Success with Energy Prices and Greenhouse Gases

Senate Briefing November 21, 2008

Ken ZweibelDirector

GWU Institute for Analysis of Solar Energy

Our Key Energy Problems

• Foreign Oil

• Energy Prices

• Carbon Dioxide

• Gas prices are less than they were, but do you want to repeat the escalation to $5/gallon and more?

The Plan To Get Rid of Foreign Oil

• What follows removes almost all foreign oil and its CO2 by 2020‐2025

• Prepares us to remove most CO2 by 2050

Step 1: Plug‐in Hybrids

• Get rid of gasoline. Add non‐CO2 electricity– There will be more electricity, not less

• Re‐tool American auto industry for success

Electric Transportation

• Plug‐in hybrids– Commuting – electricity

– Range – liquid fuel

– Charging

– Efficient electric motors (>90%, instead of 30% internal combustion engines)

– At today’s price of electricity, the electric portion of the operating costs for hybrids is under $1/gallon equivalent

• But the batteries cost a lot

– THIS IS A HUGE OPPORTUNITY FOR CHANGING OUR ENERGY WORLD!

Comparison of Plug‐In Hybrid Options

0100200300400500600

Gasoline Solar Electric Hybrid

US Electric Mix 

Hybrid

Estimated CO2 Emissions of Plug‐in Hybrids (g/mi)

Not including (1) battery CO2 footprint or (2) refining losses in gasoline, or (3) other noncombustion life-cycle losses in fossil fuels.

How Much Electricity?

About How Much Electricity?• 16.7 Quads go into light vehicles

• 24 Q are imported (2002)

• 70% eliminated by PHEV electricity, 12 Q

• At 2 Quads for growth during program:  14 Q oil can be displaced

• 14 Q at 290 TWh/Q is 4000 TWh

• But efficiency of electric motor is at least a factor of 3 better than internal combustion: 4000/3 = 1340 TWh electricity need

• Add for 25% transmission and battery turnaround losses: need 1800 TWh new non‐CO2 electricity

• This should be a conservative number in the sense that less new electricity may be sufficient (needs more refined analysis)

• Need 1800 TWh of non‐CO2 electricity to displace 14 Quads of oil using plug‐in hybrids

• Not enough to displace all imports

Next 15 Years

• Transition to Plug in Hybrids (PHEV)

• Huge Build‐out of Wind

– 20% of US electricity (800 TWh) – DOE goal

– Mostly nighttime charging

– “Not so dumb” grid

• Pings accessibility of electricity before charging

• Meets almost half the potential electricity demand to eliminate 14 Q of oil (i.e., 6 Q offset)

• Where’s the rest to come from?

Step 2

• More (more‐expensive) wind– 200 TWh more

• Solar

• Cellulosic biofuels

Biofuels

• For– Chemical feedstocks

– PHEV liquid fuels

– Planes and Trucks

• How much?– Estimates about 10‐20 Quads of accessible cellulosic feedstock

• Offset 13 Q of oil (“soft” estimate)

• See “Billion Ton Vision” Perlack et al. 2005

Where Are We

• Wind powered PHEV: 8 Q oil offset– Over half of PHEV potential of 14 Q

• Cellulosic biofuels: 13 Q– For PHEV range and key liquid fuels

• 21 Quads (70% of imported oil goal)

• Next, solar

There’s Plenty of Solar1 day of unconverted US solar energy: 48,000 TWh

1 year of US electricity: 4000 TWh

Let’s Remind Ourselves that Solar Already Exists

Solar and New Nighttime Demand? Huh?

• Commuters will charge at night• But others will charge day or night

– Not everyone has a garage

• We meet most demand for charging with wind and more fossil fuels at night

• But with solar, we displace the fossil fuels we add at night and meet some daytime charging

• NO NET NEW FOSSIL FUELS ARE ADDED, AND ALL NEW ELECTRICITY COMES FROM WIND AND SOLAR!

Does this make sense?

• Can this be done within the constraint of not adding new conventional electricity generation?– To avoid new CO2

How Much Solar?

• If 1000 TWh/yr of this is wind…• Then we need another 800 TWh/yr of solar to fully offset the 14 Q of oil we can offset with PHEVs

• At solar output of 1.6 kWh/W‐yr installed (slightly higher than US average sunlight), this is about 500 GW of new solar capacity

• Does this mix of wind and solar meet our needs?– Remember, we may need a lot of new energy at night– The biofuels address the other portion of PHEV fuels

Notional Mix of Sources To Meet Charging Needs While Subtracting CO2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Day Night

Wind

Solar

Conventional

0

1

2

3

4

5

6

7

Day Night

Wind

Solar

Conventional

Now 2020

Total from conventionalsources unchanged

Nighttimedemand metby wind &shifting conventionalsources

One unit is 444 TWh

Aren’t there some devilish details?

• Land for solar

• Cost 

• Solar and wind intermittency

• Transmission

• Speed of adoption

How Much Land Is 500 GW Solar?

• Ignore rooftops to get a “worst case” land use

• About 13,000 km2 (114 km on a side)– Assuming 40 W/m2 of land use

• Less than 0.2% of US “lower 48” land area (8 million km2)

• Is this a lot?

Land Use is a Strength for Solar

Conventional Solar

Hydro Hydro lakes over 1% US land7% electricity300 TWh/yr

0.2% US land is 800 TWh/yr (20% US electricity)16 times less land than hydro per kWh

Coal About the same as solar when strip mining included

With solar, the land is not destroyed

Biomass Plant efficiency less than 0.1% after conversion to useful work

Efficiency and land use about 40 times better than biomass (and no water or food issues)

Can We Do This Quickly?

•Current world PV production is about 5 GW/yr

•Typical growth rate of PV about 50%

•At that growth rate, and assuming 1/3 goes to the US, we accumulate 500 GW installed and 800 TWh/yr in the US in 2018 (10 years)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

US

PV In

stal

led

Growth of PV from 5 GW @50%/yr Growth, 1/3 in US

GW World Annual PV

GW US Annual Installed PV

GW Cumulative US Installed PV

TWh/yr in US SW

800 TWh in 2018

Where Does This Put Us?

• 8 Q from wind

• 13 Q from liquid fuels from biomass

• 6 Q from solar

• 27 Q of displaced oil– 14 if biofuels completely fails

• More than we currently import

– Stop oil price rises dead in their tracks

Timeframe?

• Solar can do it in under 15 years

– PV alone or PV and CSP

• Wind can do it in the same timeframe

• Biofuels unproven, but we don’t have to wait for them

• PHEV fleet may be gating item

– How fast are we willing to change?

– Probably can stabilize prices just by starting, but not stabilize CO2 unless we finish what we started

How Much Would It Cost To Eliminate 14 Quads of Oil?

Ignoring Biofuels

What Are the Major Costs?

• Solar:– $1.5 trillion (~$3/W for 500 GW)– Today’s best solar is $4/W and with volume and technology learning, $3/W seems valid

• Wind:– $0.6 trillion (400 GW of wind at $1.5/W)

• Transmission and grid upgrades– $0.5 trillion

• Operating costs ($50 B/yr)• Plug‐in hybrids instead of gasoline‐powered cars• 13 other Q from biofuels (will not discuss)

How Much Does the Electricity Cost?

Annual electricity produced by solar and wind

Annual operating cost of  solar, wind, transmission

Capital investment for solar, wind, transmission

Annualized capital cost  of solar, wind, transmission (Principal and Interest, 30 year 6% loan)

Cost of solar and wind electricity (operating + loan divided by output)

1800 TWh $50B $2.6 trillion $200 billion 13 c/kWh

Simplified levelized cost of electricity, ignoring taxes and depreciation. After loan paid off, solar electricityoperating cost drops to almost zero (not included in analysis).

By that time, we may be paying more than 13 c/kWh for conventional electricity, especially if we use it for plug-inhybrids

Cost to the Driver (no biofuels)Price of gasoline per gallon

Annual loan payment on $10k added hybrid cost (6 yr, 6%)

Annual cost of electricity for hybrid (10k miles@ 3 mi/kWh & 13 c/kWh)

Annual cost of gas for hybrid (125 gallons to drive 2500 mi @ 20 mpg)

Cost of fuel for gasoline vehicle @ 20 mpg

Plug‐in hybridsavings

$2 $2000 $400 $250 $1250 ($3400)$3 $2000 $400 $375 $1875 ($900)$4 $2000 $400 $500 $2500 ($400) $5 $2000 $400 $625 $3125 $100 $6 $2000 $400 $750 $3750 $600

-Breakeven at about $5/gallon gasoline-Highly dependent on cost of batteries-Highly dependent on financing and tax considerations-Not very dependent on price of electricity

What Solar Issues Are Left?

• Intermittency

• Distant resources

• Short answer: the same solutions as work for wind, work for solar

Solutions

• Solar variability can be overcome at the regional and national levels when they are aggregated

• Short term, at low usage, solar is invisible (like demand fluctuations)

• As solar becomes larger, the grid can be altered to compensate

Grid Responses

• Traditional back‐up power (natural gas) for smoothly varying gaps in solar and wind (weather fronts and filling in when solar is naturally less than midday)

• Aggregated transmission

– Smoothes renewable output, allows diverting power more responsively

• Reverse flow from plug‐in hybrid batteries

– Can be used as source for the small amount of power needed to fill sudden intermittency shortfalls

• Smarter grid

– Turns on/off some insensitive demand

• More storage as needed (compressed air, CAES)

Where do we install the solar?

• Like wind, solar economics benefit from using the most intense resource– Making solar electricity is about 50% cheaper in the US Southwest

– But losses from transmission eat up about half that difference for distant loads (North East)

• Most likely distribution?

– 40%‐80% in the Southwest

– 20%‐60% distributed throughout the country

0

10

20

30

40

50

60

70

CO2 now CO2 later

Q as proxy for CO

2

CO2 reduction

Don’t turn off electricity,Turn off Gasoline !

Denoument• Instead of thinking of shutting down existing coal plants, 

we should be thinking of eliminating foreign oil and using our existing fossil fuel plants to backup solar and wind 

– But no need for new ones

• This will avoid the issue of abandoned assets (which still have to be paid for), while solving our key problems – oil prices and carbon dioxide emissions

• Then we can move on to the next level of CO2 reduction post 2020

Government Role: Resources, Focus, Facilitation

• Implement plug‐in hybrids

– Re‐tool Detroit

– Lower cost batteries 

• Catalyze existing solar and wind

• Improve grid and long‐distance transmission

• Develop cellulosic ethanol

• Manage hyper growth

– Avoid pinch points and shortages

– Properly schedule new capacity with demand

– Favor lower prices

– Assure local content

– Short‐circuit financial manipulation

Thanks

Transmission Opportunities

The Sun Is Always Shining: Siemens HV DC Vision

Siemens 2007, EPRI, DC_Solutions_EPRI_Conference_09-07_V_1b, slide 47

12,000 mile transmission, about equivalent to storage losses (0.9720>0.5)Can balance night/day (east-west) and seasons (north-south)

International Transmission

• Could be cheaper than storage (capital plus losses)• Removes sudden peaks and valleys due to geographic distribution (avoids correlated cloud events)

• East – West– Extends daylight hours– Eventually could be “24 hour”

• North – South– Ameliorates seasonal solar variations (always about the same output)

• Someone with world unification ideas could run with this one…

Module Manufacturing Cost Reduction Roadmap

First Solar PV Modules

50‐55% 

16‐18%

15‐17%

7‐8%

4%3%

ThroughputQ1 07Cost/Watt

Plant ScaleEfficiency Low CostLocation

Spending 2012Cost/Watt Target

100% 

$0.65 ‐ .70/W

$1.29/W

First Solar Balance of System Roadmap

1/3 of the total balance of system cost savings are driven by our roadmap to achieve at least 12% conversion efficiency

Project Costs

OHInverter Mech. Install

Elect. Install

2012 BoSTarget

69‐59% 

6‐8%

12‐14%

2‐4%

5‐7%

6‐8%

2007 BoS

100% 

~$1.56 /W

~$1.00/W Target

Roadmap Result

• $1.75/W installed systems cost

• With margin, $2/W system price

• Well below the $2.5/W goal to make solar equivalent to coal for a 12‐year program