Energy Storage and Civilization: A Systems Approach

Autoren

Graham Palmer is a researcher who divides his time between industry and academia. He has an industry background as an engineer and researcher in manufacturing, HVAC and electronics. He has published in the area of biophysical economics, renewable energy, life-cycle analysis, and energy-economic modelling. Graham obtained his PhD in the area of energy-return-on-investment (EROI) of electricity supply. His current research interests include the future roles of energy storage systems.

Joshua Floyd is a researcher and educator in the area of energy and societal futures. His work draws on training and experience in futures studies and strategic foresight, and systems thinking and practice. His early engineering career focused on technology development and commercialization in the extractive metallurgy industry. His qualifications include a Master of Science (Strategic Foresight) and Bachelor of Engineering (Mechanical). He is Energy, Systems and Society Fellow at The Rescope Project.

Buch

Fossil fuels comprise the accumulation of prehistoric biomass that was energised by sunlight, and formed by earth system dynamics. Fossil fuels can be conceptualized as stored energy stocks that can be readily converted to power flows, on demand. A transition from a reliance on stored energy stocks, to renewable energy flows, will require a replication of energy storage by technological devices and energy conversion methods. Most analyses of energy storage focus solely on the economic-technical properties of storage within incumbent energy systems. This book broadens the scope of the study of storage by placing it within a broader, historical, biophysical framework. The role and value of storage is examined from first principles, and framed within the contemporary context of electrical grids and markets. The energy-economic cost of electrical storage may be critical to the efficacy of high penetration renewable scenarios, and understanding the costs and benefits of storage is needed for a proper assessment of storage in energy transition studies. This book provides a starting point for engineers, scientists and energy analysts for exploring the role of storage in energy transition studies, and for gaining an appreciation of the biophysical constraints of storage.

Fossile Brennstoffe umfassen die Anhäufung von prähistorischer Biomasse, die durch Sonnenlicht energetisiert und durch die Dynamik des Erdsystems gebildet wurde. Fossile Brennstoffe kann man sich als gespeicherte Energievorräte vorstellen, die bei Bedarf leicht in Energieflüsse umgewandelt werden können. Ein Übergang von der Abhängigkeit von gespeicherten Energievorräten zu erneuerbaren Energieströmen erfordert eine Replikation der Energiespeicherung durch technologische Vorrichtungen und Energieumwandlungsmethoden. Die meisten Analysen der Energiespeicherung konzentrieren sich ausschließlich auf die wirtschaftlich-technischen Eigenschaften der Speicherung innerhalb der etablierten Energiesysteme. Dieses Buch erweitert den Umfang der Untersuchung der Speicherung, indem es sie in einen breiteren, historischen, biophysikalischen Rahmen stellt. Die Rolle und der Wert der Speicherung werden von ersten Prinzipien aus untersucht und in den zeitgenössischen Kontext von Stromnetzen und -märkten eingebettet. Die energiewirtschaftlichen Kosten der elektrischen Speicherung können entscheidend für die Wirksamkeit von Szenarien mit hoher Durchdringung mit erneuerbaren Energien sein, und für eine angemessene Bewertung der Speicherung in Energieübergangsstudien ist ein Verständnis der Kosten und Vorteile der Speicherung erforderlich. Dieses Buch bietet Ingenieuren, Wissenschaftlern und Energieanalytikern einen Ausgangspunkt, um die Rolle der Speicherung in Studien zur Energieumwandlung zu untersuchen und die biophysikalischen Zwänge der Speicherung zu verstehen.

• Describes the biophysical limitations of energy storage from first principles and market perspectives
• Explains the role of storage in modern energy systems in the context of fossil fuels
• Critiques and explores the role of storage in scenario analyses
• Aids in the design of realistic transition models that incorporate biophysical constraints

Fossil fuels can be conceptualized as stored energy stocks that can be readily processed, transported, and converted to power flows on demand. However, there are two strong drivers of a long-run transition away from fossil fuels. Firstly, the release of millions of years of stored carbon within a short time is perturbing the earth’s natural carbon cycle and enhancing the greenhouse effect with probably severe adverse climate impacts. Secondly, although significant resources remain in place, fossil fuels are of course nonrenewable and finite. The era of easily accessible oil has passed, and all fossil resources, excepting perhaps unconventional oil and gas, are near or past their peak production rates. Pre-industrial societies lived within the natural cycle, governed by the seasons, the sun’s rising and setting, and the constraints of organic agriculture. In industrialized societies, the last few generations have become accustomed to copious power on demand regardless of the season.

Fossile Brennstoffe kann man sich als gespeicherte Energievorräte vorstellen, die sich leicht verarbeiten, transportieren und bei Bedarf in Stromflüsse umwandeln lassen. Es gibt jedoch zwei starke Triebkräfte für einen langfristigen Übergang weg von fossilen Brennstoffen. Erstens stört die Freisetzung von über Millionen von Jahren gespeichertem Kohlenstoff innerhalb kurzer Zeit den natürlichen Kohlenstoffkreislauf der Erde und verstärkt den Treibhauseffekt mit wahrscheinlich schwerwiegenden negativen Auswirkungen auf das Klima. Zweitens sind fossile Brennstoffe, obwohl nach wie vor beträchtliche Ressourcen vorhanden sind, natürlich nicht erneuerbar und endlich. Das Zeitalter des leicht zugänglichen Erdöls ist vorbei, und alle fossilen Ressourcen, mit Ausnahme von vielleicht unkonventionellem Öl und Gas, haben ihre Förderhöchstwerte fast erreicht oder überschritten. Vorindustrielle Gesellschaften lebten innerhalb des natürlichen Zyklus, der von den Jahreszeiten, dem Auf- und Untergang der Sonne und den Zwängen der ökologischen Landwirtschaft bestimmt wurde. In den Industriegesellschaften haben sich die letzten Generationen daran gewöhnt, unabhängig von der Jahreszeit reichlich Strom auf Abruf zu produzieren.

A transition from energy sources comprising accumulated stocks of past sunlight to sources derived from present flows will require a replication of the energy storage services provided by geologically sequestered fossil fuels.

Ein Übergang von Energiequellen, die aus akkumulierten Vorräten an Sonnenlicht der Vergangenheit bestehen, zu Quellen, die aus den gegenwärtigen Strömen stammen, wird eine Replikation der Energiespeicherdienste erfordern, die von geologisch sequestrierten fossilen Brennstoffen bereitgestellt werden.

The Argument for the Primacy of Energy Storage Human energy use is derived from sources that can be characterized as either stocks or flows. In this view, the solar energy reaching the earth is an energy flow, but the energy embodied in wood that was derived from solar energy, via photosynthesis, is an energy stock. Energy storage deals with the relationship between stocks and flows: storing energy, whether by natural or anthropic processes, involves the accumulation of flows as stocks; exploiting stored energy involves the conversion of stocks to flows.

Das Argument für den Vorrang der Energiespeicherung Humane Energienutzung wird aus Quellen abgeleitet, die entweder als Bestände oder Ströme charakterisiert werden können. In dieser Sichtweise ist die Sonnenenergie, die die Erde erreicht, ein Energiefluss, aber die im Holz verkörperte Energie, die über die Photosynthese aus Sonnenenergie gewonnen wurde, ist ein Energievorrat. Die Energiespeicherung befasst sich mit der Beziehung zwischen Vorräten und Strömen: Die Speicherung von Energie, sei es durch natürliche oder anthropische Prozesse, beinhaltet die Akkumulation von Strömen als Vorräte; die Nutzung gespeicherter Energie beinhaltet die Umwandlung von Vorräten in Ströme.

In the case of electricity, accumulation of energy flows as energy stocks can be achieved on a large scale only by first converting the energy to another form, associated with a physical phenomenon of different type.

Im Falle der Elektrizität kann die Akkumulation von Energieströmen als Energievorräte in großem Maßstab nur dadurch erreicht werden, dass die Energie zunächst in eine andere Form umgewandelt wird, die mit einem physikalischen Phänomen anderer Art verbunden ist.

Although there are many contexts for energy storage, we want to argue that energy storage, as both a technological and natural phenomenon, has been much more significant to the development of human civilizations than usually understood.

Obwohl es viele Kontexte für die Energiespeicherung gibt, wollen wir argumentieren, dass die Energiespeicherung als technologisches und natürliches Phänomen für die Entwicklung menschlicher Zivilisationen eine viel größere Bedeutung hatte, als man gemeinhin annimmt.

Energy storage need not have been the primary causative factor, but was an essential enabling factor.

Energiespeicherung muss nicht der primäre ursächliche Faktor gewesen sein, sondern war ein wesentlicher ermöglichender Faktor.

A post-fossil fuel society will need to rely on fusion and/or fission, either directly or indirectly. By far the most important primary energy source on a planetary scale is solar, derived ultimately from hydrogen and helium fusion reactions within the Sun. But substituting solar energy for all the energy services currently provided by fossil fuels will require incorporating storage into energy systems, on a very large scale.

Eine post-fossile Brennstoffgesellschaft wird sich direkt oder indirekt auf Fusion und/oder Kernspaltung verlassen müssen. Die bei weitem wichtigste Primärenergiequelle im planetarischen Maßstab ist die Sonne, die letztlich aus Wasserstoff- und Helium-Fusionsreaktionen innerhalb der Sonne gewonnen wird. Die Substitution aller Energiedienstleistungen, die derzeit durch fossile Brennstoffe erbracht werden, durch Solarenergie erfordert jedoch die Einbeziehung der Speicherung in Energiesysteme in sehr großem Maßstab.

Halstead and O’Shea (1989) summarized the role of storage as one of four basic strategies for responding to food shortages due to either the seasonal cycle, short term scarcity, or other natural variability in the environment. The four strategies include:

1. diversification, as a strategy to counteract scarcity of one resource by sourcing others, especially through sourcing a wider range of plant and animal species;
2. mobility, as a strategy to even out spatial discrepancies in resource availability by movement between areas of resource abundance;
3. storage, as a strategy to even out temporal discrepancies in resource availability, by ‘saving it for later’; and
4. exchange, sharing and reciprocity, as a group of strategies for playing off temporal variability in resource availability, against spatial variability in resource abundance. Exchange functions in a fashion similar to storage, in that present abundance is converted, via social transactions, into a future obligation in time of need. The idea of ‘negative reciprocity’, or theft, might also be treated as belonging in the same category as exchange.

Halstead und O’Shea (1989) faßten die Rolle der Lagerung als eine von vier grundlegenden Strategien zusammen, um auf Nahrungsmittelknappheit zu reagieren, die entweder auf den saisonalen Zyklus, kurzfristige Knappheit oder andere natürliche Schwankungen in der Umwelt zurückzuführen ist. Die vier Strategien umfassen:

1. Diversifizierung als eine Strategie, um der Knappheit einer Ressource durch die Beschaffung anderer Ressourcen entgegenzuwirken, insbesondere durch die Beschaffung einer breiteren Palette von Pflanzen- und Tierarten;
2. Mobilität als eine Strategie, um räumliche Diskrepanzen in der Ressourcenverfügbarkeit durch Bewegung zwischen Gebieten mit Ressourcenreichtum auszugleichen;
3. Lagerung als eine Strategie, um zeitliche Diskrepanzen in der Ressourcenverfügbarkeit auszugleichen, indem man sie „für später aufhebt“; und
4. Austausch, gemeinsame Nutzung und Gegenseitigkeit als eine Gruppe von Strategien, um zeitliche Variabilität in der Ressourcenverfügbarkeit gegen räumliche Variabilität im Ressourcenreichtum auszuspielen. Austausch funktioniert in ähnlicher Weise wie Lagerung, indem der gegenwärtige Überfluss über soziale Transaktionen in eine zukünftige Verpflichtung in der Zeit des Bedarfs umgewandelt wird. Auch die Idee der „negativen Reziprozität“ oder des Diebstahls könnte in dieselbe Kategorie wie der Tausch eingeordnet werden.

Human societies, whatever their form, depend for their viability on the availability of food for immediate consumption at sufficient rates. A society can remain viable if enough food is available right here and right now. The four strategies provide a general framework for thinking about the role of storage in regulating energy supply, which we will return to.

Menschliche Gesellschaften, in welcher Form auch immer, hängen für ihre Lebensfähigkeit von der Verfügbarkeit von Nahrungsmitteln zum sofortigen Verzehr in ausreichender Menge ab. Eine Gesellschaft kann lebensfähig bleiben, wenn hier und jetzt genügend Nahrung zur Verfügung steht. Die vier Strategien bieten einen allgemeinen Rahmen, um über die Rolle der Speicherung bei der Regulierung der Energieversorgung nachzudenken, auf den wir zurückkommen werden.

We propose here that the storage potential for its products played a decisive role in agriculture’s displacement of previous ways of life, despite its many disadvantages.

Wir schlagen hier vor, dass das Lagerpotential für ihre Produkte trotz ihrer vielen Nachteile eine entscheidende Rolle bei der Verdrängung bisheriger Lebensformen durch die Landwirtschaft gespielt hat.

Grains are hard and dry, and therefore resist spoiling. Since they are dry, they have a high calorific to weight ratio, making them both storable and readily transportable

Die Körner sind hart und trocken und verderben daher nicht. Da sie trocken sind, haben sie ein hohes Brennwert-/Gewichtsverhältnis, wodurch sie sowohl lagerfähig als auch leicht transportierbar sind.

Despite requiring much more effort per unit of nutritional gain, grains, and later, other storable food, allowed humans to do something that wasn’t practically possible before—accumulate, transport and control the dispersal of energy at large scale. Control implies the capability of using energy when and where required—regulating the availability of energy in time and space.

Obwohl Getreide und später auch andere lagerfähige Lebensmittel viel mehr Aufwand pro Einheit an Nährwertzuwachs erforderten, erlaubten sie den Menschen, etwas zu tun, was nicht  praktisch möglich – vor der Akkumulation, dem Transport und der Kontrolle der Ausbreitung von Energie in großem Maßstab. Kontrolle impliziert die Fähigkeit, Energie zu nutzen, wann und wo sie benötigt wird – die Regulierung der Verfügbarkeit von Energie in Zeit und Raum.

Preservation techniques therefore stood to increase the energy return on investment for food production, even where they required an initial increase in investment.

Konservierungstechniken konnten daher die energetische Rentabilität von Investitionen in die Nahrungsmittelproduktion erhöhen, selbst wenn sie eine anfängliche Erhöhung der Investitionen erforderten.

Hence state rulership and control of energy were two sides of the same coin.

Staatliche Herrschaft und Kontrolle über Energie waren also zwei Seiten derselben Medaille.

Similarly, it is hard to understand why Neolithic farmers subjected themselves to the intense work of agriculture for little immediate gain, yet persist they did. With coal, we see the same pattern replicated throughout history.

Gleichermaßen ist es schwer zu verstehen, warum neolithische Bauern sich der intensiven Arbeit der Landwirtschaft für wenig unmittelbaren Gewinn unterwarfen, aber dennoch darauf beharrten. Bei der Kohle sehen wir das gleiche Muster, das sich im Laufe der Geschichte wiederholt hat.

Each of the three transitions identified at the beginning of this chapter were enabled by a revolutionary advance in energy storage. The first by grains and cereals, and the second by coal. The third was the development of an oil industry that could supply a vast and increasing quantity of petroleum fuels on demand

Jeder der drei zu Beginn dieses Kapitels genannten Übergänge wurde durch einen revolutionären Fortschritt in der Energiespeicherung ermöglicht. Der erste durch Getreide und Zerealien und der zweite durch Kohle. Der dritte war die Entwicklung einer Ölindustrie, die eine riesige und wachsende Menge an Erdöltreibstoffen auf Abruf liefern konnte.

Should an alternative energy storage medium to petroleum emerge that also possesses the essential characteristics of money, it may have potential to disrupt the entire international architecture that has underpinned the global financial system. After the Neolithic transition and the emergence of coal and steam, the petroleum age marks a key civilizational juncture, a departure point for a new regime of path dependency.

Sollte sich ein alternatives Energiespeichermedium zu Erdöl herausbilden, das auch die wesentlichen Eigenschaften von Geld besitzt, könnte es das Potenzial haben, die gesamte internationale Architektur, die das globale Finanzsystem untermauert hat, zu stören. Nach dem neolithischen Übergang und dem Aufkommen von Kohle und Dampf markiert das Erdölzeitalter einen wichtigen zivilisatorischen Wendepunkt, einen Ausgangspunkt für ein neues Regime der Pfadabhängigkeit.

Electricity is perhaps the most difficult energy carrier to place into the evolutionary framework we outline here. In common English language usage, both gasoline and electricity are discussed as energy sources. Furthermore, the use of common energy units, such as mega-joules or kilowatt-hours, implies a functional equivalence. But electricity is a flow and energy carrier, rather than a primary energy stock.

Elektrizität ist vielleicht der Energieträger, der sich am schwierigsten in den evolutionären Rahmen einordnen lässt, den wir hier skizzieren. Im allgemeinen englischen Sprachgebrauch werden sowohl Benzin als auch Elektrizität als Energiequellen diskutiert. Darüber hinaus impliziert die Verwendung gebräuchlicher Energieeinheiten, wie Megajoule oder Kilowattstunden, eine funktionale Äquivalenz. Elektrizität ist jedoch kein Primärenergievorrat, sondern ein Strömungs- und Energieträger.

Whereas gasoline is an energy stock, the concept of a ‘stock of electricity’ is restricted to the limited case of DC current, stored as an electrical field in capacitors. Furthermore, as a precisely regulated flow, grid electricity is underpinned by a highly complex and integrated system of generation and distribution. Electricity systems have been described as the ‘largest machines in the world’, and subject to cascading faults which can black out entire regions or countries (see Chap. 6). On the other hand, energy conversions from electricity to end-use services achieve the highest efficiency and flexibility. Where readily and reliably available, electricity is often the most highly valued energy source.

Während es sich bei Benzin um einen Energievorrat handelt, beschränkt sich das Konzept eines „Elektrizitätsvorrats“ auf den begrenzten Fall von Gleichstrom, der als elektrisches Feld in Kondensatoren gespeichert wird. Darüber hinaus wird der Netzstrom als genau geregelter Fluss durch ein hochkomplexes und integriertes System der Erzeugung und Verteilung unterstützt. Elektrizitätssysteme sind als die „größten Maschinen der Welt“ beschrieben worden und unterliegen Kaskadenstörungen, die ganze Regionen oder Länder verdunkeln können (siehe Kap. 6). Auf der anderen Seite erreichen Energieumwandlungen von Elektrizität in Endverbrauchsdienste die höchste Effizienz und Flexibilität. Wo Elektrizität leicht und zuverlässig verfügbar ist, ist sie oft die am höchsten geschätzte Energiequelle.

The role of nuclear power in this framework is that uranium, formed by nucleosynthesis, is analogous to fossil fuels in that it represents a geological stock of energy stored by natural processes, over periods vastly longer than human existence. However, nuclear fuels are currently used exclusively to power the supply of electricity and therefore do not offer a universal pathway for addressing the broader energy storage needs of human societies. To the extent that a general trend towards electrification of final energy supply continues, then uranium-235 (or uranium-238, thorium-232, or other fissile or fertile materials) could increasingly substitute for fossil fuels. This would, however, entail much greater complexity with respect to engineering, regulatory oversight, and waste management. Nuclear electricity or high temperature heat derived from fission of nuclear fuels can also be used to produce liquid fuels,

Die Rolle der Kernenergie in diesem Rahmen besteht darin, dass das durch Nukleosynthese gebildete Uran den fossilen Brennstoffen insofern analog ist, als es einen geologischen Energievorrat darstellt, der durch natürliche Prozesse gespeichert wird, und zwar über weitaus längere Zeiträume als die menschliche Existenz. Derzeit werden Kernbrennstoffe jedoch ausschließlich für die Stromversorgung verwendet und bieten daher keinen universellen Weg, um den breiteren Energiespeicherbedarf der menschlichen Gesellschaften zu decken. In dem Maße, in dem ein allgemeiner Trend zur Elektrifizierung der Endenergieversorgung anhält, könnte Uran-235 (oder Uran-238, Thorium-232 oder andere spaltbare oder fruchtbare Materialien) zunehmend fossile Brennstoffe ersetzen. Dies würde jedoch eine viel größere Komplexität in Bezug auf Technik, behördliche Aufsicht und Abfallmanagement mit sich bringen. Kernelektrizität oder Hochtemperaturwärme aus der Spaltung von Kernbrennstoffen kann auch zur Herstellung flüssiger Brennstoffe verwendet werden,

This doesn’t preclude a greater long-term role if the key challenges of cost, waste, and safety were to be overcome.

Dies schließt eine größere Rolle auf lange Sicht nicht aus, wenn die wichtigsten Herausforderungen wie Kosten, Verschwendung und Sicherheit überwunden werden sollen.

We argue that energy storage, in both naturally occurring and technologically mediated forms, has played a much more significant role in the development of human civilizations than is typically recognized. Beginning with the Neolithic transition, the availability of a ready means to accumulate and store surplus energy had profound implications—it enabled socio-political pathways to evolve that would not have otherwise been viable. The Neolithic revolution was the first of three pivotal transitions widely recognized as marking the advent of new eras in human socio-economic organization. The second of these was the industrial revolution of the eighteenth and nineteenth centuries, marked by the rise to economic prominence of coal-fired steam power;

Wir argumentieren, dass Energiespeicherung, sowohl in natürlich vorkommender als auch in technologisch vermittelter Form, eine viel bedeutendere Rolle in der Entwicklung menschlicher Zivilisationen gespielt hat, als üblicherweise anerkannt wird. Beginnend mit dem Neolithikum hatte die Verfügbarkeit von Mitteln zur Akkumulation und Speicherung überschüssiger Energie tiefgreifende Auswirkungen – sie ermöglichte die Entwicklung sozio-politischer Wege, die andernfalls nicht gangbar gewesen wären. Die neolithische Revolution war der erste von drei entscheidenden Übergängen, die weithin anerkanntermaßen den Beginn neuer Epochen in der sozioökonomischen Organisation des Menschen markieren. Die zweite davon war die industrielle Revolution des achtzehnten und neunzehnten Jahrhunderts, die durch den Aufstieg der kohlebefeuerten Dampfkraft zu wirtschaftlicher Bedeutung gekennzeichnet war;

and the third was the emergence of the Age of Oil, in which petroleum fuels enabled the rapid expansion and democratisation of mass mobility. While each era is marked by a distinctly different principal primary energy source, viewing the overall historical arc through an analytical lens attuned to energy storage considerations can help make sense of why changes unfolded as and when they did.

und das dritte war das Aufkommen des Ölzeitalters, in dem Erdöltreibstoffe die rasche Ausweitung und Demokratisierung der Massenmobilität ermöglichten. Zwar ist jede Epoche durch eine deutlich unterschiedliche Hauptprimärenergiequelle gekennzeichnet, doch wenn man den gesamten historischen Bogen durch eine analytische Linse betrachtet, die auf Energiespeicherüberlegungen abgestimmt ist, kann man verstehen, warum sich die Veränderungen so und wann sie stattfanden.

Transition to economies reliant on contemporary solar flows will require that the energy storage function of fossil fuels be reproduced at a massive scale.

Der Übergang zu Wirtschaftssystemen, die von den heutigen Solarströmen abhängig sind, erfordert, dass die Energiespeicherfunktion fossiler Brennstoffe in großem Maßstab reproduziert wird.

We argue that substituting technological devices for the storage function inherent in fossil fuels will be much harder than commonly appreciated.

Wir argumentieren, dass es viel schwieriger sein wird, die den fossilen Brennstoffen innewohnende Speicherfunktion durch technologische Vorrichtungen zu ersetzen, als allgemein geschätzt wird.

Gravimetric energy density, also commonly referred to as specific energy, is the magnitude of energy that can be stored per kilogram of mass of the storage device, carrier, or medium. In the case of discrete storage devices, such as batteries, the mass is taken as the device in question. In the case of primary energy sources or storage devices that appropriate mass from nature during operation, the gravimetric energy density is usually expressed relative to the mass of the commercial fuel, and in relation to a specific context. For example, the specific energy of nuclear power is taken in relation to the electrical energy generated at the bus-bar, for a given fuel load of enriched uranium.

Die gravimetrische Energiedichte, auch allgemein als spezifische Energie bezeichnet, ist die Größe der Energie, die pro Kilogramm Masse des Speichergeräts, Trägers oder Mediums gespeichert werden kann. Bei diskreten Speichervorrichtungen, wie z.B. Batterien, wird die Masse als die fragliche Vorrichtung angesehen. Im Falle von Primärenergiequellen oder Speichervorrichtungen, die während des Betriebs eine Masse aus der Natur haben, wird die gravimetrische Energiedichte gewöhnlich relativ zur Masse des handelsüblichen Brennstoffs und in Bezug auf einen bestimmten Kontext ausgedrückt. Zum Beispiel wird die spezifische Energie der Kernenergie im Verhältnis zu der an der Sammelschiene erzeugten elektrischen Energie für eine gegebene Brennstoffladung von angereichertem Uran genommen.

Gravimetric energy density is an important factor for understanding various issues related to the distribution of energy in space and time, including:

Die gravimetrische Energiedichte ist ein wichtiger Faktor für das Verständnis verschiedener Fragen im Zusammenhang mit der Verteilung von Energie in Raum und Zeit, einschließlich

The Airbus A-380 carries 320 kL of fuel with a maximum (gross) take-off weight of 560 ton. The maximum permissible landing weight is reduced to 386 ton (Modern Airliners 2018) because most of the fuel is consumed in flight. For an aircraft that retained the entire mass of the energy storage medium on board throughout its flight, the payload would need to reduce by a commensurate amount, or landing gear would need to be strengthened (at a weight penalty) and runway lengths increased accordingly.

Der Airbus A-380 transportiert 320 kL Treibstoff mit einem maximalen (Brutto-)Startgewicht von 560 Tonnen. Das maximal zulässige Landegewicht reduziert sich auf 386 Tonnen (Modern Airliners 2018), da der größte Teil des Treibstoffs im Flug verbraucht wird. Bei einem Flugzeug, das während des gesamten Fluges die gesamte Masse des Energiespeichers an Bord behält, müsste die Nutzlast entsprechend reduziert werden, oder das Fahrwerk müsste (bei einer Gewichtsstrafe) verstärkt und die Länge der Startbahn entsprechend erhöht werden.

The battery pack weight of electric vehicles is a prime example. The weight of passenger electric vehicle (EV) batteries is typically 300 kg (e.g. Nissan Leaf 24 kWh) up to around 600 kg (e.g. Tesla Model S 100 kWh). None of the components in a battery pack are superfluous. Every component is produced from materials that have been mined or extracted from the natural environment, transported, and taken through many elaborate transformation processes. For example, the use of copper for bus-bars begins with the extraction of one of the various copper-containing ores, at a current average ore grade of 0.8% (Koppelaar and Koppelaar 2016). The ore is crushed, ground, and floated or leached, to produce copper concentrate of 20–40% copper, at an energy cost of 52–255 MJ/kg from mining to concentrate. The concentrate is transported and refined to produce Grade A copper, which can undergo several machining, manufacturing, and assembly processes to produce the bus-bar. If we compare the embodied energy of the battery pack to the energy used during driving, it represents a significant distance travelled. For example, ‘fuel’ economy of the Nissan Leaf EV is given as 15.0 kWhe/100 km. Taking the Leaf’s 30 kWh battery and assuming 960 MJ/kWh embodied energy (from Ellingsen et al. (2014)) equates to the embodied energy of the battery being equal to the energy required for 53,000 km of driving. The passenger EVs with the largest battery capacities are currently the Tesla Model X 100D and Model S 100D, both with 100 kWh Li-ion batteries. Using the same method, the embodied energy of the Tesla 100 kWh battery pack is equivalent to roughly 100,000 km of driving. Most EV manufacturers warrant the battery for 8 years or 160,000 km (100,000 miles).

Das Gewicht der Batteriepakete von Elektrofahrzeugen ist ein Paradebeispiel. Das Gewicht der Batterien von Elektrofahrzeugen (EV) beträgt typischerweise 300 kg (z.B. Nissan Leaf 24 kWh) bis zu etwa 600 kg (z.B. Tesla Modell S 100 kWh). Keine der Komponenten in einem Batteriesatz sind überflüssig. Jede Komponente wird aus Materialien hergestellt, die aus der natürlichen Umgebung abgebaut oder extrahiert, transportiert und durch viele aufwändige Umwandlungsprozesse gebracht wurden. Zum Beispiel beginnt die Verwendung von Kupfer für Stromschienen mit der Gewinnung eines der verschiedenen kupferhaltigen Erze, bei einem derzeitigen durchschnittlichen Erzgehalt von 0,8% (Koppelaar und Koppelaar 2016). Das Erz wird zerkleinert, gemahlen und flotiert oder ausgelaugt, um ein Kupferkonzentrat mit einem Kupfergehalt von 20-40% herzustellen, wobei die Energiekosten vom Abbau bis zum Konzentrat 52-255 MJ/kg betragen. Das Konzentrat wird transportiert und raffiniert, um Kupfer der Güteklasse A zu erzeugen, das mehrere Bearbeitungs-, Herstellungs- und Montageprozesse durchlaufen kann, um die Sammelschiene herzustellen. Vergleicht man die verkörperte Energie des Batteriesatzes mit der Energie, die während des Fahrens verbraucht wird, so stellt sie eine bedeutende zurückgelegte Strecke dar. Zum Beispiel wird der „Kraftstoffverbrauch“ des Nissan Leaf EV mit 15,0 kWhe/100 km angegeben. Nimmt man die 30 kWh-Batterie des Leaf und 960 MJ/kWh verkörperte Energie (aus Ellingsen et al. (2014)) an, so entspricht die verkörperte Energie der Batterie der Energie, die für 53.000 km Fahrleistung benötigt wird. Die Passagier-EVs mit den größten Batteriekapazitäten sind derzeit das Tesla-Modell X 100D und das Modell S 100D, beide mit 100 kWh Li-Ionen-Batterien. Nach der gleichen Methode entspricht die verkörperte Energie des 100-kWh-Batteriepakets Tesla 100 kWh einer Fahrleistung von etwa 100.000 km. Die meisten EV-Hersteller gewähren auf den Akku eine Garantie von 8 Jahren oder 160.000 km (100.000 Meilen).

When used to power devices, such as machines and appliances, commercial fuels provide enduse energy services. People usually demand end-use services, such as comfort or transport, rather than energy per se.

Wenn kommerzielle Brennstoffe zum Antrieb von Geräten wie Maschinen und Apparaten verwendet werden, bieten sie Energiedienstleistungen für den Endverbrauch. Die Menschen verlangen in der Regel eher Endnutzungsdienste wie Komfort oder Transport als Energie an sich.

On this basis, 1 MJ of electricity is equivalent to roughly 2.6–3.0 MJ of primary energy, depending on the specific primary energy source and the conventions adopted by the energy agency conducting the analysis (Macknick 2011, table 3). The 3:1 ratio derives from an approximate 33% efficiency of thermal electricity generation, often referred to as the power plant heat rate.

Auf dieser Grundlage entspricht 1 MJ Elektrizität etwa 2,6-3,0 MJ Primärenergie, je nach der spezifischen Primärenergiequelle und den Konventionen, die von der Energieagentur, die die Analyse durchführt, angenommen wurden (Macknick 2011, Tabelle 3). Das Verhältnis 3:1 ergibt sich aus einem Wirkungsgrad der thermischen Stromerzeugung von ca. 33%, der oft als Kraftwerkswärmegeschwindigkeit bezeichnet wird.

The life cycle assessment (LCA) discipline adopts a broader and more comprehensive interpretation of primary energy than the international agencies that report on energy supply and use. Whereas the focus of energy reporting agencies is the supply and use of commercial fuels, the LCA discipline considers the broader interactions between human systems and the environment. Furthermore, the LCA discipline includes indirect (or embodied) energy in energy supply chains.

Die Disziplin der Ökobilanz (Life Cycle Assessment, LCA) nimmt eine breitere und umfassendere Interpretation von Primärenergie an als die internationalen Agenturen, die über Energieversorgung und -nutzung berichten. Während der Schwerpunkt der Energieberichtsagenturen auf der Lieferung und Nutzung kommerzieller Brennstoffe liegt, berücksichtigt die Ökobilanz-Disziplin die breiteren Wechselwirkungen zwischen menschlichen Systemen und der Umwelt. Darüber hinaus bezieht die LCA-Disziplin indirekte (oder verkörperte) Energie in Energieversorgungsketten ein.

Fossil fuels (of various forms), nuclear power, hydropower, wind and solar power, and other renewable flows are often treated as functionally equivalent and substitutable when evaluated in terms of their respective heating values, measured in joules or equivalent. However, their specific physical characteristics are often radically different. An evaluation of the substitutability of non-fossil for fossil energy sources needs to take account of these physical differences their technological implications, and the associated implications for energy conversion and storage pathways.

Fossile Brennstoffe (in verschiedenen Formen), Kernenergie, Wasserkraft, Wind- und Sonnenenergie und andere erneuerbare Flüsse werden oft als funktionell gleichwertig und substituierbar behandelt, wenn sie anhand ihrer jeweiligen Heizwerte, gemessen in Joule oder äquivalent, bewertet werden. Ihre spezifischen physikalischen Eigenschaften sind jedoch oft radikal verschieden. Bei der Bewertung der Substituierbarkeit von nicht-fossilen durch fossile Energiequellen müssen diese physikalischen Unterschiede, ihre technologischen Implikationen und die damit verbundenen Auswirkungen auf die Energieumwandlungs- und -speicherungspfade berücksichtigt werden.

We critically assess the proposition that prices alone adequately represent the value of adding storage to an electricity grid, or more broadly, whether a focus on the financial implications of adding storage is sufficient for establishing economic feasibility. In plain language terms, does financial affordability tell us whether an electricity grid system works energetically? We focus specifically on electricity, as this is the energy form delivered by solar and wind power conversion technologies, and it is the inherent supply variability of these sources that necessitates the deployment of storage systems. We present a case that buffered (i.e. storage-supported) variable electricity is a special case of an energy product that cannot be evaluated accurately at a macro scale by markets and prices alone.

Wir beurteilen kritisch die Aussage, dass die Preise allein den Wert der zusätzlichen Speicherung in einem Stromnetz angemessen darstellen, oder allgemeiner, ob die Konzentration auf die finanziellen Auswirkungen der zusätzlichen Speicherung ausreicht, um die wirtschaftliche Machbarkeit festzustellen. Im Klartext: Sagt uns die finanzielle Erschwinglichkeit, ob ein Stromnetzsystem energetisch funktioniert? Wir konzentrieren uns speziell auf Elektrizität, da dies die Energieform ist, die von den Umwandlungstechnologien für Sonnen- und Windenergie geliefert wird, und es ist die inhärente Angebotsvariabilität dieser Quellen, die den Einsatz von Speichersystemen erforderlich macht. Wir stellen einen Fall vor, in dem gepufferter (d.h. speichergestützter) variabler Strom ein Sonderfall eines Energieprodukts ist, das auf Makroebene nicht allein durch Märkte und Preise genau bewertet werden kann.

As with all real markets, electricity markets invariably produce imperfect outcomes since they are trading off competing objectives. The principal trade-off is between investment decisions relating to assets that have inherently high fixed costs that must be recovered over long periods, and variable electricity demand patterns that are inherently uncertain over the operating life of the investments. This presents significant challenges for the efficient (profitable) deployment of financial capital. Consumers expect to pay a unit cost (cents/kWh) for electricity rather than taking a capital stake in the long-lived assets. Furthermore, consumers expect that they can connect, or not, to an electricity grid, at the place and time of their choosing.

Wie alle realen Märkte produzieren auch die Strommärkte immer unvollkommene Ergebnisse, da sie konkurrierende Ziele austauschen. Der wichtigste Zielkonflikt besteht zwischen Investitionsentscheidungen in Bezug auf Anlagen, die von Natur aus hohe Fixkosten haben, die über lange Zeiträume gedeckt werden müssen, und variablen Stromnachfragemustern, die von Natur aus während der Betriebsdauer der Investitionen ungewiss sind. Dies stellt den effizienten (profitablen) Einsatz von Finanzkapital vor erhebliche Herausforderungen. Die Verbraucher erwarten, dass sie für Strom Stückkosten (Cent/kWh) zahlen, anstatt eine Kapitalbeteiligung an den langlebigen Anlagen zu erwerben. Darüber hinaus erwarten die Verbraucher, dass sie am Ort und zur Zeit ihrer Wahl an ein Stromnetz angeschlossen werden können oder nicht.

Investors prefer price spikes, while regulators try to reduce community exposure to those same price spikes. Within that context, storage enables profitmaking opportunities from temporal arbitrage (i.e. buying and selling in the same physical market but at different times). The opportunity for storage operators to profit from such conditions arises not as a primary market design objective, but as a secondary consequence of balancing other objectives imperfectly. As such, the financial profits made from this activity do not necessarily reflect the underlying value of providing storage services.

Investoren bevorzugen Preisspitzen, während die Regulierungsbehörden versuchen, die Gefährdung der Gemeinden durch eben diese Preisspitzen zu verringern. In diesem Zusammenhang ermöglicht die Speicherung Gewinnchancen durch zeitliche Arbitrage (d.h. Kauf und Verkauf auf demselben physischen Markt, aber zu unterschiedlichen Zeiten). Die Möglichkeit für Speicherbetreiber, von solchen Bedingungen zu profitieren, ergibt sich nicht als primäres Ziel der Marktgestaltung, sondern als sekundäre Folge eines unvollkommenen Ausgleichs anderer Ziele. Als solche spiegeln die aus dieser Tätigkeit erzielten finanziellen Gewinne nicht notwendigerweise den zugrunde liegenden Wert der Bereitstellung von Speicherdienstleistungen wider.

From the perspective of a wealthy country, a high-penetration ‘renewables plus storage’ system may be technically feasible, and may even be economically feasible given a specific market and subsidy context, but considered from a global perspective, may be energetically infeasible

Aus der Perspektive eines wohlhabenden Landes kann ein System „Erneuerbare Energien plus Speicherung“ mit hoher Durchdringungsrate technisch machbar und in einem bestimmten Markt- und Subventionskontext sogar wirtschaftlich machbar sein, aus globaler Sicht jedoch energetisch undurchführbar.

In most public facility contexts, congestion can be ‘softened’ using one of three strategies: (1) using built-in storage as a buffer between supply and demand; (2) accepting a short delay in service delivery, or a minor reduction in service quality; or (3) time-shifting demand.

In den meisten Kontexten öffentlicher Einrichtungen kann die Überlastung durch eine von drei Strategien „aufgeweicht“ werden: (1) Verwendung eines eingebauten Speichers als Puffer zwischen Angebot und Nachfrage; (2) Akzeptieren einer kurzen Verzögerung bei der Erbringung von Dienstleistungen oder einer geringfügigen Verringerung der Dienstleistungsqualität; oder (3) zeitversetzte Nachfrage.

In contrast, the real-time flow limitation of electricity grids does not permit ‘soft’ congestion management during peak periods. The congestion challenge is magnified by the social expectation of near-100% reliability, at constant price, at all times.

Im Gegensatz dazu erlaubt die Echtzeitflussbegrenzung der Stromnetze kein „weiches“ Engpassmanagement während der Spitzenlastzeiten. Die Überlastungsproblematik wird durch die gesellschaftliche Erwartung einer nahezu 100-prozentigen Zuverlässigkeit zu konstanten Preisen zu jeder Zeit noch verstärkt.

Though the precise nature and scale is uncertain, the storage capacity required to maintain most human societies on their present socio-political pathways using solar energy flows in place of fossil fuels is enormous. As discussed in Chap. 7, capacity would need to increase roughly 600-fold relative to that currently installed for all forms of electricity storage. Building even a fraction of this would entail prodigious energy and material flows, the economic implications of which cannot be adequately understood in market terms alone. Furthermore, the operating lives of some proposed storage types, including electro-chemical batteries, are roughly one fifth of comparable energy infrastructure, placing even greater demands on energy and material flows.

Obwohl die genaue Art und Größenordnung ungewiss ist, ist die Speicherkapazität, die erforderlich ist, um die meisten menschlichen Gesellschaften auf ihren gegenwärtigen sozio-politischen Bahnen zu halten, indem solare Energieströme anstelle von fossilen Brennstoffen genutzt werden, enorm. Wie in Kap. 7 erörtert, müsste die Kapazität für alle Formen der Elektrizitätsspeicherung im Vergleich zu der gegenwärtig installierten Kapazität um etwa das 600fache erhöht werden. Der Bau auch nur eines Bruchteils davon würde ungeheure Energie- und Materialflüsse nach sich ziehen, deren wirtschaftliche Implikationen allein unter Marktgesichtspunkten nicht ausreichend verstanden werden können. Hinzu kommt, dass die Betriebsdauer einiger vorgeschlagener Speichertypen, einschließlich elektrochemischer Batterien, etwa ein Fünftel einer vergleichbaren Energieinfrastruktur beträgt, was noch höhere Anforderungen an die Energie- und Materialflüsse stellt.

A biophysical approach, using the tools of net-energy analysis, provides an alternative to the market-based valuation perspective.

Ein biophysikalischer Ansatz unter Verwendung der Instrumente der Nettoenergieanalyse bietet eine Alternative zur marktbasierten Bewertungsperspektive.

The key challenge of the biophysical approach is that the analysis may not (and often doesn’t) reach the same conclusions as financially-focused economic analysis. Given the dominance of neoclassical theory in economic thought, policy making and regulation (Fourcade et al. 2014), and the crowding out of alternative view points by the orthodox belief that ‘prices are what ultimately matter’ (perpetuating in the public imagination the arbitrary idea that all valuation should be in monetary terms), it is not surprising that the insights offered by the biophysical approach struggle for recognition.

Die zentrale Herausforderung des biophysikalischen Ansatzes besteht darin, dass die Analyse möglicherweise nicht (und oft auch nicht) zu den gleichen Schlussfolgerungen kommt wie eine finanzorientierte Wirtschaftsanalyse. Angesichts der Dominanz der neoklassischen Theorie im ökonomischen Denken, in der Politikgestaltung und Regulierung (Fourcade et al. 2014) und der Verdrängung alternativer Standpunkte durch den orthodoxen Glauben, dass „Preise das sind, worauf es letztlich ankommt“ (wodurch in der öffentlichen Vorstellung die willkürliche Idee aufrechterhalten wird, dass alle Bewertungen in monetärer Hinsicht erfolgen sollten), ist es nicht überraschend, dass die Einsichten, die der biophysikalische Ansatz bietet, um Anerkennung ringen.

The fundamental economic function of energy supply industries is to provide non-energy industries, and civil society more broadly, with the means of accessing energy services (work, heating, lighting and data manipulation). From the BPE perspective, if an energy supply industry, or process, is to be considered economically viable, then it must provide a sufficient energy surplus after accounting for its own energy requirements. Put simply, if the EROI of an energy supply system dependent on storage is too low, the system is energetically non-viable—it is not worth deploying.

Die grundlegende wirtschaftliche Funktion der Energieversorgungsindustrien besteht darin, der nichtenergetischen Industrie und der Zivilgesellschaft im weiteren Sinne die Mittel für den Zugang zu Energiedienstleistungen (Arbeit, Heizung, Beleuchtung und Datenmanipulation) zur Verfügung zu stellen. Wenn eine Energieversorgungsindustrie oder ein Prozess als wirtschaftlich lebensfähig angesehen werden soll, muss sie aus Sicht der BPE einen ausreichenden Energieüberschuss unter Berücksichtigung ihres eigenen Energiebedarfs bereitstellen. Einfach ausgedrückt: Ist der EROI eines speicherabhängigen Energieversorgungssystems zu niedrig, ist das System energetisch nicht lebensfähig – es lohnt sich nicht, es einzusetzen.

In order to establish whether an electricity system is energetically viable, in the sense that it generates and delivers sufficiently more energy than is invested in its infrastructure and ongoing maintenance and operation, the tools of biophysical economics must be employed.

Um festzustellen, ob ein Elektrizitätssystem energetisch lebensfähig ist, in dem Sinne, dass es ausreichend mehr Energie erzeugt und liefert, als in seine Infrastruktur und den laufenden Unterhalt und Betrieb investiert wird, müssen die Instrumente der biophysikalischen Ökonomie eingesetzt werden.

Plants achieve the conversion of electromagnetic energy in sunlight to chemical energy in biomass with an overall efficiency of 1–2% (Aresta et al. 2013). The metabolic and biomechanical efficiency of converting chemical energy in food to transport work via cycling is in the order of 20–25%

Pflanzen erreichen die Umwandlung von elektromagnetischer Energie im Sonnenlicht in chemische Energie in Biomasse mit einem Gesamtwirkungsgrad von 1-2% (Aresta et al. 2013). Die metabolische und biomechanische Effizienz der Umwandlung von chemischer Energie in Lebensmitteln in Transportarbeit durch Radfahren liegt in der Größenordnung von 20-25% (Aresta et al. 2013).

With respect to modern energy systems, it is important to consider how an ‘effective’ useful service can be delivered, even if the overall process is relatively inefficient.

Im Hinblick auf moderne Energiesysteme ist es wichtig zu überlegen, wie eine „effektive“ nützliche Dienstleistung erbracht werden kann, auch wenn der Gesamtprozess relativ ineffizient ist.

In lay terms, the first law of thermodynamics implies that for any energy conversion, the total quantity of energy is conserved. Colloquially, ‘energy can be neither created nor destroyed’. The second law of thermodynamics implies that energy quality, measured in terms of the quantity of useful work that a given quantity of energy can make available, is lost at each conversion. More generally, the second law relates to the observation that energy disperses from being more concentrated to more spread out, unless hindered from doing so. This dispersal is measured in thermodynamic systems by the state property entropy

Laienhaft ausgedrückt bedeutet der erste Hauptsatz der Thermodynamik, dass bei jeder Energieumwandlung die gesamte Energiemenge erhalten bleibt. Umgangssprachlich ausgedrückt: „Energie kann weder erzeugt noch zerstört werden“. Der zweite Hauptsatz der Thermodynamik besagt, dass die Energiequalität, gemessen an der Menge der nutzbaren Arbeit, die eine bestimmte Energiemenge zur Verfügung stellen kann, bei jeder Umwandlung verloren geht. Allgemeiner ausgedrückt bezieht sich der zweite Hauptsatz auf die Beobachtung, dass sich Energie von einer stärkeren Konzentration zu einer stärkeren Streuung ausbreitet, sofern man sie nicht daran hindert. Diese Streuung wird in thermodynamischen Systemen durch die Staatseigenschaft Entropie gemessen

The closer an energy conversion process approaches to reversibility, the greater its efficiency. Table 5.2 lists reversible and irreversible energy conversions that are relevant in energy analysis.

Je näher ein Energieumwandlungsprozess an die Reversibilität heranrückt, desto größer ist seine Effizienz. Tabelle 5.2 listet reversible und irreversible Energieumwandlungen auf, die für die Energieanalyse relevant sind.

Matrix of energy conversions relevant to analysis of energy services and storage

Matrix von Energieumwandlungen, die für die Analyse von Energiedienstleistungen und -speicherung relevant sind

An important attribute of P2G is that it is capable of providing inter-seasonal storage—that is, compensating for discrepancies between energy supply and energy demand on a seasonal time scale.

Eine wichtige Eigenschaft von P2G ist, dass es in der Lage ist, eine zwischensaisonale Speicherung zu ermöglichen, d.h. Diskrepanzen zwischen Energieangebot und -nachfrage auf einer saisonalen Zeitskala auszugleichen.

The benefit of methane over molecular hydrogen is that it can be stored at low cost within legacy natural gas infrastructure.

Der Vorteil von Methan gegenüber molekularem Wasserstoff besteht darin, dass es zu geringen Kosten innerhalb der bestehenden Erdgasinfrastruktur gespeichert werden kann.

For instance, it has been estimated that the storage capacity of the German gas network is of the order of ‘hundreds of TWh’ (i.e. >300,000 GWh) capacity. In the terms introduced in Sect. 5.3, methane P2G achieves a low direct efficiency of 20–30%, and high indirect efficiency.

So wurde beispielsweise die Speicherkapazität des deutschen Gasnetzes auf „Hunderte von TWh“ (d.h. >300.000 GWh) Kapazität geschätzt. In den in Abschnitt 5.3 eingeführten Begriffen erreicht Methan P2G einen niedrigen direkten Wirkungsgrad von 20-30% und einen hohen indirekten Wirkungsgrad.

It is evident that the EROI for a system reliant on Li-ion batteries (and other similar electro-chemical storage devices) would very likely fall below the estimated ‘minimum useful EROI for society’

Es ist offensichtlich, dass der EROI für ein System, das auf Lithium-Ionen-Batterien (und andere ähnliche elektrochemische Speichergeräte) angewiesen ist, sehr wahrscheinlich unter den geschätzten „Mindestnutzen des EROI für die Gesellschaft“ fallen würde.

We purchase energy carriers, not because we value energy per se, but because we value the energy services that the carriers make available—natural gas because we want warm homes; gasoline because we want to get somewhere.

Wir kaufen Energieträger, nicht weil wir Energie an sich schätzen, sondern weil wir die Energiedienstleistungen schätzen, die die Träger zur Verfügung stellen – Erdgas, weil wir warme Häuser wollen; Benzin, weil wir etwas erreichen wollen.

Dynamic EROI for off-grid solar PV, based on Palmer (2014) with updated embodied energy data for batteries. The EROI of grid-connected solar PV system in a similar context, before accounting for solar overbuild and storage, was assumed to be 25:1 as a high-end estimate to demonstrate the reduction in system EROI due to storage, however many studies find PV EROI to be well below this

Dynamischer EROI für netzunabhängige Solar-PV, basierend auf Palmer (2014) mit aktualisierten verkörperten Energiedaten für Batterien. Der EROI von netzgekoppelten Solar-PV-Systemen in einem ähnlichen Kontext, vor Berücksichtigung von Überbauung und Speicherung, wurde als Schätzung im Verhältnis 25:1 angenommen, um die Verringerung des EROI des Systems durch Speicherung zu demonstrieren, doch viele Studien kommen zu dem Schluss, dass der PV-EROI weit darunter liegt

Firstly, the 30-year lifetime system high-end system EROI of 3.5:1 is 86% lower than the EROI estimate for a basic grid-connected solar system of 25:1 (assumed for the purpose of this exercise) due to the need to overbuild solar capacity, install storage and replace it at an 8 year interval. Given that most of the energy investment occurs during manufacture and installation, the system is in energy debt for most of the first decade. 5.7 The Concept

Erstens ist der EROI des High-End-Systems mit einer Lebensdauer von 30 Jahren mit einem EROI von 3,5:1 86% niedriger als der EROI-Schätzwert für ein einfaches netzgekoppeltes Solarsystem mit einem EROI von 25:1 (für die Zwecke dieser Übung angenommen), da die Solarkapazität überbaut, Speicher installiert und in einem Intervall von 8 Jahren ersetzt werden muss. Da der größte Teil der Energieinvestitionen während der Herstellung und Installation erfolgt, ist das System während des größten Teils des ersten Jahrzehnts energieverschuldet. 5.7 Das Konzept

The fossil fuels that dominate energy use today probably had mine-mouth or well-head EROI values from 30:1 to 100:1 in the past

Die fossilen Brennstoffe, die heute den Energieverbrauch dominieren, hatten in der Vergangenheit wahrscheinlich EROI-Werte von 30:1 bis 100:1 im Minen- oder Bohrlochkopf

Hall et al. (2009) estimated an absolute minimum mine-mouth/well-head EROI of 3:1 for basic survival, but probably higher than 10:1 to enable the standard of living, associated for example with modern health care, currently available in wealthy industrialized countries (Hall

Hall et al. (2009) schätzten ein absolutes Minimum an Minenmund/Brunnenkopf-EROI von 3:1 für das Grundüberleben, aber wahrscheinlich höher als 10:1, um den Lebensstandard zu ermöglichen, der z.B. mit der modernen Gesundheitsfürsorge verbunden ist, die derzeit in wohlhabenden Industrieländern verfügbar ist (Hall

There is a strong diminishing return as storage scale increases. Most practical implementations of storage are for short term, marginal or supplementary roles. However, a global substitution away from fossil fuels will require three orders of magnitude scale increase relative to current electrical energy storage capacity. Cost-optimized, large scale storage outcomes may appear to be technically feasible but may in fact be energetically infeasible.

Der Ertrag nimmt mit zunehmendem Umfang der Lagerung stark ab. Die meisten praktischen Implementierungen der Lagerung sind für kurzfristige, marginale oder ergänzende Aufgaben gedacht. Eine globale Substitution weg von fossilen Brennstoffen erfordert jedoch eine Erhöhung der Speicherkapazität für elektrische Energie um drei Größenordnungen im Vergleich zur derzeitigen Kapazität. Kostenoptimierte, großmaßstäbliche Speicherergebnisse scheinen technisch machbar zu sein, sind aber möglicherweise energetisch nicht realisierbar.

Globally, there is around 185 GW of electricity generation capacity fed by storage systems (US DOE 2019a), out of 6628 GW of total installed global electricity generation capacity, or about 3% of the total. Currently, pumped hydro storage (PHS) accounts for nearly all global electrical energy storage capacity. The three leading countries are China with 32.1 GW of generation fed by PHS, Japan with 28.5 GW, and the US with 24.2 GW (see Table 6.1). The Eurelectric region, comprising the 34 European countries that are part of the five European synchronous sub-regions, has a total installed generation capacity of 35 GW of generation fed by PHS.

Weltweit gibt es rund 185 GW Stromerzeugungskapazität, die durch Speichersysteme gespeist wird (US DOE 2019a), das sind 6628 GW der gesamten weltweit installierten Stromerzeugungskapazität oder etwa 3% der gesamten installierten Kapazität. Gegenwärtig macht die Pumpspeicherung (PHS) fast die gesamte globale Speicherkapazität für elektrische Energie aus. Die drei führenden Länder sind China mit 32,1 GW an durch PHS gespeister Erzeugung, Japan mit 28,5 GW und die USA mit 24,2 GW (siehe Tabelle 6.1). Die Eurelectric-Region, die die 34 europäischen Länder umfasst, die zu den fünf europäischen synchronen Teilregionen gehören, verfügt über eine installierte Gesamterzeugungskapazität von 35 GW an durch PHS gespeister Erzeugung.

The great majority of global battery storage capacity is for applications other than utility-scale grid storage, including transport, and increasingly, as part of household grid-connected PV systems. Based on reported battery production (ITRI 2017, p.33), global lead-acid battery capacity is approximately 3800 GWh, assuming an 8-year operational life. Passenger vehicle starter batteries comprises a significant portion of this total. Based on a global fleet of 947 million passenger vehicles (OICA 2019), and assuming one 12- volt battery at 50 amp-hours per vehicle, total storage capacity equates to 568 GWh.

Die überwiegende Mehrheit der weltweiten Batterie-Speicherkapazität ist für andere Anwendungen als die Netzspeicherung im Versorgungsmaßstab, einschließlich Transport, und zunehmend auch als Teil von netzgekoppelten PV-Systemen in Haushalten. Basierend auf der berichteten Batterieherstellung (ITRI 2017, S.33) beträgt die globale Kapazität von Blei-Säure-Batterien etwa 3800 GWh bei einer angenommenen Betriebsdauer von 8 Jahren. Starterbatterien für Personenkraftwagen machen einen bedeutenden Teil dieser Gesamtkapazität aus. Basierend auf einer globalen Flotte von 947 Millionen Personenkraftwagen (OICA 2019) und unter der Annahme einer 12-Volt-Batterie mit 50 Amperestunden pro Fahrzeug entspricht die Gesamtspeicherkapazität 568 GWh.

As the penetration of variable renewable electricity increases, storage will become essential to the effective and affordable operation of electricity systems. There is no fundamental requirement for an electricity grid to operate with a minimum baseload generation floor—baseload generation is an engineeringeconomic construct that arose as a consequence of grid development based on capital intensive assets with low fuel costs.

In dem Maße, wie die Durchdringung mit variabler erneuerbarer Elektrizität zunimmt, wird die Speicherung für den effektiven und erschwinglichen Betrieb von Elektrizitätssystemen unerlässlich werden. Es gibt keine grundlegende Voraussetzung dafür, dass ein Stromnetz mit einer minimalen Grundlasterzeugung betrieben werden kann. Die Grundlasterzeugung ist ein ingenieurwirtschaftliches Konstrukt, das als Folge des Netzausbaus auf der Grundlage kapitalintensiver Anlagen mit niedrigen Brennstoffkosten entstanden ist.

Furthermore, baseload generators can be designed to achieve greater flexibility if this is warranted. In France, with a high penetration of nuclear power and hence where nuclear plants are required to take on a greater load-following role than elsewhere, the nuclear baseload generation capacity comprises a large proportion of flexible load-followers. In most cases, it makes financial sense to run large generators at a high capacity factor because the marginal cost of increased output is so much less significant than the amortized capital cost. The need for greater flexibility due to VRE has precipitated problems around the world for the management of legacy baseload generators, as supply scheduling for these plants now entails increasingly frequent cycling.

Darüber hinaus können Grundlastgeneratoren so ausgelegt werden, dass eine größere Flexibilität erreicht wird, wenn dies gerechtfertigt ist. In Frankreich, wo die Kernenergie eine hohe Marktdurchdringung hat und die Kernkraftwerke daher eine größere Rolle als anderswo spielen müssen, besteht die Grundlasterzeugungskapazität der Kernkraftwerke zu einem großen Teil aus flexiblen Lastnachfolgern. In den meisten Fällen ist es finanziell sinnvoll, große Stromerzeuger mit einem hohen Kapazitätsfaktor zu betreiben, da die Grenzkosten der Leistungssteigerung so viel weniger bedeutend sind als die amortisierten Kapitalkosten. Der Bedarf an größerer Flexibilität aufgrund der VRE hat weltweit zu Problemen bei der Verwaltung alter Grundlastgeneratoren geführt, da die Lieferplanung für diese Kraftwerke heute immer häufigere Zyklen erfordert.

One of the weaknesses of renewable energy policy for climate change mitigation in many jurisdictions is that insufficient attention has been given to optimal outcomes. In most situations, variable renewable power has simply been added to the generation mix without duly considering its relationship with dispatchable generation.

Eine der Schwächen der Politik für erneuerbare Energien zur Eindämmung des Klimawandels in vielen Gerichtsbarkeiten besteht darin, dass den optimalen Ergebnissen nicht genügend Aufmerksamkeit geschenkt wurde. In den meisten Fällen wurde die variable erneuerbare Energie einfach dem Erzeugungsmix hinzugefügt, ohne ihr Verhältnis zur planbaren Erzeugung gebührend zu berücksichtigen.

A grid’s firm capacity is the amount of generation capacity for which availability is guaranteed over any given time period, subject to a specified reliability standard.

Die feste Kapazität eines Netzes ist die Menge an Erzeugungskapazität, für die die Verfügbarkeit über einen bestimmten Zeitraum unter Einhaltung eines bestimmten Zuverlässigkeitsstandards garantiert ist.

Capacity firming is the strategy of increasing the capacity available with a given probability from a variable renewable generator by physically or institutionally (i.e. via a market mechanism) linking it with a storage system or dispatchable generator.

Kapazitätsfestigung ist die Strategie, die mit einer gegebenen Wahrscheinlichkeit verfügbare Kapazität eines variablen erneuerbaren Generators zu erhöhen, indem man ihn physisch oder institutionell (d.h. über einen Marktmechanismus) mit einem Speichersystem oder einem Dispatching-Generator verbindet.

This was quickly put into operational practice. To appreciate the control challenge involved in parallel generator operation, a useful analogy is to imagine trying to control a road train comprising 100 physicallycoupled vehicles so that it travels at a target speed. If each vehicle uses its own cruise control to try to meet the target speed, then differences in speedometer accuracy from vehicle to vehicle will result in a subset of the vehicles doing all of the work, with the remainder coasting. To resolve this problem, a single speed measurement must be made for the whole train, with each vehicle responding to the error between target and actual speed by regulating power output. The problem of parallel generator control was similarly resolved with the adoption of grid frequency setpoint targeting. This control strategy involves setting a target for and measuring the actual grid frequency, rather than attempting to control each generator’s rotational speed independently.

Dies wurde schnell in die betriebliche Praxis umgesetzt. Um die steuerungstechnische Herausforderung des Parallelgeneratorbetriebs zu verstehen, ist eine nützliche Analogie der Versuch, einen aus 100 physisch gekoppelten Fahrzeugen bestehenden Lastzug so zu steuern, dass er mit einer Zielgeschwindigkeit fährt. Wenn jedes Fahrzeug seinen eigenen Geschwindigkeitsregler verwendet, um zu versuchen, die Zielgeschwindigkeit zu erreichen, dann führen Unterschiede in der Tachometergenauigkeit von Fahrzeug zu Fahrzeug dazu, dass eine Untergruppe der Fahrzeuge die gesamte Arbeit erledigt, während der Rest im Leerlauf fährt. Um dieses Problem zu lösen, muss eine einzige Geschwindigkeitsmessung für den gesamten Zug durchgeführt werden, wobei jedes Fahrzeug auf den Fehler zwischen Soll- und Istgeschwindigkeit durch Regelung der Leistungsabgabe reagiert. Das Problem der parallelen Generatorsteuerung wurde in ähnlicher Weise mit der Annahme einer Netzfrequenz-Sollwertvorgabe gelöst. Bei dieser Regelungsstrategie wird ein Sollwert für die tatsächliche Netzfrequenz festgelegt und gemessen, anstatt zu versuchen, die Drehzahl jedes Generators unabhängig zu regeln.

It is these generators that, working together, establish the AC frequency for the grid as a whole. Wind turbines and solar PV systems inject AC electricity to grids via power inverters and as such are regarded as non-synchronous. Globally, roughly 94% of electricity is generated by synchronous generators.

Es sind diese Generatoren, die gemeinsam die AC-Frequenz für das gesamte Netz festlegen. Windturbinen und Solar-PV-Systeme speisen Wechselstrom über Wechselrichter in die Netze ein und gelten daher als nicht synchron. Weltweit werden rund 94% der Elektrizität durch Synchrongeneratoren erzeugt.

Since all generators are locked to the system frequency, the frequency can be used as a universal reference for establishing whether the system is over- or under-powered.

Da alle Generatoren an die Systemfrequenz gebunden sind, kann die Frequenz als universelle Referenz verwendet werden, um festzustellen, ob das System über- oder unterlastet ist.

In the case of variable renewable energy, Wide geographic distribution of variable renewable energy sources can provide a moderate degree of anti-correlation, whereby lower than average input from one region is offset by higher input from another. This provides a quasi-storage effect.

Im Falle variabler erneuerbarer Energien kann eine breite geographische Verteilung variabler erneuerbarer Energiequellen einen mäßigen Grad an Antikorrelation bieten, wobei ein unterdurchschnittlicher Input aus einer Region durch einen höheren Input aus einer anderen Region ausgeglichen wird. Dies führt zu einem Quasi-Speichereffekt.

Within a given geographic region or wind regime, the output of renewable generators is highly correlated, and therefore individual generators cannot be modelled as independent random variables. From a systemic perspective, temporarily diminished natural resource availability is equivalent to a forced outage.

Innerhalb einer bestimmten geographischen Region oder eines bestimmten Windregimes ist die Leistung der erneuerbaren Generatoren hoch korreliert, weshalb einzelne Generatoren nicht als unabhängige Zufallsvariablen modelliert werden können. Aus einer systemischen Perspektive ist eine vorübergehend verminderte Verfügbarkeit natürlicher Ressourcen gleichbedeutend mit einem Zwangsausfall.

The transfer of reactive power to the grid system increases the overall transmission system load, leading to increased losses and voltage instability. Reactive power therefore has very real energetic implications, even though unrelated to the actual work that the grid system enables electricity consumers to carry out.

Die Übertragung von Blindleistung in das Netz erhöht die Gesamtbelastung des Übertragungssystems, was zu erhöhten Verlusten und Spannungsinstabilität führt. Blindleistung hat daher sehr reale energetische Auswirkungen, auch wenn diese nicht mit der eigentlichen Arbeit zusammenhängen, die das Netzsystem den Stromverbrauchern ermöglicht.

Reactive power management and support is readily provided by synchronous generators, but non-synchronous generators have not typically been required to provide this functionality to date. Reactive power support can now be provided electronically, but the need for this must be explicitly recognised and the grid system designed accordingly. Reactive power management is not just related to generator operation, but is just as much a transmission and distribution network issue. With greater penetration of non-synchronous generators, there will be additional costs associated with reactive power management, such as the use of synchronous condensers.

Das Management und die Unterstützung der Blindleistung wird leicht durch Synchrongeneratoren bereitgestellt, aber nicht-synchrone Generatoren waren bisher in der Regel nicht erforderlich, um diese Funktionalität bereitzustellen. Blindleistungsunterstützung kann jetzt elektronisch bereitgestellt werden, aber die Notwendigkeit hierfür muss explizit erkannt und das Netzsystem entsprechend ausgelegt werden. Blindleistungsmanagement bezieht sich nicht nur auf den Generatorbetrieb, sondern ist ebenso eine Frage des Übertragungs- und Verteilungsnetzes. Mit zunehmender Verbreitung von nichtsynchronen Generatoren werden zusätzliche Kosten für das Blindleistungsmanagement entstehen, wie z.B. der Einsatz von Synchronkondensatoren.

Conventional generators provide a direct electrical bus-bar connection that links the electro-mechanical performance characteristics of large rotary machines with the electricity grid. This provides an inherent negative feedback mechanism that automatically and instantaneously supports the stability of AC grid systems. Storage-integrated variable renewable energy can substitute for many system services traditionally provided by conventional synchronous generators, including frequency regulation, inertia support, and reactive power management. The evolution of power electronics since the 1990s has transformed the management of electricity grid systems, and enabled cost-effective control that was previously impractical. This has enabled many of the electro-mechanical properties of synchronous generators to be replicated, at a cost. Nonetheless, the nature of the operational and management challenges presented with increasing penetration of variable renewable generation mean that large electricity systems will continue to rely on conventional synchronous generators, at least as a sizable share of overall capacity, for the foreseeable future.

Konventionelle Generatoren bieten eine direkte elektrische Stromschienenverbindung, die die elektromechanischen Leistungsmerkmale großer Rotationsmaschinen mit dem Stromnetz verbindet. Dadurch entsteht ein inhärenter negativer Rückkopplungsmechanismus, der automatisch und sofort die Stabilität von Wechselstromnetzsystemen unterstützt. Speicherintegrierte variable erneuerbare Energie kann viele Systemdienstleistungen ersetzen, die traditionell von konventionellen Synchrongeneratoren erbracht werden, einschließlich Frequenzregelung, Trägheitsunterstützung und Blindleistungsmanagement. Die Entwicklung der Leistungselektronik seit den 1990er Jahren hat das Management von Stromnetzsystemen verändert und eine kosteneffiziente Steuerung ermöglicht, die zuvor unpraktisch war. Dadurch konnten viele der elektromechanischen Eigenschaften von Synchrongeneratoren kostengünstig nachgebildet werden. Nichtsdestotrotz bedeutet die Art der betrieblichen und Management-Herausforderungen, die mit der zunehmenden Verbreitung der variablen Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien verbunden sind, dass große Elektrizitätssysteme auf absehbare Zeit weiterhin auf konventionelle Synchrongeneratoren angewiesen sein werden, zumindest als ein beträchtlicher Anteil der Gesamtkapazität.

All claims about the viability of future energy pathways stem from some form of energy modelling. However, a major weakness of such techniques for investigating future viability is that model-derived findings cannot be validated against real world outcomes (DeCarolis et al. 2012)—the energy system configurations hypothesized in many large-scale energy transition studies simply do not exist in the real world. Furthermore, the long time horizons over which models are projected preclude thorough review and validation when it matters most—prior to making policy decisions based on the findings.

Alle Behauptungen über die Realisierbarkeit zukünftiger Energiepfade stammen aus irgendeiner Form der Energiemodellierung. Eine große Schwäche solcher Techniken zur Untersuchung der Zukunftsfähigkeit besteht jedoch darin, dass die von Modellen abgeleiteten Ergebnisse nicht mit den Ergebnissen der realen Welt validiert werden können (DeCarolis et al. 2012) – die in vielen groß angelegten Studien zur Energiewende angenommenen Energiesystemkonfigurationen existieren in der realen Welt einfach nicht. Darüber hinaus verhindern die langen Zeithorizonte, über die Modelle projiziert werden, eine gründliche Überprüfung und Validierung, wenn es vor allem darauf ankommt, politische Entscheidungen auf der Grundlage der Ergebnisse zu treffen.

There is widespread agreement that substantial DM opportunities are available, but the potential for DM to reliably compensate for the ‘big gaps’ in supply due to periods of very low wind and solar energy flows may be significantly overstated

Es herrscht weitgehend Einigkeit darüber, dass beträchtliche DM-Möglichkeiten zur Verfügung stehen, aber das Potenzial der DM, die „großen Versorgungslücken“ aufgrund von Perioden sehr geringer Wind- und Sonnenenergieflüsse zuverlässig auszugleichen, könnte deutlich überbewertet werden.

The trade-off is that surplus electricity generation during high winds and peak summer insolation may need be curtailed. Overbuilding also creates its own problems, including ‘cannibalizing’ of electricity markets, without necessarily resolving the ‘big gaps’ issue. German solar PV generation can reach 45% of total German demand on weekdays during summer, and 60% on weekends and holidays, but annual generation comprises only 7.2% of total supply

Der Kompromiss besteht darin, dass die überschüssige Stromerzeugung bei starkem Wind und sommerlicher Spitzeneinstrahlung möglicherweise eingeschränkt werden muss. Überbauung schafft auch ihre eigenen Probleme, einschließlich der „Kannibalisierung“ der Strommärkte, ohne notwendigerweise das Problem der „großen Lücken“ zu lösen. Die deutsche PV-Solarstromerzeugung kann während des Sommers an Wochentagen 45 % der gesamten deutschen Nachfrage und an Wochenenden und Feiertagen 60 % erreichen, aber die jährliche Erzeugung macht nur 7,2 % des Gesamtangebots aus.

But the widespread role that model-based knowledge claims play in shaping public perceptions of energy futures often involves blurred lines between empirically established facts and abstract speculations. Counter to Alfred Korzybski’s cautionary advice that ‘the map is not the territory’, model-based long-range scenarios are often treated as representing futures with ‘empirical validity’, in the sense that the envisaged worlds are physically and techno-economically realisable, if only the right institutional conditions fall into line.

Doch die weit verbreitete Rolle, die modellbasierte Wissensansprüche bei der Gestaltung der öffentlichen Wahrnehmung der Energiezukunft spielen, beinhaltet oft verschwommene Grenzen zwischen empirisch gesicherten Fakten und abstrakten Spekulationen. Entgegen Alfred Korzybskis vorsichtigem Ratschlag, dass „die Karte nicht das Territorium ist“, werden modellbasierte langfristige Szenarien oft so behandelt, als stellten sie Zukünfte mit „empirischer Gültigkeit“ dar, in dem Sinne, dass die anvisierten Welten physisch und technisch-wirtschaftlich realisierbar sind, wenn nur die richtigen institutionellen Bedingungen stimmen.

We contend that accurately determining the storage capacity required in practice for a wholesale transition away from reliance on fossil fuels lies beyond the scope of abstract quantitative modelling conducted in isolation from real-world experimentation. Nonetheless, relatively simple mind-sized models have great utility for exploring the boundaries of the storage challenge, and for investigating the implications of adopting different assumptions

Wir sind der Meinung, dass die genaue Bestimmung der Speicherkapazität, die in der Praxis für einen umfassenden Übergang weg von der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen erforderlich ist, den Rahmen einer abstrakten quantitativen Modellierung sprengt, die isoliert von Experimenten in der realen Welt durchgeführt wird. Nichtsdestotrotz sind relativ einfache Modelle von großer Nützlichkeit, um die Grenzen der Speicherproblematik zu erforschen und die Auswirkungen der Annahme unterschiedlicher Annahmen zu untersuchen.

The tendency for specialists to view problems through a particular lens is encapsulated is the so-called ‘law of the instrument’, or more colloquially, the ‘law of the hammer’. The saying ‘I suppose it is tempting, if the only tool you have is a hammer, to treat everything as if it were a nail.’ is attributed to Maslow

Die Neigung von Spezialisten, Probleme durch eine bestimmte Linse zu betrachten, ist das so genannte „Gesetz des Instruments“, oder umgangssprachlicher ausgedrückt, das „Gesetz des Hammers“. Das Sprichwort „Ich nehme an, es ist verlockend, wenn das einzige Werkzeug, das man hat, ein Hammer ist, alles so zu behandeln, als wäre es ein Nagel“ wird Maslow zugeschrieben.

It is possible to demonstrate mathematical and internal consistency within energy-economy models relating to envisaged futures, or to internally verify that the model’s code is consistent with the modeller’s conceptual understanding of the situation under investigation, but it is impossible to validate that the model outputs represents the ‘truth’

Es ist möglich, mathematische und interne Konsistenz innerhalb von Energiewirtschaftsmodellen in Bezug auf geplante Zukünfte nachzuweisen oder intern zu verifizieren, dass der Code des Modells mit dem konzeptionellen Verständnis des Modellierers für die untersuchte Situation übereinstimmt, aber es ist unmöglich, zu validieren, dass die Ergebnisse des Modells die „Wahrheit“ darstellen.

An example of such an event was the South Australian blackout of 2016. Storm damage to transmission infrastructure initiated a cascading failure that resulted in a state-wide blackout. South Australia is noteworthy for its high penetration of VRE and reliance on interconnectors with the adjoining state of Victoria. The blackout was significant for demonstrating the vulnerability of the South Australian grid to infrequent, but high significance events (AEMO 2016). The system operator was criticized for failing to foresee the incident, but it is now also clear that the ‘optimal’ operation of the grid was outside the bounds of established best-practice for managing supply reliability.

Ein Beispiel für ein solches Ereignis war der Stromausfall in Südaustralien im Jahr 2016. Sturmschäden an der Übertragungsinfrastruktur lösten einen kaskadenartigen Ausfall aus, der zu einem landesweiten Stromausfall führte. Südaustralien ist bemerkenswert für seine hohe Durchdringung mit VRE und seine Abhängigkeit von Verbindungsleitungen mit dem angrenzenden Bundesstaat Victoria. Der Stromausfall war bedeutsam, da er die Anfälligkeit des südaustralischen Netzes für seltene, aber hochwichtige Ereignisse deutlich machte (AEMO 2016). Der Systembetreiber wurde kritisiert, weil er den Vorfall nicht vorhersehen konnte, aber es ist jetzt auch klar, dass der „optimale“ Betrieb des Netzes außerhalb der Grenzen der etablierten Best-Practice-Verfahren für das Management der Versorgungssicherheit lag.

Electricity system optimization studies often adopt the overall generation reliability standard specified for the grid as a whole as a target for matching VRE supply with projected demand, rather than correctly applying this standard as an engineering constraint for detailed system design. Such studies essentially assume that renewable energy plants and transmission infrastructure will operate with 100% technical reliability.

Electricity system optimization studies often adopt the overall generation reliability standard specified for the grid as a whole as a target for matching VRE supply with projected demand, rather than correctly applying this standard as an engineering constraint for detailed system design. Such studies essentially assume that renewable energy plants and transmission infrastructure will operate with 100% technical reliability.

Nonetheless, all real world systems are subject to ‘non-credible contingency events’. Accounting for these in practice will ensure that real systems diverge sharply from the conditions that accord with highly abstract views of optimality in the world of quantitative modelling.

Nichtsdestotrotz sind alle Systeme der realen Welt „nicht glaubwürdigen Zufallsereignissen“ unterworfen. Wenn diese in der Praxis berücksichtigt werden, wird sichergestellt, dass reale Systeme stark von den Bedingungen abweichen, die mit hoch abstrakten Auffassungen von Optimalität in der Welt der quantitativen Modellierung übereinstimmen.

Sherwood et al. (2017) argued that ‘highly interdependent industrialized economies may behave more like a complex adaptive system with non-linear, path-dependent, and unexpected growth trajectories.’

Sherwood et al. (2017) argumentierten, dass sich „stark voneinander abhängige industrialisierte Volkswirtschaften eher wie ein komplexes adaptives System mit nichtlinearen, pfadabhängigen und unerwarteten Wachstumsverläufen verhalten können“.

Hydrogen represents perhaps the only universal energy storage alternative to fossil fuels. It can be produced using energy from all of the major primary sources, including renewable electricity. However, a ‘hydrogen economy’ is not inevitable and the realization of an alternative to energy storage based on fossil fuels faces significant, and perhaps insurmountable, challenges.

Wasserstoff ist vielleicht die einzige universelle Energiespeicher-Alternative zu fossilen Brennstoffen. Er kann unter Verwendung von Energie aus allen wichtigen Primärquellen, einschließlich erneuerbarer Elektrizität, hergestellt werden. Eine „Wasserstoffwirtschaft“ ist jedoch nicht unvermeidlich, und die Realisierung einer Alternative zur Energiespeicherung auf der Grundlage fossiler Brennstoffe steht vor erheblichen, vielleicht unüberwindbaren Herausforderungen.

As the lightest element, hydrogen has a low volumetric density, requiring very high pressure or liquefaction for storage and transport, or conversion to high volumetric density carriers, such as ammonia or methane. Compression, liquefaction, and expansion incur significant energy costs.

Als leichtestes Element hat Wasserstoff eine niedrige volumetrische Dichte, was sehr hohen Druck oder Verflüssigung für Lagerung und Transport oder die Umwandlung in Träger mit hoher volumetrischer Dichte, wie Ammoniak oder Methan, erfordert. Kompression, Verflüssigung und Expansion verursachen erhebliche Energiekosten.

For some energy pathways, such as short-term grid electricity storage, the benefits do not warrant incurring the costs associated with this efficiency trade-off. In general, direct electrification is more energy efficient, however this depends on how efficiency is defined and measured, the analysis boundaries adopted, and the specific application being considered.

Bei einigen Energiepfaden, wie z.B. der kurzfristigen Speicherung von Netzstrom, rechtfertigen die Vorteile nicht, die mit diesem Effizienzkompromiss verbundenen Kosten auf sich zu nehmen. Im Allgemeinen ist die direkte Elektrifizierung energieeffizienter, dies hängt jedoch davon ab, wie die Effizienz definiert und gemessen wird, welche Analysegrenzen zugrunde gelegt werden und welche spezifische Anwendung in Betracht gezogen wird.

For instance, a tree’s energy is derived from sunlight via photosynthesis, but each leaf is energetically costly to grow and maintain. A highly efficient tree would have few leaves and all would have full exposure to sunlight. But the viability of such a tree would be compromised because new leaves, competing for access to sunlight, shade out the existing ones. The efficient trees would be out-competed in forests where there is selection for an intermediate leaf density. In practice, trees have evolved to maximize power by growing additional leaves that intercept reflected and diffuse sunlight.

Zum Beispiel wird die Energie eines Baumes über die Photosynthese aus Sonnenlicht gewonnen, aber jedes Blatt ist energetisch aufwendig in Wachstum und Pflege. Ein hocheffizienter Baum hätte nur wenige Blätter und alle wären dem Sonnenlicht voll ausgesetzt. Die Lebensfähigkeit eines solchen Baumes wäre jedoch gefährdet, weil neue Blätter, die um den Zugang zum Sonnenlicht konkurrieren, die vorhandenen Blätter verdunkeln. Die leistungsfähigen Bäume würden in Wäldern, in denen es eine Auswahl für eine mittlere Blattdichte gibt, ausgestochen werden. In der Praxis haben sich die Bäume so entwickelt, dass sie ihre Leistung maximieren, indem sie zusätzliche Blätter wachsen lassen, die reflektiertes und diffuses Sonnenlicht abfangen.

Hydrogen and its carriers, including ammonia, methane and methanol, can potentially address some of the most intractable challenges facing decarbonization of global economies, including those challenges related directly to energy storage.

Wasserstoff und seine Träger, einschließlich Ammoniak, Methan und Methanol, können potenziell einige der unlösbarsten Herausforderungen der Dekarbonisierung der globalen Wirtschaften angehen, einschließlich der Herausforderungen, die direkt mit der Energiespeicherung zusammenhängen.

Perhaps the most fundamental challenge faced with the prospect of hydrogen as a large-scale energy carrier is a low round trip efficiency—the electricity round trip efficiency is roughly 35%, before considering transport of the hydrogen itself.

Die vielleicht grundlegendste Herausforderung im Zusammenhang mit der Aussicht auf Wasserstoff als Energieträger im großen Maßstab ist eine geringe Hin- und Rückfahreffizienz – die elektrische Hin- und Rückfahreffizienz liegt bei etwa 35 %, bevor der Transport des Wasserstoffs selbst in Betracht gezogen wird.

Grid electricity is energy efficient but not versatile; hydrogen is highly versatile and portable, but much less efficient.

Netzstrom ist energieeffizient, aber nicht vielseitig; Wasserstoff ist sehr vielseitig und tragbar, aber viel weniger effizient.

Deploying storage at this scale would entail prodigious energy and material flows, the prospects for which cannot be evaluated solely in terms of price dynamics and market behavior. Some proposed storage types, including electro-chemical batteries, have operating lives roughly one fifth of the incumbent energy infrastructure’s major components. The increased frequency of their periodic replacement would place even greater demands on energy and material flows.

Der Einsatz von Lagern in dieser Größenordnung würde ungeheure Energie- und Materialströme nach sich ziehen, deren Aussichten nicht allein mit Blick auf die Preisdynamik und das Marktverhalten bewertet werden können. Einige vorgeschlagene Speichertypen, darunter elektrochemische Batterien, haben eine Betriebsdauer, die etwa ein Fünftel der Betriebsdauer der wichtigsten Komponenten der etablierten Energieinfrastruktur beträgt. Die zunehmende Häufigkeit ihres periodischen Austauschs würde noch höhere Anforderungen an die Energie- und Materialflüsse stellen.

In making the first comparison, we take into account the approximately threetimes higher tank-to-wheels energy efficiency of electric vehicles. Using a gravimetric energy density of 34 MJ/L, assuming 45 L per vehicle, and one billion passenger vehicles, the total equivalent battery storage capacity required is 142 TWh. Assuming that the price for lithium ion batteries reduces from the current level of around USD$ 250/kWh down to USD$ 100/kWh (U.S. Department of Energy 2017),1 the total capital outlay for the battery packs alone equates to USD$ 14.2 trillion, or annual expenditures of USD$ 1.4 trillion assuming a 10-year operating life. For reference, World GDP is currently USD$ 85.8 trillion

Beim ersten Vergleich berücksichtigen wir die etwa dreimal so hohe Energieeffizienz von Elektrofahrzeugen von Tank zu Rädern. Bei einer gravimetrischen Energiedichte von 34 MJ/L, unter der Annahme von 45 L pro Fahrzeug, und einer Milliarde PKW beträgt die insgesamt erforderliche äquivalente Batteriespeicherkapazität 142 TWh. Geht man davon aus, dass der Preis für Lithium-Ionen-Batterien von derzeit rund 250 USDollar pro Kilowattstunde auf 100 USDollar pro Kilowattstunde (U.S. Department of Energy 2017)1 sinkt, so belaufen sich die gesamten Investitionsausgaben allein für die Batteriepakete auf 14,2 Billionen US-Dollar oder jährliche Ausgaben von 1,4 Billionen US-Dollar bei einer Betriebsdauer von zehn Jahren. Zum Vergleich: Das weltweite BIP beträgt derzeit 85,8 Billionen USDollar.

Globally, there is around 185 GW of electricity supply capacity from stored sources (US DOE 2016) out of 6628 GW of total installed electricity generation capacity, equivalent to about 3%. Nearly all of that supply capacity is fed by pumped hydro storage (PHS).

Weltweit gibt es etwa 185 GW an Stromversorgungskapazität aus gespeicherten Quellen (US DOE 2016) von 6628 GW der gesamten installierten Stromerzeugungskapazität, was etwa 3% entspricht. Nahezu die gesamte Stromversorgungskapazität wird durch Pumpspeicherkraftwerke (PHS) gespeist.

As a first order estimate, to store 1 week of current annual average global electricity supply would require an 80-fold expansion of PHS capacity.

Als erste Auftragsschätzung würde die Speicherung von 1 Woche der derzeitigen weltweiten Stromversorgung im Jahresdurchschnitt eine 80-fache Erweiterung der PHS-Kapazität erfordern.

The basic physical requirement for pumped hydro is a pair of water reservoirs separated by a sufficiently large elevation difference, with a sufficiently short horizontal distance between reservoirs, and the means to connect them. In principle, open coastal waters can be used as the lower reservoir. In practice, most plants have a greater than 100 m elevation and shorter than 3 km horizontal separation, and few seawater plants have been constructed.

Die physikalische Grundvoraussetzung für gepumptes Wasserkraftwerk ist ein Paar von Wasserreservoirs, die durch einen ausreichend großen Höhenunterschied voneinander getrennt sind, mit einem ausreichend kurzen horizontalen Abstand zwischen den Reservoirs und den Mitteln, um sie miteinander zu verbinden. Im Prinzip können offene Küstengewässer als unteres Reservoir genutzt werden. In der Praxis haben die meisten Anlagen einen Höhenunterschied von mehr als 100 m und einen horizontalen Abstand von weniger als 3 km, und es wurden nur wenige Meerwasseranlagen gebaut.

It is important to note that the batteries used in stationary energy and electric vehicles are currently both financially and biophysically costly—they are expensive, have high embodied energy and are very materially intensive. Their production and use continues to be underpinned by the incumbent fossil-based energy system.

Es ist wichtig zu beachten, dass die Batterien, die in stationären Energie- und Elektrofahrzeugen verwendet werden, derzeit sowohl finanziell als auch biophysikalisch kostspielig sind – sie sind teuer, haben eine hohe verkörperte Energie und sind sehr materialintensiv. Ihre Herstellung und Nutzung wird nach wie vor durch das bestehende, auf fossilen Brennstoffen basierende Energiesystem unterstützt.

We believe that for the foreseeable future, batteries are likely to take on a broader and deeper role in electric mobility, and will remain important only for specific niche uses such as mobile electronic equipment, rather than achieving the status of a universal means of storage.

Wir glauben, dass Batterien in absehbarer Zukunft wahrscheinlich eine breitere und tiefere Rolle in der Elektromobilität einnehmen werden und nur für bestimmte Nischenanwendungen wie mobile elektronische Geräte wichtig bleiben werden, anstatt den Status eines universellen Speichermittels zu erreichen.

Traditional biomass, such as wood, straw charcoal, and dung currently accounts for around 80% of annual global biomass energy use of 50 EJ (Chum et al. 2011, p. 214). In 2018, biofuel supply was 3.7 EJ (IEA 2019b), in contrast to petroleumderived fuels at 195 EJ and natural gas at 139 EJ (BP 2019).

Traditionelle Biomasse wie Holz, Stroh, Holzkohle und Dung macht derzeit etwa 80% des jährlichen globalen Biomasse-Energieverbrauchs von 50 EJ aus (Chum et al. 2011, S. 214). Im Jahr 2018 betrug das Angebot an Biokraftstoffen 3,7 EJ (IEA 2019b), im Gegensatz zu Kraftstoffen auf Erdölbasis mit 195 EJ und Erdgas mit 139 EJ (BP 2019).

At the macro-scale, it seems implausible that humanity could appropriate an even greater share of the planetary biosphere to satisfy its energy demands, without precipitating further severe ecological degradation at a time when we should be returning land to natural habitat in order to redress past damage.

Auf der Makroebene erscheint es unwahrscheinlich, dass sich die Menschheit einen noch größeren Teil der planetarischen Biosphäre zur Befriedigung ihres Energiebedarfs aneignen könnte, ohne zu einer Zeit, in der wir Land in seinen natürlichen Lebensraum zurückführen sollten, um die Schäden der Vergangenheit zu beheben, eine weitere schwere ökologische Degradierung herbeizuführen.

Current biofuels are enabled by the fossil fueled industrial system, and supported through incentives and subsidies.

Die derzeitigen Biokraftstoffe werden durch das mit fossilen Brennstoffen betriebene industrielle System ermöglicht und durch Anreize und Subventionen unterstützt.

Without energy subsidies from the incumbent fossil fuel-dominated energy system, many biofuel systems would be unviable. Again this is a demonstration of the trade-off between storage and EROI—liquids are much more versatile than solid fuels but require greater energy inputs for their production.

Ohne Energiesubventionen aus dem etablierten, von fossilen Brennstoffen dominierten Energiesystem wären viele Biokraftstoffsysteme unrentabel. Auch dies ist eine Demonstration des Zielkonflikts zwischen Lagerung und EROI – flüssige Brennstoffe sind viel vielseitiger als feste Brennstoffe, erfordern aber einen höheren Energieaufwand für ihre Herstellung.

Technologicallymediated energy demand management will play an essential and growing role in minimizing the storage capacity required for matching demand with variable supply. Nonetheless, we argue that without massive scale up of storage (for both largecapacity stationary and mobile applications), energy supply systems, electricity grids included, will continue to rely on the ‘built-in storage’ provided by fossil fuels, as a consequence of the physical forms in which they occur naturally.

Technologisch vermittelte Energienachfragesteuerung wird eine wesentliche und wachsende Rolle bei der Minimierung der Speicherkapazität spielen, die erforderlich ist, um die Nachfrage mit dem variablen Angebot in Einklang zu bringen. Nichtsdestotrotz argumentieren wir, dass Energieversorgungssysteme, einschließlich der Stromnetze, ohne eine massive Aufstockung der Speicherkapazität (sowohl für stationäre als auch für mobile Anwendungen mit großer Kapazität) weiterhin auf den „eingebauten Speicher“ angewiesen sein werden, der von fossilen Brennstoffen bereitgestellt wird, und zwar als Folge der physikalischen Formen, in denen sie natürlich vorkommen.

In 2018, wind at 111.5 TWh, and solar PV at 46.2 TWh, comprised 7.7 and 3.2% respectively of German total primary energy use of 13,523 PJ, using a primary energy substitution factor of 2.6 for wind and solar (that is, total electricity from wind and solar is multiplied by 2.6 prior to aggregating with other primary energy sources).

Im Jahr 2018 machten Wind mit 111,5 TWh und Solar PV mit 46,2 TWh 7,7 bzw. 3,2% des deutschen Gesamtprimärenergieverbrauchs von 13.523 PJ aus, wobei ein Primärenergie-Substitutionsfaktor von 2,6 für Wind und Solar verwendet wurde (d.h. die gesamte Elektrizität aus Wind und Solar wird vor der Aggregation mit anderen Primärenergiequellen mit 2,6 multipliziert).

Energy descent implies not the end of human development, but a shift in developmental priorities, based on reappraised values, expectations, and ideas of ‘the good life’.

Der energetische Abstieg bedeutet nicht das Ende der menschlichen Entwicklung, sondern eine Verschiebung der Entwicklungsprioritäten auf der Grundlage neu eingeschätzter Werte, Erwartungen und Vorstellungen vom „guten Leben“.

Fossil energy flows and solar flows are readily portrayed as equivalent when evaluated at the most abstract level, in terms of their respective heating values measured in joules. When considered in terms of their concrete physical manifestations though, fossil fuels and solar radiation are vastly different phenomena. In order to replicate the physical economic performance characteristics of fossil energy stocks using solar flows requires technologically complex and economically costly storage media. When this is taken into account, the apparent equivalence between fossil and solar energy sources rests on far more problematic ground.

Fossile Energieströme und solare Ströme lassen sich leicht als gleichwertig darstellen, wenn sie auf der abstraktesten Ebene bewertet werden, und zwar in Bezug auf ihre jeweiligen in Joule gemessenen Heizwerte. Betrachtet man sie jedoch in ihren konkreten physikalischen Erscheinungsformen, so sind fossile Brennstoffe und Sonneneinstrahlung sehr unterschiedliche Phänomene. Um die physikalisch-ökonomischen Leistungsmerkmale fossiler Energievorräte mit Hilfe solarer Ströme nachzubilden, sind technologisch komplexe und wirtschaftlich kostspielige Speichermedien erforderlich. Berücksichtigt man dies, so beruht die scheinbare Äquivalenz zwischen fossilen und solaren Energiequellen auf einem weitaus problematischeren Grund.

However, without an accompanying means of storage, their role in energizing civilization will remain constrained—societies will remain dependent on fossil fuels, and petroleum will remain the universal and ubiquitous means of energy storage.

Ohne ein begleitendes Speichermittel wird ihre Rolle bei der Energisierung der Zivilisation jedoch eingeschränkt bleiben – die Gesellschaften werden weiterhin von fossilen Brennstoffen abhängig sein, und Erdöl wird das universelle und allgegenwärtige Mittel der Energiespeicherung bleiben.

A solution to the storage conundrum is within the realm of possibility, but we argue, will be much harder to realize than is commonly understood. Even if technical challenges are met, achieving this will very likely mean more costly energy supply than presently enjoyed via the fossil fuels we are seeking to replace.

Eine Lösung für das Speicher-Rätsel liegt im Bereich des Möglichen, aber wir argumentieren, dass sie viel schwieriger zu realisieren sein wird, als gemeinhin angenommen wird. Selbst wenn die technischen Herausforderungen gemeistert werden, wird das Erreichen dieses Ziels höchstwahrscheinlich eine kostspieligere Energieversorgung bedeuten, als sie derzeit über die fossilen Brennstoffe, die wir zu ersetzen versuchen, möglich ist.