Eine riesige Batterie ersetzt Hawaiis letztes Kohlekraftwerk
(canarymedia.com)- Mit der Schließung des letzten Kohlekraftwerks am 1. September 2022 verlor das Stromnetz von Oahu 180 MW fossil befeuerte Grundlastleistung, und Plus Powers Kapolei Energy Storage begann, zentrale Netzfunktionen in dieser Lücke zu übernehmen
- Kapolei ist eine 185-MW-Batterieanlage aus 158 Tesla Megapacks, die eine mit dem Kohlekraftwerk vergleichbare Momentanleistung mit einer Reaktionszeit von 250 Millisekunden bereitstellt
- Die Speicherkapazität von 565 MWh reicht nicht aus, um die gesamte Stromerzeugung des Kohlekraftwerks direkt zu ersetzen, speichert aber überschüssige erneuerbare Energie für die Nachfrage am Abend und reduziert Abregelung
- Hawaiian Electric und Plus Power haben die Anlage mit synthetischer Trägheit, schneller Frequenzregelung und Black-Start-Funktion ausgestattet, sodass sie auch den Wiederanlauf nach Stromausfällen unterstützt
- Kapolei entspricht rund 17 % der Spitzenkapazität von Oahu und ist damit ein reales Beispiel dafür, wie essenzielle Netzservices aus fossilen Kraftwerken auf saubere Energiequellen verlagert werden
Die Netzlücke nach der Schließung des Kohlekraftwerks
- Hawaii hat am 1. September 2022 sein letztes Kohlekraftwerk stillgelegt und damit 180 MW fossil befeuerte Grundlastleistung aus dem Stromnetz von Oahu entfernt
- Das ist ein Schritt hin zu Hawaiis Ziel, bis 2045 die Stromerzeugung ohne die Verbrennung fossiler Brennstoffe zu betreiben
- Die verbleibende Aufgabe war, die Zuverlässigkeit des Stromnetzes aufrechtzuerhalten, während auf ein großes und kleines Portfolio erneuerbarer Energien umgestellt wird, dessen Leistung wetterabhängig schwankt
Aufbau und Betrieb von Kapolei Energy Storage
- Kapolei Energy Storage, entwickelt und im Besitz von Plus Power, nahm im Industriegebiet im Westen Oahus noch vor Weihnachten den kommerziellen Betrieb auf
- Die Anlage lädt und entlädt sich nach den Signalen von Hawaiian Electric
- Sie besteht aus 158 Tesla Megapacks
- Die momentane Entladeleistung beträgt 185 MW und entspricht damit der Leistung, die das bisherige Kohlekraftwerk ins Netz einspeisen konnte
- Die Reaktionszeit liegt bei 250 Millisekunden und ist damit deutlich schneller als bei herkömmlichen fossilen Kraftwerken
- Die Batterie erzeugt keinen neuen Strom, sondern speist bei Bedarf zuvor aus dem Netz aufgenommene Energie wieder ein
- Ideal ist es, in Zeiten mit reichlich erneuerbarer Erzeugung zu laden
- In Zeiten hohen Bedarfs wie am Abend kann sie günstigen und sauberen Strom zurückgeben
Verzögerter Bau und das Projekt zum Kohleersatz
- Die Kapolei-Batterie sollte ursprünglich vor der Stilllegung des Kohlekraftwerks in Betrieb gehen
- COVID-19 brachte die Lieferketten der gesamten Netzbatteriebranche durcheinander, und die abgelegene Lage Kapoleis mitten im Pazifik verschärfte die Schwierigkeiten zusätzlich
- Im Sommer 2021 rechnete Plus Power noch mit einer Fertigstellung Ende 2022, tatsächlich dauerte es aber ein weiteres Jahr
- Trotzdem wurde Kapolei vor anderen großen Solar- und Batterieprojekten ans Netz angeschlossen, die ebenfalls geplant sind, um die Stromerzeugung des Kohlekraftwerks durch sauberen Strom zu ersetzen
Netzfunktionen, die die Batterie direkt übernimmt
- Der zentrale Wert, den das bisherige Kohlekraftwerk für Oahu bereitstellte, bestand aus drei Teilen
- Energie: die Strommenge selbst
- Kapazität: Leistung, die bei Bedarf sofort verfügbar ist
- Netzservices: Funktionen zur Stabilisierung des Stromnetzes
- Kapolei ersetzt davon direkt die Kapazität und die Netzservices
- Die Anlage bietet eine Nennkapazität auf dem Niveau der maximalen Leistung des Kohlekraftwerks
- Sie ist so programmiert, dass sie die nötigen Dienste bereitstellt, damit das Netz innerhalb des vorgegebenen Frequenzbereichs arbeitet
- Wenn andere Kraftwerke plötzlich ausfallen oder Solarstrom die Last übersteigt, kann die Netzfrequenz den zulässigen Bereich verlassen
- Kapolei reagiert in der ersten Verteidigungslinie mit synthetischer Trägheit auf Abweichungen in Echtzeit
- Wenn sich die Lage über einen festgelegten Schwellenwert hinaus verschlechtert, greift die schnelle Frequenzregelung als zweite Verteidigungslinie ein
Die Energieerzeugung wird zusammen mit Solar ergänzt
- Die Speicherkapazität von Kapolei beträgt 565 MWh und reicht nicht aus, um die Energieproduktion des Kohlekraftwerks direkt zu ersetzen
- Stattdessen arbeitet die Anlage zusammen mit dem stark ausgebauten Solarsektor auf Oahu und ergänzt so die Energierolle des Kohlekraftwerks
- Laut Modellrechnungen von Hawaiian Electric kann Kapolei Energy Storage in den ersten fünf Jahren die Abregelung erneuerbarer Erzeugung um etwa 69 % senken
- Verringerung der Abregelung: {p:69}
- Überschüssiger sauberer Strom, der sonst verloren ginge, kann so ins Netz eingespeist werden
Black Start und Rolle beim Wiederanlauf
- Hawaiian Electric verlangte für Kapolei auch eine Black-Start-Funktion
- Wenn das Stromnetz durch eine Katastrophe wie einen Zyklon oder ein Erdbeben komplett ausfällt, wird eine Stromquelle für den Wiederanlauf benötigt
- Die Kapolei-Batterie ist so programmiert, dass sie für diesen Zweck einen Teil ihrer Energie als Reserve zurückhält
- Plus Power platzierte die Anlage in der Nähe eines Umspannwerks, das mit drei anderen Kraftwerken verbunden ist
- Dadurch kann die Batterie diese anderen Kraftwerke gewissermaßen per „Jump Start“ wieder in Gang setzen
Die größere Verantwortung, die Hawaii Batterien überträgt
- Hawaii hat bereits bei der Energiewende eine Vorreiterrolle eingenommen, etwa mit der breiten Einführung von Solaranlagen auf Wohnhäusern und dem ersten Solar-Batterie-Kraftwerk im Utility-Maßstab auf Kauai
- Wenn der Anteil erneuerbarer Energien steigt und gleichzeitig fossile Kraftwerke in größerem Umfang stillgelegt werden, reicht es nicht mehr aus, einfach nur Wind, Solar und Batterien hinzuzufügen
- Saubere Technologien, die mit digital gesteuerten Invertern arbeiten, müssen nicht nur Strom liefern, sondern auch das Netz stabil halten
- Auch in anderen Regionen gibt es Batterien, die Frequenzservices bereitstellen, und einige sind größer als Kapolei
- Fälle wie Kapolei, in denen Spitzenkapazität, Frequenzregelung, synthetische Trägheit und Netz-Wiederanlauf in einer einzigen großen Batterieanlage kombiniert werden, sind jedoch selten
- Kapolei allein entspricht etwa 17 % der Spitzenkapazität von Oahu
- Die Netzbatterien in California haben zwar 5.000 MW überschritten, entsprechen aber nur rund 7,6 % der nominalen Kapazität des Stromnetzes des Bundesstaats
Warum synthetische Trägheit wichtig ist
- Herkömmliche Kraftwerke liefern über die rotierende Masse ihrer Turbinen passiv Trägheit, die die Netzfrequenz stabilisiert
- Früher wurde Trägheit automatisch mitgeliefert, wenn ein Kraftwerk lief, sodass sie kaum als eigener Service definiert und vergütet werden musste
- Heute bewegen sich Stromnetze zu einem Modell, in dem bei verfügbarer erneuerbarer Erzeugung günstiger grüner Strom maximiert wird und nur bei Knappheit Brennstoffe verbrannt werden
- Wärmekraftwerke müssen in Rotation gehalten werden, um Trägheit bereitzustellen
- Auf dem US-Festland wird deshalb manchmal die Erzeugung aus erneuerbaren Energien abgeregelt, um alte Kohlekraftwerke für solche Netzservices weiterlaufen zu lassen
- Fortschrittliche Batterien liefern über die Programmierung ihrer Inverter eine synthetische Version von Trägheit
- Das kann eine wirtschaftlichere Alternative sein und unnötige CO2-Emissionen vermeiden
- Sie reagieren schneller und präziser und passen damit gut zu Stromnetzen mit stärker schwankender Einspeisung aus erneuerbaren Energien
Einordnung in den Übergang zu einem sauberen Stromnetz
- Die langfristigen Klimaziele der USA erfordern einen schrittweisen Ausstieg aus fossilen Brennstoffen im Stromnetz
- Wasserkraft und Kernenergie können nützliche Netzträgheit ohne CO2-Emissionen liefern, befinden sich aber nicht auf einem Wachstumspfad
- Kapolei ist eines der ersten realen Beispiele dafür, wie wichtige Netzfunktionen aus fossilen Kraftwerken auf saubere Energieanlagen übertragen werden
- Die Art von Netzservices, die Kapolei erbringt, muss langfristig in den gesamten USA skaliert werden
1 Kommentare
Hacker-News-Kommentare
Eine interessante Tatsache: Die Abkühlwasser-Ablaufrohre des alten Kraftwerks führen ins Meer und schaffen dort durch die höhere Wassertemperatur eine Umgebung mit reichem Meeresleben; der Ort ist auch als Tauch- und Schnorchelspot bekannt. Er wird sogar Electric Beach genannt: https://www.snorkeling-report.com/spot/snorkeling-electric-b...
Ich habe ein paar Jahre dort gelebt und versucht, dort zu schnorcheln, bin aber wegen meiner Angst vor untergetauchten künstlichen Strukturen nicht mehr als ein paar Fuß ins Wasser gekommen. Der Anblick der großen, unheimlichen Rohre hat mir wirklich Angst gemacht
https://www.reddit.com/media?url=https%3A%2F%2Fi.redd.it%2Fe...
Eine interessante Zahl geht im Artikel etwas unter; zur Einordnung: Die Speicherkapazität beträgt 565 MWh, die momentane Leistung 185 MW, und die Projektfinanzierung liegt bei 219 Mio. US-Dollar
Die Strompreise für Haushalte in Hawaii liegen bei etwa 0,415 Dollar pro kWh, der US-Durchschnitt bei etwa 0,162 Dollar
https://www.energy-storage.news/global-bess-deployments-to-e...
Wirtschaftlich wird es, wenn man dort anfängt, wo Strom teuer ist oder wo Batterien Einnahmen übernehmen können, die zuvor thermische Generatoren erzielt haben. Dazu gehören Netzdienstleistungen, synthetische Trägheit und Schwarzstartfähigkeit; mit sinkenden Batteriekosten lässt sich das schrittweise in günstigere Kostenbereiche ausweiten. Man muss auf Systemebene denken, etwa indem man die Laufzeiten thermischer Kraftwerke reduziert und so deren Wirtschaftlichkeit verschlechtert
Mit Batterien kann man sie später nutzen, etwa am Abend, wodurch die Auslastung bestehender Erneuerbaren-Anlagen steigt. Wenn dann noch Heimspeicher und Elektroauto-Batterien dazukommen, wird auch Lastverschiebung möglich: laden, wenn die Erzeugung aus Erneuerbaren hoch und der Preis niedrig ist. In großem Maßstab wird das noch nicht genutzt, aber technisch können auch Elektroautos Strom zurück ins Netz speisen
Solche Batterien sind nicht für Langzeitspeicherung gedacht, sondern für Netzstabilisierung und kurze Spitzen und Einbrüche bei Angebot und Nachfrage. Anders als Kohle- und Gaskraftwerke können sie im Millisekundenbereich reagieren und sind für diesen Zweck auch kosteneffizient. Ein Kohle- oder Gaskraftwerk hochzufahren ist teuer und langsam, und selbst im Stillstand verursacht es Kosten
Selbst wenn ein Kohlekraftwerk die sogenannte Grundlast liefern konnte, galt das nur, solange es rund um die Uhr und an 365 Tagen im Jahr lief. In der Realität kann es wegen Wartung und Reparaturen wochen- oder monatelang stillstehen; bei Kernkraftwerken ist es genauso, daher war es keine gute Planung, davon auszugehen, dass das nicht passiert
Langzeitspeicher werden häufig als notwendig angenommen, um fehlende Grundlast auszugleichen, aber Grundlast ist ein ziemlich unscharfer Begriff, solange man sie nicht in GWh und GW ausdrückt. Hawaii scheint zu zeigen, dass der Bedarf an Langzeitspeicherung deutlich geringer sein kann, als manche denken. Mit der Zeit werden wohl mehr Wind- und Solaranlagen sowie Batterien hinzukommen, aber wenn Modellierung und Prüfung sauber gemacht wurden, könnte die aktuelle Konfiguration bereits ausreichen
Langfristig dürfte das die Strompreise auf der Insel deutlich senken. Mehr Solarkapazität aufzubauen ist viel günstiger, als das Kohlekraftwerk weiterlaufen zu lassen, und mit dieser Batterie kann mehr Solarstrom installiert und nachts genutzt werden. Ich weiß nicht, wie viel Windkraft Hawaii hat, aber es wirkt ziemlich windreich
Aus Spaß habe ich mir die Pläne der Netherlands, wo ich lebe, angesehen. Regierungen weltweit, darunter die Netherlands mit 17 Millionen Einwohnern, werden in den nächsten Jahren damit beginnen, Batterien im Stromnetzmaßstab zu installieren, denn ohne sie ist die Umstellung auf erneuerbare Energien praktisch schwierig
Die niederländische Regierung hat 400 Mio. Euro bereitgestellt; damit sollen voraussichtlich 160 MW bis 380 MW installiert werden. Das entspricht dem 1- bis 2-Fachen des Batterie-Kraftwerks in Hawaii. Der nationale Übertragungsnetzbetreiber will jedoch durch niedrigere Anschlussgebühren bis 2030 2 bis 5 GW neue Batteriekapazität anreizen, was eine ziemlich große Größenordnung ist
Ich denke, ähnliche Neuinstallationen werden fast überall folgen
https://www.pv-magazine.com/2023/10/09/netherlands-allocates...
In den Netherlands dürfte die Windstromversorgung wohl der zentrale Faktor sein; in solchen Fällen braucht man normalerweise Speicher im Wochenmaßstab. Ich bin mir nicht sicher, welche Technologie in diesem Zeitbereich derzeit die beste ist
Vermutlich eher Ersteres
Vor zwei Tagen wurden durch einen Sturm einige Generatoren beschädigt, und auch der Batteriestand fiel sehr niedrig aus, sodass auf der ganzen Insel Strom fehlte und es zu rollierenden Abschaltungen kam
https://www.hawaiianelectric.com/update-rolling-oahu-outages...
Das zentrale Problem beim Ersatz fossiler Kraftwerke durch erneuerbare Energien und Batterien besteht darin, ein Batteriesystem zu finden, das Energie über einen ausreichend langen Zeitraum speichern kann und genug Kapazität hat, um Solar- und Windstrom zu ersetzen, wenn es dunkel und windstill ist.
In den Studien, die ich gesehen habe, lag die nötige zeitliche Verschiebung im saisonalen Bereich, und die erforderliche Kapazität war kostenseitig kaum zu stemmen.
Vielleicht sind die Wettermuster in Hawaii stabil genug, um ergänzende Grundlastkapazität streichen zu können. Auch der Artikel deutet an, dass die Gesamtkapazität des Kohlekraftwerks deutlich größer war als die Batteriespeicherkapazität.
Dort heißt es: „Mit 565 MWh Speicherkapazität kann die Batterie die Energieproduktion des Kohlekraftwerks nicht direkt ersetzen …“, daher ist nicht klar, wie stark die Kapazität durch diese Umstellung tatsächlich gesunken ist. Es kann auch andere Änderungen im Erzeugungsportfolio geben, die der Artikel nicht behandelt.
Wenn man Wasserstoff deaktiviert, kann man auch sehen, wie stark die Kosten steigen, wenn Speicher ausschließlich über Batterien abgedeckt werden. In manchen Gegenden wie Deutschland ist der Kostenanstieg groß, in anderen wie Indien nahezu vernachlässigbar.
Wenn einem die Kostenannahmen nicht gefallen, sind die Quellen angegeben, sodass man sie anpassen und sehen kann, wie sich die optimale Lösung verändert.
Schwerer verständlich ist die Haltung, selbst dann noch krampfhaft an Möglichkeiten festzuhalten und „Was wäre, wenn …“ zu fragen, wenn das Projekt bereits erfolgreich in Betrieb ist. Was muss man denn noch sehen? Muss es 50 Jahre laufen, bis es überzeugt?
Tony Seba hat zu diesem Thema einige Vorträge gehalten und argumentiert, dass erneuerbare Energien so billig werden, dass man so viel bauen kann, dass die Mindestproduktion an fast allen Tagen die Nachfrage deckt. Er scheint auch vernünftige Upgrades des Stromnetzes anzunehmen.
Marc Z Jacobsen hat recht detaillierte Studien zur Umstellung auf 100 % erneuerbare Energien gemacht, und da er normalerweise keine technologischen Verbesserungen annimmt, sind seine Schätzungen eher konservativ. Dass saisonale Speicherung erforderlich wäre, erinnere ich nicht.
In kalten Regionen könnten Müllverbrennung und Fernwärme, geothermische Fernwärme sowie einige zusätzliche Kernkraftwerke für Grundlast die Lösung sein. In Skandinavien wird Müllverbrennung immer üblicher, und man kann sie wie beim Kraftwerk in Oslo sogar mit Carbon Capture ausstatten. Das UK, Schweden und Finnland bauen auch Kernkraftwerke.
Man muss auch berücksichtigen, dass auf dem Weg zu CO₂-freier Energie enorme Mengen an Wasserstoff, Ammoniak, E-Fuels, Biokraftstoffen, Bioöl und Biokohle hergestellt werden müssen. Ich habe auch die Nachricht gesehen, dass ein dänisches Unternehmen den kommerziellen Betrieb eines großen Mikrowellenreaktors gestartet hat, der aus Klärschlamm effizient Bioöl und Kohle herstellt.
All diese Lösungen bringen implizit erhebliche Speicherkapazitäten mit sich. Wenn man riesige Mengen Wasserstoff produziert, entstehen Puffer sowohl auf Produktions- als auch auf Verbrauchsseite, und bei Bedarf kann man auch die Produktion steuern.
Bestehende Wasserstoffkraftwerke werden vermutlich ebenfalls als Backup erhalten bleiben. Es gibt auch ernsthafte Diskussionen, die Erdgaspipelines von Norwegen nach Europa von Gas auf Wasserstoff umzustellen. Anfangs würde man Wasserstoff aus Carbon Capture and Storage nutzen und später auf grünen Wasserstoff aus Offshore-Wind umstellen.
Offshore-Wind wird ebenfalls immer verbreiteter. Wenn man sehr große Offshore-Windturbinen baut, ist die Produktion ziemlich stabil.
Deshalb halte ich Solar+Wind in Nordeuropa, wie man in Deutschland sieht, für ziemlich nahe an einer Sackgasse. Im Winter gibt es sehr wenig Sonnenlicht, und es gibt Phasen von mehreren Wochen mit fast keinem Wind. Um eine Überkapazitätsstrategie zu fahren, müsste man möglicherweise etwa zehnmal so viel Solar installieren, und dann würden die Kosten untragbar.
Aus Neugier habe ich nachgesehen: Derzeit deckt Geothermie 10 bis 15 % des Energiebedarfs von Hawaii. Da es sich um ein Gebiet mit aktiver vulkanischer Aktivität handelt, ließe sich das wohl noch ausbauen.
Zum Vergleich: In Island macht geothermische Stromerzeugung mehr als 50 % der Stromproduktion aus.
Ich frage mich, ob der Unterschied physikalische bzw. geologische Gründe hat oder andere Ursachen.
Eine der Stärken bzw. Funktionen dieses Batteriesystems soll die Stabilisierung des Stromnetzes sein, also die Trägheit rotierender Generatoren zu ersetzen und stabile 60 Hz aufrechtzuerhalten. Ich frage mich, ob man damit die Frequenz der Stromleitungen stabiler machen wird [1].
Und ob es dadurch schwieriger oder unmöglich werden könnte, den Aufnahmezeitpunkt über Netzbrummen zu schätzen [2].
[1]: http://leapsecond.com/pages/mains/
[2]: http://hummingbirdclock.info/about
Ob Batterien diese Funktion bereitstellen oder nicht, ist nicht sofort klar. Es gibt auch Projekte, die riesige Schwungräder und Motorgeneratoren einsetzen, und meines Wissens werden auch stillgelegte Kraftwerke im Leerlauf betrieben. Letzteres könnte auch mit der Steuerung von Wirk- und Blindleistung zu tun haben.
Ich frage mich, ob solche Dinge nur Low-Tech-Alternativen zu Batterien sind oder ob rotierende Generatoren bestimmte Eigenschaften haben, die schwer nachzubilden sind.
Ich dachte, Hawaii laufe größtenteils mit Diesel
https://www.eia.gov/state/?sid=HI#tabs-4
Kohle scheint 2021 etwa 12 % des Energieverbrauchs ausgemacht zu haben. Das ist zwar eine gute Veränderung, aber Hawaii hat noch einen langen Weg vor sich, um alle sehr schmutzigen und teuren Stromquellen loszuwerden.
Netzspeicher-Batterien sind heute nicht nur bereits möglich, sondern auch kostenseitig sehr attraktiv. Der Grund ist allerdings nicht der, den viele vermuten. Es geht nicht darum, überschüssigen grünen Strom irgendwo abzuladen, sondern darum, den Bedarf an Spitzenlastkraftwerken zu senken.
Bei der Stromerzeugung gibt es normalerweise Grundlastkraftwerke, die ständig laufen, und Spitzenlastkraftwerke, die bei hoher Nachfrage zugeschaltet werden können. Spitzenlastkraftwerke haben pro erzeugter Stromeinheit deutlich höhere Kosten und verbrennen auch deutlich mehr Brennstoff. Deshalb können Netzspeichersysteme sogar in einem zu 100 % fossil betriebenen Stromnetz sinnvoll sein.
Die große Ausnahme ist ein hoher Anteil an Wasserkraft. Wasserkraft kann durch mehr Wasserfluss durch die Turbinen wie ein Spitzenlastkraftwerk agieren, wodurch der Nutzen von Netzspeichern geringer wird. Das hängt allerdings vom jeweiligen Wasserkraftwerk und den Eigenschaften des Stromnetzes ab, und selbst bei viel Wasserkraft kann es weiterhin sinnvoll sein.
https://en.wikipedia.org/wiki/Peaking_power_plant
Frequenzregelung ist ein Bereich, in dem Netzspeicher-Batterien besonders gut sind, und sie mit bestehenden Kraftwerken zu erreichen, kann sehr teuer sein.
https://en.wikipedia.org/wiki/Ancillary_services_(electric_p...
Der Kompromiss sind natürlich die hohen anfänglichen Kapitalinvestitionen, die für den Bau von Netzspeichern nötig sind.
Es mag zynisch klingen, aber ich denke, jeder Bundesstaat sollte dauerhaft mindestens ein Kohlekraftwerk betreiben, um Technologie und Lieferkette aufrechtzuerhalten. Kohle ist eine der reichlichsten natürlichen Ressourcen in den USA. In einem nationalen Notfall sollte man sich darauf verlassen können, aber das geht nicht, wenn man sich selbst in eine Sackgasse manövriert.
Solarstrom ist in der Regel viel stärker verteilt als eine kleine Zahl riesiger Kohlekraftwerke.
Schon Solarenergie allein zeigt das, und es gibt noch mehr Möglichkeiten, Strom zu erzeugen, etwa Wind-, Wellen- und Geothermie. Das ist Diversifizierung und dürfte auch leichter zu verteidigen sein.
Sich auf eine einzige Stromquelle zu verlassen, ist für mich genau das Manövrieren in eine Sackgasse und das Trinken der Farbe.
Es wäre möglicherweise nicht das erste Mal, dass das Festland einem Territorium belastende Anforderungen auferlegt. Mir kommt der Jones Act in den Sinn.
https://www.hawaiianelectric.com/clean-energy-hawaii/our-cle...