neue Technologien in den 2020er Jahren – Watts Up With That?

Reposted von Dr. Judith Curry’s Climate Etc.

Gepostet am 2. Januar 2021 von curryja

von Judith Curry

Mit Blick auf neue Energietechnologien sowie meine eigene Saga und Begründung für die Umstellung meiner persönlichen Stromerzeugung und meines persönlichen Stromverbrauchs.

Allen ein frohes neues Jahr! Das Thema, für das ich mich entschieden habe, dass mein Beitrag das neue Jahr einläuten soll, ist Optimismus in Bezug auf neue Technologien.

Die Grundlage für diesen Beitrag ist ein Artikel von Eli Dourado, den ich auf Twitter entdeckt habe: Hinweise zur Technologie für die 2020er Jahre. Wird das neue Jahrzehnt die brüllenden 20er oder die langweiligen 20er Jahre sein?

Zu den von Dourado behandelten Themen gehören:

• Biotech und Gesundheit
• Energie
• Transport
• Raum
• Informationstechnologie

Alle sind interessant und lesenswert, hier konzentriere ich mich auf Energie.

Energie

Die 2010er Jahre waren das Wind- und Sonnendekade. Wir beobachteten einen erstaunlichen Rückgang der Kosten für beide, obwohl der gesamte Einsatz von Wind und Sonne gering bleibt – im Jahr 2019 machten Wind und Sonne weniger als 9 Prozent der Stromerzeugung im Versorgungsmaßstab in den USA aus. In den 2020er Jahren werden die Kostenrückgänge wahrscheinlich ins Stocken geraten – Wind und Sonne sind bereits ziemlich billig, so dass die Rückgänge des letzten Jahrzehnts nicht reproduzierbar sind. Die Bereitstellung wird sich dagegen beschleunigen.

Der Masseneinsatz von Wind und Sonne wird Herausforderungen mit sich bringen. Diese Quellen sind sehr intermittierend. Wenn der Wind plötzlich aufhört zu blasen – was passiert – brauchen wir einen Weg, um das Defizit schnell auszugleichen. Jedes der drei Stromnetze in den kontinentalen USA – Ost, West und Texas – muss jeden zweiten Tag im Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage bleiben. Wir können Netzspeicher verwenden, um einige Unebenheiten auszugleichen, aber Speicher bleibt teuer. Um ein Netz zu erreichen, das vollständig mit den heutigen erneuerbaren Energien betrieben wird, benötigen wir Speicher zu einem Preis von 20 USD pro kWh (mit Einschränkungen).

Dieser Speicher muss nicht alle aus Batterien stammen, aber lassen Sie uns ein wenig über Batterien sprechen. Mit Teslas Powerpack im Netzmaßstab als Daten kostet eine 232-kWh-Batterie heute 125.793 US-Dollar. Das ist ein Preis von über 542 USD / kWh. Durch Innovation wird dieser Preis im Laufe dieses Jahrzehnts sinken, aber Verbesserungen auf der Angebotsseite könnten leicht durch steigende Nachfrage überschwemmt werden. Schließlich wird dieses Jahrzehnt auch eine große Verlagerung hin zu Elektrofahrzeugen beinhalten, auf die ich weiter unten eingehen werde. Wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt, bleiben die Preise tendenziell hoch, selbst wenn es beeindruckende Innovationen gibt.

Mit dem zunehmenden Einsatz intermittierender Stromerzeugung, der gestiegenen Gesamtnachfrage nach Elektrizität aufgrund von Elektrofahrzeugen, den hohen Kosten für die Netzspeicherung, der unzureichenden Stromübertragung (habe ich erwähnt, dass wir den Bau in diesem Land oft vernachlässigen?) Und der starken politischen Unterstützung für die Stilllegung Anlagen für fossile Brennstoffe, die 2020er Jahre könnten eine Zeit der Instabilität des Stromnetzes sein. Dies könnte bis zu einem gewissen Grad durch die Verwendung von Autobatterien als Netzressourcen und durch (politisch unpopuläre) variable Strompreise gemildert werden.

JC stellt fest: Dieser Artikel ist in Bezug auf Sonne und insbesondere Wind viel optimistischer als ich. Der Artikel vernachlässigt die Herausforderungen der Skalierung in Bezug auf Landnutzung und Ressourcenverfügbarkeit und scheint ein gewisses Maß an Netzinstabilität zu akzeptieren.

Letztendlich brauchen wir skalierbare kohlenstofffreie Grundlastenergie, dh nuklear oder geothermisch. Das Problem mit Atomkraft sind die hohen Kosten. Wenn Sie sich die kleine modulare Reaktortechnologie von NuScale ansehen, zielen sie auf 6,5 ¢ / kWh ab. Das ist Grundlaststrom, also nicht direkt vergleichbar mit den intermittierenden Erzeugungskosten von Wind und Sonne, aber dennoch nicht der wettbewerbsfähigste auf dem heutigen Markt. Darüber hinaus hat sich das Vorzeigeprojekt von NuScale nur um drei Jahre verzögert und soll nun erst 2030 online gehen.

JC stellt fest: Dourado ist hinsichtlich der Atomkosten weniger optimistisch als andere.

Was in diesem Jahrzehnt plausibler ist, sind verbesserte und fortschrittliche geothermische Systeme. Die alte geothermische Industrie ist schläfrig und nutzt Energie an traditionellen vulkanischen hydrothermalen Hotspots – vergessen Sie es. Die nächste Generation der Branche besteht jedoch aus einer Gruppe von Start-ups, die von Leuten besetzt sind, die die Öl- und Gasindustrie verlassen. Die Startups, mit denen ich gesprochen habe, glauben, dass sie mit der heutigen Technologie 3,5 ¢ / kWh knacken können, ohne auf vulkanische Regionen beschränkt zu sein. Mit relativ geringen Fortschritten in der Bohrtechnologie im Vergleich zu dem, was wir im letzten Jahrzehnt gesehen haben, könnte die fortschrittliche Geothermie 2 ¢ / kWh erreichen und skalierbar werden, um nahezu überall auf dem Planeten lebensfähig zu werden. Gemeinsam sprechen die Startups von Zahlen wie Hunderten von Gigawatt Generation bis 2030. Ich beobachte diesen Raum genau; Der Heat Beat-Blog ist eine großartige Möglichkeit, auf dem Laufenden zu bleiben. Wie ich letzten Monat schrieb, wird es wichtig sein, Reformen zuzulassen.

JC stellt fest: Geothermie ist die heißeste Energietechnologie, die machbar und billig ist und über die ich nicht genug weiß. Der verlinkte Artikel von Dave Roberts (erste Zeile im vorhergehenden Absatz) ist sehr gut.

Fusion macht weiterhin technische Fortschritte. Ich gehe davon aus, dass wir in diesem Jahrzehnt eine Demonstration der energiepositiven Fusion von einem von mehreren Fusionsstarts oder vielleicht dem kompakten Fusionsreaktor von Lockheed Martin erhalten werden. Aber noch einmal: Eine Demonstration ist weit entfernt von einer Veränderung, die die Gesellschaft verändert. Es wird weitere Jahrzehnte dauern, bis Reaktoren ans Netz gehen. Bis die Fusion dort ankommt, wird der Energiemarkt ganz anders sein, als wir in den 1940er Jahren mit der Arbeit an Fusionsreaktoren begonnen haben. Wind, Sonne und hoffentlich Geothermie werden Strom ziemlich billig machen, und die Fusion wird Schwierigkeiten haben, sich zu behaupten.

JC stellt fest: Ich sehe keine langfristige Zukunft für die Windenergie, wenn andere wirtschaftliche und saubere Optionen zur Verfügung stehen. Wenn Fusionsenergie verfügbar wäre, stelle ich mir vor, dass dies eine sehr attraktive Option wäre. Siehe auch diesen Artikel über Fusionsenergie.

Bedenken Sie: Etwa die Hälfte der Kosten einer fortschrittlichen Geothermie-Anlage entfällt auf Bohrungen und die Hälfte auf Umrüstgeräte. Angenommen, die Anlage wird über 30 Jahre abgeschrieben (obwohl viele geothermische Anlagen länger halten), und nach diesem Zeitraum muss die Umwandlungsausrüstung ersetzt werden. Das Loch im Boden muss aber nicht ersetzt werden! Das bedeutet, dass für die nächsten 30 Jahre Strom zur Hälfte der Anschaffungskosten erzeugt werden kann. Geothermische Brunnen, die wir in diesem Jahrzehnt graben, könnten bis 2050 weniger als 1 ¢ / kWh produzieren. Das ist ein schwieriger Markt für die Fusion. Die Fusion wird jedoch in Anwendungen, in denen andere Quellen nicht verfügbar sind, wie z. B. im Weltraum, immer noch eine große Energiequelle sein.

Die 2020er Jahre werden ein großes Jahrzehnt für nachhaltige alternative Kraftstoffe (SAF) sein. Die kommerzielle Luftfahrt kann nicht elektrifizieren – Batterien werden niemals der Energiedichte fossiler Brennstoffe entsprechen. Angesichts der politischen Realität hat die Luftfahrt keine Wahl, sich zu dekarbonisieren, was entweder Wasserstoffbrennstoff oder SAF bedeutet. Wasserstoffbrennstoff ist viel besser als Batterien, aber immer noch nicht so energiedicht wie fossile Brennstoffe oder SAF. Mein Geld fließt also in SAF und insbesondere in Kraftstoff aus CO₂, der aus der Atmosphäre gezogen wird. Es ist leicht, atmosphärisches CO & sub2; in Lösung in Ethanol umzuwandeln; und es ist einfach, Ethanol in andere Kraftstoffe aufzurüsten. Es ist jedoch schwierig, Ethanol ohne großen Energieverbrauch von Wasser zu trennen – es sei denn, Sie verfügen über eine fortschrittliche Membran wie Prometheus Fuels. Ich habe bereits über Prometheus geschrieben und verfolge sie weiterhin genau. Ihre Technologie könnte die Luftfahrt sehr plötzlich entkohlen.

JC stellt fest: SAF- und Prometheus-Kraftstoffe sind für mich neu. Gedanken?

JCs Energiewende

Ein paar Anmerkungen zu meinem persönlichen Übergang zu sauberer Energie. Vor ungefähr 6 Jahren mussten wir einige neue Geräte kaufen: Warmwasserbereiter, Herd, Wäschetrockner. Zu der Zeit entschieden wir uns für Erdgasgeräte – sie waren energieeffizienter und arbeiteten mehr nach unseren Wünschen (kein Fan von Elektroherd oder elektrischem Wäschetrockner). Mir ist jetzt klar, dass Erdgasherde nicht gut für die Luftqualität in Innenräumen sind. Hätten wir damals gemerkt, dass dies unsere Entscheidung beeinflusst haben könnte. Wir haben vor ungefähr 5 Jahren auch ein neues Auto gekauft – Verbrennung; Wir brauchen wirklich Allradantrieb, wo wir leben, und zu der Zeit gab es keine guten Hybrid- oder Elektrooptionen.

Vor ungefähr 2 Jahren haben wir uns entschlossen, den Sprung in die Solaranlage auf dem Dach für unser Haus zu wagen. Diese wurde schließlich vor ungefähr einem Jahr installiert (vor 5 Jahren hätten wir aufgrund der Kosten und der verfügbaren Technologien nicht ernsthaft über Solar nachgedacht). Wir haben auch zwei Tesla Powerwalls gekauft, mit denen wir Strom für unseren Haushalt erzeugen können, wenn der Strom ausfällt und auch nachts. Als zweites Backup haben wir uns dafür entschieden, das Erdgas Generac beizubehalten (keine einfache Aufgabe, dies in die Powerwalls zu integrieren). Nach Steuererleichterungen und Rabatten kostete uns das alles ungefähr 40.000 US-Dollar. Basierend auf unserem aktuellen Stromverbrauch werden wir in etwa 15 Jahren die Gewinnschwelle erreichen.

Bildunterschrift: 48 Sonnenkollektoren auf dem nach Süden ausgerichteten Garagendach. Tesla Powerwalls (zwei weiße vertikale Rechtecke) und Generac (weiße Box auf dem Boden)

Die Hauptmotivation für uns, Solar zu betreiben, war die Energiesicherheit (wir hatten bereits ein Erdgas-Generac-Backup-System). Ohne die Tesla Power Walls wären wir nicht solar gegangen. Der Generac wurde zur Stromversorgung bei Waldbränden zur Verfügung gestellt, um die einfallende Sonnenstrahlung drastisch zu reduzieren (eine Situation, die in der Sierra Nevadas nicht ungewöhnlich ist). Unsere lokale Stromerzeugung in Nevada ist bereits ziemlich sauber, mit reichlich erneuerbaren Energien einschließlich Geothermie; Die lokale Luftverschmutzung ist gering und wird hauptsächlich von Kraftfahrzeugen erzeugt. 40.000 US-Dollar wären eine Menge gewesen, um für „Tugendzeichen“ für saubere Energie zu zahlen, wenn unsere lokalen Stromquellen bereits ziemlich sauber sind.

Der nächste Punkt, den ich ansprechen möchte, ist, wie die Infrastruktur der Solarenergie Ihre Aussichten für zukünftige Einkäufe von Geräten, Autos, Heizungen und Klimaanlagen verändert. Für die Klimaanlage, während wir im Haus eine Klimaanlage haben, verwenden wir einen Sumpfkühler (mit Strom versorgt), den unser Klima zulässt und den wir aufgrund der Belüftung sehr bevorzugen. Nicht klar, dass Elektrofahrzeuge zu diesem Zeitpunkt die richtige Entscheidung sind (unsere vorhandenen Autos laufen gut). Wir werden die Erdgas-Warmwasserbereiter wahrscheinlich relativ kurzfristig ersetzen, vorausgesetzt, unsere vorhandenen können irgendwie / irgendwo wiederverwendet werden.

Unser Haus wurde in den 1980er Jahren mit einem ziemlich ausgeklügelten passiven Solardesign gebaut, das es ermöglicht, dass die Sonne mitten im Winter in das Haus strömt, beide direkt in Wohnräume

und auch in höhere Ebenen, wo es Steinmauern erwärmt, auch mit Deckenventilatoren, um die Wärme nach unten zu bringen.

Im Sommer, wenn die Sonne höher steht, fällt wenig Sonnenlicht in das Haus. Unsere Heizkosten im Winter sind also relativ niedrig. Aber in den nächsten 5 Jahren werden wir wahrscheinlich unsere 3 Gasöfen ersetzen, uns ernsthaft mit Wärmepumpen und Alternativen zu Erdgasöfen befassen.

JC-Reflexionen

Hier gibt es zwei allgemeine Themen, die sich aus meinen persönlichen Anekdoten ergeben.

Energieinfrastruktur ist wichtig – sobald die Infrastruktur vorhanden ist (Solarenergie zu Hause, Ladestationen für Elektrofahrzeuge usw.), werden die Entscheidungen für eine sauberere und effizientere Energienutzung viel einfacher.

Zweitens können Ihre “besten” Entscheidungen, die jetzt getroffen werden, in ~ 5 Jahren suboptimal werden, aber Sie sind an die Infrastruktur (Geräte, Kraftwerk, was auch immer) gebunden. Fazit ist, dass die “Dringlichkeit”, sich in “grüner” Richtung zu verbessern, nach hinten losgehen kann. Warten Sie, bis das Gerät und das Kraftwerk das Ende seiner Nutzungsdauer erreicht haben und es bessere Optionen gibt.

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