Global system value of tidal stream energy for cost-effective decarbonisation

Die Welt rast auf eine Zukunft zu, in der Elektrizität fast ausschließlich aus Sonne und Wind gewonnen wird. Dieser Wandel ist essenziell, um den Klimawandel zu stoppen, bringt aber ein kniffliges Problem mit sich: Die Sonne scheint nicht immer, und der Wind weht nicht immer. Wenn das Wetter ruhig ist, können Stromnetze an Kapazität verlieren, was Ingenieure dazu zwingt, massive Mengen an Batteriespeichern zu bauen, um Energie für später aufzubewahren. Diese Batterien sind teuer und erfordern riesige Mengen an seltenen Materialien für ihren Bau. Wissenschaftler wissen schon lange, dass die Gezeiten eine andere Art von Energie bieten. Im Gegensatz zu Wind und Sonne wird der Aufstieg und Fall des Ozeans durch die Gravitationskraft von Mond und Sonne angetrieben, was ihn vollkommen vorhersehbar und völlig unabhängig vom Wetter macht. Die große Frage war bisher immer, ob diese zuverlässige Energie den hohen Preis für den Bau von Unterwasser-Turbinen wert ist oder ob sie nur eine Nischenkuriosität darstellt.

Eine neue Studie von Forschern der University of Oxford und der University of Plymouth hat diese Frage endlich beantwortet, indem sie das gesamte Stromsystem betrachtete, anstatt nur die Kosten eines einzelnen Kraftwerks. Sie nutzten ein hochentwickeltes Computermodell, um zu simulieren, wie Stromnetze an zwanzig verschiedenen Orten weltweit funktionieren würden, von den windigen Küsten Schottlands bis zu den sonnigen Inseln Indonesiens. In diesen Simulationen testeten sie, wie das Hinzufügen von Gezeitenströmungsenergie – Energie, die durch Unterwasser-Turbinen erzeugt wird, die sich mit der Strömung drehen – die Gesamtkosten und das Design eines Netto-Null-Stromsystems veränderte. Die Ergebnisse zeigen, dass Gezeitenenergie weitaus wertvoller ist als bisher angenommen, nicht weil sie günstig im Bau ist, sondern weil sie als perfekter Partner zu Wind und Sonne fungiert und es dem gesamten System ermöglicht, mit weitaus weniger teuren Batteriespeichern und insgesamt weniger Ressourcen zu arbeiten.

Die Forscher fanden heraus, dass der Wert der Gezeitenenergie stark davon abhängt, welche anderen Energiequellen in einer Region bereits verfügbar sind. An Orten, an denen der Wind die Hauptquelle erneuerbarer Energien ist, schafft das Hinzufügen von Gezeitenenergie eine kraftvolle Kombination. Da der Wind über Tage hinweg unvorhersehbar sein kann, müssen Netze normalerweise enorme Mengen an zusätzlicher Windkraft und Batterien bauen, um sicherzustellen, dass immer genug Strom vorhanden ist. Die Gezeiten folgen jedoch einem strengen, vorhersehbaren Zeitplan, indem sie zweimal täglich mit kurzen Pausen dazwischen steigen und fallen. Wenn dieser vorhersehbare Rhythmus einem windintensiven System hinzugefügt wird, füllt er die Lücken, die der Wind hinterlässt. Die Studie zeigt, dass das Hinzufügen von Gezeitenenergie in diesen windlastigen Regionen die Gesamtkosten des Stromsystems um mehr als 20 Prozent senken kann. Dies geschieht, indem der Bedarf an Batteriespeichern drastisch reduziert wird, was oft der teuerste Teil eines grünen Stromnetzes ist. Tatsächlich sank die benötigte Batteriekapazität in diesen Simulationen um zwischen 20 und 55 Prozent.

In Regionen, in denen Solarenergie die dominante erneuerbare Quelle ist, ist die Geschichte etwas anders, aber dennoch positiv. Solarpaneele produzieren Strom während des Tages und hören nachts auf, ein Muster, das sehr regelmäßig ist. Das Hinzufügen von Gezeitenenergie hilft hier ebenfalls, aber die Einsparungen sind moderater und reduzieren die Systemkosten im Allgemeinen um weniger als 15 Prozent. Dies liegt daran, dass Solarstrom und Batterien bereits recht gut mit dem täglichen Zyklus von Tag und Nacht zurechtkommen. Doch selbst in diesen sonnigen Regionen spielte die Gezeitenenergie eine entscheidende Rolle. Sie reduzierte den Bedarf an Batteriekapazität um etwa 15 Prozent und half dabei, die Stromversorgung zu glätten, was beweist, dass sie in fast jedem Mix aus erneuerbaren Energien ihren Platz hat. Die Studie legt nahe, dass die einzigartige Zeitplanung der Gezeiten eine andere Art von Stabilität bietet, die Wind und Sonne allein nicht bieten können.

Eines der überraschendsten Ergebnisse war, wie sehr die Gezeitenenergie den physischen Fußabdruck der Energiewende verringern konnte. Der Aufbau einer Netto-Null-Welt erfordert riesige Landflächen für Solarparks und Windparks sowie enorme Mengen an kritischen Materialien wie Lithium für Batterien. Die Simulationen zeigten, dass durch die Einbeziehung der Gezeitenenergie die benötigte Gesamtfläche für die Erschließung in vielen winddominierten Standorten um mehr als 30 Prozent gesenkt werden konnte. Ebenso sank die Nachfrage nach Lithium, das für die Herstellung von Batterien benötigt wird, signifikant. In einigen Fällen fiel der Bedarf an Batteriekapazität um bis zu 80 Prozent. Das bedeutet, dass die Gezeitenenergie helfen könnte, das Problem zu lösen, wo all diese neuen Kraftwerke gebaut werden sollen und woher die Materialien für ihren Bau stammen sollen, wodurch der Druck auf die Umwelt und die globalen Lieferketten gemildert wird.

Die Forscher untersuchten auch, wie sich der Wert der Gezeitenenergie verändert, wenn die Welt näher an den Null-Emissions-Zustand rückt. In winddominierten Systemen steigt der Wert der Gezeitenenergie tatsächlich an, wenn die Kohlenstoffgrenzwerte strenger werden. Wenn das Stromnetz sauberer wird und weniger auf fossile Brennstoffe angewiesen ist, wird der Bedarf an dieser vorhersehbaren, wetterunabhängigen Energie immer kritischer. Im Gegensatz dazu bleibt der Wert in solardominierten Systemen stabil, wächst aber nicht so dramatisch an. Die Studie identifizierte das Verhältnis von Wind- zu Solarressourcen in einer Region als einen guten Prädiktor dafür, wie sehr die Gezeitenenergie helfen wird. Wenn ein Standort viel Wind und weniger Sonne hat, wird Gezeitenenergie wahrscheinlich eine große Kosteneinsparung darstellen. Wenn ein Ort sehr sonnig ist, wird die Gezeitenenergie zwar helfen, aber sie wird nur ein kleinerer Teil des Puzzles sein.

Diese Arbeit stellt die alte Denkweise über neue Energietechnologien infrage. Lange Zeit bewerteten Experten Technologien wie die Gezeitenenergie ausschließlich nach ihren eigenen Kosten pro Einheit Strom. Da Unterwasser-Turbinen derzeit teuer in Bau und Wartung sind, wurden sie oft als zu kostspielig angesehen, um mit günstigen Solarpaneelen zu konkurrieren. Diese neue Forschung argumentiert, dass diese Sichtweise zu eng gefasst ist. Sie legt nahe, dass der wahre Wert einer Technologie darin liegt, wie sie in das Gesamtsystem passt. Auch wenn Gezeiten-Turbinen teurer im Bau sind als Solarpaneele, sparen sie dem System Geld, indem sie den Bedarf an anderen teuren Komponenten wie Batterien und zusätzlichen Windturbinen verringern. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass Gezeitenströmungsenergie nicht nur eine lokale Kuriosität für einige spezifische Küstenlinien ist, sondern ein global bedeutsames Werkzeug für den Aufbau einer günstigeren, effizienteren und widerstandsfähigeren Netto-Null-Zukunft.

Die Forscher waren sorgfältig darin, ihre Ergebnisse gegen verschiedene Szenarien zu testen, einschließlich Änderungen zukünftiger Technologiekosten und unterschiedlicher Muster des Strombedarfs. Selbst wenn sie annahmen, dass die Kosten für Batterien oder Windturbinen signifikant steigen oder sinken könnten, blieb der Nutzen des Hinzufügens von Gezeitenenergie konsistent. Die Simulationen zeigten, dass Gezeitenenergie das gesamte System robuster macht, was bedeutet, dass es weniger wahrscheinlich ist, dass das System durch unerwartete Änderungen in den Kosten anderer Technologien aus dem Gleichgewicht gerät. Diese Resilienz ist ein wesentlicher Teil ihres Wertes. Die Studie stellte zudem fest, dass die besten Gezeitenressourcen zwar an einigen spezifischen Orten zu finden sind, wie etwa im Pentland Firth in Schottland und der Cookstraße in Neuseeland, die Vorteile jedoch nicht auf diese riesigen Standorte beschränkt sind. Kleinere Standorte auf der ganzen Welt, einschließlich derer in Japan und Indonesien, zeigten ebenfalls signifikante systemweite Vorteile.

Letztlich zeichnet das Papier das Bild eines zukünftigen Energiesystems, in dem der Ozean eine zentrale Rolle spielt. Indem wir den vorhersehbaren Rhythmus der Gezeiten nutzen, können wir Stromnetze aufbauen, die nicht nur sauberer, sondern auch günstiger und weniger fordernd für die Ressourcen unseres Planeten sind. Die Forschung liefert einen klaren Fahrplan dafür, wo und wann Gezeitenenergie eingesetzt werden sollte, und deutet darauf hin, dass sie ein entscheidendes fehlendes Puzzleteil in der globalen Dekarbonisierung ist. Es ist eine Erinnerung daran, dass die Lösung der Klimakrise einen vielfältigen Mix an Technologien erfordern wird, von denen jede ihre einzigartigen Stärken einbringt, anstatt sich auf eine einzige Lösung zu verlassen. Die Gezeiten, mit ihrem uralten und unveränderlichen Rhythmus, bieten eine stetige Hand, um den Übergang zu einer nachhaltigen Welt zu leiten.