Zwölf Monate später ist das Stromnetz des Staates zwar verbessert, aber immer noch anfällig für wetterbedingte Stromausfälle.
„Wenn wir dieses Jahr einen weiteren Sturm bekommen, wie Uri im Jahr 2021, würde das Stromnetz wieder zusammenbrechen“, sagte Andrew Dessler, Professor für Atmosphärenwissenschaften an der Texas A&M University. “Das ist immer noch ein großes Risiko für uns.”
Nun zeigt eine kürzlich durchgeführte Studie, dass Stromausfälle im ganzen Land – vielleicht sogar während intensiver Wetterereignisse – vermieden werden können, indem auf 100 Prozent saubere und erneuerbare Energie wie Sonnen-, Wind- und Wasserenergie umgestellt wird.
„Technisch und wirtschaftlich haben wir 95 Prozent der Technologien, die wir brauchen, um heute alles umzustellen“, sagte Mark Jacobson, Hauptautor des Papiers und Professor für Bau- und Umweltingenieurwesen an der Stanford University. Wind, Wasser und Sonne machen bereits etwa ein Fünftel der Elektrizität des Landes aus, obwohl ein vollständiger Übergang in vielen Bereichen nur langsam erfolgt.
Die Studie zeigte, dass eine Umstellung auf erneuerbare Energien auch den Energiebedarf senken, die Verbraucherkosten senken, Millionen neuer Arbeitsplätze schaffen und die Gesundheit der Menschen verbessern würde.
Einige haben jahrelang Skepsis über die Realisierbarkeit einer groß angelegten Einführung erneuerbarer Energien geäußert, was auf ihre Kosten zurückzuführen ist. Aber Dessler sagte, dass Solarenergie vor 10 Jahren zwar eine teure Energiequelle war, heute aber eine der billigsten ist.
„Das Verständnis vieler Menschen über erneuerbare Energien ist extrem veraltet“, sagte Dessler, der nicht an der Forschung beteiligt war.
Windenergie kann auch sehr effektiv sein und liefert an manchen Tagen die Hälfte der Energie von Texas – eine Tatsache, mit der er Podcaster Joe Rogan überraschte, als er in der Folge von „The Joe Rogan Experience“ am Donnerstag als Gast auftrat.
„Sonne und Wind sind die billigsten verfügbaren Energiequellen“, sagte Dessler. „Die Leute scheinen das nicht zu verstehen, und sie verstehen auch nicht, dass wir wissen, wie man ein zuverlässiges Netz baut, das hauptsächlich aus erneuerbaren Energien besteht.“
In der jüngsten Studie zeigten Jacobson und Kollegen, wie der Energiebedarf in den Vereinigten Staaten alle 30 Sekunden ohne Stromausfälle in einer grüneren, bevölkerungsreicheren Nation in den Jahren 2050 und 2051 gedeckt werden kann.
In den Simulationen stellten sie sich vor, dass alle Fahrzeuge elektrisch oder mit Wasserstoff-Brennstoffzellen betrieben würden. Elektrische Wärmepumpen, Warmwasserbereiter, Windkraftanlagen und Sonnenkollektoren ersetzten ihre fossilen Brennstoffalternativen. Das Team umfasste auch neue geothermische Quellen, aber keine neuen Wasserkraftwerke.
Sie modellierten die Netzstabilität in den angrenzenden Vereinigten Staaten, einschließlich Daten aus einem Wetter-Klima-Luftverschmutzungsmodell, das Klimafaktoren und statistisch typische Wettermuster enthält, die in einer bestimmten Region auftreten. Unter Verwendung von Energieverbrauchsdaten der Energy Information Administration simulierte das Team den Energiebedarf für 2050-2051. Die Energiezufuhr musste alle 30 Sekunden der Energienachfrage entsprechen, sonst schaltete das Modell ab.
Das Team stellte fest, dass der tatsächliche Energiebedarf erheblich zurückging, indem einfach auf erneuerbare Ressourcen umgestellt wurde, die effizienter sind. Für die gesamten Vereinigten Staaten sank der gesamte Endenergiebedarf um rund 57 Prozent. Die jährlichen Energiekosten pro Kopf eines Haushalts waren rund 63 Prozent niedriger als in einem „Business-as-usual“-Szenario.
„Alles, was wir derzeit mit fossilen Brennstoffen tun, würde mit einer Technologie erfolgen, die mit Strom betrieben wird“, sagte Anna-Katharina von Krauland, Co-Autorin und Doktorandin in Jacobsons Labor. „Die Menge an Energie, die benötigt wird, um Aktivitäten durchzuführen, im Wesentlichen um das Licht einzuschalten oder industrielle Prozesse anzutreiben, die tatsächlich verringert werden würde, wenn Sie eine effizientere Energieversorgung nutzen würden.“
Während eines extremen Wetterereignisses ist der geringere Energiebedarf wichtig, um das Netz am Laufen zu halten. In Texas würde eine vollständige grüne Umstellung den jährlichen durchschnittlichen Endenergiebedarf um 56 Prozent reduzieren. Es reduziert auch Spitzenlasten oder die höchste Energiemenge, die man gleichzeitig aus dem Netz bezieht. Jacobson sagte, dass viele Haushalte auch ihren eigenen Speicher haben würden und sich nicht so sehr auf das Stromnetz verlassen müssten.
Das Team fand auch heraus, dass die Verbindung von Stromnetzen aus verschiedenen geografischen Regionen das Stromsystem zuverlässiger machen und Kosten senken kann. In größeren Regionen weht eher der Wind, die Sonne scheint oder die Wasserkraft läuft woanders, was möglicherweise dazu beitragen kann, etwaige Versorgungslücken zu schließen.
„Die Schwankungen der erneuerbaren Energien nehmen ab, je größer die Flächen werden“, sagt Dessler. „Wenn es in Texas nicht windig ist, könnte es in Iowa windig sein. In diesem Fall könnten sie Strom überproduzieren und einen Teil ihres zusätzlichen Stroms an uns liefern.“
Der Studie zufolge sind die Kosten pro Energieeinheit in Texas um 27 Prozent niedriger, wenn es mit dem Netz des Mittleren Westens verbunden ist, als wenn es isoliert ist, wie es derzeit der Fall ist.
„In ziemlich allen Fällen stellen wir fest, dass es billiger, zuverlässiger und energieeffizienter wäre, wenn wir die Verbindungsleitungen ausbauen würden“, sagte von Krauland. Sie fügt jedoch hinzu „Selbst wenn jeder Staat für sich allein Insel wäre, wäre es immer noch machbar, 100 Prozent Wind, Wasser und Solarenergie in jedem einzelnen Staat umzusetzen.“
Im Winter in Texas sagte Jacobson, dass besser gewartete Windkraftanlagen auch dazu beitragen würden, die Energieversorgung aufrechtzuerhalten. Während der Kältewelle im Februar 2021 wurden einige zugefrorene Windkraftanlagen wegen fehlender Enteisungsgeräte abgeschaltet. (Kohle-, Gas- und Kernenergiequellen wurden ebenfalls durch direktes Einfrieren der Ausrüstung abgeschaltet und trugen zu einem viel größeren Energieeinbruch bei.)
„An Tagen, an denen es kalt ist, haben Sie viel Wind, was wirklich gute Neuigkeiten sind, denn wenn es kalt ist, haben Sie den Heizbedarf“, sagte Jacobson. „Man bekommt an kalten Tagen tatsächlich mehr Leistung.“
Im Winter kann auch niedriges Sonnenlicht dazu führen, dass Sonnenkollektoren nicht so nützlich sind. In diesem Fall sind die Windturbinen und Sonnenkollektoren komplementäre Energiequellen. Wenn beide irgendwann ausfallen, könnte eine andere Energiequelle wie Geothermie oder Wasserkraft einspringen.
Batterien werden auch verwendet, um Energie zu liefern, wenn die Sonnen- oder Windenergie schwach ist, aber das Team zeigte, dass Batterien mit langer Lebensdauer für die Netzstabilität nicht notwendig oder hilfreich sind. Viele derzeit auf dem Markt erhältliche 4-Stunden-Batterien können zur Langzeitspeicherung, beispielsweise bei Stromausfällen, angeschlossen werden. Diese Erkenntnis ist besonders nützlich, da die Batterietechnologie mit ultralanger Lebensdauer möglicherweise noch relativ weit davon entfernt ist, auf den Markt zu kommen.
„Es ist falsch, erneuerbare Energien als unzuverlässig zu betrachten, weil man nicht an erneuerbare Energien an sich denkt“, sagte Dessler. „Sie betrachten sie als Teil eines Systems. Ein stabiles Netz mit vielen erneuerbaren Energien wird auch eine feste abrufbare Leistung bieten, die ansteigt, wenn die erneuerbaren Energien ausfallen.“
Die Simulationen des Teams deuteten auch darauf hin, dass Stromausfälle in Kalifornien, wie im August 2020, ebenfalls zu geringen Kosten vermieden werden könnten. Die Installation von mehr Offshore-Windkraftanlagen im Sommer könnte Energie liefern, auch um Gebäude zu kühlen. Der Übergang zu allen sauberen, erneuerbaren Energien könnte auch den Energiebedarf in Kalifornien um 60 Prozent senken.
Neben der Verbesserung der Netzstabilität ergab die Studie, dass der Betrieb eines sauberen, erneuerbaren Netzes fast 5 Millionen langfristige Vollzeitarbeitsplätze schaffen könnte, vom Bauwesen über die Fertigung bis hin zu indirekten Arbeitsplätzen in Unternehmen. Die Systeme würden auch sauberere Luft erzeugen, was die durch Umweltverschmutzung verursachten Todesfälle um 53.000 Menschen pro Jahr und durch Umweltverschmutzung verursachte Krankheiten für Millionen von Menschen im Jahr 2050 reduzieren könnte.
„Dies ist eine unglaublich wichtige Studie“, sagte Robert Howarth, Professor an der Cornell University, der nicht an der Forschung beteiligt ist. „Die Industrie für fossile Brennstoffe argumentiert weiterhin, dass erneuerbare Energien ein gefährliches Experiment sind und dass die Netzstabilität und -zuverlässigkeit weiterhin zumindest teilweise von fossilen Brennstoffen abhängen wird. Hier zeigen Jacobson und seine Kollegen deutlich, dass dies überhaupt nicht der Fall ist.“
Dessler stimmt zu, dass er die Ergebnisse dieser Studie „überhaupt nicht kontrovers“ findet.
„Offensichtlich wird es funktionieren, nur weil es so viel erneuerbare Energie auf dem Planeten gibt. Nur aus physikalischer Sicht gibt es hier keine grundlegende Einschränkung“, sagte er. „Der Zwang ist politisch. Man muss die Leute dazu bringen, sich zusammenzutun und sich dafür zu entscheiden, und das ist wirklich schwierig.“
Während der Kältewelle im Februar 2021 sagte der ehemalige texanische Gouverneur Rick Perry, die Texaner würden noch länger in der Kälte und ohne Strom verbringen, „um die Bundesregierung aus ihren Geschäften herauszuhalten“ und Demokraten, die neue Vorschriften vorschlagen wollen, einen Strich durch die Rechnung machen.
Rund 15 Bundesstaaten und Territorien und mehr als 180 Städte haben Richtlinien zur Erhöhung der Menge an erneuerbarem Strom geschaffen, aber Jacobson hofft, dass Ergebnisse wie diese den politischen Entscheidungsträgern das Vertrauen geben werden, Gesetze und Richtlinien für einen schnelleren Übergang zu verabschieden. Jacobsons frühere Studien und seine Arbeit im Rahmen seines gemeinnützigen The Solutions Project haben dazu beigetragen, fundierte Pläne wie den Green New Deal und die Gesetzgebung der Bundesstaaten zu verwirklichen.
„Wir brauchen einen wirklich schnellen Übergang von 80 Prozent [of clean energy] bis 2030 und 100 Prozent so schnell wie möglich danach“, sagte Jacobson. „Es erfordert wirklich eine große Anstrengung vieler Menschen, um dieses Problem zu lösen. Es ist nicht eine wissenschaftliche Studie, die das Problem lösen wird.“