Häufig gestellte Fragen zu erneuerbaren Energien, Teil 2

Nachdem wir im ersten Teil die Probleme mit erneuerbaren Energiequellen (EE) betrachtet hatten, die bis vor kurzem als ernstes Hindernis für ihre Entwicklung galten, aber anschließend beseitigt oder geschwächt wurden, kamen wir zu den heute relevanten Problemen erneuerbarer Energien.


Schwimmendes chinesisches Solarkraftwerk

U: Die grundlegende Variabilität und Unkontrollierbarkeit der Erzeugung erneuerbarer Energien begrenzt ihren Anteil am Energiesystem auf 10 bis 20%. Danach beginnen Unfälle und Stromausfälle.

A: Anfänglich können alle großen Stromnetze Produktion und Nachfrage optimieren - auf einer Skala von 5 bis 10% innerhalb von Minuten und auf einer Skala von 30 bis 70% während des Tages. Durch die Automatisierung dieses Prozesses können Sie problemlos kleine Anteile der Erzeugung erneuerbarer Energie in das Netzwerk einbetten, z. B. 10% der Jahresproduktion in konzentrierten Quellen oder 20% im gesamten Netzwerk.

Mit einer weiteren Zunahme der Durchdringung variabler erneuerbarer Energien beginnen die Probleme zu wachsen, da die Kompensationsfähigkeiten von gesteuerten Generatoren erschöpft sind.


Anteil der erneuerbaren Energieerzeugung in Deutschland nach Jahren. Etwa 6-7 Prozentpunkte sind hier Wasserkraft und weitere 5% - thermische Biomassekraftwerke.

Bis zum Anteil der veränderbaren erneuerbaren Energien am jährlichen Gesamtverbrauch von 25 bis 30% gibt es jedoch genügend technische Lösungen: Implementierung von Wettervorhersagesystemen in der Versandkontrolle (= Erzeugung von erneuerbaren Energiequellen), Modernisierung von Wärmekraftwerken zur Erhöhung der Kapazitätsänderungsrate, Hinzufügen neuer Stromleitungen und Umspannwerke, um die Möglichkeiten für Stromflüsse zu erhöhen.

In Deutschland hat sich der durchschnittliche Stromausfall pro Teilnehmer mit dem Anstieg des Anteils variabler erneuerbarer Energien von 8 auf 20% von 2010 bis 2015 fast nicht geändert - von 11,5 auf 12,2 Minuten pro Jahr (d. H. 2 Tausendstel Prozent der Zeit). . Die Kosten für diese Stabilität sind jedoch erheblich gestiegen, was wir im entsprechenden Abschnitt erörtern werden.

Wir können ein paar Worte über die technische Seite der Sache sagen. Traditionell basierte der Ausgleich des Netzes auf zwei Punkten - der synchronen Rotation aller Generatoren im Netzwerk, was zu einer anständigen Trägheit und Unempfindlichkeit gegenüber schnellen Laständerungen und einer aktiven Leistungsregelung führte, die es uns ermöglichte, langsame und groß angelegte Laständerungen (z. B. Tag-Nacht) zurückzugewinnen.



Die Erzeugung von erneuerbaren Energiequellen, beispielsweise Sonnenenergie, hat keine Trägheit, kann jedoch die für das Netzwerk erforderliche Frequenz, den Quellenwiderstand (d. H. Den zugeführten Strom) und die reaktiven Eigenschaften synthetisieren. Moderne Windgeneratoren können außerdem die Trägheit des Rotors einer Windkraftanlage nutzen, um die notwendige Trägheit des Netzwerks zu synthetisieren, obwohl diese Technik bisher nicht weit verbreitet ist.

Zusammen mit permanenten Kommunikationskanälen mit der Dispatcher-Steuerungssoftware können RES-Netze theoretisch den reibungslosen Betrieb des Stromnetzes unterstützen, obwohl aufgrund der Neuheit dieses Phänomens und der Komplexität des Phänomens weiterhin Probleme bestehen (z. B. trat im Februar 2017 in Australien ein großflächiges Ausbleichen auf Verletzung des korrekten Zusammenspiels von Netzen, Winderzeugung und Wärmekapazitäten)

Man kann vorsichtig sagen, dass die Geschwindigkeit der Umsetzung von erneuerbaren Energien zwar nicht sehr hoch ist, die technischen Probleme jedoch unbedeutend sind, abhängig von den Kosten für die Umstellung des Energiesystems des Landes auf erneuerbare Energien. Die Netzwirtschaft und der Versand haben Zeit, sich an die bestehende Situation anzupassen.

U: Um die Variabilität erneuerbarer Energien auszugleichen, werden unglaubliche Mengen an Energiespeichern benötigt - hunderte Male höher als ihre heutige Jahresproduktion. Ein Ausgleich ist also unmöglich.

A: Akkumulation ist der logisch einfachste Weg, mit Variabilität umzugehen - wir akkumulieren Energie für Wetterüberschüsse und geben für Mängel aus. Für die Sonne an guten Orten (wo der LCOE des Primärstroms der Paneele niedrig ist) verlässt die tägliche Akkumulation allmählich die Laboratorien vor Ort - die ersten Projekte erscheinen (zum Beispiel gibt es bereits ein paar Dutzend solcher Projekte) mit einer Paneelleistung von zehn Megawatt, einer Batteriekapazität von zehn und Hunderten von Megawatt * Stunden - im einfachsten Fall von „immer schönem Wetter“ reicht dies aus, um Kunden rund um die Uhr mit einer Kapazität von etwa 25-30% der installierten Kapazität des SB zu versorgen.

Probleme beginnen, wenn wir versuchen, die kontinuierliche Stromversorgung für „einen schönen sonnigen Sommertag“ zu erweitern.


Änderungen der theoretischen Leistung des SB-Moduls während des Jahres (Tag des Jahres entlang der unteren Achse) in Abhängigkeit vom Breitengrad der Installation.

Selbst auf den ersten Blick auf die jährlichen Pläne zur Erzeugung erneuerbarer Energien wird ihre Saisonalität sichtbar, beispielsweise für Solarkraftwerke in Deutschland, die einen 30-fachen (!) Unterschied zwischen dem Sommergipfel und dem Winterminimum erreichen. Dies bedeutet, dass Sie entweder einen beeindruckenden Überschuss an erneuerbarer Energie (7 oder vielleicht 10 Mal) aufbauen oder Sommerenergie für den Winter speichern müssen.


Wöchentlicher Produktionsplan für erneuerbare Energien in Deutschland im Jahr 2017. Der Unterschied in der Sonne zwischen der schlechtesten Woche (51) und der besten (22) erreicht 53 Mal.

Im saisonalen Speicherszenario machen die aus den Modellen für Länder mittlerer Breiten erhaltenen Batteriegrößen mehrere Prozent des jährlichen Energieverbrauchs für den Anteil der Erzeugung erneuerbarer Energie in der Region von 60 bis 85% aus. Ein paar Prozent für Deutschland zum Beispiel sind 10,15 TWh * h, obwohl die weltweite Produktion von Lithium-Ionen-Batterien heute etwa 0,25 TW * h pro Jahr beträgt. Selbst kolossale Zahlen für die USA und China - wir können über 50 ... 200 TW * h sprechen. Darüber hinaus sind diese Zahlen für einen bestimmten Variabilitätsmix optimiert, weil Im Fall von Deutschland spielt beispielsweise die Antikorrelation der Saisonalität von Wind und Sonne (siehe Grafik oben) eine Rolle bei der Reduzierung der Akkumulationsgröße.

Andererseits gibt es in diesen Zahlen nichts grundsätzlich Unmögliches - es gibt genug Lithium auf dem Planeten, um solche Mengen an Megabatterien zu bauen, die Menschheit weiß auch, wie man Fabriken baut. Fragen werden durch den Preis einer solchen Entscheidung aufgeworfen, aber mehr dazu weiter unten.

Die Situation mit einer möglichen Speicherung von Elektrizität in Pumpspeicherkraftwerken (PSPPs) ist etwas besser - hier finden Sie viele natürliche und künstliche Formationen , mit denen Sie die erforderlichen Strommengen speichern können, aber solche Orte sind sehr ungleichmäßig über den Planeten verteilt, und wenn große Länder wie die Vereinigten Staaten wahrscheinlich damit fertig werden Mit der Frage der Akkumulation, ohne die Produktion von Lithium-Ionen-Batterien um den Faktor 1000 zu erhöhen, wäre es nicht möglich, eine solche PSP in Europa zu schaffen.


In Chile entwickeln sich aktiv Solarspeicherprojekte

Schließlich gibt es für Solarkraftwerke eine Variante von Solarthermiekraftwerken mit Wärmespeicher - diese Technologie entwickelt sich und verspricht rund um die Uhr Strom zu einem erschwinglichen Preis, aber die Aussichten sind heute nicht ganz klar. Wenn die Probleme der Energieakkumulation mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien akuter werden, ist es möglich, dass einige von ihnen mit Hilfe von SES-Wärmespeichern genau angegangen werden.

Bisher versuchen sie, Ausgleichsprobleme auf kompromisslose Weise zu lösen - indem sie die Kompensationsmöglichkeiten anderer Arten von Stromerzeugern erweitern, spezielle „Spitzen“ -Gaskraftwerke bauen, lokale Batterien bauen und die Nachfrage nach „24-Stunden-erneuerbaren Energiequellen“ erhöhen - all diese Aktivitäten erhöhen den zulässigen Anteil der unkontrollierten Erzeugung in leicht elektrische Anlage.

Offensichtlich wird die Anzahl der Energiespeicherprojekte in Zukunft zunehmen, aber es wird sehr lange dauern, bis aufgrund der enormen Kluft zwischen dem derzeitigen Umfang der Umsetzung und den theoretischen Anforderungen eine gewisse Systematik und systemische Bedeutung auftritt.

U: Niemand berücksichtigt die tatsächlichen Kosten für den Ausgleich der RES-Variabilität im Stromnetz. Wenn diese Kosten steigen, werden die Pläne für die Einführung erneuerbarer Energien zusammenbrechen.

A: Ich habe bereits oben erwähnt, dass bis zu einem Anteil variabler erneuerbarer Energiequellen von 10 bis 20% die Kosten durch die eingebetteten Ausgleichsmechanismen der Energienetze gedeckt werden und daher unsichtbar sind. Wenn dieser Balken jedoch überschritten wird, beginnen sie zu wachsen.

Der zulässige Anteil alternativer Quellen kann durch herkömmliche Methoden erhöht werden - durch Einführung einer Prognose der Erzeugung erneuerbarer Energie für Stunden und Tage, Verbesserung der Manövrierfähigkeit der kontrollierten Erzeugung (Wärme-, Kern- und Wasserkraftwerke), Erhöhung der Anzahl der Netzanschlüsse und Kontrolle (wenn möglich) des Strombedarfs. Die Kosten für diese Lösungen sind laut der Studie (M. Joosa, I. Staffellb, 2018) recht hoch - die Netzwerkkosten in Deutschland und Großbritannien stiegen um + 60%, wobei der Anteil variabler erneuerbarer Energien von 8 auf 20% bzw. von 3 auf 14% stieg. Hier muss verstanden werden, dass die Kostenfunktion extrem nichtlinear ist - der Großteil der Kosten fällt zu Zeiten an, in denen die Kompensationsfähigkeiten des Stromnetzes die Grenze erreichen. Dieser Moment wird durch ein solches Bild gut veranschaulicht



Hier werden die Kosten der deutschen Stromnetzbetreiber für den Ausgleich wechselhafter Winde in Euro ausgedrückt. 2012 gaben sie 200 Millionen Euro für 50 TWh (4 Euro pro MWh - ein paar Prozent des LCOE des Windes) aus, und 2015, als es einen ungewöhnlich hohen Betrag gab - 1.100 Millionen Euro für 80 TW * h, t. e. 13,75 Euro pro MWh - mehr als 20% des LCOE-Windes in Deutschland im Jahr 2015.

Die Situation kann wie folgt dargestellt werden: Mit zunehmendem Anteil erneuerbarer Energien steigen die Systemkosten, und wenn der LCOE erneuerbarer Energien mit zunehmendem Volumen abnimmt, sinkt der LCOE des Systems zuerst und ab einem bestimmten Anteil wird er durch Wachstum ersetzt, und dieses Wachstum beschleunigt sich

Die Beschleunigung des Wachstums des System-LCOE mit dem Anstieg des Anteils erneuerbarer Energien kann anhand ziemlich offensichtlicher Details erklärt werden (ein großer Anteil erneuerbarer Energien wird vom System nicht akzeptiert, da dies nicht erforderlich ist, der KIUM der traditionellen Erzeugung sinkt, immer mehr Netze gebaut werden müssen usw.), aber im Allgemeinen kann dies erklärt werden allgemeiner: Die alte Struktur des Energiesystems wird für erneuerbare Energiequellen immer weniger optimal, und es muss ein neues gebaut werden, das für einen großen Anteil erneuerbarer Energiequellen optimiert ist. Da der Bau sehr teuer ist (wir können über mehrere jährliche BIP des Landes sprechen), sollte er über Jahrzehnte ausgedehnt werden. Und all diese Jahrzehnte wird das Stromversorgungssystem in einem nicht optimalen Modus arbeiten, d.h. Mittelfristiges System LCOE wird höher sein als langfristig. Dies sind gute und schlechte Nachrichten für Enthusiasten erneuerbarer Energien - einerseits ist das Licht am Ende des Tunnels sichtbar (und die Entwicklung von Technologien trägt zur Kostensenkung bei), andererseits warten schmerzhafte Jahrzehnte hoher Kosten auf die erneuerbaren Energiequellen, die nicht alle Länder ertragen können.

Die Kosten können von oben geschätzt werden - zum Beispiel kosten 10 TWh Lithium-Ionen-Batterien (zu leicht vielversprechenden Kosten) eine Billion Dollar, der Bau von transkontinentalen Stromleitungen in Europa im Maßstab von 200 GW - weitere Billionen Dollar, der Bau eines Terwatt Windkraftanlagen - weitere zwei Billionen und usw.

Auf diese Weise wird die folgende Abstufung erzielt: Fast alle Länder können sich heute 10 bis 20% der erneuerbaren Energieerzeugung leisten, und die südlichen und reichen oder an einzigartigen Orten gelegenen Länder können mehr zu Kosten leisten, die der traditionellen Erzeugung entsprechen oder sogar darunter liegen.

Ein Anteil von 40-50%, wenn Länder mit einer vorherrschenden Wasserkraft- oder Geothermieerzeugung zurückgeworfen werden können, können sich Länder, die reich oder einzigartig gut gelegen sind, leisten - dazu gehören Deutschland, Dänemark (das bereits fast 50% hat), Großbritannien, Kalifornien (als separates Land betrachtet) , Texas und auch Länder wie Saudi-Arabien, die Vereinigten Arabischen Emirate, Kuwait und andere Flutmonarchien.

Ein weiterer Anstieg des Anteils erneuerbarer Energien in diesen Ländern erfordert eine grundlegende Umstrukturierung der Netze und wird sich sehr lange hinziehen und über den Horizont zuverlässiger Trägheitsprognosen hinausgehen.

W: Okay, alles ist irgendwie sehr verwirrend, aber wie sehen die Aussichten für erneuerbare Energien aus? Werden sie alle anderen Quellen besiegen oder nicht?

A: Die Frage erfordert Kenntnisse über die Zukunft, die ich nicht besitze. Wenn Sie sich jedoch die Prognosen verschiedener Büros ansehen, können Sie sehen, dass Optimisten (Bloomberg NEF) glauben, dass der Anteil der veränderbaren erneuerbaren Energien bis 2050 48% an Elektrizität (etwa 24% an Primärstrom) und Pessimisten (British Petroleum) ~ 30 erreichen wird % (15%) mit einem heutigen Anteil von ~ 10% an der Stromerzeugung und etwa 4,5% an der Primärenergieerzeugung.


Bloombergs Prognose bezieht sich auf die Stromerzeugung (40-50% des gesamten Primärenergieverbrauchs, der Anteil wird steigen)


Die BP-Prognose deckt den Primärenergieverbrauch ab, sodass der Anteil erneuerbarer Energien hier geringer ausfällt und in mehrere Szenarien unterteilt ist.

Meiner Meinung nach können diese trägen Kompromissprognosen sicher in den Müll geworfen werden - auf jeden Fall die glatte Linie, die zwischen heute und 2050 gezogen wird. Die Entwicklung erneuerbarer Energien wird von vielen Faktoren bestimmt - wird es neue billige Batterien geben (bei einem Preis von 50 USD pro Kilowattstunde Batterie wird der Tagespreis der Sonne rund um die Uhr in den meisten Ländern der Welt gleich Gas / Kohle sein), wird das „Ende von Kohlenwasserstoffen“ oder neue Dinge wie Schiefer / Tiefseeöl oder die globale Erwärmung werden zu offensichtlich, um sie bremsen zu lassen ... In die andere Richtung, der Verlust der Popularität des „grünen“ Themas, die Müdigkeit der Wähler aufgrund der Kosten der „Energiewende“, wirtschaftlich Schwierigkeiten, Stagnation des Energieverbrauchs.


Eine weitere Prognose für BNEF-Batterien lautet 1291 GW (* h?) Von bis 2050 installierten Batterien, davon 40% lokal in Haushalten mit SB, 70 USD pro Kilowattstunde * des Batteriemoduls (heute liegt dieser Preis bei etwa 200 USD).

Letztendlich kennt die Geschichte viele ungerechtfertigte Energieprognosen - zum Beispiel haben sich die Prognosen für die Entwicklung der Kernenergie der 60er Jahre etwa verzehnfacht oder die Prognosen für die Entwicklung erneuerbarer Energien in Spanien bis 2020 vor 15 Jahren verdoppelt.

Das einzige, was vorhergesagt werden kann, ist, dass die Situation der absoluten RES-Dominanz in der Welt bis 2050 definitiv nicht eintreten wird , obwohl Bloomberg NEF für RES + hydro eine Prognose von 64% der gesamten Stromerzeugung liefert (was etwa 30-32% der Primärproduktion entspricht - heute geht es darum gleiche Anteile sind mit Kohle, Gas und Öl besetzt). Erst gegen Ende des 21. Jahrhunderts geben Trägheitsprognosen einen fast vollständigen Übergang zu erneuerbaren Energien, aber es ist absolut unmöglich, die Wahrscheinlichkeit vorherzusagen, dass dies geschehen wird.

U: Und was ist mit dem technologischen Durchbruch, neuen Sonnenkollektoren oder Superakkumulatoren - wie sehen die Aussichten hier aus? Vielleicht ist etwas am Horizont?

A: In den letzten 10 bis 15 Jahren wurden sehr ernsthafte finanzielle und personelle Ressourcen in die Suche nach Innovationen im Bereich erneuerbare Energien und Energiespeicherung gesteckt. Der Wettbewerb zwischen wissenschaftlichen Gruppen in diesem großen Bereich ist jedoch äußerst hart. Gruppen sind gezwungen, ihre Ergebnisse zu veröffentlichen, sodass Sie jede Woche von einem weiteren Durchbruch im Bereich Batterien oder etwas weniger hören können - im Bereich erneuerbare Energien.


Die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batterien kann durch einen Anstieg des spezifischen Energieverbrauchs (W * h pro Kilogramm) veranschaulicht werden. Obwohl die Punkte von einem Exponenten abgedeckt werden, weist das prognostizierte Rechteck höchstwahrscheinlich auf ein kontinuierliches Wachstum bis 2030 (1,66-fach) hin. Obwohl der spezifische Energieverbrauch nicht direkt mit den Kosten zusammenhängt, wirkt er sich auf ihn aus - weniger Materialien pro kWh - weniger Preis.

Unvoreingenommene Statistiken zeigen jedoch, dass die Anzahl der in diesem Bereich erteilten Patente nach dem Höchststand im Jahr 2015 abnimmt. Die beherrschende Stellung von polykristallinem Silizium SB auf dem heutigen Markt (während vor 10-5 Jahren 4-5 verschiedene Technologien gleiche Anteile hatten) und 2-3 sehr ähnliche strukturelle Arten von Windmühlen deuteten darauf hin, dass die technologische Konsolidierung erneuerbarer Energiequellen abgeschlossen ist. Dies bedeutet wiederum, dass in den Labors keine Optionen gefunden wurden, die einen Durchbruch gegenüber dem derzeitigen Niveau versprechen würden, und die Haupthersteller haben von der Suchforschung zur Optimierung gewechselt, wo es schwieriger ist, ein neues Patent zu erhalten.



Ein weiterer Faktor spielt hier eine Rolle. Der Preis für beispielsweise Solarstrom wurde viele Jahre lang von den Kosten eines Halbleiterpanels dominiert. Während der Boomjahre gingen diese Kosten jedoch so stark zurück, dass der Anteil des „Halbleiterteils“ auf <50% der Gesamtkosten von SES sank. Eine weitere Preissenkung hat ihre frühere Stärke verloren und wirkt sich nicht so stark auf LCOE aus, was bedeutet, dass der Markt nicht so stark nachfragt.


2018 in dieser Grafik ist eine Prognose, die noch nicht gerechtfertigt ist, der Preis ist auf dem Niveau von 16-17 eingefroren, was auch als wichtiger Moment in der Entwicklung der Technologie angesehen werden kann

Bedeutet dies, dass wir jetzt auf eine langweilige Entwicklung warten, wenn eine Verbesserung der Effizienz um 10% über 10 Jahre als super cooles Ergebnis angesehen wird? Diese Situation ist wahrscheinlich. Im Gegensatz zur Zivilluftfahrt besteht jedoch weiterhin die Möglichkeit, dass neue Technologien „schießen“. Zum Beispiel scheint es für LCOE nicht sinnvoll zu sein, den Preis für Panels um das Zehnfache zu senken. Dies bedeutet jedoch eine große Vereinfachung des Problems der Akkumulation und des Ausgleichs. Jetzt können Sie für das gleiche Geld einen großen Überschuss an Paneelen installieren, die im Sommer einfach nicht funktionieren und im Winter gleichzeitig genügend Strom abgeben.

Die Zukunft ist nicht bekannt, aber die Festkörperphysik / -technik bietet regelmäßig Überraschungen. Daher ist es noch zu früh, um diese Option zu ignorieren. Das einzige, was gesagt werden kann, ist, dass selbst wenn eine solche Revolution stattfinden wird, sie den globalen Verlauf der Einführung erneuerbarer Energiequellen nicht früher als in 10 Jahren beeinflussen wird, aber alle Prognosen in 15-20 Jahren vollständig umsetzen wird.

Wenn wir Batterietechnologien verwenden, ist das Gleichgewicht hier im Gegenteil zugunsten der Wahrscheinlichkeit revolutionärer Veränderungen voreingenommen, da es sofort viele vielversprechende Entwicklungsbereiche und eine große Lücke zwischen den theoretischen Fähigkeiten von Lithium und der Realität gibt.In absehbarer Zeit ist eine recht gute spezifische Verbesserung der Eigenschaften von Batterien durchaus möglich. Eine Reduzierung der Kosten für Kilowattstunden * ist ebenfalls wahrscheinlich, was die Wettbewerbsfähigkeit erneuerbarer Energien erheblich steigert.

Zusammenfassend können wir sagen, dass der Beginn der Erzeugung erneuerbarer Energien in den kommenden Jahrzehnten schneller oder langsamer andauern wird und diese Art der Erzeugung von Jahr zu Jahr wettbewerbsfähiger und wettbewerbsfähiger wird. Gleichzeitig ist zu erwarten, dass der exponentielle Anstieg der installierten Kapazität im nächsten Jahrzehnt aufgrund einer Verlangsamung des technischen und wirtschaftlichen Fortschritts erneuerbarer Energiequellen linear wird, sodass Prognosen zur Mitte des Jahrhunderts, die auf der Extrapolation des Ausstellers beruhen, wahrscheinlich scheitern werden.