WASHINGTON – Das Energieministerium kündigte am Mittwoch neue Anstrengungen an, um eine der schwierigsten technischen Herausforderungen zu bewältigen, mit denen Präsident Bidens Streben nach einem von Solar- und Windkraft dominierten Stromnetz konfrontiert ist – nämlich was zu tun ist, wenn die Sonne aufhört zu scheinen und der Wind aufhört zu wehen.
Die Regierung verfolgt eine vielversprechende, aber unsichere Lösung: eine kostengünstige Möglichkeit, den durch Sonne oder Wind erzeugten Strom stunden-, tage- oder sogar wochenlang zu speichern und für den Moment aufzubewahren, in dem er am dringendsten benötigt wird. Das geht weit über das hinaus, was aktuelle Batterien leisten können. Während Dutzende von Unternehmen an unterschiedlichen Ideen für sogenannte „Langzeit-Energiespeicher“ arbeiten, sind die meisten noch zu teuer, um sinnvoll zu sein.
Im Rahmen ihrer Initiative will das Energieministerium die Kosten für Langzeitspeicher bis 2030 um 90 Prozent unter die Kosten heutiger Lithium-Ionen-Batterien senken. Die Agentur wird Experten in ihren nationalen Labors anweisen, sich auf die Verbesserung solcher Technologien zu konzentrieren, während es ersucht der Kongress um Finanzierung für frühe Demonstrationsprojekte.
Die Ankündigung ist Teil der Energy Earthshots Initiative der Agentur, die darauf abzielt, den Einsatz aufkommender Technologien zur Bekämpfung des Klimawandels zu beschleunigen. Das Programm ist eine Anerkennung dafür, dass die Vereinigten Staaten noch nicht alle Technologien entwickelt haben, die sie benötigen, um das Ziel von Herrn Biden zu erreichen, die Emissionen des Landes zur Erwärmung des Planeten bis 2050 auf null zu reduzieren.
„Wenn wir Netto-Null-Emissionen erreichen wollen, müssen wir nicht nur bereits bewährte Lösungen wie Wind- und Solarenergie einsetzen“, sagte Energieministerin Jennifer Granholm Anfang des Jahres in einem Interview. „Wir müssen auch herausfinden, wie man saubere Energietechnologien, die in einem Labor demonstriert wurden, in die Welt skaliert. Das ist wirklich dringend.“
Im vergangenen Monat kündigte Frau Granholm das Ziel an, die Kosten für saubere Wasserstoffkraftstoffe um 80 Prozent zu senken, was dazu beitragen könnte, die Emissionen von Fabriken, Lastwagen oder dem Stromnetz einzudämmen. Beide Programme sind der Sunshot Initiative aus der Obama-Ära nachempfunden, der zugeschrieben wird, dass sie in den 2010er Jahren dazu beigetragen hat, die Kosten für Solarstrom zu senken und die Technologie in den Mainstream einzuführen.
Um sein Ziel zu erreichen, dass die Vereinigten Staaten bis 2035 100 Prozent ihres Stroms aus Kraftwerken beziehen, die kein Kohlendioxid ausstoßen, setzt Biden auf immer billigere Solar- und Windenergie. Das Weiße Haus versucht derzeit, den Kongress davon zu überzeugen, dies zu tun ein Standard für sauberen Strom, der landesweit Versorgungsunternehmen erfordern würde, um dieses Ziel zu erreichen.
Der Stromsektor ist für ein Viertel der Treibhausgasemissionen in den Vereinigten Staaten verantwortlich, wobei immer noch etwa 60 Prozent des Stroms durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe, hauptsächlich Erdgas und Kohle, erzeugt werden. Die Biden-Regierung sieht die Eindämmung der Stromemissionen als zentralen Bestandteil ihrer Klimapläne an, da sie auch versucht, die Amerikaner davon zu überzeugen, mehr Elektroautos und Wärmepumpen zu kaufen, die ans Stromnetz angeschlossen werden.
Aber die Säuberung des Stromsektors erfordert mehr als nur neue Gesetze, sagten Experten. Sie stellt auch große technologische Herausforderungen.
Mehrere kürzlich durchgeführte Studien haben ergeben, dass Versorgungsunternehmen mit der heutigen Technologie plausibel zu 80 Prozent sauberen Strom gelangen könnten, hauptsächlich durch die Installation von erheblich mehr Windturbinen und Sonnenkollektoren und durch die Nutzung bestehender Wasserkraftdämme und Kernreaktoren.
Aber die Reinigung der letzten 20 Prozent der Emissionen könnte sich als schwieriger erweisen. Ein Hindernis: Wind- und Solarparks erzeugen nur bei günstigen Wetterbedingungen Strom. Das bedeutet, dass Versorgungsunternehmen heute noch auf Gas- oder Kohlekraftwerke als Backup angewiesen sind.
Viele Versorgungsunternehmen installieren inzwischen große Anordnungen von Lithium-Ionen-Batterien, ähnlich denen, die in Elektroautos verwendet werden, um Angebotsschwankungen auszugleichen. Diese Batterien speichern jedoch normalerweise nur vier bis sechs Stunden Strom am Stück, was nicht ausreicht, um größere saisonale Schwankungen bei Wind- und Sonnenenergie zu bewältigen. In einigen Regionen des Landes kann es Tage oder Wochen mit wenig Wind geben.
Es gibt plausible Lösungen, aber viele haben noch Nachteile. Netzbetreiber könnten im ganzen Land massive neue Übertragungsleitungen bauen, in der Theorie, dass es normalerweise irgendwo windig ist. Aber einige Gemeinden haben sich gegen neue Stromleitungen ausgesprochen.
Versorger könnten auch überschüssigen Wind- und Sonnenstrom verwenden, um Wasserstoff zu produzieren, der dann in Zeiten des Bedarfs sauber zu Strom verbrannt werden kann. In diesem Herbst wird die New Yorker Strombehörde diese Art von „grünem“ Wasserstoff als Ersatz für einen Teil des Gases testen, das normalerweise in einer Anlage auf Long Island verbrennt. Aber vorerst bleibt dies teurer als die Verbrennung fossiler Brennstoffe wie Erdgas.
Eine andere Möglichkeit ist die Entwicklung neuartiger kohlenstofffreier Kraftwerke, die rund um die Uhr laufen können, wie beispielsweise moderne Kernreaktoren, Geothermie-Anlagen oder Gaskraftwerke, die ihre Emissionen unter der Erde auffangen und vergraben können. Doch viele dieser Technologien stecken noch in den Kinderschuhen.
Die Langzeitspeicherung bietet eine weitere potenziell nützliche Option. Dutzende von Unternehmen experimentieren mit verschiedenen Geräten, die Strom über längere Zeit speichern könnten.
Einige Versorgungsunternehmen bauen Pumpspeicher-Wasserkraftwerke, eine ältere Technologie, die Strom verbraucht, wenn es reichlich Wasser bergauf pumpen muss, und das Wasser freisetzt, um bei Bedarf eine Turbine für Strom zu drehen. Das Department of Water and Power von Los Angeles erforscht Möglichkeiten, Druckluft oder Wasserstoff in unterirdische Salzkavernen zu injizieren, die später zur Stromerzeugung genutzt werden können.
Andere Firmen arbeiten an neuen Batteriechemien. Form Energy, ein von Bill Gates unterstütztes Start-up, kündigte kürzlich an, mit einem Energieversorger in Minnesota bei einem Pilotprojekt zum Bau einer wässrigen Luftbatterie zusammenzuarbeiten, die 150 Stunden Dauerstrom liefern könnte.
Energieforscher sagen jedoch, dass diese Langzeitspeichertechnologien drastisch billiger werden müssen, um rentabel zu sein, auch weil sie selten betrieben werden. Eine kürzlich in Nature Energy durchgeführte Studie schätzt, dass die Kapazitätskosten möglicherweise unter 50 US-Dollar pro Kilowattstunde fallen müssen – etwa ein Drittel der Kosten heutiger Lithium-Ionen-Batterien im Netzmaßstab –, bevor Versorgungsunternehmen beginnen, Langzeitspeicher in größerem Umfang einzusetzen. Und ein solcher Speicher muss möglicherweise nur 1 bis 10 US-Dollar pro Kilowattstunde kosten, bevor er zu einer vorherrschenden Lösung wird.
„Diese Kostenziele werden nicht leicht zu erreichen sein, obwohl sie den Zielen vieler Entwickler entsprechen“, sagte Nestor Sepulveda, der die Studie als Forscher am Massachusetts Institute of Technology leitete. „Ein großes Hindernis besteht derzeit darin, dass Versorgungsunternehmen keine Richtlinien zum Bau von Langzeitspeichern vorschreiben. Es ist einfacher und billiger, einfach Erdgas zu verbrennen.“
Letztendlich kann es Jahre dauern, bis Energieversorger ein klares Gespür dafür haben, welche Technologien am besten funktionieren, um große Mengen von Wind- und Sonnenenergie auszugleichen. Jesse Jenkins, Experte an der Princeton University, sagte, dass Langzeitspeicher eine wertvolle Rolle spielen könnten, wenn sie billig werden. Bei seinen Recherchen hat er jedoch festgestellt, dass Versorgungsunternehmen wahrscheinlich auf eine Mischung verschiedener Lösungen für ein sauberes Netz angewiesen sind, darunter möglicherweise Wasserstoff oder fortschrittliche emissionsfreie Kraftwerke, die rund um die Uhr laufen können.
„Die Energiespeicherung als Heiliger Gral-Antwort für Wind- und Solar-Intermittivität liegt im Fokus“, sagte Dr. Jenkins. „Und wir haben festgestellt, dass es eine Lösung sein kann, aber es ist eine von vielen. Wir müssen also heute so viele Wetten wie möglich auf neue Technologien eingehen, damit sie, wenn wir sie in ein oder zwei Jahrzehnten wirklich brauchen, einsatzbereit sind.“