Sie sehen eine Aluminiumraffinerie, ich sehe eine sehr, sehr große Batterie

Die meisten hervorragenden Forschungsarbeiten zum australischen Aluminiumoxidsektor konzentrierten sich auf die potenzielle Reduzierung der Kohlenstoffemissionen. Als Stromanalyst sehe ich jedoch eine absolut massive Nachfragereaktion/Batterie.

Aluminiumoxidraffinerien in Queensland können potenziell die gleiche Menge an Speicher/Demand-Response bereitstellen wie eine 2GW/8-Stunden-Batterie. Um zu sehen, wie dies der Fall sein kann, zumindest aus der Realitätsverzerrungsblase dieser Notiz heraus, lesen Sie bitte weiter.

Das Ziel dieser Notiz besteht darin, das wirtschaftliche Potenzial der Aluminiumoxidraffinerie aufzuzeigen, um erneuerbare Energie zu sichern, die einer Aluminiumhütte nahezu zu einem Break-Even-Preis bereitgestellt wird. Zumindest ist es ein Break-Even in meiner Realitätsverzerrungsblase.

Die Dekarbonisierung ist ein Nebeneffekt. Dadurch werden jährlich 46 PJ Gas freigesetzt, die im Boden verbleiben.

Aluminium ist nach wie vor der größte Einzelverbraucher von Elektrizität in Australien. In New South Wales, Queensland und Victoria sind sie jeweils für etwa 10 % des Verbrauchs verantwortlich, in Tasmanien wahrscheinlich noch mehr.

Viele von uns denken seit einigen Jahren darüber nach, wie man Kohlestrom durch erneuerbaren Strom für die Aluminiumverhüttung ersetzen kann.

Die Schwierigkeit (danke Matt Howell) besteht jedoch darin, dass das Schmelzen von Aluminium grundsätzlich ein unterbrechungsfreier Prozess ist. Obwohl Sie hin und wieder die Stromversorgung einer Schmelze für ein paar Stunden unterbrechen können, wirkt sich dies auf die „Topfzeit“ aus und ist eigentlich nicht das, was der Prozess bewirken soll.

Die Aluminiumproduktion eignet sich viel besser für Wasserkraft als für Wind- und Solarenergie. Wenn es also keine Intervention gibt, würde man grundsätzlich damit rechnen, dass sich die weltweite Aluminiumproduktion von kohleintensiven Gebieten wie China in wasserintensive Gebiete wie Russland und Kanada verlagert, da die Dekarbonisierung zu einem immer größeren Thema wird.

Das bedeutet, dass australische Hütten von der Schließung bedroht sind. Sie sind mit Umweltkosten konfrontiert, die bei ihren chinesischen Konkurrenten nicht anfallen, und es ist nicht so einfach, sie umzurüsten, wie es scheint.

Obwohl Hüttenbesitzer dafür bekannt sind, staatliche Zuwendungen zu verlangen, ist die Realität doch so, dass sie das Produkt auf einem globalen Markt verkaufen und es auf die eine oder andere Weise weltweit wettbewerbsfähig sein muss.

Dabei kann es sich um die Kosten handeln, bei denen Strom normalerweise das einzige Kostenunterscheidungsmerkmal ist, oder um den Wert, wenn es beispielsweise eine „grüne“ Prämie gibt. Aber im Grunde sind es die Kosten.

Auch wenn die australischen Wind- und Solarkosten im Vergleich zu Wasserkraft wahrscheinlich sehr wettbewerbsfähig sind, ist es die festigende Komponente, die schwierig ist. Was also wie die offensichtliche Vorgehensweise aussah, war vielleicht nicht so offensichtlich. Allerdings habe ich in letzter Zeit viel über den Zwischenschritt im Aluminiumprozess nachgedacht – und das ist Aluminiumoxid.

Australien verfügt über die größten, aber nicht unbedingt wirtschaftlichsten Bauxitreserven und Australien ist ein bedeutender globaler Produzent von Aluminiumoxid. Allerdings sind die Aluminiumoxidraffinerien zumindest in Queensland alt.

Als nächstes ist zu berücksichtigen, dass Aluminiumoxid mit einem Gesamtverbrauch von über 220 PJ der größte Einzelverbraucher von Gas in Australien ist, abgesehen von der Stromerzeugung und der LNG-Produktion. Der gesamte Gasfluss in Australien ist unten dargestellt, und ich ziehe meinen Hut vor einem hervorragenden Sankey-Diagramm:

Die Eliminierung von Gas in Aluminiumoxid hätte größere Auswirkungen als die Eliminierung von Gas aus dem gesamten privaten Verbrauch, geschweige denn aus dem Neuverbrauch.

Der wichtigste Punkt, den es in dieser Anmerkung zu verstehen gilt, ist, dass Aluminiumoxidraffinerien und insbesondere die Kocher flexibel sind. Wie ein Topf auf dem Herd können sie auf und ab gedreht werden, ohne dass dabei außer einem Produktionsausfall Schaden entsteht.

Dies macht sie potenziell unglaublich nützlich, wenn sie mit Solarenergie gekoppelt werden. Es kann auch möglich sein, ich sage: MÖGLICHERWEISE, die überschüssige Prozesswärme aus dem Fermenter zu speichern und über Nacht abzugeben.

Die ultimative Idee besteht also darin, die flexible Aluminiumraffinerie und die Aluminiumhütte nebenan mit Solar- und Windenergie zu betreiben. Die Raffinerie wird tagsüber hauptsächlich mit Solarenergie betrieben und die überschüssige Wärme gespeichert.

Über Nacht reduziert die Raffinerie ihren Wind-Solar-Eintrag vollständig und ergänzt ihn mit gespeicherter Wärme. Der Wind, den die Raffinerie tagsüber verbraucht, steht dann der unflexiblen Aluminiumhütte nebenan zur Verfügung, um die im Wesentlichen verlorene Solarproduktion zu ersetzen.

Darüber hinaus ist es immer dann, wenn die Wind- und Solarenergie ausfällt, die flexible Raffinerie, die davon betroffen ist und die Schmelze weitgehend weiterläuft.

Eine externe Festigung kann immer noch erforderlich sein, jedoch viel seltener, wodurch die festigende Kapazität, z. B. Borumba, für andere Zwecke frei wird. In den seltenen Fällen, in denen es landesweit zu einer solchen Dürre kommt, dass die Raffinerie und Borumba damit nicht zurechtkommen, wird die Notstromerzeugung (z. B. Gas) in Anspruch genommen.

Der Kocher verbraucht etwa zwei Drittel der Energie, die in einer Aluminiumraffinerie verbraucht wird, und etwa ein Drittel wird im Kalzinator verbraucht. Um es kurz zu machen: Um den Kalzinator zu entkarbonisieren, ist höchstwahrscheinlich Wasserstoff erforderlich. Ich ignoriere das teurere Problem der Dekarbonisierung des Kalzinierungszweigs der Aluminiumoxidherstellung.

Der Kocher, bei dem es sich im Grunde um einen Dampfkessel handelt, könnte beim Bau einer neuen Raffinerie „einfach“ mit Strom und mit relativ hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Im einfachsten Fall ersetzen Sie einfach die Gasheizung durch eine Widerstandsheizung.

Der Einsatz von Aluminiumoxidraffinerien als Nachfragesteuerung/Batterien erfordert keine gekoppelte Aluminiumhütte, aber wenn sie gekoppelt sind, wie in Gladstone, passt es sehr gut zum koordinierten Industrieregionsansatz, der zunehmend als der kostengünstigste und effizienteste Weg angesehen wird um die industrielle Dekarbonisierung anzugehen – siehe Climateworks-Bericht.

Tatsächlich ist die Nutzung von Aluminiumoxidraffinerien als Speicher/Nachfragesteuerung genau das, was aus einer breiteren Betrachtung hervorgeht.

Eine kurze Schätzung geht davon aus, dass die Fermenter in Queensland etwa 12–13 TWh Energie verbrauchen.

Daher verbrauchen die Aluminiumoxidraffinerien in Queensland mehr Energie, selbst in den Kesseln und bevor „Doppelkocher“ in Betracht gezogen werden, als die Aluminiumhütte.

Die kombinierte Position von Queensland erfordert also etwa 22 TWh erneuerbare Energie, wovon 60 % auf flexiblen Bedarf entfallen:

Da die Idee in dieser Anmerkung jedoch darin besteht, Fermenterwärme aus Solarenergie zu speichern, benötigen wir mehr Solarenergie und mehr GW.

Zunächst ist zu beachten, dass der gesamte Betriebsverbrauch von Queensland im vergangenen Jahr etwa 54 TWh betrug, sodass die Hinzurechnung der Aluminiumoxid-Raffinerie den Verbrauch um etwa 25 % erhöht.

Ebenso wird dadurch Gas für andere Zwecke freigesetzt, aber das ist für diesen Hinweis nicht von Belang. 13 TWh entsprechen im Großen und Ganzen 1,4 GW Dauerlast, und wenn wir es als Batterie betrachten, entspricht das etwa 70 % der vorgeschlagenen Größe der Leistung, die Borumba liefern kann.

Ich werde niemanden mit Fragen zu sozialen Lizenzen langweilen, aber wenn ich nicht noch ahnungsloser bin, als ich denke, dann werde ich wahrscheinlich ein Gewinner der sozialen Lizenzen sein, wenn ich den Raffinerien eine klare Zukunft sorge.

Erforderlich wären 12 GW statt 8 GW Wind- und Solarenergie; Je mehr Solarenergie, desto mehr GW. Tatsächlich ist es aber mehr als das, denn mitten am Tag muss genügend Strom produziert werden, um den Raffineriespeicher für den Nachtbetrieb zu füllen.

Ich habe das Portfolio so zusammengestellt, dass im Durchschnitt genügend erneuerbare Mittel vorhanden sind, um den Bedarf für jede halbe Stunde eines durchschnittlichen Tages zu decken.

Die Schmelzlast beträgt 960 MW und die zugrunde liegende Last des Aluminiumoxid-Kochers beträgt 1800 MW. Der Digestor wird in zwei Modi betrieben: Spitzenlast und Schwachlast.

Der Höhepunkt ist, wenn es sonnig ist. In diesem Modus nutzt der Fermenter tagsüber überschüssige Solarenergie, um seinen Speicher aufzuladen. Es wird davon ausgegangen, dass es sich bei dieser Speicherung um eine „billige“ Speicherung von Prozesswärme handelt.

In diesem Fall wird die gespeicherte Wärme lediglich dazu genutzt, den Fermenter teilweise nachts zu betreiben. Dies ist mehr als doppelt so effizient wie die Nutzung der gespeicherten Wärme zum Betrieb einer Turbine, die Strom erzeugt. Bei diesem System sind die Energieverluste sehr gering. Im Turbinengehäuse geht mehr als die Hälfte der Wärme verloren.

Der Fermenter wurde so modelliert, dass er in Nicht-Sonnenstunden mit einer Eingangsleistung von 900 MW betrieben wird, ergänzt durch Speicher. Auch dies ist eine Vermutung. Der Prozesswärmespeicher reichte aus, um die fehlenden 900 MW in sonnenfreien Stunden bereitzustellen.

In diesem Modell sind etwa 15 GWh Prozesswärmespeicher erforderlich (was etwa 900 MW für etwa 16 Stunden am Tag bereitstellt). Um den Speicher aufzuladen und auch die Raffinerie und Schmelze tagsüber zu betreiben, waren 4,5 GW Eingangsleistung erforderlich. Allerdings sind über Nacht nur 1800 MW Eingangsleistung erforderlich.

Der wichtigste Punkt ist, dass die Hütte selbst nur 960 MW benötigt. Da das System so dimensioniert ist, dass es über Nacht durchschnittlich mindestens 1.800 MW liefert, benötigt die Schmelze erst bei starker Winddürre Strom von außen.

Das folgende Diagramm zeigt, wie es an einem durchschnittlichen Tag über 508.000 modellierte halbe Stunden unter Verwendung angepasster, von AEMO bereitgestellter Wind- und Solar-REZ-Spuren für den Zeitraum 2024–2050 funktioniert.

Bei dieser Grafik handelt es sich natürlich nur um einen Durchschnitt. Wenn die Wind- und Solarenergie wegfällt, liegt die Belastung zunächst bei der Raffinerie und es geht ein Teil der Raffinerieproduktion verloren. Aber die Raffinerie kommt damit problemlos zurecht. Unser Hauptanliegen ist die Aufrechterhaltung der Stromversorgung der Schmelze.

Es stellt sich heraus, dass es für dieses Modell etwa 4200 halbe Stunden von 508.000 modellierten Modellen gibt; Das heißt, in weniger als 1 % der Fälle gibt es nicht genügend Wind- und Sonnenenergie, um die Schmelze zu betreiben. Die folgende Abbildung zeigt die Verteilung dieser halben Stunden nach dem Fehlbetrag.

Sie sehen, dass für 500 Stunden (0,1 %) der Zeit 300–500 MW externer Verstärkung erforderlich sind. Ein Gasgenerator oder eine Batterie könnten das problemlos bewerkstelligen. Es ist ein triviales Problem.

Wenn es so einfach wäre, wäre es schon erledigt.

Betrachtet man die physikalischen Probleme, stellt sich zunächst die Frage: Wie einfach ist es tatsächlich, 12 GW Wind- und Solarenergie für Gladstone zu erhalten? Im Moment können wir in New South Wales keinen neuen Wind bekommen, und selbst in Queensland, in dem wir uns wohl fühlen, läuft es noch nicht so richtig heiß.

Die solarthermische Elektrizität hatte in letzter Zeit einen schlechten Ruf. Es ist teuer und einige Anlagen hatten Betriebsprobleme. Der größte Nachteil solcher Systeme ist die Energieineffizienz. Das liegt daran, dass die gespeicherte Wärme in Strom umgewandelt werden muss, indem man sie durch eine herkömmliche Turbine laufen lässt, oft bei recht geringer Hitze. In diesem Fall wird die Wärme jedoch als Wärme wiederverwendet.

In Europa kann Wasser bei niedrigen Temperaturen viel Wärme speichern und zur „Fernwärme“ genutzt werden. Bei höheren Temperaturen wird normalerweise geschmolzenes Salz verwendet, es gibt jedoch einige Korrosionsprobleme.

Es kommt auf die Materialkosten, die Materiallebensdauer, das zur Speicherung der Wärme erforderliche Materialvolumen und die Speicherdauer der Wärme an. Bei Aluminiumoxid-Aufschlussgeräten handelt es sich um ein relativ einfaches Problem. Da es sich um einen täglichen Kreislauf handelt, muss die Wärme nicht sehr lange gespeichert und auch nicht transportiert werden.

Bei den meisten thermischen Speichertechnologien sind die Kosten für das Speichermedium äußerst günstig, die Kostenbalance muss jedoch gemeistert werden.

Durch die Speicherung von Wärme in Wasser mit sehr hoher Temperatur kann beispielsweise viel Energie in einem sehr günstigen Medium gespeichert werden, der erforderliche Drucktank wäre jedoch enorm teuer. Die Ansicht ist, dass für so etwas wie Aluminiumoxidraffinerien feuerfeste Ziegel und geschmolzene Salze die führenden Technologien sind. Einige allgemeine Kommentare sind:

Geschmolzenes Salz – Bewährt. Druckprobleme, wenn Sie es einfrieren lassen (tun Sie das nicht). Korrosionsprobleme und schwer zu pumpen. Nitratsalze gibt es nur in Chile und im Zusammenhang mit Düngemitteln kommt es zu Preisschocks.

Feuerfester Stein – Bewährt. Immer noch sehr günstig, aber nicht so günstig wie Steine ​​oder Wasser. Der „Tank“ ist sehr günstig, nur eine isolierte Box. Lässt sich wirklich gut skalieren – nutzt die drei am häufigsten vorkommenden Elemente auf der Erde. Kein Druck/Kriech/Verschlechterung. Keine Oxidation.

Keine speziellen Flüssigkeiten oder Geräte. Lädt außerhalb der Spitzenzeiten schnell, beim Entladen jedoch nicht so gut; Gut genug, um Grundlastwärme und etwas Flexibilität zu liefern.

Sand/Steine ​​– Sehr günstiges/reichlich vorhandenes Medium. Durch die Wärmeausdehnung entsteht Druck auf dem Tank, wodurch das Medium schließlich zu Staub zerfällt. Benötigt ein stärkeres Gebläse, um die Wärme ein- und abzuleiten, was die Hilfsverluste erhöht.

Geschmolzenes Metall – gute Wärmekapazität [in stationären Anwendungen eigentlich nicht wertvoll]. Oxidiert in heißer Luft – erfordert eine spezielle Barriere oder Flüssigkeit. Unbewiesene Materialwissenschaft für ein langlebiges Gut.

Graphit – sehr leitfähig, sodass Wärme leicht ein- und austreten kann. Nicht billig, aber nicht unerschwinglich. Angebotswettbewerb bei Lithiumbatterien. Entzündet sich in heißer Luft – erfordert eine spezielle Flüssigkeitsdecke.

Beton – normalerweise schlecht bei Hitze, keine besonderen Vorteile

Wenn ich die Kapitalkosten von 100 A$/kWh aus dem Nichts gezogen habe, dann kostet 1 GWh 1500 Millionen US-Dollar, nur als Beispiel.

Der eigentliche Punkt ist, dass, wenn Sie die Schmelze mit erneuerbarer Energie betreiben wollen, sie rund um die Uhr festen Strom benötigt. Wenn man nur die Schmelze und die beteiligte MW berücksichtigt, dürfte das teuer werden. Durch die Nutzung der flexiblen Raffinerien entsteht ein großer Mehrwert.

Trotz der Flexibilität des Systems wird es viele Fälle geben, in denen die Erzeugung viel zu hoch ist, als dass das Aluminiumoxid/Aluminium-System sie bewältigen könnte. Das liegt daran, dass ich das System so dimensioniert habe, dass im Durchschnitt genügend Leistung zur Verfügung steht.

Die Gesamtergebnisse des Portfolios sind nachstehend zusammengefasst. Im Durchschnitt stehen 0,8 GW Spotenergie zur Verfügung, maximal 6,3 GW. Das ist keine schlechte Sache. Es kann für viele andere Zwecke verwendet werden, einschließlich eines erheblichen Beitrags zur Stromversorgung in Queensland oder zum Betrieb beispielsweise einer wasserstoffbetriebenen Kalzinierung.

Ein Defizit in der obigen Abbildung liegt dann vor, wenn die variable erneuerbare Energieerzeugung (VRE) nicht ausreicht, um die Schmelze und Raffinerie mit voller Kapazität zu betreiben. Es wird davon ausgegangen, dass dies zu einem Verlust der Aluminiumoxidproduktion in Höhe von 1 Tonne pro 2 MWh führt

Wenn wir die tägliche Verteilung des Spot-Überschusses anhand des Medians und nicht anhand des Durchschnitts betrachten und so Extreme vermeiden, gibt es typischerweise immer noch einen Überschuss von bis zu 2,5 GW, wenn die Sonne auf- und untergeht, weil dann die Solarleistung am höchsten ist flüchtig.

Zu anderen Zeiten gibt es einen Überschuss von etwa 500–600 MW, um den Bedarf über Nacht anderswo zu decken. Theoretisch handelt es sich bei diesem Überschuss um einen relativ hohen Wert.

Der Wind- und Solareintrag wird selten genau der Nachfrage entsprechen. In den meisten halben Stunden wird es einen Über- oder Unterschuss geben. Wie bereits erwähnt, kann der Überschuss auf dem Markt verkauft werden, und in diesem Modell wird der Fehlbetrag als Produktionsausfall bewertet, etwa 700.000 Tonnen oder 10 % der Jahresproduktion.

Ich habe keine wirkliche Vorstellung davon, wie praktisch dieses System ist. Ich habe keine Ahnung, wie hoch die Kosten einer wettbewerbsfähigen Aluminiumoxidraffinerie sind. Ich weiß nicht wirklich, ob bei diesem Modell genügend Platz für den Wärmespeicher vorhanden ist, den man sich vorstellt. Ich habe keine Ahnung von Übertragungsproblemen.

Die größte Unbekannte aus wirtschaftlicher Sicht sind für mich die Kosten und die Leistung von Wärmespeichern.

In diesem Abschnitt stelle ich einige Preisannahmen auf und experimentiere mit den Zahlen, bis ich das gewünschte Ergebnis erhalte. Äh, Moment mal, das habe ich früher in der Forschungsabteilung gemacht! Das ist der wahre Deal... Nur ein Scherz. Tatsächlich können Sie für die Eingabepreise beliebige Zahlen festlegen. Bei diesen Zahlen handelt es sich um Übernachtungskosten ohne Berücksichtigung der Übertragung.

Der „grüne“ Preis wird als Konstante angenommen. Irgendwie kann man Wind- und Solarenergie für 60 $/MWh kaufen und erhält zusätzlich einen REC im Wert von 30 $. Dann kann man umkehren und die überschüssige Leistung für 50 $/MWh verkaufen, aber ohne Zertifikat.

Andererseits: Wer weiß schon, was die Kohleverstromung in Queensland künftig kosten wird. Es ist eine Art strittiger Punkt, weil alles verschwinden soll.

Der wichtigste Punkt könnte jedoch sein, dass man nur ein normales Maß an Optimismus braucht, um die Zahlen möglich erscheinen zu lassen, im Gegensatz zum Weltverbesserer-Super-Greenie-Maß.

Ich vermute, dass in diesen Summen ein paar Zeilen fehlen, aber zweifellos werden mich die vielen aufmerksamen Leser schnell auf die vielen Fehler aufmerksam machen.

Nach Ansicht von ITK ist jedes große erneuerbare Projekt in Queensland, das die Vorteile des Portfolios nicht nutzt, einschließlich einiger NSW-Windenergie, verrückt.

Die folgende Abbildung zeigt die Korrelation der Windleistung zwischen den verschiedenen REZs in Queensland und NSW. Grundsätzlich gilt: Je tiefer die braune Farbe, desto weniger korrelieren die beiden Zonen und desto geringer ist die Variabilität eines Windportfolios, das sie kombiniert.

Einige Zonen sind tatsächlich negativ korreliert. Negative Korrelation ist wunderbar, wenn Sie sie bekommen können. Das bedeutet, dass, wenn eine Zone nicht bläst, die andere wahrscheinlich bläst.

Eine sorgfältige Durchsicht der „Karte“ wird zeigen, dass die Kombination der Winde Q3 und Q4 mit den Winden N7 und N8 eine gute Idee wäre. Es könnte sein, dass dies in Wirklichkeit nur finanziell möglich ist.

Die Karte unten zeigt die Zonenstandorte. Plausible Portfolios, die nicht allzu viel Übertragungsphantasie erfordern, könnten N1 bis N3 sein, beispielsweise mit Q3 bis Q7. Q8 und Q9 liegen zu nahe an den nördlichen NSW-Zonen, einschließlich Orana, und bieten nicht den gleichen Portfoliovorteil.

Ebenso können großflächige Solaranlagen schneller gebaut werden und verursachen möglicherweise geringere Energiekosten als Windenergie. Angesichts des vorhersehbaren Überschusses an Mittagsstrom hinter dem Zähler könnte ein so großes Projekt das Risiko auch mit dem Zugang zum Spotmarkt bewältigen. Das bedeutet, dass Sie möglicherweise Ihr vertraglich vereinbartes Portfolio unterdimensionieren. Auch das wird hier ignoriert.

Für die meisten erneuerbaren Systeme in Australien besteht die allgemeine Erkenntnis darin, dass die ideale Mischung aus etwa 70 % Wind und 30 % Solarenergie besteht.

Aufgrund der großen Solarressourcen in Queensland und weil wir die Raffinerie(n) als Pseudobatterie betrachten; Lassen Sie uns den Solaranteil auf 50 % erhöhen, wobei beispielsweise 35 % des Stroms aus Queensland-Wind und 15 % aus NSW-Wind stammen.

Ich mache mir keine Sorgen um die Solarseite, außer dass die Ausbreitung der Solarenergie innerhalb von Queensland wahrscheinlich zu besseren Ergebnissen führen wird.

Bei diesen Zahlen handelt es sich lediglich um Vermutungen.

Alle realen Probleme wie die Übertragung werden völlig ignoriert.

David Leitch schreibt regelmäßig Beiträge für Renew Economy und ist Co-Moderator des wöchentlichen Energy Insiders-Podcasts. Er ist Direktor bei ITK und auf die Analyse von Strom, Gas und Dekarbonisierung spezialisiert. Er verfügt über 33 Jahre Erfahrung in der Börsenforschung und -analyse für UBS, JPMorgan und Vorgängerunternehmen.