Schwer! Tesla veröffentlichte einen langen Artikel, in dem „Grand Plan 3“ vorgestellt wurde, und weitere Informationen zu den drei neuen Autos

Anfang März kündigte Musk auf der Investorenkonferenz den dritten Teil von Teslas geheimem Großplan (Masterplan Teil 3) an und brachte seine Hoffnung zum Ausdruck, durch Änderungen in den folgenden fünf Bereichen eine nachhaltige Energiewirtschaft zu erreichen, darunter:

• Ersetzen Sie Benzinautos durch Elektroautos
• Popularisierung von Wärmepumpen in Haushalten, Unternehmen und Industrien
• Implementierung von Hochtemperaturerwärmung und -speicherung in industriellen Prozessen
• Elektrifizierung von Flugzeugen und Schiffen
• Strom aus erneuerbaren Quellen erzeugen und Energie aus stationären Speichern bereitstellen

Musk hat einmal einen Satz verwendet, um Teslas geheimen großen Plan zusammenzufassen: Der Weg zu einer vollständig nachhaltigen Energiezukunft für die Erde. Es bedeutet „der Weg zu einer vollständig nachhaltigen Energiezukunft für die Erde“.

Aber damals wurde dem Plan „Mangel an Details“ vorgeworfen, und der Aktienkurs von Tesla fiel nach Geschäftsschluss um mehr als 3 %.

Heute veröffentlichte Tesla ein 41-seitiges PDF – Masterplan Teil 3 – Nachhaltige Energie für die ganze Erde

Dieses PDF beschreibt ihren geheimen Masterplan Teil 3, um eine bessere Zukunft für sich selbst und zukünftige Generationen zu schaffen, indem wir uns von fossilen Brennstoffen entwöhnen und auf erneuerbare Energien umsteigen.

Das Dokument enthüllt auch weitere Informationen über die 3 neuen Autos:

• Das Einstiegsmodell wird einen 53-kWh-Eisen-Lithium-Akku verwenden
• Ein kleiner Lieferwagen wird einen 100-kWh-Hochnickel-Positiv-Batteriesatz verwenden
• Ein weiterer großer Bus wird einen 300-kWh-Lithium-Eisen-Akku verwenden

Darüber hinaus werden alle bestehenden Modelle 3/Y 75-kWh-Eisen-Lithium-Batterien verwenden, und der kommende Cybertruck wird 100-kWh-Nickel-Batterien verwenden.

Das Folgende ist der vollständige Inhalt dieses PDF-Dokuments. Sie können auch auf das „ Hongtu-Projekt “ auf dem offiziellen WeChat-Konto von „Dong Chehui“ antworten , um das Word-Dokument dieses Artikels und das PDF-Dokument des Originaltexts zu erhalten.

Lasst uns beginnen!

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung

Die aktuelle Energiewirtschaft ist sehr verschwenderisch

planen, auf fossile Brennstoffe zu verzichten

• Repowering des bestehenden Netzes mit erneuerbarer Energie
• Wechseln Sie zu Elektrofahrzeugen
• Umstellung auf Wärmepumpen im Wohn-, Gewerbe- und Industriebereich
• Elektrifizierung von Hochtemperatur-Wärmeübertragung und Wasserstoff
• Nachhaltige Flugzeug- und Schiffskraftstoffe
• Schaffung einer nachhaltigen Energiewirtschaft

Vollständig nachhaltiges Energiewirtschaftsmodell

• Bewertung der Energiespeichertechnologie
• Bewertung der Stromerzeugungstechnologie

Modellergebnisse

• Auf die USA beschränktes Modell – erfüllt neue Elektrifizierungsanforderungen
• Weltweite Modelle – Erfüllung neuer Elektrifizierungsanforderungen
• Batterien für den Transport
• Fahrzeug
• Schiffe und Flugzeuge
• World Model Results – Elektrifizierung und Batterien in Fahrzeugen

benötigte Mittel

benötigte Grundstücksfläche

benötigte Materialien

Zusammenfassen

Zusammenfassung

Am 1. März 2023 schlug Tesla den dritten Teil des Masterplans vor – einen vorgeschlagenen Weg zur Erreichung einer globalen nachhaltigen Energiewirtschaft durch Elektrifizierung, nachhaltige Energieerzeugung und -speicherung. Dieser Artikel skizziert die Annahmen, Quellen und Berechnungen hinter dieser Empfehlung. Jeder ist willkommen, Kommentare und Austausch zu liefern.

Die Theorie gliedert sich in drei Hauptteile:

01 Strombedarf

Schätzungen des globalen Energiebedarfs ohne fossile Brennstoffe.

02 Stromversorgung

Erstellen Sie die kostengünstigste Kombination aus Erzeugungs- und Speicherressourcen, um den stündlichen Strombedarf zu decken.

03 Material Machbarkeit und Investition

Bestimmen Sie die Realisierbarkeit von Materialien, die für eine elektrische Wirtschaft benötigt werden, und die dafür erforderlichen Fertigungsinvestitionen.

Dieses Papier stellt fest, dass eine nachhaltige Energiewirtschaft technisch machbar ist und weniger Investitionen und Materialabbau erfordert als die heutige nicht nachhaltige Energiewirtschaft. Während viele frühere Studien zu ähnlichen Schlussfolgerungen gekommen sind, zielt diese Studie darauf ab, das Denken in Bezug auf die Materialdichte, die Fertigungskapazität und die Fertigungsinvestitionen voranzutreiben, die für einen Übergang in allen Energiesektoren weltweit erforderlich sind.

Die aktuelle Energiewirtschaft ist verschwenderisch

Laut World Energy Balance Sheet 2019 der Internationalen Energieagentur (IEA) beträgt das globale Primärenergieangebot 165 PWh/Jahr und das Gesamtangebot an fossilen Brennstoffen 134 PWh/Jahr. 37 % (61 PWh) wurden verbraucht, bevor sie den Endverbraucher erreichten. Dazu gehören der Eigenverbrauch der fossilen Brennstoffindustrie während der Gewinnung/Veredelung und Umwandlungsverluste während der Stromerzeugung. Weitere 27 % (44 PWh) gehen durch ineffiziente Endverbraucher wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor und Erdgasheizungen verloren. Insgesamt erzeugen nur 36 % (59 PWh) der Primärenergiebereitstellung wirtschaftlich nutzbare Arbeit oder Wärme. Analysen des Lawrence Livermore National Lab zeigen ein ähnliches Maß an Ineffizienz in der globalen und US-amerikanischen Energieversorgung .

planen, auf fossile Brennstoffe zu verzichten

In einer elektrifizierten Wirtschaft, die auf nachhaltiger Stromerzeugung basiert, werden die meisten vorgelagerten Verluste im Zusammenhang mit dem Abbau, der Raffination und der Verbrennung von Energie zur Stromerzeugung eliminiert, zusammen mit den nachgelagerten Verlusten aus nichtelektrischen Endverbrauchern. Einige industrielle Prozesse erfordern einen höheren Energieeinsatz (z. B. die Produktion von grünem Wasserstoff), und einige Extraktions- und Reinigungsaktivitäten müssen zunehmen (unter Einbeziehung von Metallen, die zur Herstellung von Batterien, Sonnenkollektoren, Windturbinen usw. verwendet werden).

Die folgenden 6 Schritte zeigen die Maßnahmen, die erforderlich sind, um die Wirtschaft vollständig zu elektrifizieren und den Einsatz fossiler Brennstoffe zu eliminieren. Diese sechs Schritte beschreiben die Annahmen über die Stromnachfrage in einer nachhaltigen Energiewirtschaft und führen zu einer modellierten Stromnachfragekurve.

Dieses Modell verwendet High-Fidelity-Daten, die von der U.S. Energy Information Administration (EIA) von 2019 bis 2022 bereitgestellt wurden, um die US-Energiewirtschaft zu analysieren, und führt eine 6-fache Berechnung basierend auf dem Verhältniskoeffizienten des Energieverbrauchs zwischen den USA und der Welt in durch 2019 in der IEA Energiebilanz Skala zur Abschätzung des Handlungsbedarfs für die Weltwirtschaft. Dies ist eine erhebliche Vereinfachung und könnte ein Schwerpunkt für zukünftige Analysen sein, da sich die globale Energienachfrage anders zusammensetzt als in den Vereinigten Staaten und voraussichtlich im Laufe der Zeit zunehmen wird. Aufgrund der aktuellen Verfügbarkeit dieser verfügbaren Daten bezieht sich diese Analyse auf die Vereinigten Staaten.

Der Plan betrachtet Onshore-/Offshore-Windenergie, Solarenergie, bestehende Kernenergie und Wasserkraft als nachhaltige Quellen der Stromerzeugung und betrachtet auch vorhandene Biomasse als nachhaltig, obwohl sie möglicherweise auslaufen wird. Darüber hinaus berücksichtigt der Plan nicht die Absorption von Dingen wie Kohlendioxid, die im vergangenen Jahrhundert durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe ausgestoßen wurden, mit Ausnahme der direkten Luftabscheidung, die für die Erzeugung synthetischer Brennstoffe erforderlich ist; jede zukünftige Implementierung solcher Technologien würde wahrscheinlich den globalen Energiebedarf erhöhen.

01 Umrüstung des bestehenden Netzes mit erneuerbarer Energie

Der bestehende stündliche Strombedarf in den Vereinigten Staaten wird als unflexible Basisnachfrage aus der UVP modelliert. Für vier US-Unterregionen (Texas, Pazifik, Mittlerer Westen und Osten) wurde eine Modellierung durchgeführt, um regionale Unterschiede, die Verfügbarkeit erneuerbarer Ressourcen, das Wetter und Einschränkungen bei der Netzübertragung zu berücksichtigen. Dieser bestehende Strombedarf ist die Grundlast, die durch nachhaltige Erzeugung und Speicherung gedeckt werden muss.

Die Welt liefert 65 PWh Primärenergie pro Jahr an den Elektrizitätssektor, davon 46 PWh pro Jahr an fossilen Brennstoffen; aufgrund von Ineffizienzen bei der Umwandlung fossiler Brennstoffe in Strom werden jedoch nur 26 PWh pro Jahr Strom erzeugt. Wenn das Netz mit erneuerbarer Energie betrieben würde, wären nur 26 PWh nachhaltiger Erzeugung pro Jahr erforderlich, um die Anforderungen zu erfüllen .

02 Wechsel zu EVs

Aufgrund der höheren Effizienz des Antriebsstrangs, der Fähigkeit zum regenerativen Bremsen und des optimierten Plattformdesigns sind Elektrofahrzeuge etwa viermal effizienter als Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist dieses Verhältnis für Personenkraftwagen, leichte Lastkraftwagen und Sattelanhänger der Klasse 8 korrekt.

Als konkretes Beispiel verbraucht Teslas Model 3 131 MPGe, während der Toyota Corolla 34 MPG verbraucht, eine Differenz von 3,9-mal, und dieses Verhältnis steigt, wenn vorgelagerte Verluste wie der Energieverbrauch im Zusammenhang mit der Gewinnung und Raffination von Kraftstoff berücksichtigt werden (siehe Abb. 4). .

Um die Stromnachfrage für den elektrifizierten Verkehrssektor zu bestimmen, wird der historische monatliche Verbrauch von US-Transportöl (ohne Luft- und Seeverkehr) in jeder Unterregion mit dem oben genannten Elektrofahrzeug-Effizienzfaktor (4x) skaliert. Die Tesla-Flotte wird stündlich in nicht regulierte und regulierte Segmente aufgeteilt und wird als Lastprofil für das Laden von Elektrofahrzeugen im zu 100 % elektrifizierten Transportsektor angenommen. Supercharging, Laden von Nutzfahrzeugen und Fahrzeuge mit einem Zustand unter 50 % SOC gelten als nicht regulierender Bedarf. Das AC-Laden zu Hause und am Arbeitsplatz ist eine anpassbare Nachfrage und wird mit einem 72-Stunden-Energieeinsparungsbeschränkungsmodell modelliert, das die Flexibilität widerspiegelt, die die meisten Fahrer beim Laden haben, wenn erneuerbare Ressourcen reichlich vorhanden sind. Im Durchschnitt laden Tesla-Fahrer alle 1,7 Tage von 60 % SOC auf 90 % SOC, sodass das Elektrofahrzeug im Verhältnis zur typischen täglichen Kilometerleistung genügend Reichweite hat, um die Nutzung erneuerbarer Energien zu optimieren. Aufladen, vorausgesetzt, es gibt eine Ladeinfrastruktur zu Hause und am Arbeitsplatz.

Die Elektrifizierung des globalen Transportsektors eliminiert 28 PWh des jährlichen Verbrauchs fossiler Brennstoffe und wendet einen 4-fachen EV-Effizienzfaktor an, um einen zusätzlichen Strombedarf von etwa 7 PWh pro Jahr zu schaffen.

03 Umstellung auf Wärmepumpen im Wohn-, Gewerbe- und Industriebereich

Wärmepumpen transportieren Wärme von der Quelle zur Senke, indem sie ein Zwischenkältemittel komprimieren/expandieren. Mit der richtigen Auswahl der Kältemittel kann die Wärmepumpentechnologie in der Raumheizung, Warmwasserbereitung und Waschmaschinen in Wohn- und Gewerbegebäuden sowie in vielen industriellen Prozessen eingesetzt werden.

Luftwärmepumpen sind die Technologie, die sich am besten für die Nachrüstung von Gasöfen in bestehenden Häusern eignet und 2,8 Wärmeeinheiten pro verbrauchter Energieeinheit liefert, basierend auf einer typischen Effizienzbewertung von 9,5 Btu/Wh mit einem saisonalen Heizleistungsfaktor (HSPF). Gasöfen verbrennen Erdgas zur Wärmeerzeugung. Sie haben eine jährliche Nutzungsrate (AFUE) von etwa 90 %. Daher verbraucht die Luftwärmepumpe weniger Energie (2,8/0,9) im Vergleich zum 3-mal geringeren Verbrauch als der Erdgaskessel.

Wohn- und Gewerbegebiete

EIA stellt für jede Subregion den historischen monatlichen US-Erdgasverbrauch für den Wohn- und Gewerbesektor bereit. Ein 3-facher Wirkungsgrad der Wärmepumpe reduziert den Energiebedarf, wenn alle Gasgeräte elektrifiziert sind. Der stündliche Lastfaktor des Grundstrombedarfs wird angewendet, um die stündliche Änderung des Strombedarfs von der Wärmepumpe zu schätzen, wodurch der Heizbedarf effektiv Zeiträumen zugeordnet wird, in denen das Haus aktiv heizt oder kühlt. Im Sommer ist die Nachfrage von Privathaushalten/Geschäften am Nachmittag am höchsten, wenn die Kühllasten am größten sind, und im Winter folgt die Nachfrage der sprichwörtlichen „Entenkurve“, die morgens und abends ihren Höhepunkt erreicht.

Durch die Elektrifizierung von Wohn- und Gewerbegeräten mit Wärmepumpen können weltweit jährlich 18 PWh an fossilen Brennstoffen eingespart und 6 PWh zusätzlicher Strombedarf geschaffen werden.

industrielle Fertigung

Industrielle Prozesse können von der Effizienzsteigerung von Wärmepumpen bis zu einer Maximaltemperatur von etwa 200 °C profitieren, beispielsweise in der Lebensmittel-, Papier-, Textil- und Holzindustrie. Mit zunehmender Temperaturdifferenz sinkt jedoch der Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Die Integration der Wärmepumpe ist heikel, und die genaue Effizienz hängt stark von der Temperatur der vom System aufgenommenen Wärmequelle ab (die Temperatur ist einer der Faktoren, die die Effizienz der Wärmepumpe bestimmen). Daher wird eine vereinfachende Annahme des erreichbaren COP-Bereichs verwendet:

Gemäß der von der IEA bereitgestellten Temperaturzusammensetzung der Industriewärme und dem angenommenen Wärmepumpenwirkungsgrad in Tabelle 2 beträgt der modellierte gewichtete Wirkungsgrad der Industriewärmepumpe 2,2.

Die UVP stellt den historischen monatlichen Verbrauch fossiler Brennstoffe durch den Industriesektor für jede Subregion8 bereit. Es wird davon ausgegangen, dass die gesamte industrielle Nutzung fossiler Brennstoffe, mit Ausnahme von eingebetteten fossilen Brennstoffen in Produkten (Gummi, Schmieröl usw.), der Prozesswärme dient. Laut der Internationalen Energieagentur liegen 45 % der Prozesswärme unter 200 °C und benötigen bei Elektrifizierung mit Wärmepumpen das 2,2-fache der Eingangsenergie. Der erhöhte Strombedarf für industrielle Wärmepumpen wird als unflexibler, flacher Stundenbedarf modelliert.

Weltweit könnte die Elektrifizierung industrieller Prozesswärme unter 200 °C mit Wärmepumpen 12 PWh fossiler Brennstoffe pro Jahr entfernen und 5 PWh zusätzlichen Strombedarf schaffen.

04 Elektrifizierung der Hochtemperatur-Wärmeübertragung und Wasserstofferzeugung

Elektrifizierung industrieller Hochtemperaturprozesse

Industrielle Prozesse, die hohe Temperaturen (>200 °C) erfordern, die die restlichen 55 % des Verbrauchs fossiler Brennstoffe ausmachen, erfordern eine besondere Betrachtung. Dazu gehören unter anderem die Stahl-, Chemie-, Düngemittel- und Zementproduktion.

Diese Hochtemperatur-Industrieprozesse können direkt durch Widerstandsheizungen, Elektrolichtbogenöfen oder durch thermische Speicher gepuffert werden, um die Vorteile kostengünstiger erneuerbarer Energien zu nutzen, wenn ein Überschuss an erneuerbarer Energie vorhanden ist. Wärmespeicher vor Ort könnten wertvoll sein, um die industrielle Elektrifizierung kostengünstig zu beschleunigen (z. B. direkte Nutzung von Wärmespeichermedien und Strahlungsheizkörpern).

Widerstandsheizungen und Elektrolichtbogenöfen haben ähnliche Wirkungsgrade wie Hochofenheizungen und werden daher ähnliche erneuerbare Primärenergien benötigen. Diese Hochtemperaturprozesse werden als unflexible, flache Nachfrage modelliert.

Der Wärmespeicher ist als Energiepuffer für Hochtemperatur-Prozesswärme im Industriebereich mit einem thermischen Wirkungsgrad von 95 % modelliert. In Gebieten mit hoher installierter Solarkapazität werden Wärmespeicher in der Regel mittags aufgeladen und nachts entladen, um den kontinuierlichen industriellen Wärmebedarf rund um die Uhr zu decken. Abbildung 9 zeigt mögliche Wärmeträger und veranschaulicht mehrere Materialien, die Kandidaten für die Bereitstellung von Prozesswärme >1500 °C sind.

Die Elektrifizierung von globaler industrieller Prozesswärme >200 °C könnte 9 PWh an fossilen Brennstoffen pro Jahr eliminieren und 9 PWh zusätzlichen Strombedarf schaffen, wenn man von gleichen Wärmeübertragungseffizienzen ausgeht.

Nachhaltige Produktion von Wasserstoff für Stahl und Düngemittel

Heute wird Wasserstoff aus Kohle, Öl und Erdgas hergestellt und zur Raffination fossiler Brennstoffe (insbesondere Diesel) und für verschiedene industrielle Anwendungen (u. a. Stahl- und Düngemittelherstellung) verwendet.

Grüner Wasserstoff kann durch Elektrolyse von Wasser (hohe Energieintensität, es werden keine kohlenstoffbasierten Produkte verbraucht/erzeugt) oder durch Methanpyrolyse (niedrige Energieintensität, festes Rußnebenprodukt entsteht, das in nützliche Kohlenstoff- basierte Produkte).

Um den Strombedarf für grünen Wasserstoff konservativ abzuschätzen, gelten folgende Annahmen:

– Für die zukünftige Raffination fossiler Brennstoffe wird kein Wasserstoff benötigt
– Die Stahlproduktion wird auf das direkt reduzierte Eisenverfahren umgestellt, das Wasserstoff als Input benötigt. Dem Wasserstoffbedarf für die Reduktion von Eisenerz (angenommen Fe3O4) liegt folgende Reduktionsreaktion zugrunde:

Reduktion mit Wasserstoff:

• Fe3O4+H2=3FeO+H2O
• FeO+H2=Fe+H2O

– Die gesamte Wasserstoffproduktion weltweit stammt aus der Elektrolyse.

Diese vereinfachenden Annahmen für die Industrienachfrage führen zu einer weltweiten Nachfrage nach grünem Wasserstoff von 150 Mt/Jahr, für die schätzungsweise etwa 7,2 PWh nachhaltiger Strom pro Jahr aus der Elektrolyse benötigt werden.

Der Strombedarf für die Wasserstoffproduktion wird als flexible Last mit jährlichen Produktionsbeschränkungen modelliert, und das Wasserstoffspeicherpotenzial wird als unterirdische Gasspeicheranlage (wie heute gespeichertes Erdgas) mit maximalen Ressourcenbeschränkungen modelliert. Die heute zur Speicherung von Erdgas genutzten unterirdischen Gasspeicher könnten auf die Speicherung von Wasserstoff umgerüstet werden; eine simulierte US-Wasserstoffspeicherung würde etwa 30 % der bestehenden US-Untergrundgasspeicher erfordern. Beachten Sie, dass einige Lagerstätten, wie z. B. Salzkavernen, geografisch nicht gleichmäßig verteilt sind, was Herausforderungen darstellen kann, und dass es möglicherweise bessere alternative Lagermöglichkeiten gibt.

Globaler nachhaltiger grüner Wasserstoff könnte 6 PWh des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und 2 PWh des nichtenergetischen Verbrauchs pro Jahr einsparen . Bei einem zusätzlichen Strombedarf von 7 PWh werden fossile Brennstoffe ersetzt.

05 Nachhaltiger Flugzeug- und Schiffstreibstoff

Sowohl die kontinentale als auch die interkontinentale Seeschifffahrt könnten elektrifiziert werden, indem Geschwindigkeiten und Routen optimal gestaltet werden, sodass kleinere Batterien auf langen Strecken häufiger geladen werden können. Laut der Internationalen Energieagentur verbraucht die weltweite Seeschifffahrt 3,2 Wattstunden pro Jahr. Durch die Anwendung des 1,5-fachen Elektrifizierungseffizienzvorteils würde eine vollständig elektrifizierte globale Flotte 2,1 PWh Strom pro Jahr verbrauchen.

Mit den heutigen Energiedichten der Batterien kann auch der Kurzstreckenflug elektrifiziert werden, indem Flugzeugdesign und Flugbahnen optimiert werden. Langstreckenflüge, die schätzungsweise 80 Prozent des Energieverbrauchs von Flugreisen ausmachen (85 Milliarden Gallonen Kerosin werden weltweit jährlich verbraucht), können mithilfe des Fischer-Tropsch-Syntheseverfahrens, das Kohlenmonoxid verwendet, aus überschüssiger erneuerbarer Elektrizität synthetisiert werden (CO) und Wasserstoff (H2) zur Synthese einer Vielzahl von flüssigen Kohlenwasserstoffen und hat sich als praktikabler Weg zur Synthese von Düsentreibstoff erwiesen. Dies erfordert zusätzliche 5 PWh Strom pro Jahr, bestehend aus:

• Durch Elektrolyse hergestellter Wasserstoff
• Durch direkte Luftabscheidung abgeschiedenes Kohlendioxid
• Kohlenmonoxid, hergestellt durch Elektrolyse von Kohlendioxid

Der Kohlenstoff und der Wasserstoff für synthetische Kraftstoffe können auch aus Biomasse gewonnen werden. Effizientere und kostengünstigere Methoden zur Herstellung synthetischer Kraftstoffe könnten mit der Zeit entstehen, und Batterien mit höherer Energiedichte werden die Langstreckenflugzeuge elektrifizieren und den Bedarf an synthetischen Kraftstoffen verringern.

Der Strombedarf für die Produktion synthetischer Kraftstoffe wird als flexible Nachfrage mit jährlichen Energiebeschränkungen modelliert. Synthetische Kraftstoffe können unter Verwendung herkömmlicher Kraftstoffspeichertechniken gespeichert werden, wenn ein Volumenverhältnis von 1:1 angenommen wird. Der Strombedarf für die Seeschifffahrt wird als konstanter stündlicher Bedarf modelliert.

Global nachhaltige synthetische Kraftstoffe und Elektrizität für Schiffe und Flugzeuge könnten 7 PWh fossiler Brennstoffe einsparen und 7 PWh zusätzlichen globalen Strombedarf pro Jahr schaffen .

06 Eine nachhaltige Energiewirtschaft schaffen

Die Kombination aus Erzeugung und Speicherung – Sonnenkollektoren, Windturbinen und Batterien – die zum Aufbau einer nachhaltigen Energiewirtschaft benötigt wird, erfordert zusätzlichen Strom. Dieser Strombedarf wird als Inkrement modelliert, und im Industriesektor wird dieser Strombedarf als stündlich inkrementeller, nicht anpassbarer, flacher Bedarf im Industriesektor modelliert. Siehe Anhang: Aufbau einer nachhaltigen Energiewirtschaft – Energiedichte für weitere Einzelheiten.

Aufbau eines vollständig nachhaltigen Energiewirtschaftsmodells

Diese 6 Schritte legen einen US-Strombedarf fest, der durch nachhaltige Erzeugung und Speicherung gedeckt werden kann. Dazu wird ein Erzeugungs- und Speichermix unter Verwendung eines stündlich kostenoptimierten integrierten Kapazitätserweiterungs- und Dispositionsmodells aufgebaut. Das Modell ist auf vier Unterregionen der Vereinigten Staaten aufgeteilt, modelliert Übertragungsgrenzen zwischen Regionen und wird über vier Wetterjahre (2019–2022) ausgeführt, um eine Reihe von Wetterbedingungen widerzuspiegeln. Interregionale Übertragungsgrenzen sind geschätzte interregionale Übertragungsgrenzen auf der Grundlage aktueller Leitungskapazitätsbewertungen auf wichtigen Übertragungswegen, die von den regionalen Einheiten des North American Electric Reliability Council (NERC) (SERC, WECC, ERCOT) herausgegeben werden. Abbildung 11 zeigt den Energiebedarf für eine vollständig elektrifizierte Wirtschaft in den Vereinigten Staaten.

Die Wind- und Solarressourcen in jeder Region wurden mit ihren jeweiligen stündlichen Kapazitätsfaktoren (d. h. wie viel Strom pro Stunde pro Megawatt installierter Leistung erzeugt wird), ihren Verbindungskosten und der maximalen Kapazität, für die das Modell gebaut werden könnte, modelliert. Die stündlichen Wind- und Solarkapazitätsfaktoren für jede Region wurden unter Verwendung der historischen Wind-/Solarerzeugung der UVP jeder Region geschätzt, um Unterschiede im Ressourcenpotenzial aufgrund regionaler Wettermuster zu erfassen. Kapazitätsfaktoren werden skaliert, um zukunftsgerichtete Trends basierend auf der jüngsten Princeton U.S. Net Zero Emissions Study darzustellen. Abbildung 11 zeigt stündliche Kapazitätsfaktoren für Wind und Sonne in den Vereinigten Staaten im Zeitverlauf. Tabelle 3 zeigt die durchschnittlichen Kapazitätsfaktoren und die Nachfrage nach Regionen in den Vereinigten Staaten.

Das Modell legt die Erzeugung und Speicherung basierend auf den Kosten- und Leistungsattributen bestimmter Ressourcen fest, mit dem Gesamtziel, die nivellierten Energiekosten zu minimieren. Das Modell geht von einer erhöhten interregionalen Transferkapazität aus.

Um das ganze Jahr über zuverlässig Strom bereitzustellen, ist es wirtschaftlich optimal, überschüssige Solar- und Windkapazität einzusetzen, was zu einer Abregelung führt. Wenn:

1. Wenn die Erzeugung von Solar- und/oder Windenergie höher ist als der Strombedarf einer Region;
2. Lager ist voll;
3. Einschränkungen treten auf, wenn keine Übertragungskapazität verfügbar ist, um die überschüssige Erzeugung in andere Regionen zu übertragen.

Es gibt wirtschaftliche Kompromisse zwischen dem Aufbau überschüssiger erneuerbarer Erzeugungskapazitäten und dem Aufbau von Netzspeichern oder der Erweiterung von Übertragungskapazitäten. Dieser Kompromiss kann sich ändern, wenn Netzspeichertechnologien ausgereift sind, aber basierend auf Modellannahmen führt die optimale Mischung aus Erzeugung und Speicherung zu einer Kürzung um 32 %.

Zum Vergleich: Märkte mit hoher Durchdringung erneuerbarer Energien schrumpfen bereits. 19 % der Windenergie in Schottland wurden im Jahr 2020 und 6 % der Solarenergie in Kalifornien (CAISO) im Jahr 2022 aufgrund von Betriebsbeschränkungen eingeschränkt, wie z Übertragungssystem.

Eine nachhaltige Energiewirtschaft wird den Verbrauchern reichlich und billige Energie zur Verfügung stellen, was sich darauf auswirken wird, wie und wann Energie verwendet wird. In Abbildung 12 unten ist der stündliche Versand in der Herbststichprobe dargestellt, der die Rolle jeder Erzeugungs- und Speicherressource beim Ausgleich von Angebot und Nachfrage und die Konzentration wirtschaftlicher Einschränkungen während der sonnenreichen Stunden des Tages zeigt.

In Abbildung 14 wird der Wasserstoffspeicher typischerweise im Frühjahr und Herbst gefüllt, wenn die Stromnachfrage aufgrund des Endes der Heiz- und Kühlperioden und relativ mehr Solar- und Windstromerzeugung gering ist. Wenn die überschüssige Erzeugung im Sommer und Winter reduziert wird, wird auch die Wasserstoffspeicherung reduziert, wodurch eine Wasserstoffspeicherung über die Jahreszeiten hinweg bereitgestellt wird.

Bewertung der Energiespeichertechnologie

Für stationäre Anwendungen betrachten wir die derzeit in großem Umfang eingesetzten Energiespeichertechnologien in Tabelle 4 unten. Li-Ion bezieht sich auf eine Lithium-Eisenphosphat/Graphit-Lithium-Ionen-Batterie. In Anbetracht der Volatilität der Rohstoffpreise (insbesondere Lithium) wird ein konservativer zukünftiger Installationspreisbereich für Lithium-Ionen aufgeführt. Während es andere neue Technologien wie Metall-Luft (Fe <-> Fe2O3-Redox) und Na-Ionen gibt, werden diese nicht kommerziell eingesetzt und werden daher nicht berücksichtigt.

Bewertung der Stromerzeugungstechnologie

In der folgenden Tabelle sind alle Stromerzeugungstechnologien aufgeführt, die in einer nachhaltigen Energiewirtschaft berücksichtigt werden. Die Installationskosten stammen aus den Studien 2030-2040 von NREL und der Princeton US Net Zero Study.

Modellergebnisse

Ergebnisse des Modells nur für die USA – Erfüllung neuer Elektrifizierungsanforderungen

Für die Vereinigten Staaten ist der optimale Mix aus Erzeugung und Speicherung zur Deckung des stündlichen Strombedarfs für die modellierten Jahre in der folgenden Tabelle dargestellt.

Darüber hinaus wurden 1,2 TWh dezentraler stationärer Batterien hinzugefügt, basierend auf dem schrittweisen Einsatz dezentraler stationärer Speicher neben Dachsolaranlagen in Wohn- und Geschäftsgebäuden. Dazu gehören Speicherinstallationen von Dachsolaranlagen auf 15 Millionen Einfamilienhäusern, Industriespeicher gepaart mit 43 GW gewerblicher Dachsolaranlage und Speicher, die mindestens 200 GW der bestehenden Notstromgeneratorkapazität ersetzen. Da die verteilte Speicherbereitstellung von Faktoren bestimmt wird, die sich nicht vollständig im Rahmen des Minimalkostenmodells widerspiegeln, einschließlich Endbenutzerresilienz und Autarkie, ist die verteilte Speicherbereitstellung eine exogene Variable, die über das Modellergebnis hinausgeht.

World Model Results – Erfüllung neuer Elektrifizierungsanforderungen

Wenn man die 6 Schritte auf den weltweiten Energiefluss anwendet, können jedes Jahr 125 PWh an fossilen Brennstoffen übrig bleiben, die für Energie benötigt werden, und durch 66 PWh an nachhaltiger Stromerzeugung ersetzt werden. Jedes Jahr werden zusätzliche 4 PWh an neuer Industrie benötigt, um die benötigten Batterien, Solarmodule und Windturbinen herzustellen.

Der globale Erzeugungs- und Speichermix zur Deckung des Strombedarfs wird berechnet, indem der US-Ressourcenmix um den Faktor sechs skaliert wird. Wie oben erwähnt, stellt dies eine erhebliche Vereinfachung dar und könnte in zukünftigen Analysen verbessert werden, da sich die globale Energienachfrage anders zusammensetzt als in den Vereinigten Staaten und voraussichtlich im Laufe der Zeit zunehmen wird. Die Analyse wurde aufgrund der Verfügbarkeit von stündlichen High-Fidelity-Daten für die Vereinigten Staaten durchgeführt.

Batterien für den Transport

Auto

Laut OICA gibt es heute weltweit 1,4 Milliarden Autos mit einer jährlichen Produktion von etwa 85 Millionen Personenkraftwagen. Basierend auf den Annahmen zur Größe der Batteriepakete würde die Flotte 112 TWh an Batterien benötigen. Die Technologie des autonomen Fahrens hat das Potenzial, die globale Flotte und die Jahresproduktion zu reduzieren, indem die Fahrzeugauslastung verbessert wird.

Fahrzeuge mit Standardreichweite können Chemikalien mit geringerer Energiedichte (LFP) verwenden, während Fahrzeuge mit längerer Reichweite Chemikalien mit höherer Energiedichte (High Nickel) benötigen. Die folgende Tabelle listet die Kathodenverteilung im Automobilbereich auf. High Nickel bezieht sich auf Nickel-Mangan-Kathoden mit niedrigem bis Null-Kobaltgehalt, die derzeit in Produktion sind und von Tesla, Teslas Zulieferern und Forschungsgruppen entwickelt werden.

Eine globale Flotte von Elektrofahrzeugen

Schiffe und Flugzeuge

Ausgehend von einem Jahresbedarf von 2,1 PWh wären, wenn Schiffe im Durchschnitt etwa 70 Mal pro Jahr auf jeweils 75 % ihrer Kapazität aufgeladen würden, 40 TWh an Batterien erforderlich, um die Hochseeflotte zu elektrifizieren. Angenommen, 33 % der Flotte benötigen hochdichte Kathoden auf Nickel- und Manganbasis und 67 % der Flotte benötigen nur LFP-Kathoden mit niedriger Energiedichte. Wenn für die Luftfahrtindustrie 20 % der rund 15.000 Schmalrumpfflugzeuge mit einem 7-MWh-Batteriepack elektrifiziert würden, wäre eine 0,02-TWh-Batterie erforderlich.
Dies sind konservative Schätzungen und werden wahrscheinlich weniger Batterien erfordern.

World Model Results – Elektrifizierung und Transportbatterien

Tabelle 9 fasst den Stromerzeugungs- und Speichermix zusammen, um den weltweiten Strombedarf und die Transportspeicheranforderungen basierend auf Fahrzeug-, Schiffs- und Flugzeugannahmen zu decken. Eine Erläuterung, wie die Kombination aus Erzeugung und Speicherung den Endnutzern zugeordnet wird, findet sich im Anhang: Zuordnung von Erzeugung und Speicherung zu Endverbrauchern.

erforderliche Investitionen

Die hier aufgeführten Investitionen umfassen Fertigungsanlagen, Bergbau- und Raffineriebetriebe sowie die Installation von Salzkavernen zur Wasserstoffspeicherung. Die Größe der Produktionsanlagen basiert auf der Austauschrate jedes Vermögenswerts, und die vorgelagerten Betriebe (z. B. Bergbau) werden entsprechend dimensioniert. Materialien, die ein erhebliches Kapazitätswachstum erfordern, sind:

1. Für den Bergbau: Nickel, Lithium, Graphit und Kupfer;
2. Zur Raffination: Nickel, Lithium, Graphit, Kobalt, Kupfer, Eisen und Mangan in Batteriequalität.

Tabelle 9 fasst den Stromerzeugungs- und Speichermix zusammen, um den weltweiten Strombedarf und die Transportspeicheranforderungen basierend auf Fahrzeug-, Schiffs- und Flugzeugannahmen zu decken. a Eine Erläuterung, wie die Kombination aus Erzeugung und Speicherung den Letztverbrauchern zugeordnet wird, findet sich im Anhang: Zuordnung von Erzeugung und Speicherung zu Endverbrauchern.

In der Investitionsschätzung sind neben den Anschaffungsausgaben Instandhaltungsausgaben von 5 % pro Jahr für 20 Jahre enthalten. Basierend auf diesen Annahmen würde der Aufbau der Fertigungsinfrastruktur in einer nachhaltigen Energiewirtschaft 10 Billionen US-Dollar kosten, verglichen mit den prognostizierten Ausgaben für fossile Energie von 14 Billionen US-Dollar über 20 Jahre beim Investitionstempo von 2022.

Die folgende Tabelle enthält weitere Einzelheiten zu Bergbau, Raffination, Autofabriken, Batteriefabriken und Recyclingannahmen. Bergbau- und Raffinationsannahmen sind interne Schätzungen von Branchendurchschnitten, die auf veröffentlichten Branchenberichten basieren:

Bergbauindustrie

Raffinerie

Fahrzeug- und Batteriefabriken

recyceln und wiederverwenden

benötigte Grundstücksfläche

Erforderliche Landfläche Der Bedarf an Solarlandfläche wird auf der Grundlage einer empirischen Bewertung des Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) von realen Projekten in den Vereinigten Staaten geschätzt, die eine mittlere Leistungsdichte von 2,8 für fest installierte Solarmodule ermittelten, die zwischen 2011 und 2019 Acres/MWdc installiert wurden . Die Umrechnung von MWdc in MWac unter Verwendung eines Umrechnungsverhältnisses von 1,4 ergibt ungefähr 3,9 Acres/MWac. Daher würde eine globale Flotte von 18,3 TW an Solarmodulen etwa 71,4 Millionen Acres Land oder 0,19 % der weltweiten Gesamtfläche von 36,8 Milliarden Acres erfordern. Der Landflächenbedarf für Wind wird auf der Grundlage von Untersuchungen des National Renewable Energy Laboratory (NREL) geschätzt, das eine direkte Landnutzung von 0,75 Acres pro Megawatt ermittelte. Daher würde eine globale Windturbinenflotte von 12,2 TW etwa 9,2 Millionen Acres Land oder 0,02 % der gesamten Landfläche benötigen.

benötigte Materialien

vermuten

Die Gesamtmaterialien, die für Solarmodule, Windturbinen und Stromkreismeilen benötigt werden, werden auf der Grundlage von Materialstärkeannahmen Dritter berechnet. Die Materialstärke der Batterie basiert auf internen Schätzungen. Annahmen zur Materialdichte für Sonnenkollektoren und Windkraftanlagen stammen aus Berichten der Europäischen Kommission. Kristalline Siliziumwafer werden für Solarzellen verwendet, während Seltenerdmineralien von Windkraftanlagen ausgeschlossen werden, da die Entwicklung der Technologie Fortschritte gemacht hat.

Laut der 2050 Net Zero Pathway-Studie der Internationalen Energieagentur muss die Welt ungefähr 60 Millionen Meilen an Stromkreisen hinzufügen oder umbauen, um eine vollständig nachhaltige elektrifizierte Weltwirtschaft zu erreichen. Die Verteilungskapazität wird in erster Linie durch die Umleitung bestehender Leitungen und die Erweiterung der Umspannwerkskapazität erweitert, um einen erheblichen Anstieg der Spitzen- und Durchschnittsnachfrage der Endverbraucher zu bewältigen. Die Hochspannungsübertragung wird in erster Linie die geografische Abdeckung erweitern und große Wind- und Solarenergieerzeugungskapazitäten mit dicht besiedelten Gebieten verbinden. Um den Materialbedarf zu schätzen, würden 90 % der 60 Millionen Leitungsmeilen auf die Neuverkabelung bestehender Niederspannungsverteilungssysteme und 10 % auf neue Leitungsmeilen von der Hochspannungsübertragung entfallen, was dem aktuellen Verhältnis von Hochspannungsübertragung zu Niederspannungsübertragung entspricht. Spannungsverteilung in den Vereinigten Staaten .

Basierend auf den obigen Annahmen wird das Gesamtgewicht von 12,815 Milliarden Tonnen (444 Millionen Tonnen pro Jahr) 30 Terawatt Stromerzeugung und 240 Terawatt Batterie-Energiespeicher sowie den Bedarf von 60 Millionen Meilen Übertragung betragen.

Stoffgewinnung

Der mit diesen Materialien verbundene Materialfluss (d. h. wie viel Land bewegt wird) hängt von der Erzqualität und der Ausbeute des Gesamtprozesses ab. Unter Verwendung interner Schätzungen von Branchendurchschnitten, die aus veröffentlichten Branchenberichten zusammengestellt wurden (siehe Tabelle 19), wird der erforderliche jährliche Massenstrom auf 3,3 Gigatonnen (Gt) geschätzt. Wenn Kupfer (1 % Erzgehalt) durch Aluminium (50 % Erzgehalt) ersetzt wird, kann der Massenstrom reduziert werden, was in vielen Anwendungsfällen möglich ist. Unter der Annahme, dass 50 % des Lithiums aus 100 % erzhaltiger Sole gewonnen werden, würde der mit Lithium verbundene Massenstrom um 0,8 Gt steigen, wenn dies nicht der Fall wäre.

Laut dem Circularity Gap Report 2023 werden der Erde jedes Jahr 68 Gt an Materialien ohne Biomasse entnommen, wovon 15,5 Gt auf fossile Brennstoffe entfallen. In einer nachhaltigen Energiewirtschaft würde die Materialentnahme um 10,8 Gt reduziert – der Großteil der Gewinnung fossiler Brennstoffe würde durch 3,3 Gt Gewinnung erneuerbarer Materialien ersetzt. Unter der Annahme, dass die Gewinnung fossiler Brennstoffe im Zusammenhang mit nichtenergetischen Endanwendungen (d. h. Kunststoffe und andere Chemikalien) laut IEA etwa 9 % der Versorgung mit fossilen Brennstoffen ausmacht.

Materialverfügbarkeit

Das gesamte extrahierte Material in Tabelle 18 wurde anhand der USGS-Ressource von 2023 bewertet, um die Machbarkeit zu bewerten. Für Silber veröffentlicht die USGS keine Ressourcenschätzungen, daher werden Reserven verwendet. Die Analyse zeigt, dass Solarmodule im Jahr 2023 13 Prozent der Silberreserven der USGS benötigen werden, aber das Silber könnte durch Kupfer ersetzt werden, das billiger und häufiger vorkommt. Der Bedarf an Graphit kann mit natürlichem und künstlichem Graphit gedeckt werden – ersteres wird abgebaut und raffiniert, letzteres wird aus Petrolkoks gewonnen. Daher wurde die Graphitressourcenbasis erhöht, um die Produktion von synthetischem Graphit aus Erdölprodukten zu berücksichtigen. Wenn nur ein kleiner Teil der weltweiten Erdölressourcen für die Herstellung von künstlichem Graphit verwendet wird, werden die Graphitressourcen kein begrenzender Faktor sein. Die laufende Entwicklungsarbeit zielt darauf ab, andere kohlenstoffhaltige Produkte als Rohstoffe für die Herstellung von künstlichem Graphit zu bewerten, darunter Kohlendioxid und verschiedene Formen von Biomasse.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es bei der Bewertung der von USGS für 2023 geschätzten Ressourcen keine grundlegenden materiellen Einschränkungen gibt. Darüber hinaus haben Ressourcen und Reserven historisch zugenommen – das heißt, wenn ein Mineral gefragt ist, gibt es mehr Anreize, es zu finden, und somit müssen mehr Mineralien entdeckt werden. Der jährliche Abbau, die Konzentration und die Veredelung der damit verbundenen Metallerze müssen zunehmen, um den Anforderungen einer erneuerbaren Energiewirtschaft gerecht zu werden, wobei grundlegende Einschränkungen in Bezug auf das Humankapital und den Zeitpunkt der Lizenzierung/Regulierung bestehen. Basierend auf Schätzungen des Ministeriums (siehe Tabelle 19) wird der erforderliche jährliche Massenstrom auf 3,3 Gigatonnen (Gt) geschätzt. Wenn Kupfer (1 % Erzgehalt) durch Aluminium (50 % Erzgehalt) ersetzt wird, kann der Massenstrom reduziert werden, was in vielen Anwendungsfällen möglich ist. Unter der Annahme, dass 50 % des Lithiums aus 100 % erzhaltiger Sole gewonnen werden, würde der mit Lithium verbundene Massenstrom um 0,8 Gt steigen, wenn dies nicht der Fall wäre.

Laut dem Circularity Gap Report 2023 werden der Erde jedes Jahr 68 Gt an Materialien ohne Biomasse entnommen, wovon 15,5 Gt auf fossile Brennstoffe entfallen. In einer nachhaltigen Energiewirtschaft würde die Materialentnahme um 10,8 Gt reduziert – wobei der Großteil der Gewinnung fossiler Brennstoffe durch 3,3 Gt Gewinnung erneuerbarer Materialien ersetzt würde. Unter der Annahme, dass die Förderung fossiler Brennstoffe im Zusammenhang mit nichtenergetischen Endanwendungen (d. h. Kunststoffe und andere Chemikalien) laut IEA etwa 9 % des Angebots an fossilen Brennstoffen ausmacht.

recyceln und wiederverwenden

Um diesen Plan zu unterstützen, ist ein erhebliches Wachstum der Primärmaterialnachfrage erforderlich, um die Herstellung für eine nachhaltige Energiewirtschaft zu erleichtern, die sich einpendeln wird, sobald die Produktionsanlagen gestärkt werden. Im Jahr 2040 wird Recycling beginnen, den Primärmaterialbedarf erheblich zu reduzieren, da Batterien, Solarmodule und Windturbinen das Ende ihrer Nutzungsdauer erreichen und wertvolle Materialien zurückgewonnen werden. Während die Nachfrage im Bergbau sinken wird, wird die Raffineriekapazität nicht sinken.

abschließend

Eine vollständig elektrifizierte und nachhaltige Wirtschaft ist durch die Maßnahmen dieses Papiers erreichbar:

• Repowering des bestehenden Netzes mit erneuerbarer Energie
• auf Elektrofahrzeuge umsteigen
• Umstellung auf Wärmepumpen im Wohn-, Gewerbe- und Industriebereich
• Elektrifizierung von Hochtemperaturheizungen und Wasserstofferzeugung
• Nachhaltiger Treibstoff für Flugzeuge und Schiffe
• Schaffung einer nachhaltigen Energiewirtschaft

Die Modelle zeigen, dass eine elektrifizierte und nachhaltige Zukunft technisch machbar ist und weit weniger Geld und Material erfordert, als die heutige nicht nachhaltige Energiewirtschaft fortzusetzen.

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Ai Faner | Ursprünglicher Link · Kommentare anzeigen · Sina Weibo