So 24x7: EROEI-Berechnung

In den letzten 10 Jahren hat sich die Solarenergie schnell von „Spielzeug“ zu Großprojekten entwickelt, und die Fortsetzung der Kurve dieses Starts verspricht in Zukunft die totale Dominanz dieser Art von Erzeugung. Oder nicht? Bei Prognoseversuchen wurden viele Kopien gebrochen, und es gibt zwei Hauptansprüche: Die Sonne scheint nachts nicht durch die Wolken (d. H. Die Variabilität der Quelle) und die hohe Energieintensität bei der Herstellung von Solarzellen, und diese Energie kehrt während des Betriebs der letzteren nicht zurück. ( EROEI <1)

Technisch ist das erste Variabilitätsproblem gelöst - Sie müssen nur mehr Sonnenkollektoren und eine Batterie mit ausreichender Kapazität bauen. Dieser Ansatz verschärft jedoch deutlich das Problem mit EROEI und die Stromkosten. Sie können die Kosten in Lazard- Bewertungen sehen, aber ich habe keine Versuche gesehen, den EROEI für ein Solarkraftwerk mit einer Batterie zu berechnen. Deshalb habe ich beschlossen, es selbst zu zählen, und habe ein ziemlich unerwartetes Ergebnis erzielt, worüber am Ende.

Berechnen wir zur Bewertung ein Kraftwerk mit einer Lithium-Ionen-Batterie in Yuma, Arizona, USA. Warum in Arizona? Dies ist ein sehr guter Ort für Solarkraftwerke (eines der besten der Welt) und es gibt viele Informationen darüber. Wenn sich hier herausstellt, dass EROEI weniger als eine Einheit ist, bedeutet dies große Probleme für die Sonne als grundlegende Stromquelle (heute). Wenn der EROEI höher ist und die Analyse, die wir erstellen werden, berücksichtigt wird, kann die Berechnung problemlos auf jeden Ort der Welt angewendet werden.


In Yuma befindet sich übrigens das ziemlich große Solarprojekt SPS Agua Caliente mit einer Leistung von 250 Megawatt, jedoch nicht rund um die Uhr. Die Solarbatterien dieser Station werden mithilfe der Dünnschichttechnologie aus einem CdTe-Halbleiter hergestellt, der sich von Silizium durch wesentlich bessere Energiekosten pro Kilowatt Batterieleistung unterscheidet, jedoch an Kosten verliert.

Lithium-Ionen wurde aufgrund der offensichtlichen Universalität einer solchen Lösung gewählt: Wenn der Akkumulator eine geeignete Landschaft benötigt, kann die Elektrochemikalie fast überall platziert werden. Tatsächlich haben Lithium-Ionen-Batterien in der Realität noch einige weitere Vorteile: die Fähigkeit, bei Spitzenlast zu spielen (da die Wechselrichter dieses Systems fast sofort vom Laden zum Entladen wechseln können) und die Aussichten auf günstigere Preise (in den letzten 10 Jahren beträgt der Preis 1 Kilowatt *) Die Stunden einer Lithium-Ionen-Zelle fielen von 1.000 USD auf 130 USD.

Nehmen wir also an, wir brauchen ein Kraftwerk, das 365 Tage im Jahr rund um die Uhr 300 MW liefert, was einer täglichen Produktion von 7.200 MWh und 2,6 TWh Strom pro Jahr entspricht - etwa 35% des Gigawatt-Kraftwerks eines Kernkraftwerks. Wir platzieren unseren SES "24x7" in der Stadt Yuma, Arizona mit den Koordinaten 32.69265 ° nördlicher Breite und 114.62769 ° westlicher Länge.

Genau an diesem Ort (wie die Aufgabe endete und die Implementierung begann) beginnen die Schwierigkeiten: Tatsache ist, dass die Station von EROEI ziemlich cool optimiert werden kann, zum Beispiel, wenn Sie nicht nach einer eintägigen Batterie fragen, sondern nach einer zweitägigen, die wiederum die optimale Neigung der Batterie ändert usw. n. usw. Um in der Gegenwart ein Optimum zu finden und nicht zufällig, ist es in diesem Stadium erforderlich, eine normale technische Studie durchzuführen. Leider habe ich nicht viel Zeit, so dass sich die EROEI-Zahlen als nicht optimal herausstellen werden, aber es gibt einige. Jeder kann dann in die Kommentare schreiben und eine Verteilung mit stündlicher Modellierung erhalten, in der ich die Station gezählt habe, und das Ergebnis selbst verbessern.

Zum Beispiel spürt unsere Station aufgrund der wilden Übergröße überhaupt keine saisonalen Schwankungen, die bei einem Breitengrad von 30 Grad ungefähr + -20% des Durchschnittswerts erreichen, und es sind die systemischen saisonalen Schwankungen, die die Zukunft der Sonnenenergie bestimmen.


Die Kurve in der Grafik zeigt das Batterievolumen als Prozentsatz der jährlichen Erzeugung, die erforderlich ist, um saisonale Schwankungen auszugleichen, wenn SBs „in der Größe“ hergestellt werden. Für unsere 2,6 TWh und 32 Grad nördlicher Breite benötigen wir eine 234 GWh Batterie, was verrückt ist.

Wir beginnen die Berechnung mit dem einfachsten „Energiegewinn“ unseres Kraftwerks. Wie wir später sehen werden, wird der elektrochemische Akku ziemlich groß sein und hauptsächlich mit einer Entladungstiefe von weniger als 50% arbeiten, was eine Lebensdauer (für LiFePo) von nicht schlechter als 10.000 Zyklen gewährleistet, bis sich 20% der Kapazität verschlechtern. 10k Zyklen sind 27 mit einem Penny von Jahren. Beschränken wir uns auf 25 Jahre, bis die Station vollständig aktualisiert ist, und der weggeworfene Rückstand wird uns für die unerklärliche Verschlechterung von Panels und Batterien entschädigen.

Über 25 Jahre sollte die Station laut Arbeitsbericht 65,7 TWh pro Stunde liefern - dies ist unser Zähler bei der Berechnung des EROEI. Aber wie viel kostet ein Joule, um eine solche Station zu bauen? Lassen Sie uns zuerst die notwendige Ausrüstung sehen.

Um in der gröbsten Form festzustellen, wie viel SB und Batterie wir benötigen, verwende ich den NREL Pwatts- Rechner. Es basiert auf einer Tabelle mit Sonneneinstrahlungswerten für unseren Punkt aus dem „ Standard-Wetterjahr “ - einer Datenbank mit Wetterdaten für die USA mit harmonisierten Werten. Mit diesem Rechner können Sie stündliche Werte der Stromerzeugung abrufen, die die Einfallswinkel der Sonne, das Umgebungslicht, die Plattentemperatur und die Umwandlungsverluste berücksichtigen. Dies wurde als Grundlage für weitere Berechnungen verwendet.


„Standard Meteorological Year“ ist eine sehr leistungsfähige Datenbank mit Messungen von Feinheiten wie der Sonnenlinie (gelbe Kurve in der Grafik) und der indirekten (blauen) Fackel, die es ermöglicht, die Produktion des simulierten SB an bewölkten Tagen genau zu bewerten.

Jetzt müssen die erhaltenen Daten für einen Ein-Kilowatt-SES irgendwie optimiert werden. Sie können das Verhältnis zwischen dem Volumen von Solarmodulen und Batterien ändern (je mehr Solarmodule, desto weniger Energie müssen wir speichern, um dunkle Tage ohne Ausschalten zu überstehen) und auch den Installationswinkel von Solarmodulen.

Für unser Solarkraftwerk sind bewölkte Wintertage für EROEI beispielsweise vom 27. bis 28. Dezember im meteorologischen Standardjahr entscheidend - während dieser beiden Tage wird der KIUM der Station katastrophal 3,4% betragen und seine Übergröße vollständig bestimmen, was zur Erzeugung von überschüssigem Strom zu 95% des Restes führen wird Tage.

Im Prinzip wäre es korrekter, die TK zu nehmen und auf eine optimalere zu ändern - zum Beispiel „300 Megawatt 90% der Jahreszeit“, dann könnte die Station um ein Vielfaches kleiner sein, aber wir werden diese Option beim nächsten Mal berechnen, aber vorerst - Hardcore.

Daher muss der Installationswinkel von Solarmodulen nicht für maximale Energieeffizienz während des Jahres optimiert werden, sondern für maximale Produktivität in einigen der schlechtesten Perioden - es stellt sich heraus, dass 41 Grad und nicht die optimalsten 32 (der Unterschied beträgt jedoch nur 5% der Jahresleistung).

Das Verhältnis des Volumens der Batterie und der Sonnenkollektoren wird etwas komplizierter berechnet - als Optimum für Energie. Angesichts der Tatsache, dass 1 elektrisches Kilowatt eines Solarkraftwerks ~ 14 GJ kostet ( Studie 2016 ) und eine elektrische Kilowattstunde Lithium-Ionen-Batterien etwa 1,6 GJ ( Studie 2012 ).

Daher die Optimierungsregel: Wir erhöhen die Batterie, bis wir eine Situation erreichen, in der eine Erhöhung um 8,75 kWh nicht mehr zu einem Leistungsabfall von Solarmodulen um mindestens 1 Kilowatt führt.


Eine interessante Grafik aus dem Artikel über die Energiekosten von Batterien. Insbesondere der Druckspeicher (PHS) und die Druckluft (CAES) erweisen sich als die „energiesparendsten“ - laut letzterem ist zum ersten Mal alles sehr kompliziert, weil Es nutzt Erdgasverbrennung, um Energie wiederherzustellen. Das rechte Feld zeigt die „Energiekosten“ eines globalen Speichers von 4 bis 12 Stunden.


Die Aufzählung der verschiedenen Kombinationen der Größe des SB und der Batterie in der Pwatts-Ausgabe ergab solche optimalen Werte - 2,25 Gigawatt SB und 20 GW * h Batterie. Gleichzeitig wird die Station für alle 8760 Stunden des Jahres 300 Megawatt abgeben, und die Batterieladung wird nur einmal auf 2% der Gesamtleistung sinken und hauptsächlich zwischen 50 und 100% schwanken. Der installierte Kapazitätsauslastungsfaktor (KIUM) des erzeugenden Teils ist schlecht - ungefähr 0,08 und seine signifikante Verbesserung wäre, wenn das Netzwerk tägliche Spitzenwerte von mindestens 2 Gigawatt erhalten würde, dann wäre der gesamte KIUM ungefähr 0,2, was dem realen SES viel näher kommt , aus dem Bild oben.

Es wäre sogar noch besser, den Betrieb der Station an den sonnigsten Tagen des Jahres auf 330 zu beschränken - dann könnte die Größe des SB-Teils auf 1,4 Gigawatt und die Batterie auf 7 GWh reduziert werden. Ja, variable erneuerbare Energiequellen haben Probleme mit dem letzten Prozentsatz im Stromnetz - der Unterschied zwischen einem Anteil von 80% und einem Anteil von 100% ist in Bezug auf die Investitionen enorm.

Betrachten Sie EROEI. Für 2,25 GW Sonne und 20 GWh Lithium benötigen wir 64,1 Petajoule (14 * 10 ⁹ J * 2,25 * 10 ⁶ kW + 1,634 * 10 ⁹ J * 20 * 10 ⁶ kW) oder 17,82 TW * h, und EROEI ist gleich 3,8 . Diese Zahl ist überraschend für Menschen, die sich des Diskurses um die Sonne und EROEI bewusst sind - viel mehr als erwartet. Ja, das Ergebnis ist nicht eindeutig - einerseits ist es einfach, es um ein Vielfaches zu erhöhen, indem Spitzen der Sonnenerzeugung empfangen und die Betriebszeit der Station um mindestens 90% pro Jahr reduziert werden. Andererseits ist dies Arizona, einer der besten Punkte auf dem Planeten für Solarkraftwerke.

Und vor allem ist ein solches Projekt aus finanzieller Sicht noch nicht realisierbar. Selbst die optimierten 1,4 GW + 7 GWh werden nicht weniger als 4 Milliarden US-Dollar kosten, was die Stromkosten dieser Anlage auf 140 US-Dollar pro MWh erhöht - zu teuer. Die "Solar & Storage", die in der Realität erscheint, versucht immer noch, sich auf eine viel kleinere Batterie zu beschränken, die hauptsächlich den Durchgang der Abendspitze + den Austausch von Pickern sicherstellt, d. H. Gasturbinenkraftwerke, die bei ungeplanten Verbrauchsspitzen schnell in Betrieb genommen werden: Es ist klar, dass die Stromkosten der Kommissionierer sehr hoch sind und Sie damit Geld verdienen können.

Zusammenfassend möchte ich festhalten, dass die Berechnung zeigt, dass zumindest die Physik die Verteilung von Solarkraftwerken zumindest an Orten mit guter Sonneneinstrahlung nicht verbietet. Es gibt jedoch viele solcher Orte auf dem Planeten, so dass in den nächsten 10 Jahren anscheinend solche Kraftwerke massiv gebaut werden.