Energiespeicherung ist der Schlüssel zu einer hohen Durchdringung erneuerbarer Energien

Verstehen, wie wir „freie Energie“ vollständig nutzen können und welche Vorteile dies hat.

Foto von Nicolas Jehly auf Unsplash

Unsere bescheidene Sonne treibt unser Sonnensystem seit Milliarden von Jahren an und treibt das Leben hier auf der Erde an. Die Erde erhält in eineinhalb Stunden mehr Energie von der Sonne als die gesamte Menge an Energie, die weltweit in einem Jahr verbraucht wird. Die Energie, die wir von der Sonne erhalten, besteht aus elektromagnetischer Strahlung oder elektromagnetischen Feldern (EMF), die als Sonnenstrahlung bezeichnet werden und aus sichtbarem Licht, ultraviolettem Licht (UV) und infrarotem Licht (IR) bestehen. Die Sammlung dieser Lichtwellen, die auf die Erdoberfläche übertragen und dort abgegeben werden, wird im Allgemeinen als "Sonnenlicht" bezeichnet. Eine Einführung in Lichtwellen und EMF finden Sie in der Referenz "Demystifying EMF".

Sonnenstrahlung oder Solarenergie können als natürliche Ressource betrachtet werden, ähnlich wie fossile Brennstoffe wie unterirdische Kohle-, Öl- und Erdgasreserven. Der Hauptunterschied besteht darin, dass die Sonne jeden Tag kostenlos Sonnenstrahlung erzeugt, während die Herstellung fossiler Brennstoffe Millionen von Jahren dauerte, indem prähistorische kohlenstoffbasierte Stoffe unter hohen Drücken und bestimmten Bedingungen umgewandelt wurden. Ersteres wird daher als „erneuerbar“ und letzteres als „endlich“ betrachtet. Das US-amerikanische Energieministerium (Department of Energy, DOE) legt diese Definition der Sonnenstrahlung fest:

„Sonnenstrahlung, oft als solare Ressource bezeichnet, ist ein allgemeiner Begriff für die von der Sonne emittierte elektromagnetische Strahlung. Sonnenstrahlung kann mithilfe verschiedener Technologien eingefangen und in nützliche Energieformen wie Wärme und Strom umgewandelt werden. “-DOE

Ein Beispiel für eine Technologie, die Sonnenstrahlung in Elektrizität umwandelt, ist die Photovoltaik (PV) über den photoelektrischen Effekt. Albert Einstein verdankt seine Beiträge zur Quantenmechanik, die unser Verständnis des photoelektrischen Effekts erweitert haben.

In hohem Maße kann der photoelektrische Effekt als Umwandlung von Sonnenstrahlung in elektrische Energie (Elektrizität) verstanden werden. Sonnenstrahlung transportiert Energie in diskreten Paketen über Energieteilchen, die als Photonen bezeichnet werden (siehe hier für eine Übersicht über das Photon). Photonen des sichtbaren Lichts sind dieselben Energieteilchen, die Menschen mit unseren Augen sehen. Wenn dieselben Photonen auf eine Platte aus Metall oder Halbleitermaterial (z. B. ein Solarpanel) gerichtet werden, regen sie (über die Energieübertragung) Elektronen in dem Plattenmaterial an. Die angeregten Elektronen werden frei (von den Atomen, die sie zuvor umkreisten), um um das Material zu schwimmen.

Der oben beschriebene Prozess ist der photoelektrische Effekt, den wir nutzen, indem wir einen Draht mit dem angeregten Material verbinden. Wenn die Kabelverbindung einen geschlossenen Stromkreis bildet, fließen die freien Elektronen durch den Stromkreis, um Gleichstrom (DC) zu erzeugen, wobei die Leistung in Watt (W) oder Wattstunden (Wh) gemessen werden kann. Weitere Informationen zum Unterschied zwischen W und Wh finden Sie hier. Eine typische Stromrechnung verwendet die Einheiten von Kilowattstunden (kWh), die 1000 Wh betragen.

Vorteile der Sonnenenergie

1. $ 0 Kraftstoffkosten

Sonnenstrahlung (Solarenergie) ist verfügbar, wenn die Sonne scheint und die Nutzung null Dollar kostet. Aus wirtschaftlicher Sicht ist die Nutzung der Sonnenenergie attraktiv, da der zur Stromerzeugung benötigte Brennstoff (Sonnenlicht) kostenlos ist. Dies bedeutet, dass nach der Installation einer Solaranlage (z. B. Sonnenkollektoren auf einem Dach) die Erzeugung der nächsten Kilowattstunde (kWh) Energie null Dollar kostet. The Sun stellt Kunden keine Stromrechnung aus.

Im Gegensatz dazu kostet die Verwendung fossiler Brennstoffe (z. B. Kohle, Öl, Erdgas) zur Stromerzeugung immer etwas, um Kraftstoff aus dem Boden zu gewinnen (abzubauen oder zu bohren) oder Kraftstoff von einem Lieferanten zu kaufen, der die Gewinnungskosten verursacht hat. Das Konzept ähnelt dem Betanken Ihres Fahrzeugs mit Benzin. Es fallen immer die Kraftstoffkosten für den Betrieb eines benzinbetriebenen Fahrzeugs an. Vergleichen Sie dies jetzt mit einem Elektrofahrzeug (EV), das Sie zu Hause mit Solarzellen aufladen. Nachdem Sie die Sonnenkollektoren installiert haben, kostet das Aufladen Ihres Elektrofahrzeugs nichts, es ist kostenlos - die Kraftstoffkosten betragen 0 USD. Ein Benzinmotor kann mit einem Elektrofahrzeug in Bezug auf die Kraftstoffkosten nicht auf rein wirtschaftlicher Ebene mithalten.

2. Null Emissionen:

Kohlendioxid (CO2) ist ein Treibhausgas (GHG), und Treibhausgase heizen die Erde auf, weil sie Energie aufnehmen und abgeben. Quellen, die diese Aussage bestätigen, sind hier, hier, hier und das interne Exxon-Dokument mit dem Titel „The Greenhouse Effect“.

Die Verbrennung fossiler Brennstoffe setzt CO2 als Nebenprodukt (Gas) frei. Die folgenden chemischen Reaktionen sind für Anfänger gedacht und ohne Chemieabschluss leicht verständlich.

Generische Verbrennungsgleichung zur Verbrennung fossiler BrennstoffeVerbrennungsgleichung zur Verbrennung des fossilen Brennstoffs Methan (Erdgas)

Fossile Brennstoffe müssen verbrannt werden, um ihre chemische Energie freizusetzen, damit sie in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Dadurch wird immer CO2 freigesetzt. Der photoelektrische Effekt erzeugt dagegen keine Emissionen. Es muss nichts verbrannt werden, um Sonnenenergie in Strom umzuwandeln. Die Photonen der Sonne werden elegant von einem Solarpanel absorbiert, das Elektronen zur Stromerzeugung anregt - keine Emissionen, kein CO2.

Aus wirtschaftlicher und ökologischer Sicht ist es daher von Vorteil, möglichst viel Sonnenenergie zu nutzen.

Die Herausforderung

Die Vorteile der Nutzung von Sonnenenergie liegen auf der Hand, es sind jedoch einige Herausforderungen zu bewältigen.

1. Intermittency

Solarenergie kann nur dann in elektrische Energie umgewandelt werden, wenn Photonen von der Sonne die Erde erreichen und mit einer Technologie (z. B. einem Solarpanel) interagieren, die Sonnenenergie in Elektrizität umwandeln kann. Das heißt, wenn die Sonne nicht scheint oder eine Wolke vor der Sonne vorbeizieht, wird kein Strom erzeugt.

2. Belastung des Energienetzes: Über- / Unterversorgungsbedingungen

Im Allgemeinen erzeugt und liefert das Stromnetz in den USA Strom, der dem Bedarf in Echtzeit entspricht. Wenn ein Haus 1 kW Strom für eine Stunde benötigt, weist das Stromnetz ein Kraftwerk (z. B. Solar-PV oder fossiler Brennstoff) an, 1 kWh zu produzieren und an das Haus zu liefern. Wenn das Kraftwerk zufällig 3 kWh Strom produziert, werden 2 kWh verschwendet und nicht verwendet, da das Haus nur 1 kWh benötigte - dies ist eine Überversorgung. Wenn das Kraftwerk nur 0,5 kWh produzieren kann, hat das Haus einen Stromausfall oder -mangel - dies ist eine Unterversorgung.

Die Über- / Unterversorgungsszenarien werden verstärkt, wenn die Durchdringung mit erneuerbaren Energien zunimmt. Um zu verstehen, warum wir uns ein paar vereinfachte Szenarien ansehen. Die folgenden Zahlen geben keine tatsächlichen Prozentsätze wieder und wurden ausgewählt, um die allgemeinen Konzepte zu veranschaulichen.

Szenario 1: Das Energienetz besteht zu 1% aus Solaranlagen und zu 99% aus Anlagen für fossile Brennstoffe.

Szenario 2: Das Energienetz besteht zu 15% aus Solaranlagen und zu 85% aus Anlagen für fossile Brennstoffe.

Szenario 3: Das Energienetz besteht zu 60% aus Solaranlagen und zu 40% aus Anlagen für fossile Brennstoffe.

Szenario 4: Das Energienetz besteht zu 90% aus Solaranlagen und zu 10% aus Anlagen für fossile Brennstoffe.

Wenn es in Szenario 1 ein bewölkter Tag ist und die Solar-PV-Anlagen keinen Strom produzieren können, werden die fossilen Kraftwerke 1% mehr Leistung aus ihren Generatoren herauspressen, um sie unterzubringen. Es treten keine Probleme auf.

Wenn in Szenario 2 eine Wolke 30 Minuten lang vor der Sonne vorbeizieht, können sich Kraftwerke mit fossilen Brennstoffen wahrscheinlich wieder anpassen. Wenn die Sonne jedoch einen ganzen Tag lang nicht scheint, kann dies zu Belastungen wie höheren Energiekosten und Engpässen führen. Szenario 2 ist wahrscheinlich in Ordnung (was bedeutet, dass der Durchschnittskunde kein Problem bemerkt), aber das Energienetz fängt an, den Stress zu spüren, der mit Schwierigkeiten verbunden ist, das Angebot unter bestimmten Bedingungen an die Nachfrage anzupassen.

Szenario 3 ist, wenn das Energienetz und die Kunden mit einem Problem rechnen müssen. Wenn 60% der Energienetzressourcen (z. B. Solar-PV) aufgrund fehlenden Sonnenlichts nicht verfügbar sind, können die anderen 40% der Anlagen für fossile Brennstoffe die Differenz nicht ausgleichen, da die Nachfrage die maximale Kapazitätsbewertung (Angebot) bei weitem übersteigt vorhanden) der Anlagen für fossile Brennstoffe. Szenario 3 ist ein vereinfachtes Beispiel für ein unzureichendes Angebot mit einem hohen Anteil erneuerbarer Energien.

Verwenden wir Szenario 4, um eine Überversorgung zu verstehen (obwohl diese Bedingung unter bestimmten Umständen auch in den Szenarien 1 bis 3 vorliegen kann). Bedenken Sie, dass es ein sonniger Tag ist und es ein früher Nachmittag ist, an dem die Intensität der Sonnenenergie ihren Höhepunkt erreicht. Heutzutage ist es nicht ungewöhnlich, dass Solar-PV-Anlagen in diesen Zeiten gekürzt werden. Kürzung bedeutet, dass die Solar-PV-Anlage zu viel Energie produziert, als das Stromnetz benötigt, und die überschüssige Energie verschwendet wird, anstatt in das Stromnetz eingespeist zu werden.

Nehmen wir zum Beispiel an, an einem bestimmten Tag kann eine Solar-PV-Anlage von 13:00 bis 14:00 Uhr 100 kWh erzeugen, aber in dieser Stunde werden nur 80 kWh benötigt. Dann fordert das Energienetz die Solar-PV-Anlage auf, ihre Leistung auf 80 kWh zu reduzieren, und die anderen 20 kWh gehen für immer verloren - niemals, um eine Glühbirne anzuzünden oder ein Gerät zu betreiben.

Wir können sehen, wie die inhärente Wechselwirkung erneuerbarer Energiequellen wie Solarenergie zu einer Belastung des Energienetzes führt, die durch Über- / Unterversorgungsbedingungen entsteht. Dies ist die genaue Herausforderung, die gelöst werden muss. Um eine hohe Durchdringung mit erneuerbaren Energien zu erreichen, muss die Intermittenz erneuerbarer Energiequellen gemindert werden.

Beachten Sie, dass bis zu diesem Punkt Solarenergie im Mittelpunkt stand, die gleichen Konzepte jedoch auch für andere intermittierende erneuerbare Energiequellen wie Windenergie gelten.

Die US-Stromerzeugung nach Quellen im Jahr 2018 stellte sich wie folgt dar:

Erneuerbare Energien (Solar-PV, Windkraft, Wasserkraft usw.): 17,1%

Fossile Brennstoffe (Kohle, Öl, Erdgas usw.): 63,5%

Sonstige (nukleare und andere Quellen): Saldo in%

Energiespeicher betreten

Der Schlüssel zur Lösung der Herausforderung der Unterbrechung erneuerbarer Energien besteht darin, wie elektrische Energie unter Überversorgungsbedingungen für die Verwendung unter Unterversorgungsbedingungen gespeichert werden kann. Anstatt eine Solar-PV-Anlage während einer Überversorgung zu drosseln und diese Energie für immer zu verschwenden, was wäre, wenn wir sie zur späteren Verwendung speichern könnten, wenn es eine Unterversorgung gab? Verwenden Sie beispielsweise die Energie, die tagsüber und nachts erzeugt wird. Wenn das Energienetz die intermittierende Energie speichern kann, kann sie bei Bedarf verwendet werden - die Ressource wird jetzt dispositionsfähig (dispositionsfähige Ressource).

Energiespeicher (ES) oder Energiespeichersysteme (ESS) sind dispositionsfähige Ressourcentechnologien, die Energie für eine spätere Umwandlung in elektrische Energie speichern können.

Es gibt eine Vielzahl von ESS-Technologien. Ein weit verbreitetes ESS, mit dem die meisten Menschen vertraut sind, ist ein Lithium-Ionen-Akku (Li-Ion) von Herstellern wie Tesla (für Privathaushalte, gewerbliche Zwecke, Versorgungsunternehmen), LG Chem, Panasonic und Samsung SDI. Es ist wichtig zu beachten, dass Li-Ion nur eine Untergruppe der Batterietechnologiekategorie ist. Beispiele für andere Batterietechnologien sind eine Vielzahl chemischer Verfahren wie Metall-Luft- oder Durchflussbatterien. Darüber hinaus sind Batterien nur eine Teilmenge der breiteren ESS-Kategorie, zu der andere Technologien wie Schwungräder, Pumphydro-, Druckluft-, Eisbatterien, Wärmesalze usw. gehören.

Li-Ionen-Batterien spielen heutzutage eine wichtige Rolle, da sich die Technologie gut für Hochleistungsanwendungen mit kurzer Lebensdauer („Low-Hanging Fruit“) eignet und die Kostenkurve in den letzten zehn Jahren exponentiell abgenommen hat und wird voraussichtlich fortgesetzt. Li-Ion wird weiterhin eine Rolle spielen, aber um eine hohe Durchdringung mit erneuerbaren Energien zu erreichen, müssen wir andere Technologien einsetzen, die besser für energiereiche Anwendungen mit langer Lebensdauer geeignet sind.

Wenn es um ESS-Technologien geht, handelt es sich nicht um ein One-Size-Fits-All-, Winner-Takes-All- oder Nullsummenspiel. Das Energienetz erfordert verschiedene Arten von ESS für verschiedene Anwendungen. Lassen Sie uns zum besseren Verständnis die beiden Hauptkategorien für ESS überprüfen:

Kategorie 1: Hochleistung (kW), kurze Dauer (<4 Stunden)

Ein Beispiel für diese Anwendung ist der Tag, an dem in einer Stadt alle Klimaanlagen betrieben werden und das Energienetz etwa eine halbe Stunde lang einen starken Energieschub benötigt. Li-Ion ist für diese Anwendung gut geeignet.

Kategorie 2: Hochenergie (kWh), lange Dauer (> 4 Stunden)

Ein Beispiel für diese Anwendung ist das Laden eines ESS während des Tages, damit es über Nacht oder Tage entladen werden kann. Li-Ion funktioniert bei dieser Art von Anwendung nicht gut, es stehen jedoch viele andere energiereiche Optionen mit langer Lebensdauer zur Auswahl (siehe unten).

Die Durchflussbatterietechnologie ist ein Beispiel für ein energiereiches, langlebiges ESS, das sich voraussichtlich gut skalieren lässt und eine vorteilhafte Option für Energieversorger darstellt, wenn versucht wird, eine hohe Durchdringung erneuerbarer Energien zu erreichen.

Um die Technologie zusammenzufassen, verwendet eine Durchflussbatterie Elektrolytlösungen in zwei Tanks. Ein Tank enthält eine Lösung mit negativ geladenen Ionen und der andere mit positiv geladenen Ionen. Wenn die beiden Lösungen durch eine Brennstoffzelle geleitet werden, kommt es zu einem Austausch, der dazu führt, dass Elektronen durch einen geschlossenen Kreislauf fließen, wodurch Gleichstrom fließt. Weitere Informationen zu Durchflussbatterien finden Sie unter „Giant Flow-Batterien könnten Ihre Stadt in Zukunft mit Strom versorgen“ von Seeker.

Die Flow-Batterie-Technologie ist nur ein Beispiel für eine energiereiche, langlebige ESS-Option. Nachfolgend finden Sie eine nicht vollständige Liste einiger anderer:

Pumpspeicherkraftwerk (oder "Pumpspeicherkraftwerk")

Die Idee ist, Wasser einen Hügel hinauf zu einem Damm oder Tank zu pumpen, wenn der Strom billig ist (z. B. während des Tages, wenn die Sonnenenergie im Überfluss vorhanden ist). Wenn Strom benötigt wird (z. B. nachts) oder teuer ist (z. B. zu Spitzenzeiten, wenn Klimaanlagen laufen), kann Wasser aus dem Tank oder Damm über die Schwerkraft abgelassen werden. Wenn das Wasser durch die Schwerkraft bergab gezogen wird, passiert es einen turbinengekoppelten Generator, der sich dreht, um Elektrizität zu erzeugen.

In ähnlicher Weise sind Staudämme wie der Hoover-Staudamm ein Beispiel für eine großflächige 2-Giga-Watt-Wasserbatterie (GW), die mit Turbinengeneratoren ausgestattet ist.

Druckluftspeicher (CAES)

CAES hat ähnliche wirtschaftliche und betriebliche Konzepte wie Pumped-Hydro, mit der Ausnahme, dass Sie Druckluft unter Tage pumpen und die gespeicherte Energie des Druckgases zum Drehen eines turbinengekoppelten Generators zur Stromerzeugung verwenden.

Die Zukunft nutzen

Der Weg für das Energienetz der Zukunft ist unkompliziert. Um die CO2-Emissionen zu reduzieren und die Auswirkungen des Klimawandels zu mildern, sind hohe Durchdringungen erneuerbarer Energiequellen erforderlich. Darüber hinaus weisen erneuerbare Energien im Vergleich zu fossilen Brennstoffen geringere Energiekosten auf. Diese beiden Faktoren - Umwelt und Wirtschaftlichkeit - tragen dazu bei, dass erneuerbare Energien Vorrang vor fossilen Brennstoffen haben müssen.

Um eine hohe Durchdringung erneuerbarer Energien bei gleichzeitiger Minderung der Intermittenz zu erreichen, muss eine Kombination von 1) Hochleistungs-, Kurzzeit- und 2) Hochenergie-Langzeit-ESS-Technologien gemeinsam eingesetzt werden. Die Technologien existieren heute und sind einsatzbereit. Schließlich sollten private und staatliche Investitionen zur Finanzierung von Forschungs- und Entwicklungsbemühungen für ESS-Technologien der nächsten Generation verwendet werden.

Weitere Informationen zum Klimawandel finden Sie in der Anleitung für Anfänger unter „Wie man den Klimawandel mit Familie und Freunden bespricht“ mit Diskussionspunkten, Fragen, Referenzen und Zahlen.

Nathaniel Enders auf LinkedIn