Assessing the role for long-duration energy storage in microgrids considering resilience, energy cost savings, and CO2 emission reductions
Diese Studie bewertet die Rolle von Langzeitspeichern (Long-Duration Energy Storage, LDES) in Microgrids zur Steigerung der Resilienz, zur Kostensenkung und zur Reduzierung von Emissionen und stellt fest, dass LDES zwar spezifische Vorteile für hochresiliente, mittagsspitzenlastorientierte Lasten bietet, jedoch unter gegenwärtigen und projizierten zukünftigen Bedingungen im Vergleich zu Lithium-Ionen-Speichern im Allgemeinen unwirtschaftlich bleibt.
Originalarbeit lizenziert unter CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Dies ist eine KI-generierte Erklärung des untenstehenden Papers. Sie wurde nicht von den Autoren verfasst oder gebilligt. Für technische Genauigkeit konsultieren Sie das Originalpaper. Vollständigen Haftungsausschluss lesen
Stellen Sie sich ein lokales Stromnetz in einer Nachbarschaft vor, das einem Sturm standhalten kann. Wenn die Hauptleitungen ausfallen, kann dieses lokale System, bekannt als Microgrid, sich abkoppeln und die Lichter für ein Krankenhaus, eine Fabrik oder einen Universitätscampus aufrechterhalten. Jahrzehntelang war der Standardweg, um dieses Licht während eines langen Stromausfalls am Laufen zu halten, die Nutzung von Dieselgeneratoren oder Erdgasmotoren. Diese Maschinen sind zuverlässig und können tagelang laufen, solange sie Brennstoff haben. Sie verbrennen jedoch fossile Brennstoffe, was Kohlendioxid in die Atmosphäre abgibt und lokale Verschmutzung verursacht. Während die Welt nach sauberer Energie sucht, suchen Ingenieure nach einem Weg, diese lauten, verschmutzenden Motoren durch Batterien zu ersetzen.
Die Herausforderung bei Batterien ist die Zeit. Die meisten derzeit verfügbaren Batterien, wie die Lithium-Ionen-Akkus in Elektroautos, sind hervorragend darin, Energie für einige Stunden zu speichern. Sie eignen sich gut, um tägliche Spitzen im Stromverbrauch auszugleichen oder einen kurzen Sturm zu überbrücken. Aber wenn ein Stromausfall zwei Tage oder eine Woche dauert, gehen diesen Standardbatterien der Saft aus. Hier kommt eine neue Klasse von Technologie namens Langzeitenergiespeicherung ins Spiel. Diese Systeme sind darauf ausgelegt, Energie über viel längere Zeiträume zu speichern, potenziell Tage oder sogar Wochen, und dies zu einem geringeren Preis pro Energieeinheit als Standardbatterien. Die große Frage für Energieplaner ist, ob diese langlebigen Batterien der Schlüssel zum Bau von Microgrids sind, die nicht nur während Blackouts resilient, sondern auch günstig und sauber genug sind, um fossile Brennstoffgeneratoren vollständig zu ersetzen.
Ein Forscher an der University of California, San Diego, ging die Frage an, indem er ein detailliertes Computermodell baute, das zeigt, wie Microgrids tatsächlich funktionieren. Er betrachtete die Technologie nicht isoliert im Vakuum, sondern simulierte reale Bedingungen für sieben verschiedene Gewerbegebäude in Südkalifornien. Er testete, wie diese Gebäude unter drei verschiedenen Szenarien abschneiden würden: den aktuellen Regeln, einer Zukunft, in der die Stromkosten steigen und die Technologie günstiger wird, und einer strengen neuen Richtlinie, die alle Kohlenstoff- und Schadstoffemissionen aus Microgrids verbietet. Er untersuchte zudem drei verschiedene Arten von Langzeitspeichern, die von einem 8-Stunden-System bis hin zu einem massiven 100-Stunden-System reichten, und verglich sie mit dem Standardmix aus Solarmodulen, Kurzzeitspeichern und Gasgeneratoren.
Die Ergebnisse seiner Simulation waren eindeutig und etwas überraschend. In fast jedem der von ihm getesteten Szenarien waren die Langzeitbatterien nicht die wirtschaftlichste Wahl. Die kosteneffizientesten Microgrids stützten sich weiterhin auf eine Kombination aus Solarmodulen, Standard-Lithium-Ionen-Batterien und Erdgasgeneratoren. Der Forscher stellte fest, dass die Langzeitbatterien und die Standard-Kurzzeitspeicher tatsächlich um denselben Job konkurrierten: die höchsten Spitzen in der Stromnachfrage abzufangen, um Geld bei den Stromrechnungen zu sparen. Da die Standardbatterien bei dieser täglichen Aufgabe effizienter waren, gewannen sie den wirtschaftlichen Wettbewerb. Die Langzeitsysteme waren zwar in der Lage, mehr Energie zu speichern, aber oft zu teuer in Anschaffung und Betrieb im Vergleich zu den günstigeren, effizienteren Alternativen.
Selbst als der Forscher seine Simulation in die Zukunft drängte und annahm, dass die Kosten aller neuen Technologien sinken und die Strompreise steigen würden, blieben die Langzeitbatterien nicht die beste Option. Die sinkenden Kosten der Standard-Lithium-Ionen-Batterien machten sie noch attraktiver und ließen die potenziellen Vorteile der langlebigeren Systeme verblassen. Die Studie untersuchte auch, was passieren würde, wenn strenge Umweltregeln Microgrids dazu zwingen würden, den Gebrauch fossiler Brennstoffe einzustellen. Unter diesen Null-Emissions-Richtlinien stiegen die Kosten für den Betrieb eines Microgrids für alle erheblich an. Obwohl die Langzeitbatterien den Einsatz von Solarenergie ermöglichten und die Abhängigkeit von Gas verringerten, waren sie dennoch nicht kostengünstiger als die Alternative. Tatsächlich waren die teuersten Microgrids in der Studie jene, die versuchten, Langzeitbatterien als ihre Hauptspeicherlösung einzusetzen.
Es gab jedoch eine sehr kleine Ausnahme. Der Forscher fand eine potenzielle Nische für die Langzeitspeicherung in spezifischen Arten von Gebäuden, die ein einzigartiges Muster des Stromverbrauchs aufweisen. Dies waren kleinere Gebäude, bei denen die Stromnachfrage mitten am Tag stark ansteigt – genau zu der Zeit, wenn die Solarmodule die meiste Energie produzieren. In nur zwei der vielen getesteten Szenarien, die diese spezifischen kleinen Gebäude unter den strengsten Null-Emissions-Regeln betrafen, erwies sich das Langzeitbatteriesystem als etwas günstiger als der Standardaufbau. Dies deutet darauf darauf hin, dass die Langzeitspeicherung zwar keine universelle Lösung für alle Microgrids sein mag, aber einen Platz in spezifischen, spezialisierten Anwendungen finden könnte, bei denen das Timing von Energieverbrauch und -erzeugung perfekt aufeinander abgestimmt ist.
Die Studie hob auch einen schwierigen Zielkonflikt zwischen Zuverlässigkeit, Kosten und Sauberkeit hervor. Der Forscher stellte fest, dass er, egal wie er die Microgrids konfigurierte, nicht gleichzeitig die niedrigsten Kosten, die höchste Zuverlässigkeit und die niedrigsten Emissionen erreichen konnte. Microgrids, die stark auf lokale Solarenergie und Speicher setzten, um den Strombezug aus dem Hauptnetz zu vermeiden, verbrannten oft lokal mehr fossile Brennstoffe, um eine lange Ausfallzeit zu überstehen, was ihren gesamten CO2-Fußabdruck im Vergleich zum einfachen Kauf von sauberem Strom vom Versorger erhöhte. Umgekehrt mussten Microgrids, die versuchten, perfekt sauber zu sein, oft stärker auf das Hauptnetz zurückgreifen, was sie weniger unabhängig während eines Blackouts machte.
Letztendlich legt die Forschung nahe, dass die Vision, dass Langzeitbatterien das Problem sauberer, resilienter Microgrids im Alleingang lösen, noch nicht Realität ist. Die Technologie ist vielversprechend und spielt eine Rolle, insbesondere bei der Bereitstellung von Resilienz während sehr langer Stromausfälle, aber sie ist derzeit nicht der günstigste oder effizienteste Weg, um ein Microgrid zu betreiben. Der praktischste Weg bleibt vorerst eine Mischung aus Solarmodulen, Standardbatterien und Gasgeneratoren, während die Langzeitspeicherung auf ihren Moment in einer spezifischeren, maßgeschneiderten Anwendung wartet. Der Weg zu einem vollständig sauberen und resilienten lokalen Netz ist komplex, und obwohl die Langzeitspeicherung ein mächtiges Werkzeug im Werkzeugkasten ist, ist sie nicht der magische Schlüssel, der die Tür im Alleingang aufschließt.
Ertrinken Sie in Arbeiten in Ihrem Fachgebiet?
Erhalten Sie tägliche Digests der neuesten Arbeiten passend zu Ihren Forschungsbegriffen — mit technischen Zusammenfassungen, in Ihrer Sprache.