Die Reduzierung des Kohlenstoffausstoßes aus dem amerikanischen Stromnetz ist ein wesentliches Ziel, das dringend und engagiert berücksichtigt werden muss. Obwohl es lobenswert ist, das Wachstum der kohlenstoffarmen Technologie im derzeitigen US-amerikanischen Netz für die Dekarbonisierung zu beschleunigen (was darauf hindeutet, dass alle Änderungen innerhalb von 10 Jahren vorgenommen werden könnten), ist dies derzeit unpraktisch und enorm riskant. In Teil 1 und Teil 2 dieser fünfteiligen Serie wurden das Netz am Rande, die Gefahren eines 10-Jahres-Zeitplans und die Erreichung eines kohlenstoffarmen Stromnetzes für erneuerbare Energien vorgestellt. In Teil 3 wird der Übergang zu verteilten Energieressourcen (DERs) erörtert, der Wechsel von einem alten zu einem neuen Paradigma.
Wie man einen Paradigmenwechsel realisiert
Erfolgreiches Erreichen der Energieziele jeder Form der Grüner New Deal (GND) hängt von der Fähigkeit ab, saubere Energie auf stabile, sichere und belastbare Weise zu liefern. Das neue Netz würde das derzeitige Netz ersetzen und in der Lage sein, einen völlig anderen Mix von Erzeugungsquellen aufzunehmen. Darüber hinaus kann die geografische Verteilung der Erzeugungsressourcen sehr unterschiedlich sein. Das neue Netz ist der Kern eines erfolgreichen Paradigmenwechsels.
Die Realisierung dieses Paradigmenwechsels erfordert umfangreiches Design, Engineering, umfangreiche Beschaffung und massive Konstruktion. Darüber hinaus umfassen diese Bemühungen eine umfassende Modifikation der zugehörigen Computerunterstützungssysteme und die Schaffung neuer verteilter Energieressourcenmanagementsysteme (DERMS). Da das vorhandene Netz ein Produkt jahrzehntelanger Anstrengungen und enormer Ausgaben ist, wird der Bau des neuen Netzes äußerst kostspielig sein (Schätzungen erfordern mehr Entwurfs- und Planungsdetails, aber die Kosten würden wahrscheinlich eine Billion Dollar überschreiten) und länger dauern als derzeit vorgeschlagen 10-Jahres-Ziel. Diese Aussage berücksichtigt die Tatsache, dass das aktuelle System mehr als benötigt hat 100 Jahre zu entwickeln.
Wie vorgestellt in Teil 1, das derzeit 10 Jahre Der Vorschlag würde wahrscheinlich unbeabsichtigte und schädliche Nebenwirkungen auf das Stromnetz haben. Effektive Bewältigung der Energieziele eines praktischen Systems zur Minimierung von Kohlendioxid (CO2)Eine erfolgreiche Lösung erfordert eine kollaborative und sorgfältige Entwicklung. Es wird viel Zeit in Anspruch nehmen, die technischen Standards und das damit verbundene Design neu zu entwickeln, geschweige denn das neue Netz vollständig zu implementieren. Ein effektives neues Netz ist von zentraler Bedeutung für ein funktionierendes Dekarbonisierungsprogramm für Energie.
Als Ingenieur verwendet mein Ansatz zur Problemlösung einen Systemansatz. Dieser Ansatz definiert ein Ziel (einen Zweck) vor Beginn der Analyse und legt dann Grenzen fest, die die Elemente umfassen, die zu einer optimalen Lösung beitragen oder diese beeinträchtigen. Technisch war dieser Ansatz für mich und viele andere erfolgreich. Abgesehen von der Verwendung dieser effektiven Problemlösungstechnik ist es jedoch wichtig, effektive zwischenmenschliche Beziehungen zwischen Stakeholdern aufzubauen, die das Ziel möglicherweise unterstützen oder nicht, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Nach meiner Erfahrung tendiert ein optimaler Ansatz dazu, die Systemanalyse mit der menschlichen Seite der Gleichung zu verbinden.
Damit die neue Netzlösung optimal ist, müssen zu den Interessengruppen Verbraucher, zahlreiche Regierungs- und Regulierungsbehörden, Ökonomen, Umweltverbände, Anbieter von Produkten und Dienstleistungen für die Stromerzeugung, -übertragung und -verteilung (T & D) sowie potenzielle kommerzielle Unternehmen gehören interessierte Parteien. Spezielle Interessengruppen (Lobbyisten), die die vorgenannten Einheiten vertreten, werden sich zweifellos selbst einwerfen, was die Lösung typischerweise kompliziert.
Das effektive Management von Stakeholdern erfordert eine klare Kommunikation der Erwartungen. Das Management dieser Erwartungen erfordert Mediationserfahrung sowie technische Fähigkeiten. Eine solide Führung aus Industrie und Ingenieurwesen (im Vergleich zu Regierungsbehörden) ist der Schlüssel zum Erfolg dieses Unternehmens. Um die Chancen zu erhöhen, Vertrauen in das System aufzubauen, “”haben müssen“” und “”No Go“” Wünsche sollten auch von allen Beteiligten klargestellt werden.
Das enorme Ausmaß dieses Projekts erfordert rechtliche und behördliche Unterstützung sowie die Finanzierung durch Bundes- und Landesregierungen, Investoren und Zinszahler. Die erfolgreiche Entwicklung und Durchführung des Programms erfordert erhebliche technische Unterstützung durch Konsortien von Industrie- und Universitätsfachleuten in Zusammenarbeit mit internationalen Spezialisten. Ingenieurgesellschaften wie das Institut für Elektro- und Elektronikingenieure (IEEE), der American Society of Mechanical Engineers (WIE ICH) und der American Society of Civil Engineers (ASCE) könnten kollaborative Lösungsplattformen für die Entwicklung von Designgrundlagen und Projektplänen bereitstellen.
Befürworter der GND Die Vorschläge stützen sich zumindest teilweise auf die 10-Jahres-Frist von tDas jüngste zwischenstaatliche Gremium der Vereinten Nationen für Klimawandel (IPCC) Bericht. Ich bin ein Elektrotechniker, kein Klimatologe, aber ich verstehe, dass es seriöse Klimaforscher und Experten gibt, die einige der Methoden, Ergebnisse und Behauptungen bestreiten, die zur Erstellung des Berichts verwendet wurden. Folglich kann trotz des IPCC-Berichts die apokalyptische Frist von 12 Jahren aufgrund der technischen Verbesserungen eines neuen Netzes weiterhin zur Debatte stehen und die Frist verlängert werden.
ich bin kein “”Klima-Leugner“” und ich unterstütze voll und ganz die Bedeutung der Verbesserung des Klimas, indem ich den durch die Energieerzeugung erzeugten Kohlenstoff so schnell wie möglich mit einem “No Regrets” -Ansatz reduziere. Ich bin jedoch sehr besorgt darüber, wie die Einschränkungen des Projektmanagements eines 10-Jahres-Abschlussziels und die strengen Einschränkungen der Energieressourcen, für die der vorgeschlagene GND eintritt, das Ergebnis eines Dekarbonisierungsprogramms unbeabsichtigt sabotieren könnten. Die unbeabsichtigten Folgen einer eiligen Umsetzung eines schlechten habe gedacht Ein Plan zur Umgestaltung des Stromversorgungssystems könnte verheerende Ausfallrisiken verursachen, wie im Abschnitt erläutert Risiko-Highlights Abschnitt in Teil 1 dieser Serie.
Alternativ kann ein gut konzipierter und vernünftig umgesetzter Plan zur Kohlenstoffsanierung, der in ein neues Netz integriert ist, dieUnvermeidlichkeit‘ der schrecklichen 12-Jahres-Vorhersage der IPCC Bericht. Angesichts der technischen und finanziellen Ressourcen der Vereinigten Staaten könnte der Entwurf und die Implementierung des neuen Netzes anderen Ländern als Modell für die Dekarbonisierung dienen. Dieser Ansatz könnte Ressourcen konsolidieren, minimieren “”das Rad neu erfinden“” und globale Vorlagen für Design-, Engineering-, Fertigungs-, Konstruktions- und Implementierungsstandards entwickeln. Dieser Ansatz könnte dazu beitragen, eine globale Methode zur Verbesserung des Klimas zu definierenbeim-vis vernünftige CO2-Reduzierung durch effektives Projektmanagement.
Abbildung 1. Annullierung der US-Generation durch Kraftstoff von 1950 bis 2017Quelle: US Energy Information Administration
Die Erzeugung, die auf die vorhergesagte GND-Erzeugung durch Kraftstoff von 2019 bis 2029 zurückzuführen ist, ist in Abb. 2 dargestellt. In der Tabelle sind Kohle, Erdgas und Erdöl zusammengefasst – in der Tabelle als Fossil dargestellt. Diese Zahl konsolidiert auch alle Formen erneuerbarer Energien (Sonnen-, Wind-, Wellen-, Wasser-, Geothermie-, Bio-Kraftstoffe usw.) und zeigt sie als Verlängerbar. Diese Ressourcen können als DERs charakterisiert werden. Um den wachsenden Anforderungen an erneuerbare Energien des vorgeschlagenen GND gerecht zu werden, müssen Solarphotovoltaik- (PV), Wind-, Bio- und Wasserstoff-Energiesysteme künftig dramatisch zunehmen.
Bis 2029 soll der vorgeschlagene GND-Erzeugungsplan den derzeitigen nicht erneuerbaren ersetzen Energiequellen (Erdöl, Erdgas, Kohle und Atomkraft) vollständig mit erneuerbarer Energie. Die erneuerbaren Energiequellen würden ausschließlich aus erneuerbaren DER bestehen. Um die Steuerung des Netzes zu erleichtern, werden die erneuerbaren Energiequellen mit Batteriespeichersystemen unterstützt (BESS) und Wechselrichter. Der Einfachheit halber wird in Abb. 2 davon ausgegangen, dass Effizienzverbesserungen und Energieeinsparungsbemühungen die Erzeugungssteigerungen aufgrund des Wirtschaftswachstums ausgleichen. Darüber hinaus ist die Zunahme des Einsatzes von Elektrofahrzeugen (EVs) wirkt sich sowohl auf den Energiebedarf als auch auf die Tageszeit aus, zu der dieser Bedarf benötigt wird. Elektrofahrzeuge enthalten jedoch Wasserstofffahrzeuge, sodass der Ladedienst für diese Fahrzeuge als Teil der erneuerbaren Energie betrachtet wird. Folglich nimmt Fig. 2 zur Vereinfachung eine fortgesetzte und feste an Erzeugungsbedarf von 4171 Milliarden kWh.
In Fig. 2 ist nuklear Strom läuft bis 2025 aus. Das Auslaufen der Kernenergie ist ein komplexer Prozess. Diese Bemühungen erfordern komplizierte Stilllegungspraktiken sowie anspruchsvolle Verfahren zur Entsorgung von Brennstoffen und Abfällen, die alle den geltenden Abschnitten des Code of Federal Regulations entsprechen müssen. Der Verlust dieser (fast) kohlenstofffreien Energiequelle schafft eine große Lücke, die durch erneuerbare Energien geschlossen werden muss. Der nukleare Verlust vergrößert die Herausforderungen, das Defizit an erneuerbaren Energien schnell zu decken. Eine Verlangsamung der Reduzierung der Kernenergieerzeugung würde die Umsetzung verringern Druck auf die neue Netzimplementierung, ohne die CO2-Reduktion wesentlich zu verzögern. Angesichts der jüngsten Fortschritte in der Nukleartechnologie ist die Beseitigung der vorhandenen Kernenergie ein Konzept, das vor dem Fortfahren einer genaueren Bewertung bedarf.
Nach Angaben der US Energy Information Administration waren es zum 31. Dezember 2017 etwa 8652 Kraftwerke in den Vereinigten Staaten mit betriebsbereiten Generatoren mit einer individuellen Stromerzeugungskapazität von mindestens 1 MW. Ein Kraftwerk kann eine oder mehrere Erzeugungseinheiten haben, und einige Kraftwerke können mehr als eine Brennstoffart verwenden. Der GND schlägt vor, alle diese Kraftwerke bis 2030 durch erneuerbare Energie zu ersetzen.
Abbildung 2. Ersetzen der aktuellen Kraftstoffressourcen durch erneuerbare Ressourcen bis 2029.Quelle: Thomas A. McClimans, PE (Informationen und Daten von Green New Deal, Grüne Partei, USA).
Erneuerbare DERs würden sich aus vielen großen und mittleren Solar- und Windenergie- sowie Wasserkraftquellen zusammensetzen und in eine große Anzahl verbraucherorientierter kleinerer Solarenergie und anderer unabhängiger Mikronetzressourcen (Industrie-, Handels-, Batterie- und Wasserstoffressourcen) integriert werden. . Selbst mit der Einführung von Speichern (Wasserstoff und Batterien) sind die Ausgänge von DERs aufgrund der Unbeständigkeit von Sonnenschein, Windverfügbarkeit und Windstärke schwieriger zu verwalten. Das neue Rastersystem muss enthalten INNEREIEN zur Kontrolle und zum Schutz der neuen DERs.
Ohne ein neues Netz würde das Fehlen großer, leicht steuerbarer Zentralkraftwerke zum Ausgleich der Stromflüsse in Verbindung mit der nicht verlässlichen Leistungsabgabe und der schwierigen Steuerbarkeit vieler DERs den NERC belasten‘s Fähigkeit, die Zuverlässigkeit und Angemessenheit der Stromversorgung sicherzustellen. Um die aktuellen Anforderungen an die regionale Stromerzeugung zu erfüllen, müsste die Anzahl der großen DER die Anzahl der großen zentralen Kraftwerke überschreiten. Diese neuen DERMS würden die Fähigkeit benötigen, die große Matrix von DERs zu steuern. Diese Steuerbarkeit ist ein wesentlicher operativer Erfolgsfaktor des neuen Paradigmas.
Der Schutz der Systemleistung vor böswilligen Computerstörungen ist eine weitere wichtige Aufgabe. Um signifikante Stromausfälle und Systemstörungen zu vermeiden, müssen alle oben genannten Aufgaben unter normalen und abnormalen Umständen (z. B. Wetterextreme oder böswillige Störungen) erfolgreich ausgeführt werden. Die enormen Änderungen, die der GND in einem Zeitraum von 10 Jahren vorgeschlagen hat, führen zu Chaos im Stromnetz, nicht nur zu erheblichen Stromausfällen und Systemstörungen.
In Teil 4 dieser fünfteiligen Serie wird der Autor den Gesamtbetrieb des aktuellen Stromversorgungssystems beschreiben und vorschlagen, was im neuen Netz am Rande erforderlich ist, um erneuerbare DERs abzugeben.
Technische Danksagung
Der Autor möchte den folgenden Kollegen für ihre Anregungen, Kommentare und Rezensionen zu diesem Artikel danken. Ihre Hilfe war technischer und redaktioneller Natur und bedeutet nicht, dass sie die vom Autor beschriebenen Konzepte befürworten. Die in dem Artikel enthaltenen Ansichten und Meinungen sind die des Autors und spiegeln möglicherweise nicht die der Herausgeber oder anderer Personen oder Organisationen wider, die zu diesem Artikel beigetragen haben.
- John Gentile – Direktor von Cascadia Energy Technologies, LLC
- Daniel Udovic, PhD-EE, PE – CEO von Processor Innovations
- Dan Madden, PE – CEO von Eco Energy International
- Nasser Jaleeli, PhD-EE, PE – CEO von Priority-based Control Engineering
- Michael Heyeck, PE – Gründer, The Grid Group, LLC
- Tim Lowe, PhD – VP von Eco Energy International
- Harry MacCormack, MFA – Vorstandsmitglied von Ten Rivers Food Web
- Bernie Gagliano – Unabhängiger Berater und Informationsarchitekt
- Joseph Sperry, PhD – Mitbegründer, S4 Consultants