Bewertung der Kosten für Langzeitspeichersysteme in Kalifornien

Der Bedarf, die Kohlenstoffemissionen im Energiesektor zu reduzieren, wird immer dringlicher. Das hat dazu geführt, dass wir uns auf erneuerbare Energiequellen wie Wind- und Solarenergie in unseren Stromsystemen konzentrieren. Während erneuerbare Energien der Umwelt helfen, bringen sie auch Herausforderungen mit sich, da ihre Verfügbarkeit unvorhersehbar sein kann. Langzeit-Energiespeichersysteme (LDES) könnten eine wertvolle Lösung bieten, indem sie überschüssige Energie speichern, wenn sie produziert wird, und sie in Zeiten mit hoher Nachfrage oder wenn Erneuerbare Quellen nicht genug Strom erzeugen, bereitstellen.

Dieser Artikel diskutiert eine neue Methode zur Schätzung der Kosten von LDES-Systemen, um zu sehen, ob sie wirtschaftlich tragfähig sein können in einer Zukunft, in der saubere Energie Priorität hat. Der Fokus liegt auf Kalifornien, das sich ehrgeizige Ziele gesetzt hat, um Kohlenstoffemissionen zu reduzieren und zu erneuerbaren Energien zu wechseln. Das Verständnis der Kosten und potenziellen Vorteile von LDES kann Politikern und Energieplanern helfen, bessere Entscheidungen über Investitionen in diese Technologien zu treffen.

#Der Bedarf an Dekarbonisierung

Der Klimawandel ist ein zunehmendes Problem weltweit, das Länder dazu bringt, sich zur Reduzierung der Treibhausgasemissionen zu verpflichten. In den USA ist das Ziel, die emissionsbezogenen Energien bis 2030 um 25 % bis 38 % gegenüber 2005 zu reduzieren. Kalifornien hat sich noch aggressivere Ziele gesetzt und strebt an, dass bis 2030 60 % seiner Energienachfrage aus erneuerbaren Quellen stammen und bis 2045 Kohlenstoffneutralität erreicht wird.

Langzeit-Energiespeichersysteme sind entscheidend, um diese Dekarbonisierungsziele zu unterstützen. Sie bieten eine Möglichkeit, Energie aus erneuerbaren Quellen zu speichern, sodass sie bei Bedarf verfügbar ist, was für ein zuverlässiges Energiesystem wichtig ist. Es ist wichtig, die Kosten zu bestimmen, ab denen LDES wirtschaftlich tragfähig wird, um diese Ziele zu unterstützen.

#Herausforderungen mit erneuerbaren Energien

Erneuerbare Energiequellen wie Solar- und Windenergie sind entscheidend für die Reduzierung von Kohlenstoffemissionen, bringen jedoch auch Herausforderungen mit sich. Traditionelle Stromsysteme wurden entwickelt, um mit stabilen und zuverlässigen Energiequellen wie Kohle oder Erdgas zu arbeiten. Die Variabilität erneuerbarer Energien bedeutet, dass Stromsysteme mit Schwankungen im Energiesupply konfrontiert sind, was irgendeine Form von Speicherung erfordert, um das System auszugleichen.

Energiespeichersysteme können helfen, diese Variabilität zu managen, indem sie Strom speichern, wenn er reichlich vorhanden ist, und ihn freigeben, wenn die Nachfrage hoch oder die Erzeugung erneuerbarer Energie niedrig ist. Momentan werden kurzfristige Energiespeichersysteme implementiert, um mit täglichen Schwankungen im Energiesupply umzugehen. Diese Systeme können jedoch typischerweise keine Unterstützung über längere Zeiträume bieten, wenn die Erzeugung aus erneuerbaren Quellen niedrig ist.

Wenn wir auf ein vollständig dekabornisiertes Energiesystem zusteuern, wird es Lösungen brauchen, die die langfristige Unterstützung bieten, die notwendig ist, wenn konventionelle Kraftwerke abgeschaltet werden.

#Die Rolle von Langzeit-Energiespeicherung

Langzeit-Energiespeichersysteme bieten eine Lösung, um das Energiesupply über längere Zeiträume auszugleichen. Sie können überschüssige erneuerbare Energie für Tage oder sogar Wochen speichern, sodass sie bei Bedarf genutzt werden kann. Allerdings sind viele LDES-Technologien noch in der Entwicklung, und ihre Kosten sind noch nicht gut definiert, was es schwierig macht, ihre Rolle in zukünftigen Energiesystemen zu bewerten.

Um informierte Entscheidungen über Investitionen in LDES zu treffen, ist es notwendig, die Kosten zu schätzen, ab denen diese Technologien wirtschaftlich tragfähig werden. Dazu gehört das Verständnis, wie die Kosten von LDES im Vergleich zu den Kosten traditioneller Erzeugungsquellen stehen können.

#Überblick über Langzeit-Energiespeichertechnologien

Langzeit-Energiespeichertechnologien können in vier Hauptkategorien eingeteilt werden:

1. Mechanisch: Dazu gehören Technologien wie Pumpspeicherkraftwerke und Druckluftenergiespeicherung, die physikalische Geräte zur Speicherung und Freigabe von Energie nutzen.

2. Chemisch: Diese Kategorie umfasst Wasserstoffspeicher, die chemische Prozesse zur Speicherung von Energie in Form von Wasserstoff nutzen.

3. Elektrochemisch: Beispiele sind Flow-Batterien und Lithium-Ionen-Batterien, die chemische Reaktionen zur Speicherung und Freigabe von Strom nutzen.

4. Thermal: Diese Art umfasst solarthermische Energiespeichersysteme, die Energie in Form von Wärme speichern.

Jede dieser Technologien hat ihre eigenen Kosten- und Leistungsmerkmale, die bei der Planung von Langzeit-Energiespeicherung berücksichtigt werden müssen.

#Bedarf an einer systematischen Methodik

Aktuell gibt es keinen klaren Konsens über die beste Methode zur Bereitstellung von Langzeit-Energiespeicherdiensten, noch gibt es ein klares Verständnis der Kostenschwellen, die für eine signifikante Akzeptanz dieser Technologien erforderlich sind. Die Kosten für weit verbreitete Technologien wie Lithium-Ionen-Batterien können hoch sein, wenn sie für Langzeitanwendungen eingesetzt werden.

Um Politiken zu unterstützen, die wirtschaftlich tragfähige LDES-Systeme zum Ziel haben, ist eine systematische Methodik erforderlich, um die Zielkosten zu bewerten. Das wird sicherstellen, dass Entscheidungsträger die notwendigen Informationen haben, um LDES-Optionen effektiv zu bewerten.

#Bewertungsmethodik für Langzeit-Energiespeicherung

Die vorgeschlagene Methodik besteht aus zwei Hauptmodellen: einem Basislinienmodell und einem Modell zur Maximierung des Opportunitätswerts. Das Basislinienmodell schätzt die Gesamtsystemkosten ohne LDES, während das Opportunitätswertmodell berechnet, wie viel LDES die Systemkosten senken kann.

#Basislinienmodell

Das Basislinienmodell konzentriert sich darauf, die Gesamtsystemkosten zu minimieren, ohne politische Vorgaben zur Stilllegung bestimmter Technologien zu berücksichtigen. Das Hauptziel ist es, zu definieren, wie die Systemkosten aussehen, solange traditionelle Energiequellen noch genutzt werden.

#Modell zur Maximierung des Opportunitätswerts

Das Modell zur Maximierung des Opportunitätswerts zielt darauf ab, die maximalen Technologiekosten für LDES zu bestimmen, die es ermöglichen, die Gesamtkosten unterhalb einer Zielschwelle zu halten, während technische Einschränkungen eingehalten werden, die im Basislinienmodell festgelegt wurden. Dieses Modell hilft, die wirtschaftliche Tragfähigkeit von LDES basierend auf dem maximalen Opportunitätswert, den es für das System generiert, zu identifizieren.

#Fallstudie: Kalifornien

Die Fallstudie evaluiert die Rolle von LDES bei der Unterstützung Kaliforniens, seine Dekarbonisierungsziele bis 2050 zu erreichen. Gas-Kraftwerke liefern derzeit essenzielle feste Energie, um die Variabilität der erneuerbaren Ressourcen auszugleichen. Während Kalifornien sich von Gas abwendet, könnte LDES als alternative feste Energiequelle dienen, die benötigt wird, um die Systemzuverlässigkeit aufrechtzuerhalten.

#Daten und Methodik

Die Daten für diese Studie wurden aus verschiedenen zuverlässigen Quellen gesammelt, um das Energiesystem Kaliforniens im Jahr 2050 zu projizieren. Dazu gehören Informationen über die Energienachfrage, Erzeugungstechnologien und damit verbundene Kosten. Die Analyse ist um die grossen Ausgleichsbereiche Kaliforniens strukturiert und verwendet eine stündliche Auflösung, um die Leistung umfassend zu bewerten.

#Ergebnisse und Erkenntnisse

Die Analyse zeigt, dass mindestens 8,7 GW an 100-Stunden-LDES-Kapazität erforderlich sein werden, um Gas-Kraftwerke zu ersetzen und die Gesamtsystemkosten vergleichbar mit dem aktuellen System zu halten. Wenn die Kapazität von LDES steigt, sinken die Gesamtsystemkosten, was die wirtschaftlichen Vorteile von Investitionen in LDES-Technologien verdeutlicht.

Die Grenzkosten – definiert als die maximal zulässigen Kosten für LDES, während die wirtschaftliche Tragfähigkeit gewährleistet ist – variieren je nach der Menge der hinzugefügten Kapazität. Sie steigen zunächst an, wenn mehr LDES-Kapazität in das System eingeführt wird, beginnen jedoch zu sinken, sobald eine bestimmte Schwelle erreicht ist.

#Wirtschaftliche Auswirkungen von Langzeit-Energiespeicherung

Die wirtschaftlichen Ergebnisse zeigen, dass LDES eine entscheidende Rolle bei der Senkung der Gesamtsystemkosten spielen kann, wodurch sie ein Schlüsselspieler im Übergang zu einem dekarbonisierten Energiesystem werden. Der Wert, der aus diesen Systemen abgeleitet wird, steigt, wenn mehr Kapazität hinzugefügt wird, was eine robustere Unterstützung des gesamten Netzes ermöglicht.

Diese Informationen sind entscheidend, um Entscheidungsträger darüber zu informieren, wie viel Investitionen in LDES erforderlich sind, um die Ziele für saubere Energie effektiv zu erreichen.

#Operative Beiträge von Langzeit-Energiespeicherung

Betriebsdaten veranschaulichen die Fähigkeit von LDES, erheblich zum Energiesystem beizutragen. Die Fähigkeit von LDES, Energie aus erneuerbaren Quellen während der Spitzenproduktionszeiten zu speichern und sie freizugeben, wenn die Nachfrage hoch ist, macht es zu einer wichtigen Ressource.

#Integration erneuerbarer Energien

Wenn die LDES-Kapazität erhöht wird, wird die Abhängigkeit von traditionellen Gaskraftwerken verringert. Diese Verschiebung ermöglicht einen grösseren Fokus auf erneuerbare Energien und führt zu einem effizienten und nachhaltigen Energiesystem. Die operativen Ergebnisse bestätigen, dass LDES-Systeme helfen, die Leistung aus erneuerbaren Quellen auszugleichen und die notwendige feste Erzeugungsunterstützung bereitzustellen.

#Fazit

Die Untersuchung von Langzeit-Energiespeichersystemen hat ihre Bedeutung für das Erreichen der Dekarbonisierungsziele hervorgehoben, insbesondere in einem Bundesstaat wie Kalifornien. Durch die Bereitstellung einer systematischen Methodik zur Schätzung der mit LDES verbundenen Kosten bietet diese Arbeit wertvolle Einblicke für Politiker und Energieplaner.

Während der Übergang zu erneuerbaren Energien weitergeht, wird es entscheidend sein, die Ökonomie und operativen Beiträge von LDES zu verstehen, um eine nachhaltige Energiezukunft zu gestalten. Die Ergebnisse zeigen, dass, selbst bei den hohen anfänglichen Kosten, LDES-Technologien die Gesamtsystemkosten erheblich senken können, was sie zu einer vielversprechenden Option für ein saubereres und zuverlässigeres Energiesystem macht.