Das wird nicht einfach. Es wird nicht sofort sein. Aber es muss getan werden. “Mit diesem Gebot unterzeichnete Gouverneur Jerry Brown ein Gesetz, das Kalifornien vorschrieb, bis 2045 den gesamten Strom aus Quellen wie Sonne, Wind und Wasserkraft zu beziehen. Es war ein bewundernswert ehrgeiziges Ziel, das der zivilisatorischen Herausforderung angemessen war Reduzierung der für den Klimawandel verantwortlichen CO2-Emissionen. Die einzige Schwierigkeit bestand darin, dass weder Brown noch sonst jemand wusste, wie man das macht.
Die fünftgrößte Volkswirtschaft der Welt war auf dem besten Weg, bis 2020 die Hälfte ihres Stroms aus sauberen Quellen zu beziehen. Mit der Unterzeichnung des neuen Gesetzes am 10. September machte der Gouverneur jedoch ein Versprechen, dass vorhandene Technologien nicht halten können. Das Problem bei modernen erneuerbaren Energiequellen wie Sonne und Wind besteht darin, dass die Sonne nachts nicht scheint und der Wind zeitweise weht und sowohl Sonne als auch Wind (insbesondere in Kalifornien) saisonal sind und im Sommer wachsen und im Winter nachlassen. Derzeit wissen Technologen nicht, wie man Strom aus erneuerbaren Energien kostengünstig oder effizient in großem Maßstab speichert. Die Person oder Gruppe, die dieses Problem löst, wird der Prometheus unserer Zeit sein.
Zufällige Beobachter sauberer Energie sind oft von ihren Einschränkungen überrascht. In Kalifornien sind die Treibhausgasemissionen seit 2004 um 13 Prozent gesunken, obwohl die Wirtschaft um mehr als ein Viertel gewachsen ist. Diese beispiellose Reduzierung ist zum Teil auf die zunehmende Abhängigkeit von Erdgas zurückzuführen, das sauberer als Kohle ist, zum größten Teil jedoch auf die sinkenden Kosten für erneuerbare Energien. Die Veränderung ist wunderbar: Laut einem Bericht der California Public Utilities Commission ist der Preis, den Energieversorger für Solarenergie bezahlten, zwischen 2008 und 2015 um 77 Prozent und der Wind um 47 Prozent gesunken. Diese sinkenden Kosten ermutigten die Energieversorger, landesweit Solar- und Windparks zu errichten.
Dieser aufregende Fortschritt bei der „Dekarbonisierung des Energiesektors“(im Fachjargon der Energieökonomen) führt jedoch in die Irre. Die Energieversorger steuern heute die Intermittenz und Saisonalität erneuerbarer Energien, indem sie bei hohen Preisen und hoher Nachfrage kleine "Peaker" -Kraftwerke in Betrieb nehmen, die in der Regel mit Erdgas betrieben werden. Um mehr kalifornische Energie aus Sonne und Wind zu gewinnen, müssten die Energieversorger in den Sommermonaten große Überschüsse an Energie produzieren und diese Energie für das ganze Jahr speichern. Nach einer vielfach publizierten Analyse eines Think Tanks für Energiepolitik wird die Clean Air Task Force, die 80 Prozent der kalifornischen Energie aus fortschrittlichen erneuerbaren Energien erzeugt, 9, 6 Millionen Megawattstunden Energiespeicher benötigen. 100 Prozent würden 36, 3 Millionen erfordern. So verfügt der Staat derzeit nur über 150.000 Megawattstunden Energiespeicher, hauptsächlich aus Wasserkraft. Auch Lithiumbatterien machen einen kleinen Teil aus.
Jason Pontin (@jason_pontin ist ein Ideengeber für WIRED. Früher war er Chefredakteur und Herausgeber von MIT Technology Review. Davor war er Herausgeber von Red Herring. Jetzt ist er Senior Partner bei Flagship Pioneering, einer Firma in Boston Damit werden Unternehmen finanziert, die Probleme in den Bereichen Gesundheit, Ernährung und Nachhaltigkeit lösen. Pontin schreibt weder über die Portfoliounternehmen von Flagship noch über ihre Wettbewerber.
Die Lithium-Ionen-Batterien in unseren Handys oder Elektrofahrzeugen sind dieser Herausforderung nicht gewachsen. Trotz stark sinkender Kosten sind sie immer noch viel zu teuer und speichern Energie nicht lange genug. Eine im Jahr 2016 veröffentlichte Aufklärungsstudie von Forschern des MIT und des Argonne National Lab hat gezeigt, dass „wahrscheinlich erhebliche Kosteneinsparungen erforderlich sind, um den Einsatz [bestehender] Speichertechnologien in großem Maßstab wirtschaftlich zu rechtfertigen.“Übersetzt von der Clean Air Task Force: Ionenbatterien waren so billig wie möglich, Kalifornien musste 360 Milliarden Dollar für die Lagerung ausgeben, um Browns Imperativ zu erfüllen. Laut einer anderen Studie in den Bereichen Energie und Umweltwissenschaften würde die Speicherung von 12 Stunden Energie 2, 5 Billionen US-Dollar kosten. Insgesamt würden sich die Energiekosten von 49 USD pro Megawattstunde um 50 Prozent auf 1.612 USD bei 100 Prozent erhöhen. Die Wirtschaft ist unplausibel; Verkauf der Wirtschaft an die Verbraucher, unmöglich.
Wenn Batterien ihren Teil dazu beitragen sollen, müssen sie weniger als ein Fünftel der voraussichtlichen Mindestkosten für Lithium-Ionen-Batterien kosten (etwa 100 US-Dollar pro Kilowattstunde). Um dieses Problem zu lösen, haben Materialwissenschaftler auf Alternativen zu Lithium-Ionen zurückgegriffen und Unternehmen wie Aquion gegründet, die Salzwasserbatterien herstellten, oder LightSail, das Energie als Druckluft speichern wollte. Ambri, ein Startup in Boston, das von Don Sadoway vom MIT gegründet und von Bill Gates finanziert wurde, verfolgte eine besonders radikale Idee: Das Unternehmen verwendete erdreiche Materialien, um Flüssigmetallbatterien herzustellen, bei denen die negativen und positiven Elektroden Flüssigkeiten und der Elektrolyt geschmolzen sind Salz. Aber Aquion und LightSail haben keinen Speicher geschaffen, der billiger war als Lithium-Ionen-Batterien. Ambri hatte Mühe, seine Forschungen in ein kommerzielles Produkt umzusetzen, das Versorgungsunternehmen kaufen würden. (Das Unternehmen konnte die Batterien nicht versiegeln, gibt jedoch an, das Problem durch den Verzicht auf Magnesium und Antimon gegen neue, noch nicht bekannte Materialien gelöst zu haben.)
Wenn es kein Speicherwunder geben würde, wie würden wir die Welt retten?
Als ich vor ein paar Jahren mit Gates sprach, sagte er zu mir: „Ich bin in fünf Batterieunternehmen und fünf von fünf haben es schwer. Wenn die Leute über Energielösungen nachdenken, können Sie nicht davon ausgehen, dass es ein Speicherwunder geben wird. “Gates gab das Wunder nicht auf; Er investiert weiterhin in Batterien durch Breakthrough Energy Ventures, eine Koalition von Milliardären, einschließlich Jeff Bezos, Jack Ma und Richard Branson, die sich verpflichtet haben, mindestens 1 Milliarde US-Dollar zu investieren, um den Kohlenstoffausstoß pro Energieeinheit auf Null zu senken. Unter den ersten Investitionen von BEV befindet sich eine MIT-Ausgründung mit dem Namen Form Energy, die von einigen der bekanntesten Namen im Bereich Energiespeicherung gegründet wurde, darunter ein weiterer MIT-Professor, Yet-Ming Chiang, der fünf Batterieunternehmen gegründet hat (darunter A123 Systems, das seit einem Jahrzehnt besteht) vor einer halben Milliarde US-Dollar sowie einen Zuschuss von 249 Millionen US-Dollar vom US-Energieministerium gesammelt, bevor Konkurs angemeldet und von einem chinesischen Unternehmen übernommen wurde). Form Energy entwickelt wässrige Schwefel-Flow-Batterien, die in einer seltsamen Chemie Sauerstoff ein- und ausatmen: Sie kombinieren eine in Wasser gelöste Schwefel-Anode mit einer belüfteten Flüssig-Salz-Lösungs-Kathode, an der Sauerstoff in die Kathode einströmt und aus ihr austritt Batterie zu entladen. Verschiedene Berichte behaupten, dass die neuen Batterien zwischen 1 und 10 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten werden, verglichen mit den aktuellen Lithiumkosten von 200 US-Dollar pro Kilowattstunde, und Energie für Wochen oder sogar Monate anstatt Stunden oder Tage speichern.
Der Ansatz von Form Energy ist vielversprechend, aber auch die Technologien von A123 Systems und ein Friedhof früherer Batteriestarts. Wenn es kein Speicherwunder geben würde, wie würden wir die Welt retten? Drei mehr oder weniger plausible Alternativen zu Batterien könnten die Intermittenz und Saisonalität von Sonne und Wind verfeinern und dazu beitragen, klimaneutrale Energie zu erzeugen. (Das heißt, jenseits der ewigen Hoffnung auf Fusion. Physiker scherzen: „Fusion ist die Energiequelle der Zukunft und wird es immer sein.“)
Erstens könnten wir erneuerbare Energien in großem Maßstab speichern, ohne überhaupt elektrochemische Batterien einzusetzen. Zum Beispiel haben Befürworter der solarchemischen oder künstlichen Photosynthese vorgeschlagen, Sonnenenergie zu nutzen, um Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff zu spalten, einen Brennstoff, der in Brennstoffzellen verwendet oder in Verbrennungsmotoren verbrannt werden kann. Wir könnten den Wasserstoff sogar mit Kohlendioxid kombinieren, das aus Erdgasspitzen gewonnen wird, um Methan zu erzeugen, einen Kraftstoff mit einer globalen Infrastruktur. Zweitens könnten wir mit Kernspaltung, der kohlenstofffreien Energietechnologie, die wir bereits besitzen, Grundlaststrom erzeugen, der genug Energie erzeugt, um die Wechselwirkung und Saisonalität von Sonne und Wind zu ignorieren. Schließlich könnten wir zerstörerischst unser bestehendes Flickenteppich aus Wechselstromnetzen abreißen und ein neues Hochübertragungs-Gleichstrom-Supergrid aufbauen, das den gesamten Kontinent mit Strom versorgt und das Angebot mit vorausschauender Software an die Nachfrage anpasst. Alle diese Optionen haben gewaltige technische, wirtschaftliche und politische Probleme, aber wenn ich wetten würde, würde ich (wie die Autoren der MIT- und Argonne Lab-Studie 2016) davon ausgehen, dass wir eine Kombination dieser Technologien und neuer Batterien benötigen.
