USA Energia 2050: 100% Süsinikuvaba, 100% Elektriline, Meie Mäng 6 × (2. Osa)

2023 Autor: Isabella Ferguson | [email protected]. Viimati modifitseeritud: 2023-09-21 21:08

Peame dramaatiliselt suurendama oma jõupingutusi, et saavutada USA üleminek 100% süsinikuvabale ja 100% elektrile. See on täiesti seda väärt!

1. osas hinnati, et aastaks 2050 peame taastuvenergiat laiendama umbes 27 korda rohkem kui USA toodetud 2019. aastal. See tähendab, et aastane kasv on võrdne 2019. aasta seitsmekordse kasvuga.

Sellise energiasüsteemi peamine tehniline takistus on taastuvate energiaallikate ja elektrienergia nõudluse sesoonne tasakaalustamatus, mille saab lahendada tuule- ja päikeseressursside tohutu üleehitamise kaudu.

2050. aasta energiasüsteem nõuab, et me kiirendaksime oma jõupingutusi mõne kombinatsiooni abil: (1) võrgu rohelisemaks muutmine, (2) kõige elektrifitseerimine, (3) investeerimine energiatõhususse, (4) süsiniku agressiivne hinnakujundus ja (5) avaliku sektori investeeringute tegemine teadusuuringutesse ja muudesse valdkondadesse, kus süsinikdioksiidi hinnakujundus on meile vajaliku tulemuse saavutamiseks ebapiisav.

2050. aasta elektrisüsteem on elektrifitseerimise tõttu umbes 2,5 korda suurem kui elektrisüsteem. Kuid elektrienergia on lõplike energiateenuste (soojus, liikumapanev jõud, valgus jne) tootmisel nii palju tõhusam, et kogu energiakasutus on palju madalam kui praegu.

Kahjuks on elektrit pika aja jooksul raskem säilitada kui fossiilkütuseid. Fossiilkütused pole muud kui salvestatud päikeseenergia, nii et need sobivad loomulikult ideele "olla päästetud seni, kuni seda vajate". Akutehnoloogia areng on praktiliselt lahendanud lühikese aja jooksul mõistliku hinnaga elektrienergia ladustamise probleemi, kuid pole lahendanud „hooajalise ladustamise” probleemi, kus energiat tuleb hoida palju kauem ja salvestamist võib vaja minna nii vähe kui võimalik kord aastas või isegi vähem. Tõenäoliselt on see USA-s talvehooaja probleem.

2. osas käsitletakse põhjalikumalt (1) Hooajalise tasakaalustamatuse vastu võitlemise ülesehituse olemust, (2) Üleehitamise alternatiive kogu hooajalise tasakaalustamatuse kõrvaldamiseks ja (3) Selle "dramaatilise kasvu" suhtelisi kulusid.

Üleehitus või võimaluste kombinatsioon?

Hooajalise probleemi saab lahendada taastuvate energiaallikate üleehitamise kaudu. Üleliigse ehitamise hinnakiri on tõenäoliselt hüpoteetilisest akuressursist palju madalam, isegi kui aku on tänapäeval palju madalam. Sellegipoolest põhjustab vajalik ümberehitamine tuule ja päikese ülepakkumise, mis võrdub 25% -ga aastasest kogutoodangust, mistõttu on see lahenduse kallis osa. Kas võib olla mõni odavam alternatiiv?

Vaatasin üleehitamise erinevaid tasemeid, kasutades 1. osa jaoks välja töötatud arvutustabeli mudelit. Mida rohkem me üle ehitame, seda rohkem on kasu täiendavast üleehitamisest.

Mõelge veel 3 stsenaariumile, mis ületavad 2050. aasta 90% ja 100% süsinikuvaba stsenaariumi: üleehitamine süsinikuvabaks 92,5%, 95% ja 97,5%. Ülejäänud elektrinõudluse rahuldaks odavaima hinnaga variant sinna jõudmiseks, mis minu arvates on vähem tõenäoline, et see on üleehitatud üle 95%.

Iga graafik allpool oleval graafikul tähistab tuule järkjärgulist vähenemist, mis on vajalik fossiilkütuse ülejäänud samaväärse koguse vältimiseks vahemikus 90–100% süsinikuvaba (iga juurdekasv moodustab 2,5% koguenergiast).

Fossiilkütuste tootmine igas segmendis on 248 teravatt-tundi (TWh) ja 90–92,5% segmendi puhul saame kärpimise 180 TWh, et säästa sama 248 TWh. 97,5% kuni 100% segmendi jaoks vajame kärpimist 1, 308 TWh ehk umbes kaheksa korda rohkem. Seda nimetavad majandusteadlased kulude kasvukõveraks ülespoole kaldus. Kui läheneme maagilisele 100% -le, muutub see üha raskemaks.

Samuti võime uurida fossiilkütuste järelejäänud arenduse iga juurdekasvu asendamise kulusid, sealhulgas vähendatud energia kulusid. Kuluhinnangute väljatöötamiseks eeldasin, et juurdekasv tuli tuuleenergiast, mis sobib paremini talvise nõudluse rahuldamiseks kui päike, maksumusega 30 dollarit megavatt-tunni (MWh) kohta, mis on 25% vähem kui Lazardi uusim kulude prognoos ja seeläbi aitab püsivalt parandada tuulekulude alandamist püsiva aastamääraga.

100% puhtale energiale jõudmise viimase etapi kulud, sealhulgas vähendamiskulud, on vahemikus 51,70 dollarit MWH kohta 90–92,5% juurdekasvust kuni 187,50 dollarini MWH kohta 97,5–100%. Jällegi näitab see piirhinna kõvera suurenemist.

See 187,50 dollarit lõpliku 2,5% kogu energiakasutuse kohta võib tunduda palju, kui võrrelda seda 2050. aasta tuuleenergia eeldatava 30,00 dollariga. Kui te nii arvate, peaksite vaatama Lazardi hinnangulist energiakulu aruannet (äsja avaldatud 2020. aasta versioon)) või minu artiklist CleanTechnicas, kus võrreldakse 2019. aasta tasandatud kulunumbreid. Aastal 2020 hindab Lazard põlemisturbiinide tippvõimsuse tasandatud maksumust keskpunktiga 174 dollarit ilma süsiniku hinnakujunduseta. See on vaid veidi alla lõpliku juurdekasvu. Selle lõpliku 2,5% puhul võime tugineda lihtsalt ümberehitustele ja maksta selle eest vaevalt rohkem, kui maksaksime täna tippvõimsuse eest!

Huvitav on kaaluda süsinikdioksiidi heitkoguseid, mida välditakse iga ümberehituse lisamise korral, nagu on näidatud allpool:

Esimese juurdekasvu eest maksaks täiendavate süsinikdioksiidiheidete vältimiseks vaid 52 dollarit tonni kohta, lõplik juurdehindlus aga 378 dollarit tonni kohta. Võrrelge ülaltoodut energiainnovatsiooni seaduse (minu eelistatud süsiniku hinnalahendus) CO2 tasude prognoosiga. Aastaks 2050 oleks selle teo eest tasu vahemikus 300 dollarit tonnist 450 dollarini tonnist, seega on 95–97,5% määr miinimumist madalam ning 97,5–100% määr on miinimumi ja maksimumi keskel.

Kuid see, et süsinikutasu on kehtestatud teatud tasemel, EI tähenda, et kõik võimalused süsiniku vähendamiseks sellest tasemest allapoole võetakse. Süsinikutasu loob stiimuli, kuid ratsionaalsed kommunaalteenused ei valiks lahendust, mis vähendaks süsinikku tasuga võrdse hinnaga (näiteks 136 või 378 dollarit tonnist), kui oleks lahendus, mis võiks sama süsinikku vähendada madalamate kuludega. Süsinikutasu muutub hindade ÜLEMAKS, mida kommunaalteenused aktsepteeriksid.

Minu sisetunne ütleb mulle, et üle 95% (või üle 83 dollari tonnist või üle 87 USD / MWh) kommunaalteenused tahaksid otsida muid võimalusi, mis võiksid rahuldada energianõudlust ja vähendada süsinikdioksiidi heidet säästlikumalt. Seega oleks segu üleehitamisest teiste võimalustega. Mida me saame öelda nende muude võimaluste kohta?

95% kuni 100% lahuse valikud:

Siin on mõned võimalused, mis pähe tulevad. Palun soovitage kommentaarides veel midagi!

Kasutage soojenevat kliimat: Kui palju on 2050. aastaks soojem? Võimalik, et soojem talv ja kuumem suvi muutuvad elektrivajadused dramaatiliselt (tasakaaluks kliima ränne põhja poole). Võib-olla kaovad prognoositud talvised tipukuud ühel hetkel ära. Kui palju sellest juhtub 2050. aastaks?

Hüdrokasutuse maksimeerimine hooajaliseks ladustamiseks Meie perele kuulus 20 aastat kodu TVA jõejärvel Põhja-Gruusias. Enamikul päevadel töötas Chatuge järve hüdroelektrijaam nagu patarei, kus järve tase tõusis öösel veidi ja päeval veidi langes, et toota energiat siis, kui nõudlus oli kõige suurem. Kuid järve põhieesmärk oli pakkuda puhkust ja aidata turismi, nii et igapäevane kasutamine ei tõmbanud järve kunagi eriti alla. Pärast terve suve ja sügise kõrgel tasemel viibimist tõmmati järv hilissügisel tavapärasele talvisele basseinitasemele. See järve taseme 10 jala langus kujutas endast tohutut võimsust, mis oli saadaval üks kord aastas. See hooajaline ladustamine oli odav, kuna tamm oli juba ehitatud. Iga hüdroallikat saaks hinnata, et näha, kas sellised võimalused on olemas.

Rohkem kodu ja ettevõtte ilmastikutingimusi: Ehitiste ümbriste pingutamine, isolatsiooni lisamine ja HVAC-i efektiivsuse suurendamine keskendub energiasäästu talvekuudele. Süsinikdioksiidi hinnakujundus pakub suuremaid stiimuleid, mida võiks kombineerida reklaami, rahastamise ja toetustega, eriti madala sissetulekuga, et muuta meie hooneid nii, et nad tarbiksid talvel palju vähem energiat. Osa sellest on juba arvesse võetud minu energiavajaduse prognoosis. Baasjoone ületamiseks vajame ulatuslikku riiklike ja kogukondlike jõupingutuste programmi, mis tasub end mitmel viisil ära.

Roheline vesinik: Taastuvenergia võib toota taastuvat vesinikku, mida omakorda saab talvel elektri tootmiseks varuda. Vesinikku kasutatakse tänapäeval keemiatööstuses ja seda võiks kasutada meie stsenaariumide fossiilkütuse komponendi asendajana. Rohelise vesiniku tootmine võib kasutada muidu raisatud taastuvenergiat ja see leiab rolli lennunduses ja mõnes tööstusprotsessis. Kuid taastuvenergia koos patareidega on tõenäoliselt enamiku rakenduste jaoks palju odavam. Taastuva elektri kasutamine rohelise vesiniku tootmiseks, et omakorda toota taastuvelektrit erineval ajal, nõuab kapitaliinvesteeringuid ja selle tulemusel kaob tõhusus. Ma arvan, et roheline vesinik mängib hooajalise ladustamise probleemi lahendamisel rolli koos muude kasutusviisidega, ehkki selle panuse ulatus on veel näha. Michael Liebreich kirjutas Bloomberg New Energy Finance'is kaks suurepärast artiklit sellel teemal neile, kes on huvitatud sügavast sukeldumisest, siin ja siin.

Biokütused: Biokütustel võib olla roll erinevates sektorites, sealhulgas elektris. Prügi või jäätmete metaani, maisist saadud etanooli või tavalisi vanu küttepuid saab kasutada elektrienergia tootmiseks või otseseks soojuse tootmiseks. Nii nagu vesinikku, saab ka biokütuseid pikka aega odavalt säilitada ja aidata seejärel lahendada hooajalise ladustamise probleemi. Toodame bensiini segamiseks juba palju etanooli ja me ei vaja seda sel eesmärgil, kui maismaatransport on elektriline. Osa sellest etanoolist võiks kasutada kütmiseks, õhutranspordiks või elektri tootmiseks.

Nõudlusele reageerimine: Kommunaalteenused võivad maksta suurtele kasutajatele talvekuudel sulgemist. Nad saavad ka kavandada hooajalisi tariifistruktuure, mis tasuks vähem elektrit suure nõudlusega / vähese tuule ja päikese korral. Kui elektrienergia tariifid muudetakse talvekuudel suurimateks, võib iga elektritarbija kasu olla lahenduse osalisest. Kui taastuvelektrienergia on ülejäägis, on ettevõtetel ka stiimul suunata oma tegevus selle ressursi madalate kulude otsesele kasutamisele.

Süsiniku sidumine: Üks võimalus on jätkata fossiilkütuste põletamist ja süsiniku otsest sidumist VÕI lihtsalt õhust süsiniku püüdmiseks, et kompenseerida mujal põletavat fossiilkütust. Negatiivne energiatootmise vorm oleks biokütuste põletamine ja süsiniku sidumine. Need võimalused on tänapäeval ebaökonoomsed, kuid kõrgete süsinikdioksiidi hindade ja tehnoloogia täiustamisega võivad need muutuda.

Tuuma- või geotermiline energia: Süsinikuvaba „baaskoormuse” tehnoloogia, näiteks tuuma- või geotermiline energia, võib saavutada kulude läbimurde, mis vähendab tuule jaoks vajalikku üleehitamist ja annab energia komponendi ilma hooajaliste erinevusteta. Jällegi, majandusteadus ei soosi neid lähenemisviise, võrreldes päikese ja tuulega patareidega. See ei ole hooajalise ladustamise vajaduse sihipärane lahendus, kuid see vähendaks vajadust kui kõrvalhüvitist.

Kokkuvõte: Võimalusi on palju ja vaikimisi lootmine üksnes tuule- ja päikeseehitusele pole sugugi nii hull. Ja me ei pea praegu otsustama, kuidas hooajalist ladustamist käsitseda. Peame lihtsalt keskenduma tuule- ja päikeseenergia tootmisele, energiatõhususe parandamisele ja pika elektrifitseerimisprotsessi alustamisele. Hooajalise salvestamise probleemi lahendamine tuleb välja töötada alles pärast seda, kui palju on tehtud - ütleme 2035–2050. Me võime jätkata nende võimaluste uurimist ja pilootprogrammide väljatöötamist järgmise 15 aasta jooksul. Selleks ajaks võib süsinikdioksiidi hinnakujundus olla piisavalt kõrge, et suunata turgu valima parim valik. Süsinikdioksiidi hinnakujundus tagab, et iga võimaluse kliimaalased eelised arvestatakse kõigi asjaomaste tööstusharude tarneahelate kuludes.

Kas see on liiga kallis?

Me räägime tuule ja päikese suurest suurenemisest: Eeldades, et päikeseenergia tegur on 22% ja tuule jaoks 40%, vajaks 2050. aasta energiasüsteem 100% juhtumi korral võimsust umbes 2,2 TW päikest ja 2,1 TW tuult. Kui me läheme 95% -lise üleehituslahendusega, vajaks energiasüsteem 0,6 TW (600 GW) vähendamiseks 1,5 TW tuult.

EIA andmetel oli USA-s 2019. aasta lõpus umbes 55 gigavatti (GW) päikest ja 104 GW tuult, kokku umbes 159 GW. Peame 2050. aastaks 100% juhtumi korral seda laiendama 27 korda ja 95% juhtumi puhul 23 korda. Peame lisama vastavalt umbes 140 GW ja 114 GW aastas, 7 või 5,75 korda rohkem kui lisasime 2019. aastal.

Minu hinnangul sellist suurusjärgu kasvu iseenesest ei toimu, eriti kui tuule- ja päikeseenergia toetused aeguvad. Tõenäoliselt juhtub see iseenesest, kuid mitte meie 2050. aasta null-eesmärgi jaoks vajaliku kiirusega.

Vajaliku kiire arengu toetamiseks vajame valitsuse poliitikat!

Õnneks ei ole suuresti laienev tuul ja päike majanduslik koormus! Eeldades, et päikese maksumus on 1000 dollarit kilovattkulu kohta ja tuule eest 1, 300 dollarit (Lazardi praeguste hinnangute lähedal), mis 100% juhtumi korral on 4,5 triljonit dollarit (148 miljardit dollarit aastas) ja 3,7 triljonit dollarit (120 miljardit dollarit aastas) 95% üleehitusjuhtum.

Neid kulusid saaks vähendada vähendatud taastuvenergia kasutamise otsimisega. 100% -lise ümberehituse juhtum ei tooda fossiilkütuseid ning 2 465 TWh tuule- ja päikeseenergiat, mida pole vaja, kuid mille eest peame maksma. 95% -l juhul jääb fossiilkütuste tootmiseks alles 497 TWh ja see tuleb kõrvaldada ühe muu võimalusega ning meil on abiks 686 TWh kasutamata taastuvenergiat. Vesiniku elektrolüüs võib selleks töötada. Süsiniku püüdmine võib selleks töötada.

Kas 120 või 148 miljardit dollarit on nii palju aastas kulutada? Astuge tagasi ja võrrelge seda kulu sellega, mida USA tarbijad muudele asjadele kulutavad. Siin on mõned võrdlused 2019. aastaks, mida USA tarbijad kulutasid muudele asjadele: tubakas - 100 miljardit dollarit, restoranitoidud - 680 miljardit dollarit, alkohol - 250 miljardit dollarit või tervishoid - 3 700 miljardit dollarit. Ärge unustage kaitsekulutusi - 720 miljardit dollarit 2020. aasta eelarves. See ei tundu nii suur summa võrreldes meie praeguste tarbijakulutustega.

Ja investeeringud on laias laastus kooskõlas sellega, mida me juba energeetikasse investeerime. Majandusanalüüsi büroo andmete kohaselt investeeris USA majandus 2019. aastal energeetikasse 106 miljardit dollarit ning nafta ja gaasi uuringutesse 116 miljardit dollarit. Vau. Kui suudaksime nafta ja gaasi eelarve lihtsalt üle viia energiasektorisse, oleksime peaaegu kohal. Võiksime jätkata nafta ja gaasi ammutamist olemasolevatest kaevudest, kuid lõpetada uute torujuhtmete ja uute uuringute rajamine.

Meie kollektiivses eelarves on ruumi üleminekuks. Saame liikuda täiesti uue energiaallika juurde ja lõpetada enese tapmine ning võib-olla kogu asja eest vähem maksta! Ja kui oleme üle läinud 100% -le, nõuab riigi päikese- ja tuuleparkide laevastik tulevikus palju väiksemaid investeeringuid, kui fossiilkütuste tööstus oleks nõudnud. Elamisväärsest maailmast saab tõesti parem tulevik!

Nii et jah, see on palju raha, kuid see pole teiste kulutustega võrreldes suur tõus ja see on maapähklid võrreldes selle tegemata jätmise kliimakahjustustega!

Järeldus

Peame suurendama investeeringuid taastuvenergiasse kuus korda. Peame leidma viisi oma mängu kiirendamiseks ja vajalike investeeringute tegemiseks. Tulemused on sügavad. Õhk on uskumatult puhas. Fossiilkütuste õhusaastest tingitud haigused ja surm lakkavad. USA ei sõltu enam meie energiavajaduse rahuldamisest välisriikidest. USA on kliimamuutuste vastu võitlemise liider. Fossiilkütuste puurimiseks ja kaevandamiseks pole meil enam vaja maad armistada. Elektrifitseerimine annab parema kogemuse paljudest energiakasutusviisidest ja kui meie esimesed üleminekuinvesteeringud on tehtud, on meil odava energia ajastu.

Lisades süsinikdioksiidi hinnakujunduse meie poliitika keskmeks, maksab meie tehtud investeeringud enamasti erasektor. Pole vaja föderaalse eelarve suurel määral ära kasutada. Ja kui me võtame vastu energiainnovatsiooni seaduse, saavad USA elanikud kena igakuist dividendi, mida saab lisada kõigile suurtele palkadele, mida inimesed meie loodud uutel töökohtadel teenivad.

Edasi!