Het ontbrekende puzzelstukje om tot 100% schone energie te komen

Het gaat om het gebruik van hernieuwbare energie om gas te maken.

aardgas elektriciteitscentrale

Een aardgascentrale - misschien niet slecht?

Shutterstock

In het hele land hebben tientallen steden en staten wetten of resoluties aangenomen die gericht zijn op 100 procent koolstofvrije elektriciteit - meest recentelijk 20 gemeenschappen in Utah en de staat Virginia.



Maar is het zelfs mogelijk om een ​​moderne economie van stroom te voorzien met een koolstofvrij netwerk? En zo ja, wat zijn de beste energiebronnen en technologieën om daar te komen?

Deze vragen zijn al vele jaren de bron van een woedend debat onder energie-wonks, maar zijn sinds de introductie van de Groene nieuwe deal . (Voor een korte introductie van de termen en spelers die betrokken zijn bij het debat over 100 procent schone elektriciteit, zie: hier en hier .)

Nu is er een groeiende lijst van rechtsgebieden die de komende jaren te maken hebben met strenge emissiedoelstellingen en dringend antwoorden moeten vinden. We bespreken de meest opvallende jurisdictie, Californië, en een coole nieuwe (ish) technologie die het kan helpen zijn 100 procent doel te bereiken.

Maar laten we eerst eens kijken naar het probleem dat moet worden opgelost: het dilemma dat gepaard gaat met een energienetwerk dat grotendeels draait op hernieuwbare energiebronnen.

Hernieuwbare energie heeft een verzendbare opwekking en langdurige opslag nodig

Het kernprobleem is variabiliteit. Terwijl elektriciteitscentrales op fossiele brandstoffen kunnen worden verhoogd of verlaagd om aan de vraag te voldoen (ze zijn verzendbaar, in het jargon), kunnen de grote bronnen van hernieuwbare energie - zon, wind en water (waterkracht) dat niet. Ze komen en gaan volgens het schema van de natuur. De zon verdwijnt elke nacht en op bewolkte dagen. Wind en neerslag variëren dagelijks en per seizoen. Alle drie vertonen variaties op langere termijn over jaren en decennia.

Al deze variaties in het aanbod zijn niet te sturen door de netbeheerders en moeten dus worden opgevangen.

Tot op zekere hoogte houden zon, wind en water elkaar in evenwicht; waar het niet zonnig is, waait het vaak. Met een goed nationaal transmissiesysteem zou hernieuwbare energie misschien tot 60 procent kunnen leveren 80 procent van de elektriciteit in de VS, maar daarna worden de dingen duur en is er iets anders nodig om de leemten op te vullen.

de eendcurve van Californië.

De eendencurve van de vraag gecreëerd door hernieuwbare energie op het net.

GEVAL

Maar wat? Kolencentrales stoten koolstof uit, dus ze kunnen geen deel uitmaken van een schoon net. Kerncentrales zijn niet erg goed in het opvullen van gaten - ze zijn groot, relatief traag en duur om op en neer te gaan. (Hoewel nucleaire voorstanders ruzie maken ze zijn beter dan waar ze de eer voor krijgen.)

In de praktijk vullen de meeste plaatsen in de VS met een hoge penetratie van hernieuwbare energie (zoals Californië) de leemten op met aardgascentrales, die kleiner en wendbaarder zijn dan kolen- of kerncentrales. Maar aardgas is een fossiele brandstof, en als de uitstoot niet wordt opgevangen en begraven, kan het ook geen deel uitmaken van een net-nul-koolstofnetwerk.

Is er een koolstofvrije manier om de hiaten op te vullen? Hier komt het debat om de hoek kijken. Sommige voorstanders van hernieuwbare energie stellen dat de leemten kunnen worden opgevuld met energieopslag, wat op dit moment vooral batterijen betekent. Maar om de 100 te halen, moet elke voorzienbare seizoensgebonden of zelfs tienjarige dip in hernieuwbare bronnen worden opgevangen, wat veel batterijen betekent. Zonder een andere, goedkopere vorm van energieopslag, die meer energie langer kan vasthouden, wordt dat duur.

Sommige mensen denken dat dit betekent dat 100 procent schone elektriciteit niet mogelijk is. Sommigen gebruiken het om te beweren dat kleine kerncentrales nodig zullen zijn. Sommigen beweren dat kolen- of aardgascentrales online moeten blijven, waarbij hun uitstoot moet worden opgevangen en begraven, of dat de opwekking van elektriciteit uit biomassa (die mogelijk koolstofnegatief kan zijn) moet opschalen.

En daar loopt het debat meestal vast. Maar er is tegenwoordig een nieuwe (ish) energietechnologie op het toneel die een nette en bevredigende oplossing belooft voor het variabiliteitsdilemma. Het wordt power-to-gas of PtG genoemd.

Een nieuwe studie stelt dat PtG Californië, en daarmee ook andere rechtsgebieden die streven naar schone netten, zou kunnen helpen om ambitieuze doelstellingen voor schone energie te bereiken zonder de elektriciteitskosten te verhogen. Als dat waar is - en tot op zekere hoogte, of het waar is, hangt af van de beleidskeuzes die in de komende jaren worden gemaakt - zou het de 100 procent-doelstelling veiliger kunnen maken en andere rechtsgebieden kunnen verleiden om aan boord te springen.

Laten we eens kijken naar PtG, wat het is en hoe het kan helpen.

Aardgasopslag en pijpleidingen.

Aardgasopslag en pijpleidingen.

Shutterstock

Hernieuwbare energie kan zijn eigen verzendbare opwekking en langetermijnopslag maken

Denk aan het dilemma in het hart van hernieuwbare energie: variabiliteit. Naarmate een plaats als Californië meer zonne- en windenergie op het net plaatst, begint het net meer schommelingen op korte en lange termijn te ervaren - meer hiaten die moeten worden opgevuld door energiebronnen die zijn verzendbaar.

In het ideale geval heeft een elektriciteitsnet dat veel hernieuwbare energie nodig heeft een energiebron (of drager) nodig die lange tijd niet kan worden gebruikt, maar die in een oogwenk kan worden ingeschakeld om een ​​afnemende toevoer van zon of wind aan te vullen. Een schoon net heeft back-upenergie nodig die voor lange tijd kan worden opgeslagen, in grote hoeveelheden, maar die snel beschikbaar kan zijn.

Er is één technologie die daar perfect bij past: aardgas, oftewel methaan.

Methaan is zelf een uiterst stabiele vorm van opgeslagen energie. In tegenstelling tot de chemische energie die is opgeslagen in lithium-ionmodules, die na verloop van tijd lekt, kan aardgas voor onbepaalde tijd worden opgeslagen. Het systeem van aardgasopslagreservoirs en pijpleidingen in de VS is dus verwant aan een gigantische, gedistribueerde batterij. En aardgascentrales zijn (om de elektriciteitsmetafoor voort te zetten) de omvormers die de opgeslagen energie omzetten in bruikbare elektriciteit.

Een uitgestrekte batterij met een enorme capaciteit die in een oogwenk elektriciteit kan produceren: perfect voor duurzame energie. Behalve het hele gedoe over CO2-uitstoot.

Zou het niet mooi zijn als er een koolstofneutrale vorm van gas zou zijn, zodat Californië zijn enorme gasbatterij zou kunnen gebruiken om hernieuwbare energie te ondersteunen zonder koolstof aan de atmosfeer toe te voegen?

Dat is waar PtG binnenkomt.

Fossiele brandstoffen zijn koolwaterstoffen en koolwaterstoffen zijn gewoon waterstof en koolstof. Als je waterstof en koolstofdioxide apart kunt verzamelen, kun je ze combineren door middel van: methanisering om synthetisch aardgas te produceren.

De koolstofintensiteit van het synthetische gas hangt af van waar de waterstof en koolstofdioxide vandaan komen.

Momenteel wordt de meeste waterstof geproduceerd door middel van stoomreforming van aardgas , dat is energie- en koolstofintensief . Maar het kan ook worden geproduceerd door middel van elektrolyse, waarbij gebruik wordt gemaakt van elektriciteit (idealiter opgewekt door wind en zon) en een katalysator om waterstof direct uit water te halen. Ongeveer 4 procent van de huidige waterstof wordt gemaakt door middel van elektrolyse. Kerncentrales kunnen ook worden gebruikt om waterstof te maken — het is één weg wordt besproken om bestaande kerncentrales stabiele markten te geven en hen in staat te stellen: blijf rennen - maar dat gebeurt nog op geen enkele schaal.

De koolstofdioxide kan worden opgegraven uit natuurlijke reservoirs, maar koolstof uit de aarde graven is nauwelijks koolstofneutraal. CO2 kan ook worden afgevangen uit de afvalstromen van industriële installaties en elektriciteitscentrales, of via de omgevingslucht zelf worden opgevangen directe luchtopname (DAC).

directe luchtafvang (DAC) van kooldioxide

Een direct air capture (DAC) installatie.

Koolstoftechniek

Als de waterstof afkomstig is van hydrolyse die wordt aangedreven door hernieuwbare energie of kernenergie, en als de koolstofdioxide wordt opgevangen uit de omgevingslucht, dan is het geproduceerde synthetische methaan CO2-neutraal. Koolstof wordt uit de lucht gehaald en teruggevoerd naar de lucht wanneer het methaan wordt verbrand - geen netto winst of verlies.

En het proces wordt uiteindelijk aangedreven door hernieuwbare energie. Het is een manier voor hernieuwbare energiebronnen om hun eigen energieopslag voor de lange termijn en verzendbare opwekking te creëren, hun eigen back-up, die ze kunnen gebruiken om sneller te groeien en verder te groeien.

Als PtG van de grond komt, zijn er veel manieren waarop het resulterende gas kan worden gebruikt - zware industrie, verwarming van woningen en transport zullen waarschijnlijk als eerste in de rij staan ​​- maar laten we ons hier concentreren op wat het zou kunnen doen voor het elektriciteitssysteem.

betekenis van 12 dagen kerst songteksten

PtG verlaagt de kosten van een volledig hernieuwbare elektriciteitssysteem

Het wereldwijde energiedienstenbedrijf Wärtsilä, met hoofdkantoor in Helsinki, Finland, onlangs uitgebracht a wit papier met het argument dat Californië zijn ambitieuze doelen voor de elektriciteitssector - 60 procent hernieuwbare energie in 2030, 100 procent CO2-neutraal in 2045 - sneller en goedkoper zou kunnen bereiken via PtG.

Hetzelfde gebruiken Plexos energiesimulatiesoftware gebruikt door Californische regelgevers, modelleerde Wärtsilä drie scenario's voor de toekomst van het elektriciteitsnet van de staat.

Het eerste is het huidige plan van de staat, zoals weerspiegeld in het proces van geïntegreerde resourceplanning (IRP) tot 2030 en vervolgens met behulp van hoge elektrificatieprojecties tot 2045. Dit scenario is sterk afhankelijk van zonne-, wind-, waterkracht- en batterijen. Het huidige plan bereikt met name geen volledige koolstofneutraliteit in 2045 (daarover later meer details).

De tweede is het optimale pad. In de beginjaren bouwt het zonne-, wind- en batterijen iets sneller uit dan het huidige scenario, maar na 2030 vertrouwt het zwaarder dan het huidige plan op thermische centrales, d.w.z. installaties die dingen verbranden om elektriciteit op te wekken. Het bouwt bestaande aardgascentrales langzamer uit, houdt de flexibelere open en bouwt veel kleine, snelle aardgascentrales. Al deze aardgascentrales worden vanaf 2030 omgebouwd naar synthetisch methaan. Het optimale pad bereikt volledige koolstofneutraliteit in 2045.

Het derde scenario is een uitbreiding van het eerste; het is het huidige plan voor steroïden. Het vertrouwt puur op hernieuwbare energiebronnen en batterijen, verbant alle thermische centrales van het net en bereikt totale koolstofneutraliteit tegen 2045.

Spoiler: Het tweede scenario, zoals de naam al doet vermoeden, wint. Het gebruik van PtG maakt het 100 procent doel goedkoper en vermindert onderweg meer koolstofemissies.

Door een klein aantal PtG-installaties te gebruiken, is er geen behoefte aan een hele reeks extra hernieuwbare energiebronnen

Het huidige scenario van Californië is gebaseerd op het overbouwen van hernieuwbare energiebronnen, waarvoor veel land nodig is voor al die zonne- en windparken. Dat is geen kleinigheid, zoals Californië, net als alle staten, is geteisterd door NIMBY's en bureaucratieën die het plaatsen en bouwen van duurzame energiecentrales eindeloos moeilijk maken.

Door een klein aantal aardgascentrales te gebruiken (die uiteindelijk synthetisch methaan verbranden) om de hiaten op te vullen in plaats van hernieuwbare energiebronnen te overbouwen, vereist het optimale scenario minder totale gebouwde capaciteit: 237 gigawatt in 2045, tegenover de 263 van het huidige plan.

ca capaciteit Wärtsilä

Door de hoeveelheid benodigde zonnecapaciteit te verminderen, vermindert het optimale scenario het nieuwe land dat nodig is met een derde, van 900 vierkante mijl naar 600. Dat betekent honderden vermeden NIMBY-gevechten en honderden nieuwe netaansluitingen die niet hoeven te worden goedgekeurd.

Het optimale scenario verlaagt ook de kosten ten opzichte van het huidige scenario. In 2045 zou het huidige scenario resulteren in een genivelleerde elektriciteitsprijs van $ 51 per megawattuur; in het optimale scenario is het $ 50. Dat is geen enorm gat, maar in de loop der jaren komt het neer op een cumulatief verschil van bijna $ 8 miljard.

als stroomkosten:

Jaarlijkse kosten.

Wärtsilä

Een ander voordeel van het houden van een paar gascentrales is dat ze de hoeveelheid wind- en zonne-energie verminderen die moet worden beperkt, dat wil zeggen verspild. Ten eerste verminderen ze de behoefte aan overbouw. Ten tweede kan PtG dienen als belasting voor al die overtollige hernieuwbare energie. Wanneer wind en zonne-energie meer stroom produceren dan de staat kan verbruiken - wat steeds vaker voorkomt naarmate ze groter worden - kan al het overtollige vermogen worden gebruikt om synthetisch methaan te maken.

Van 2020 tot 2045 maakt het optimale scenario gebruik van meer dan 500 terawattuur aan stroom die in het huidige scenario verspild zou zijn.

CA inperking

inperking.

Wärtsilä

Het optimale scenario lijkt dus iets efficiënter en schoner dan het huidige scenario. Maar hier is het meest onthullende deel.

100 procent bereiken zonder verzendbare thermische centrales is hel duur

Bedenk dat het huidige scenario in 2045 niet helemaal CO2-neutraliteit bereikt. De Californische wet vereist dat alle in de staat gekochte en verkochte stroom tegen 2045 klimaatneutraal is. Maar er zijn ook transmissieverliezen. Gemiddeld gaat ongeveer 8 procent van de energie verloren als het door de staat wordt vervoerd, dus om klanten 100 MW te laten ontvangen, moet een nutsbedrijf 108 MW opwekken.

Die extra 8 procent hoeft niet CO2-neutraal te zijn. Het huidige plan van de staat voorziet dat het wordt geleverd door aardgascentrales, waardoor Californië ongeveer 4 of 5 procent koolstofpositief blijft. Dat is de reden waarom over het algemeen het optimale scenario, dat in 2045 echte koolstofneutraliteit bereikt, 124 miljoen ton meer CO2 vermindert dan het huidige pad.

ca emissies

Koolstof uitstoot.

Wärtsilä

Dit roept de vraag op: wat zou er nodig zijn om het huidige scenario een boost te geven zodat het? deed helemaal naar netto nul koolstof gaan?

Daar gaat het derde scenario over. Het modelleert een Californisch elektriciteitssysteem zonder thermische centrales, volledig afhankelijk van hernieuwbare energiebronnen en batterijen. De resultaten zijn behoorlijk eye-popping. Het is technisch mogelijk, maar verdomd is het duur.

Als het huidige scenario gebaseerd is op het overbouwen van zonne-energie, is het derde scenario gebaseerd op het overbouwen van batterijen. Werkelijk ze te overbouwen. Bekijk hoeveel capaciteit er tot 2045 moet worden geïnstalleerd.

ca capaciteit Wärtsilä

Dit is wat critici hebben gezegd: : Als u alleen maar hoeft te werken met hernieuwbare energie en batterijen, is het nodig om die laatste leemte van 95 naar 100 procent CO2-neutraal op te vullen. tonnen en tonnen batterijen installeren . U hebt voldoende batterijcapaciteit nodig om zelfs het meest onwaarschijnlijke, eens per decennium langdurige tekort aan wind en zon te dekken, maar meestal, in normale omstandigheden, zal het grootste deel van die capaciteit niet worden gebruikt - de batterijcapaciteitsfactor, of gebruiksfrequentie daalt tot 3 procent in 2045 in het derde scenario. Energiebronnen die het grootste deel van hun tijd daar ongebruikt doorbrengen, zorgen voor een sombere economie.

Bedenk dat het optimale scenario Californische elektriciteit zou hebben van $ 50/MWh in 2045. In het derde scenario zou het $ 128/MWh zijn, meer dan het dubbele. Het installeren van al die batterijen is duur.

PtG is nog steeds vrij speculatief, maar het lijkt erop dat het zou kunnen helpen

Power-to-gas is een zich snel ontwikkelend en eindeloos interessant gebied. Het bestaat al heel lang - verschillende vormen van synthetisch gas dateren van 180 jaar; het was populair tijdens de Tweede Wereldoorlog toen benzine duur werd - maar de CO2-neutrale versies die tegenwoordig worden ontwikkeld, expliciet ontworpen als hulpmiddelen voor decarbonisatie, zijn relatief nieuw.

Er zijn veel PtG-studies en proefprojecten geweest, vooral in de EU, maar de stukjes zijn nog niet bij elkaar gekomen om serieus te kunnen beginnen met opschalen.

De Wärtsilä-modellering maakt gebruik van prestatie- en kostencijfers voor PtG die zijn ontleend aan de hernieuwbare brandstoffen groep aan de Lappeenranta University of Technology in Finland, maar het is de moeite waard om te benadrukken dat al dergelijke cijfers enigszins speculatief zijn. De uiteindelijke kosten van PtG zijn afhankelijk van de kosten van directe luchtafvang van CO2, de kosten van groene waterstof en de kosten van duurzame energie zelf. Vooral de eerste twee zijn in volle ontwikkeling en moeilijk te voorspellen.

Het is ook vermeldenswaard dat er een denkrichting is die zegt dat de extra stap van het omzetten van waterstof in methaan het niet waard is - dat in plaats daarvan waterstof rechtstreeks in energiecentrales moet worden opgeslagen en verbrand, zonder tussenstap. Mijn vooroordeel is dat op de lange termijn overstappen op waterstof gemakkelijker en economisch voordeliger zal zijn, Tom Brown , leider van de energiemodelleringsgroep bij de Karlsruhe Instituut voor Technologie , vertelde me, en we moeten methaan beperken tot duurzame biogasbronnen.

Er is al een netwerk van waterstofpijpleidingen , wereldwijd en in de VS, en aardgaspijpleidingen kunnen worden omgebouwd om waterstof te vervoeren. Duitsland heeft bijvoorbeeld plannen voor een landelijk dekkend waterstofnetwerk:

En bedrijven zoals GE investeren al in gasturbines die op methaan of waterstof kunnen draaien . Aangezien er slechts een handvol thermische centrales nodig is om hernieuwbare energie te stabiliseren, moeten ze misschien de groene waterstof gewoon direct verbranden. (Waterstof werd niet beschouwd als een directe brandstofbron, vertelden de mensen van Wärtsilä me, omdat er geen manier is om de kosten van de benodigde waterstofinfrastructuur te schatten.)

Het is nog te vroeg in het spel om te voorspellen welke (altijd beschikbare) bron de beste koolstofvrije aanvulling op hernieuwbare energie zal blijken te zijn. Het kunnen synthetische brandstoffen of waterstof zijn, kleine kerncentrales, geavanceerde geothermie, biomassa met CCS, aardgascentrales de Allam-cyclus gebruiken om hun emissies vast te leggen , of een mix.

Wat Wärtsilä overtuigend heeft laten zien, zoals herhaald in eerdere academisch onderzoek , is dat sommige er zullen stevige middelen nodig zijn, of in ieder geval uiterst nuttig, om tot een volledig koolstofneutraal elektriciteitssysteem te komen. Een net dat veel hernieuwbare energie verbruikt, heeft back-upbronnen nodig die altijd beschikbaar zijn en snel kunnen worden in- of uitgeschakeld, omhoog of omlaag, indien nodig. Voorlopig kunnen batterijen niet genoeg energie opslaan of lang genoeg vasthouden om als enige back-up te dienen voor een groot systeem als dat van Californië - in ieder geval niet zonder de bank te breken.

Er zijn andere vaste en flexibele middelen nodig om hernieuwbare energiebronnen en batterijen aan te vullen. Het raster heeft niet per se een ton nodig (kijk hoe klein de oranje flexibiliteitsbalk is in de bovenstaande grafiek), maar als je zelfs maar een kleine hoeveelheid hebt, is er geen behoefte aan tonnen overbouwde capaciteit.

Het is in dit stadium moeilijk om te weten welke stevige, koolstofarme hulpbronnen het goedkoopst zullen zijn als ze na 2030 noodzakelijker worden. Het is de moeite waard om elke vorm die ook maar een aannemelijke kans van slagen heeft te onderzoeken en te ontwikkelen. Verschillende kunnen in verschillende geografische gebieden meer of minder concurrerend blijken te zijn.

Maar waterstof en op waterstof gebaseerde brandstoffen zoals synthetisch methaan zijn mijn favorieten, degenen die volgens mij het meest intensieve onderzoek, ontwikkeling en implementatie rechtvaardigen. Voor het grootste deel is dat gebaseerd op deskundig onderzoek en actueel ontwikkelingen in het veld , maar ik zal bekennen dat in ieder geval een deel ervan, bij gebrek aan een beter woord, esthetisch is.

Er is gewoon iets bevredigends aan de gedachte dat, om elektriciteit te maken in de 21e eeuw - een eeuw waarnaar elektriciteit zal absoluut centraal staan - we hoeven niets meer op te graven of om te hakken. We hebben geen fossielen nodig, we hebben geen planten nodig, we hebben alleen wind, zon en water nodig. Voor zover een systeem op basis van hernieuwbare energie stevige middelen nodig heeft, kan het zichzelf maken, door middel van groene waterstof of PtG. Het is een gesloten kringloop, gebaseerd op het huidige energiebudget van de aarde, met nul netto koolstofemissies en radicaal minder luchtvervuiling.

stroom naar gas systeem Wärtsilä

De studie van Wärtsilä moet op zijn minst de Californische wetgevers en regelgevers bewust maken van de cruciale rol die groene waterstof en/of PtG kunnen spelen bij het terugdringen van de kosten van een volledig koolstofneutraal elektriciteitssysteem. Als waterstof en waterstofbrandstoffen die rol willen spelen, hebben ze agressieve beleidsondersteuning nodig om hun voortgang langs de kostencurve te versnellen.

Om te beginnen stelt Wärtsilä voor om duurzaam geproduceerde PtG te laten kwalificeren als hernieuwbare brandstof, en de daaruit opgewekte stroom als hernieuwbare energie, volgens de Californische wet. En het beveelt aan dat de enige nieuwe toegestane thermische generatie klein (minder dan 100 MW) en wendbaar is, in staat om meerdere keren per dag snel te starten of te stoppen, terwijl er geen water wordt verbruikt. Deze en wat er nog over is van bestaande aardgascentrales zou kunnen worden omgezet in synthetisch methaan wanneer dit beschikbaar komt; tegen 2045, wanneer de staat CO2-neutraal hoopt te zijn, alleen synthetisch methaan (en misschien wat biomethaan ) in het pijpleidingsysteem zou blijven.

Ondertussen zou de federale overheid, om waterstof en waterstofbrandstoffen te ondersteunen, geld moeten pompen in R&D, proefprojecten en implementatiesubsidies; stel een marktgericht beleid in, zoals een nationale norm voor hernieuwbare brandstof (RFS); en hun groei ondersteunen via overheidsopdrachten.

De puzzel van een CO2-neutraal elektriciteitsnet mist een puzzelstukje, een stevige hulpbron die op betrouwbare en kosteneffectieve wijze een back-up kan maken van grote hoeveelheden hernieuwbare energie. Power-to-gas past misschien wel.