzehnt genehmigt, wobei die durchschnittlichen Wartezeiten in jüngster Zeit 10 Jahre betrugen.7 Ähnlich lange Wartezeiten von zehn Jahren wurden im Vereinigten Königreich beobachtet.8 Die Planung und der Bau dieser Übertragungsleitungen erfordert Zeit, und die meisten Planungsstellen für Übertragungsnetze sind weder personell noch finanziell so ausgestattet, dass sie diese Anträge auf Zusammenschaltung effizient prüfen können. Die Kosten für diese Infrastrukturaufrüstungen machen die endgültigen Projektkosten ebenfalls ungewiss, werden aber wahrscheinlich steigen, da die besten Standorte mit leichterem Zugang zu Übertragungsleitungen verbraucht sind, was zusätzliche Kostensenkungen bei der Wind- und Solartechnik ausgleichen könnte.
4. Sauberer fester Strom verringert die Abhängigkeit von einer weit verbreiteten und konsequenten Verlagerung der Nachfrage zur Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit
Die Variabilität der Wind- und Sonnenenergie über den Tag hinweg würde eine Änderung der Art und Weise erfordern, wie wir unseren Strom nutzen. Im heutigen Netz wird die Stromerzeugung im Laufe des Tages an die Nachfrage angepasst. In einem Wind- und Solarenergienetz ohne feste Erzeugung müsste das Gegenteil der Fall sein. Selbst bei einem hohen Grad an Speicherung müssten wir unsere Nachfrage an die täglichen Erzeugungsmuster von Wind und Sonne anpassen. Dies wird oft als "Nachfrageflexibilität" bezeichnet und umfasst Maßnahmen für Industrie, Gewerbe und Haushalte wie die Reduzierung der Fabrikleistung in Zeiten geringer Sonnen- oder Windeinstrahlung, die Steuerung des Ladevorgangs von Elektrofahrzeugen und das Ein- und Ausschalten von Heizung, Kühlung und Kältetechnik in Abhängigkeit von der Erzeugung.
Dies ist zwar theoretisch möglich, würde aber einen immensen Aufwand an betrieblicher Überwachung und ein unbewiesenes Maß an gesellschaftlicher Beteiligung und Verhaltensänderungen in Verbindung mit strengen staatlichen Maßnahmen erfordern. Durch die Einbeziehung sauberer, fester Stromerzeugung in den Netzmix wird die Abhängigkeit von diesen flexiblen Maßnahmen auf der Nachfrageseite drastisch reduziert, da das Stromangebot zur Deckung der Nachfrage hochgefahren werden kann, wie es in unserem derzeitigen Netz bei der fossilen und nuklearen Stromerzeugung der Fall ist.
5. Saubere, feste Energie erhöht die Geschwindigkeit der Energiewende
Um die schlimmsten Auswirkungen des Klimawandels abzumildern, müssen wir unser Energiesystem rasch dekarbonisieren. Die Deckung unseres Energiebedarfs allein durch erneuerbare Energien würde den Übergang verzögern, da eine große Anzahl von Projekten entwickelt und an Standorten errichtet werden müsste, um genügend Wind- und Solarkapazität zu installieren. Die Standortwahl wird mit zunehmender Wind- und Solarkapazität immer schwieriger, da es konkurrierende Landnutzungen gibt, weniger Landeigentümer zur Verfügung stehen, die Entfernung zu großen Übertragungsnetzen zunimmt und der Widerstand der Öffentlichkeit wächst (Abbildung 5), wie weiter unten erläutert wird.
Um es klar zu sagen: Dies ist keine Debatte über saubere Unternehmen oder variable erneuerbare Energien. Wir brauchen beides. Die Kombination sauberer fester Energieträger mit Wind- und Solarenergie würde die gesamten Übergangskosten und den Zeithorizont um 60-110 % reduzieren (je nach Modellstudie und Szenariospezifikationen und -annahmen).10 Eine EPRI-Studie aus dem Jahr 2021 kam beispielsweise zu dem Ergebnis, dass ein Szenario mit 100 % erneuerbaren Energien für die Zeithorizonte 2050 bzw. 2035 um 500 bis 800 Mrd. $ teurer wäre als ein technologieübergreifendes Szenario mit Netto-Null-Emissionen.11 Eine Studie über die 100 % kohlenstofffreien Strompfade in Kalifornien harmonisierte die Annahmen in drei verschiedenen Modellen und fand heraus, dass die Ergänzung von Wind-, Solar- und Speicheranlagen mit sauberer fester Stromerzeugung die Kosten für ein sauberes Stromnetz um bis zur Hälfte senken könnte (Abbildung 6).12
Die Deckung der stark gestiegenen Stromnachfrage bei gleichzeitiger Dekarbonisierung des Netzes und Aufrechterhaltung der Zuverlässigkeit wird eine enorme Herausforderung sein, die den Bedarf an sauberer, fester Energie zur Ergänzung der variablen erneuerbaren Energien unterstreicht. Um diese Herausforderung zu meistern, brauchen wir jede kohlenstofffreie Energiequelle, die wir in die Finger bekommen können. Das bedeutet, dass wir in neue kohlenstofffreie Wege investieren und gleichzeitig bestehende kohlenstofffreie Energiequellen als Teil unseres Portfolios an sauberen Energielösungen erhalten müssen.
1 Daten von Eric Larson et al., Princeton University, Net-Zero America: Potential Pathways, Infrastructure, and Impacts, Zwischenbericht (2020), https://netzeroamerica.princeton.edu/img/Princeton_NZA_Interim_Report_15_Dec_2020_FINAL.pdf
2 Siehe allgemein Dan Tong et al., Geophysical constraints on the reliability of solar and wind power worldwide, Nature Commc'n, Oct. 22, 2021, https://www.nature.com/articles/s41467-021-26355-z
3 Eine Überprüfung von 7 nationalen Studien ergab, dass der durchschnittliche Anteil an sauberer fester Energie bei 35 % des prognostizierten Netto-Null-Erzeugungsmixes liegt. Siehe The NorthBridge Group, Review and Assessment of Literature on Deep Decarbonization in the United States: Importance of System Scale and Technological Diversity 11 (2021), https://cdn.catf.us/wp-content/uploads/2021/06/21092235/NorthBridge_Deep_Decarbonization_Literature_Review.pdf
4 U.S. EIA, California's curtailments of solar electricity generation continue to increase, Today in Energy, (Aug. 24, 2021), https://www.eia.gov/todayinenergy/detail.php?id=49276
5 Jesse Jenkins, Princeton University (2019), unveröffentlichte Analyse im Auftrag von CATF, erhältlich auf Anfrage
6 Siehe Jane Long, et al, Clean Firm Power is the key to California's Carbon-Free Energy Future, Issues in Science and Technology (2021), https://www.edf.org/sites/default/files/documents/LongCA.pdf
7 Alex Breckel et al., Growing the Grid: A Plan to Accelerate California's Clean Energy Transition (2022), https://cdn.catf.us/wp-content/uploads/2022/10/11081420/growing-grid-plan-accelerate-californias-clean-energy-transition.pdf
8 Gil Plimmer, Renewables projects face 10-year wait to connect to electricity grid, Financial Times (Mai 8, 2022) https://www.ft.com/content/7c674f56-9028-48a3-8cbf-c1c8b10868ba
9 CATF, basierend auf unveröffentlichten Arbeiten von Lucid Catalyst; Zahlen auf Anfrage erhältlich
10 Siehe z . B. Nestor Sepulveda et al., The Role of Firm Low-Carbon Electricity Resources in Deep Decarbonization of Power Generation, Joule, Oct. 17, 2018, https://www.researchgate.net/publication/327480033_The_Role_of_Firm_Low-Carbon_Electricity_Resources_in_Deep_Decarbonization_of_Power_Generation; Christopher Clack, Bipartisan Policy Center, Modeling Renewable Energy, Clean Technologies and Electrification for Deep Decarbonization Future (2019), https://vibrantcleanenergy.com/wp-content/uploads/2019/05/BPPC-VCE_RevCF-_31May2019.pdf; Ejeong Baik et al, What is different about different net-zero carbon electricity systems?, Energy & Climate Change Jul. 10, 2021, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666278721000234; James Williams et al., Carbon Neutral Pathways for the United States, AGU Advances, Jan. 14, 2021, https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2020AV000284; und Jamil Farbes et al., Evolved Energy Research, Federal Policy for Low-Carbon, High-Renewables Electricity (2020), file:///Users/toddwarshawsky/Downloads/Policy_LowCarbonElectricity_20201111.pdf
11 Geoffrey Blanford et al., Electric Power Rsch. Inst., Powering Decarbonization: Strategies for Net-Zero CO2 Emissions (2021), https://www.epri.com/research/products/3002020700
12 Baik et al. ( siehe Fußnote 21), S. 5.
