Wie lange dauert es, bis erneuerbare Technologien ihre Energiekosten amortisieren?

Die Frage nennt zwei Verbindungen, aber keiner von ihnen stellt die Frage, wie lange es dauert, bis ein erneuerbares Energiesystem seine Energiekosten amortisiert, was der Titel der Frage ist. Zuerst werde ich die sehr weit gefasste Frage im Titel ansprechen, für die keine nennenswerte Behauptung zitiert wurde (die aber irgendwo da draußen existieren wird).

Die beiden zitierten Links erheben zwei weitere Behauptungen, und ich werde diese beiden danach ansprechen. Die erste behauptet, dass es Zeiten gibt, in denen der Stromverbrauch von Windkraftanlagen für ihre eigene Verwaltung ihre Erzeugung übersteigt. Die zweite behauptet, dass die gesamte mittlere Stromerzeugung durch die weltweit installierten PV-Systeme erst vor kurzem den gesamten mittleren Stromverbrauch der PV-Hersteller der Welt überschritten hat.

Behauptung 1: Für die Herstellung dieser stromerzeugenden Geräte wird mehr fossil betriebene Energie aufgewendet, als diese Geräte selbst produzieren würden

tl;dr: falsch. Onshore-Wind erzeugt etwa 20- bis 80-mal so viel Energie wie für die Herstellung der Turbinen benötigt wird. Offshore-Wind etwa 10-20 mal. PV etwa 10-20 mal.

Da in der Frage groß angelegte Wind- und PV-Anlagen erwähnt werden, werde ich mich nur auf diese Teilmenge der erneuerbaren Energien konzentrieren. Ich werde mir die Amortisationszeit und die Lebensdauer ansehen, die beide in Jahren gemessen werden. Solange die Lebensdauer die Energierücklaufzeit (EPBT) übersteigt, wird mehr Strom erzeugt als beim Bau verbraucht wird. Und wenn die Erzeugung den gesamten Energieverbrauch übersteigt, muss sie auch den gesamten Verbrauch fossiler Brennstoffe übersteigen, da dieser nicht größer sein kann als der gesamte Energieverbrauch.

                         EPBT(y)  life(y) sources
LARGE-SCALE WIND:                          [1],[2],[3],[4],8]
                onshore   0.25-1  20-25   
               offshore      1-2  20-25?
PV:                                        [5].[6],[7]
monocrystalline silicon  1.7-2.7  25+
polycrystalline silicon  1.7-2.2  20-25
                   CdTe  0.8-1.1  10-25

Quellen: 1 , 2 , 3, pdf , 4, pdf , 5, pdf , 6 , 7 , 8 – eine Mischung aus unabhängigen Studien, Peer-Review-Journalartikeln und Herstellerinformationen, die alle im Großen und Ganzen übereinstimmen Zahlen.

Anmerkung 1: Wir wissen nicht, wie lange monokristalline PV halten wird, weil es sie erst seit ein paar Jahrzehnten in kommerzieller Form gibt. Wir wissen, dass die Zellen nach 20-30 Jahren von ihrer alten Verkapselung befreit und neu verkapselt werden können ( pdf ). Ebenso können wir die Lebensdauer kommerzieller Offshore-Windparks nur auf 20-25 Jahre schätzen, da der erste derartige Park in Vindeby, der 1991 gebaut wurde, immer noch Strom erzeugt (weitere Zahlen in meinem Blogpost über Kapazitätsfaktoren bei dänischen Offshore-Windparks ). Bauernhöfe ).

Anmerkung 2: Verschiedene Studien gehen von unterschiedlichen Annahmen über das Niveau der am tatsächlichen Standort verfügbaren Wind-/Solarressourcen aus; darüber, wie viel Energie für Betrieb, Wartung und Außerbetriebnahme verbraucht wird (und dies ist tatsächlich im Allgemeinen in Lebenszykluskostenanalysen enthalten, wie Sie den meisten dieser Referenzen ausdrücklich entnehmen werden); und über die Besonderheiten der Herstellung. Dies kann zu großen Schwankungen in den Schätzungen führen. Onshore-Wind hat seine Reife erst um 2002 erreicht (was bedeutet, dass wir noch keinen vollständigen Lebenszyklus für moderne Onshore-Windturbinen durchlaufen haben); die anderen befinden sich noch in der Phase der disruptiven Innovation; Es sind also noch keine aussagekräftigen empirischen Daten über den gesamten Lebenszyklus verfügbar.

Behauptung 2: Es gibt Zeiten, in denen der Stromverbrauch von Windkraftanlagen für ihre eigene Verwaltung ihre Erzeugung übersteigt.

tl; dr: Falsch für die letzten Jahre; stimmt gelegentlich vor 2003. Es ist selten, aber es ist passiert: Ich konnte kein Vorkommen davon in den Daten für Großbritannien finden, aber einige Fälle, in denen es in Dänemark in den Jahren 2000 und 2002 vorkam.

Tatsächlich kann es jeder Art von Stromerzeugung passieren: Gaskraftwerke, Kohlekraftwerke, Kernkraftwerke, Wasserkraftwerke usw.: Sie alle verbrauchen eine gewisse Menge Strom für den Hintergrundbetrieb, auch wenn sie nicht erzeugen: Lichter im Kontrollraum, Kühlgeräte, was auch immer.

Bei Wind ist dies aufgrund der Art des Mangels an Erzeugung aus gemeinsamer Ursache (auch als Gleichtakt bezeichnet) deutlicher. Alle Erzeugungsformen sind anfällig für gewöhnliche Erzeugungsausfälle, bei denen (fast) keine Anlagen eines bestimmten Typs in einem bestimmten Land zu einem bestimmten Zeitpunkt Strom erzeugen. Zum Beispiel hatte Japans Nuklearflotte nach dem Erdbeben und dem Tsunami von 2011 viele Monate einen Stromausfall aus gewöhnlicher Ursache. An diesen Standorten wurde jedoch immer noch Strom verbraucht, sodass die gesamte Nuklearflotte ein Nettoverbraucher von Strom war. In ähnlicher Weise würde bei einer Unterbrechung der Kohle- oder Erdgasversorgung eines Landes die gesamte Kraftwerksflotte gleichzeitig vom Netz gehen, aber der Kernbetrieb der Anlagen würde fortgesetzt, um sicherzustellen, dass sie betriebsbereit sind, wenn die Brennstoffversorgung wieder aufgenommen wird.

Bei Windkraftanlagen, in denen sich die gesamte Erzeugungsflotte innerhalb desselben Klimagebiets befindet, kann es Zeiten geben, in denen die Gesamterzeugung sehr gering ist (in der Größenordnung von etwa 0,5 %) der gesamten Nennkapazität und zu diesen Zeiten der betriebliche Stromverbrauch von Die Turbinen für die Enteisung und den Standby-Modus können die gesamte Winderzeugung überschreiten. Dies ist in Dänemark vor über einem Jahrzehnt geschehen, aber seitdem nicht mehr; Ich konnte in den Daten keinen Anlass dafür finden, dass es in Großbritannien passierte. Der zitierte Link behauptet, er habe seine Geschichte von einem Kolumnisten in einer englischen Zeitung des unteren Marktsegments: Dieser Kolumnist nennt weder die Quelle seiner Daten noch das genaue Datum und die Uhrzeit, nur dass es einige Wochen vor dem 21. Dezember 2010 war. Allerdings , Untersuchung der halbstündlichen Elexon-Rasterdaten(Daten frei bei Registrierung), die den Zeitraum vom 1. November 2008 bis jetzt abdeckt, gab es keine Zeit, in der die mittlere Netto-Winderzeugung pro halbe Stunde weniger als null war. Die niedrigste mittlere halbstündliche Leistung betrug 2 MW für den Zeitraum 0700-0730 (UTC+1) am 5. Juni 2010. Es gibt auch keine Uhrzeiten in den momentanen 5-Minuten-Daten, wo es im selben Zeitraum passierte. Es gibt einen Zeitraum fehlerhafter Daten in den Aufzeichnungen um den 19. Oktober 2010, in dem die Nettoerzeugungsleistung (Kohle, Gas, Wind) alle als Null angezeigt wird (was unmöglich ist, da dies zu einem landesweiten Stromausfall geführt hätte, und das hat es getan passiert dann nicht), und es kann sein, dass diese korrupten Daten der Ursprung der Geschichte sind.

Betrachtet man jedoch die dänischen Daten , so war es in der Vergangenheit in Dänemark vorgekommen, dass die Nettoerzeugung aus Wind negativ war, da der Eigenstromverbrauch der Turbine größer war als die gesamte Turbinenerzeugung: sechzehn halbstündliche Intervalle im Jahr 2000; ein halbstündliches Intervall im Jahr 2002; seitdem nichts mehr. Es ist nicht verwunderlich, dass dies seitdem nicht mehr geschehen ist: Die Turbinensteuerungstechnologie hat sich verbessert, und viele ältere Turbinen wurden 2002 im Rahmen eines nationalen Repowering-Programms abgeschaltet .

Behauptung 3: Die gesamte mittlere Stromerzeugung durch die weltweit installierten PV-Systeme hat erst kürzlich den gesamten mittleren Stromverbrauch der weltweiten PV-Hersteller überschritten.

tl:dr: wahrscheinlich ab 2012 wahr; nicht verifizierbar, aber durchaus plausibel.

Ohne besonderen Grund zur Skepsis sehe ich keinen Grund, an den Schlussfolgerungen des zitierten Peer-Review-Papiers zu zweifeln. Die für die Berechnung erforderlichen Daten sind nicht verfügbar, so dass nur Teilinformationen und beste professionelle Schätzungen sowohl der gesamten globalen PV-Erzeugung in einem Jahr als auch des gesamten Energieverbrauchs der PV-Hersteller in einem Jahr übrig bleiben. Wir können Ersteres gut abschätzen, da fast alle PV-Anlagen jetzt an das Stromnetz angeschlossen sind und ein Teil davon (einer, der wahrscheinlich ziemlich repräsentativ ist) gemessen wird. Bei letzterem ist es viel schwieriger, eine gute Schätzung vorzunehmen, da weltweit so viele Fabriken an den verschiedenen Phasen der PV-Produktion beteiligt sind und sie ihren Energieverbrauch nicht melden müssen. Das betreffende Papier schätzt also den Energieverbrauch,

Eine plausible Zahl, auch wenn die Amortisationszeiten der PV-Energie tendenziell in der Größenordnung von 3 Jahren liegen, und das liegt daran, dass der Ausbau der installierten PV-Leistung so schnell war: in der Größenordnung von 70 % pro Jahr, gemittelt über mehrere Jahre . Wir können eine grobe Berechnung der Rückseite des Umschlags durchführen, um zu sehen, wie das funktioniert:

Year    Generation    new capacity  total capacity   Power consumption
 1           0              10               10              30
 2          10              17               27              51
 3          27              29               56              87
 4          56              49              105             147
 5         105              83              189             251

Es handelt sich um eine vereinfachte Berechnung, die die Kapazität in Bezug auf die mittlere Erzeugung zeigt (anstelle der Kapazität auf dem Typenschild; die Erzeugung im Jahr 3 entspricht der Gesamtkapazität am Ende des zweiten Jahres; der Stromverbrauch im dritten Jahr ist dreimal so hoch wie die im dritten Jahr neu gebaute Kapazität; zur Vereinfachung Bei der Berechnung bin ich davon ausgegangen, dass alles erst ganz am Ende des Herstellungsjahres online geht). Die PV-Erzeugung wird die PV-Erzeugung nur dann übersteigen, wenn sich dieses exponentielle Wachstum abflacht (was natürlich mit der Zeit der Fall sein wird) und/oder sich die Energierückzahlungszeiten noch weiter verkürzen.

Und dies gilt für jede Technologie der neuen Generation, die sich im Verhältnis zu ihrer Energieamortisationszeit sehr schnell ausdehnt: Bei einer Energieamortisation von 4 Jahren gilt dies für jede Wachstumsrate von über 25 % pro Jahr; für eine 3-Jahres-Energierückzahlung alles über 33 % pro Jahr; für eine 2-Jahres-Energierückzahlung alles über 50 % pro Jahr usw.: Während der Phase der schnellen Expansion wird der Energieverbrauch der Herstellung die Gesamterzeugung übersteigen.

Diese Beziehung wird im Diagramm in der Zusammenfassung des Artikels gut dargestellt (beachten Sie, dass dies ein Log-Log-Diagramm ist):

_Quelle

Beachten Sie, dass die jährlichen Wachstumsraten ungefähr im gleichen Maße gestiegen sind wie die Energierückzahlungszeiten gesunken sind (der verbindende Faktor sind die in den letzten 13 Jahren schnell gesunkenen Kosten für PV: geringerer Energieeinsatz -> billigere Module -> höherer Einsatz -> Innovation in der Fertigung -> geringerer Energieeinsatz -> ...)

Es hängt von der erneuerbaren Energietechnologie ab, aber die Antwort liegt im Allgemeinen bei einigen Jahren.

Hier ist eine detaillierte Analyse der grauen Energie in zwei Größen von großen Windkraftanlagen (850 kW und 3 MW). Diese Studie beinhaltete eine sehr detaillierte Bewertung der grauen Energie, die zeigte, dass frühere Schätzungen ziemlich niedrig waren. Trotz dieser realistischeren anfänglichen Energiekosten stellt das Papier fest, dass die graue Energie weniger als 5 % der erzeugten Gesamtenergie ausmacht, wenn man von einer Lebensdauer von 20 Jahren ausgeht, und kommt zu dem Schluss:

Die Verwendung einer systemisch vollständigen hybriden Methode zur Analyse der grauen Energie hat gezeigt, dass frühere Bewertungen der grauen Energie von Windturbinen zu 78 % unvollständig sein können. Trotz dieser erheblichen Verbesserungen bei der Bewertung der grauen Energie wurde die relative Bedeutungslosigkeit der grauen Energiekomponente von Windturbinen über ihre Lebensdauer hervorgehoben.

Für Photovoltaiksysteme mit aktueller Technologie sagt das National Renewable Energy Lab (NREL) des US-Energieministeriums, dass es 3 bis 4 Jahre dauert, um die graue Energie zurückzugewinnen, und stellt ausdrücklich fest:

Basierend auf Modellen und realen Daten ist die Vorstellung, dass PV ihre Energieinvestitionen nicht zurückzahlen kann, einfach ein Mythos. Tatsächlich fanden die Forscher Dones und Frischknecht heraus, dass die Herstellung von PV-Systemen und die Energieerzeugung aus fossilen Brennstoffen ähnliche Energierückzahlungszeiten haben (einschließlich der Kosten für Bergbau, Transport, Raffination und Bau).

Hier ist ein Link zum Wikipedia-Artikel über Energy Returned on Energy Invested (EROEI), der Werte für verschiedene Energiequellen tabelliert. EROEI ist das Verhältnis von erzeugter Energie zu der zu ihrer Herstellung verbrauchten Energie. Wind kommt bei 18 herein - sehr nahe an den 20 für die Ölförderung. Photovoltaik ist als 6.8 aufgeführt. Beide sind höher (dh besser) als viele andere Alternativen, einschließlich Schieferöl (5) und Ölsande (3). Mit anderen Worten, die Rendite von Wind und Sonne ist besser als die von Öl, das durch die geplante Keystone XL-Pipeline fließt.

Beachten Sie, dass ein Großteil des Energieeinsatzes für diese Technologien derzeit auf fossilen Quellen basiert, aber wenn diese erneuerbaren Quellen ans Netz gehen, wird der Anteil der investierten fossilen Energie immer geringer.