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Dienstag, 6. Dezember 2011

Energieversorgung in Deutschland

Das folgende Papier wurde als Einführungstext für die Sylter Runde "Energie" erstellt.

Sylter Runde Energie

Energie ist die entscheidende physikalische Größe, die es erlaubt, Ordnung in die Welt zu bringen.

Mit der Fähigkeit, gespeicherte Energie in Form des Feuers aktiv für eigene Zwecke zu nutzen, hat die Menschheit praktisch unbegrenzte Fähigkeiten für die Organisation der Welt gewonnen. Dieser mythologisch mit Prometheus verbundene Vorgang ist einmalig, und wir stehen möglicherweise am Ende einer Jahrtausende währenden Entwicklung.

Gespeicherte Energie ist eine Rarität und ist daher schnell konsumiert,  jedoch schwer wieder zu gewinnen, da einmal verbrauchte Energie nicht, wie bei Metallen üblich, recycelt werden kann. Daher werden die Prognosen von Meadows über die Grenzen des Wachstums auch zuerst an den endlichen Vorräten gespeicherter Energie in Form von Öl, Gas und Kohle sichtbar. Zudem ist die CO2-Müllhalde Atmosphäre endlich und droht unter dem hohen CO2-Anteil, gefährliche Veränderungen des Strahlungshaushalts zu verursachen, die eine unkontrollierbare Veränderung der Temperatur der Biosphäre bedeutet. Daher wird es zwingend zu einer Entcarbonisierung der Energieproduktion kommen.

Die Alternativen bei der Energieerzeugung sind überschaubar, es kann die in Uran und Thorium gespeicherte Kernenergie mit geeigneten Reaktoren in Strom umgewandelt werden. Dieser Weg verursacht verschiedene Probleme, die unsere Gesellschaft in Deutschland nicht tragen will. Letztendlich ist aber auch die Nutzung der Kernenergie aufgrund der endlichen Ressourcen nicht beliebig lange möglich, da innerhalb einiger Generationen auch diese Speicher erschöpft sind.

Verbleibt als einzige dauerhafte Energiequelle die Sonne, deren Strahlkraft für die nächsten Äonen gesichert erscheint. Sonnenenergie ist zwar scheinbar kostenlos, die Umwandlung in nutzbringenden Strom erfordert aber erhebliche Investitionen, unabhängig davon, ob man eine direkte Umwandlung in Solarzellen, in konzentrierenden Solarkraftwerken oder eine indirekte in Form von Wind- oder Wasserkraftwerken anstrebt. Wobei letztere inzwischen weitgehend alle verfügbaren Gefälle nutzen.

Da die Strahlungsleistung der Sonne, die auf die Erde fällt, um etwa den Faktor 10.000 größer als der Energiebedarf unserer heutigen Zivilisation ist, kann von Energieknappheit im weiterem nicht gesprochen werden. Allerdings gibt es zwei neuartige Engpässe. Zum einem sind die Flächen und Investitionen, die für die Umwandlung der Energie benötigt werden nicht beliebig vorhanden, mithin besteht also ein einfaches wirtschaftliches Knappheitsproblem, das letztendlich über den Preis gemanagt werden kann. So ist es gelungen, dass bereits heute 20% der elektrischen Energie in Deutschland aus erneuerbaren Quellen stammen. Eine Verfünffachung erscheint in den nächsten zwanzig Jahren auch unter pessimistischen Annahmen nicht unmöglich.

Wesentlich schwieriger ist das Problem der fluktuierenden Quellen. Sowohl Wind als auch Sonne und im geringerem Maße Wasser, sind schwankende Energiequellen, die sich nicht an den Bedarf der Gesellschaft anpassen. Daher kann sich entweder die Gesellschaft an den Bedarf anpassen, was heute unter dem merkwürdigen Begriff „smart Grid“ propagiert wird, oder die Energie wird gespeichert.

Das Speichern von Strom ist allerdings eine äußerst schwierige Angelegenheit. Letztendlich gelingt es großtechnisch nur in Pumpspeicherwerken, in denen Wasser von einem tieferen Niveau mittels überschüssiger elektrischer Energie auf ein höheres Niveau angehoben wird. Bei Bedarf treibt das herabstürzende Wasser eine Turbine mit Generator für die Stromerzeugung an.  Der Wirkungsgrad von 80% ist dabei so gut und die Investitionen sind so gering gewesen, dass dieses Verfahren heute eingesetzt wird, um kommerziell Arbitragegewinne aus dem geeigneten Betrieb solcher Anlagen einzufahren.

Betrachtet man die gespeicherten Energiemengen, sieht man allerdings sofort das Problem. Alle Speicherkraftwerke in Deutschland, die im Verlauf von 80 Jahren gebaut wurden, können gerade einmal 30 Minuten das Land mit Strom versorgen. Aus präzisen Analysen und Simulationsrechnungen wird der Speicherbedarf für eine vollständig auf erneuerbare Quellen basierende Stromversorgung auf sieben Tage geschätzt. Das ist das 280-fache der bisherigen Speicherkapazität oder in anderen Worten,  die Speicherkapazität muss innerhalb von wenigen Jahren um 28.000% gesteigert werden.

Dies ist offensichtlich nicht mit Pumpspeicherkraftwerken innerhalb der Landesgrenzen möglich. Daher könnte eine Alternative die Speicherung in Norwegen sein. Ein Land, das aufgrund seiner günstigen Orographie mehrere Tagesladungen deutscher Stromversorgung speichern könnte. Dabei sind erhebliche Investitionen in Fernleitungen zu tätigen, die aber prinzipiell nicht unmöglich sind. Eine andere Frage ist die politische Abhängigkeit von einem Land als Speichereigner.

Eine besondere Form des Pumpspeichers ist der Lageenergiespeicher, der mit Wasserdruck einen sehr großen Felszylinder anhebt, der mit bergmännischen Verfahren aus der Umgebung abgelöst wurde. Dieses Verfahren hat den Charme, dass die Speicherkapazität mit der vierten Potenz des Systemradius wächst, während die Baukosten, die im Wesentlichen durch die Freilegung der Oberfläche bestimmt sind, nur mit der zweiten Potenz wachsen. Damit sind theoretisch beliebig preiswerte Speicher möglich.

Chemische Verfahren der Energiespeicherung skalieren nur bei der Umwandlung in Wasserstoff, da Wasser praktisch unbegrenzt vorhanden ist. Die Speicherung großer Wasserstoffmengen bereitet aber durchaus Probleme, weshalb die weitere Umwandlung in Methan vorgeschlagen wurde. Aus diesem Methan kann letztendlich wieder Strom über Gasturbinen gewonnen werden. Bei dieser langen Kette der Umwandlung bleibt allerdings nur ein Drittel der ursprünglich eingesetzten elektrischen Energie übrig, das entspricht einen Wirkungsgrad von 33%.

Andere Konzepte sehen die Nutzung von Biomasse in Zeiten zu geringer Energielieferung vor, dabei ist jedoch die Biomasse wesentlich ökonomischer für zukünftige Konzepte des Verkehrs geeignet. So ist der Luftverkehr praktisch zwingend auf kohlenstoffhaltige Speicher, heute Kerosin, angewiesen. Der Gütertransport benötigt Diesel, zukünftig wohl Biodiesel, die Schifffahrt ist ebenfalls auf solche Treibstoffe angewiesen.

Generell ist der Verzicht auf ein Speicherkonzept sehr unökonomisch, da große Energiemengen sowohl bei Wind als auch bei Sonne nicht direkt verbracht werden können, wenn diese im Überfluss anfallen. Eine generelle Entschärfung des Problems stellt die Verbesserung des Stromnetzes dar. Bei einem hypothetischen Netz, das den gesamten europäischen Kontinent optimal überspannen würde, werden nur noch zwei, statt sieben, Tagesladungen Speicherkapazität benötigt. Die Rechnung mit sieben Tagesladungen geht, das sei angemerkt, von einem perfekten Stromnetz in Deutschland aus, das in dieser Form noch keineswegs existiert.

Die Entwicklung des Stromverbrauchs wird von verschiedenen Quellen unterschiedlich angesetzt. Dabei geht man in allen Szenarien von einer energetischen Optimierung der stromverbrauchenden Systeme aus. Ein Trend, der praktisch seit fünfzig Jahre anhält, genauso, wie die ständige Elektrifizierung aller Systeme, die der Verbrauchsminderung entgegenläuft. In der Summe ist der Stromverbrach in Deutschland daher seit fast 40 Jahren annähernd konstant und es ist keine gewagte Prognose, dies für die nächsten 40 Jahre genauso anzunehmen. Am Rande sei hier bemerkt, dass es kein Land auf der Erde gibt, das mit weniger als 5.000 kWh Stromverbrauch pro Einwohner und Jahr eine durchschnittliche Lebens­erwartung von über 80 Jahren seinen Einwohnern bieten kann!

Die Bundesrepublik hat als führende Industrienation eine hochgradig von der Stromversorgung abhängige Industrie- und Gewerbestruktur. Aufgrund der bisherigen Zuverlässigkeit der Stromversorgung, die auf gespeicherter Energie basiert, ist noch kein Bewusstsein für die kommende Problematik eines schwankenden Angebots vorhanden. Es gibt eine Energiebörse, die EEX in Leipzig, die eine sehr hohe Transparenz bietet, wie das aktuelle Angebot ist, aber auch dort werden nur aktuelle Strommengen verteilt und nicht zukünftige Situationen, die erst in zehn oder zwanzig Jahren auftauchen, gehandelt.

Damit liegt ein „terra inkognita“ der Stromversorgung vor uns. Welche Pfade sicher und wirtschaftlich ans Ziel führen sollte man frühzeitig analysieren. Geeignete Entscheidungen müssen im Konsens mit der Bevölkerung gefunden werden, die zwar sehr streng ist was die richtige oder vermeintliche Schonung der Welt betrifft, die aber auch erstaunlich offen für neue Entwicklung und daraus entstehende Kosten ist, man denke nur an das EEG.


Das Memorandum der Sylter Runde zum Thema Energie ist online.

Autor: EduardHeindl

Freitag, 2. Dezember 2011

IRES Konferenzsplitter 2011

Die IRES 2011 Konferenz in Berlin hat sich , wie jedes Jahr, mit der Speicherproblematik beschäftigt. Diese, noch von Hermann Scheer 2006 ins Leben gerufene Veranstaltung, soll das Problem der Speicher, die ja mit dem Umstieg zu erneuerbaren ein wichtiges Element sind, adressieren. Mit über 600 Teilnehmern war das Event im Berliner Congress Centrum, einem alten DDR Bau, gut besucht.
Berliner Congress Centrum

Speichergröße
Thematisch stand unter anderem die Frage im Mittelpunkt, wie viel Speicher brauchen wir. Das Resultat liegt bei mindestens eine Woche Stromspeicherkapazität! In anderen Worten 11 TWh oder 11.000 GWh oder 11.000.000 MWh oder 11.000.000.000 kWh. Man würde nun vermuten, dass Speicher mit vielen GWh Kapazität vorgestellt wurden. Das war aber selten der Fall. Die meisten Lösungen, zumeist Batterien, bewegten sich im einige 100 kWh Bereich. Sehr unbeliebt war die Frage nach dem Preis, die zumeist mit "noch nicht bekannt" oder in Zukunft niedriger als 1000 €/kWh beantwortet wurde.
Bemerkenswerterweise wurde ein Vortrag über den Lageenergiespeicher, der immerhin 2 TWh speichern kann, abgelehnt. Das Poster dazu durfte zwar ausgestellt werden, erschien aber erstaunlicherweise nicht im Poster-Verzeichnis. Man sollte wissen, dass Scheer ein frenetischer Anhänger von dezentralen Lösungen war. Ein Ansatz der in einem Stromnetz sehr fragwürdig ist, da nur ein gutes Leitungsnetz die Chance zum Speichern des Stroms bietet. Ohne Leitungsnetz müsste jeder Haushalt wohl Strom für ein halbes Jahr aufbewahren, ein unmögliches Unterfangen.
Stromangebot und -nachfrage im Jahreslauf und die zwergenhaften Pumpspeicher
Thermische Speicher
Ein weiterer Aspekt waren Verfahren zum Speichern thermischer Energie. Eigentlich ein Unding, Strom in Wärme umzuwandeln, um die Energie dann nach einiger Zeit als Wärme abzurufen. Jede thermische Solaranlage könnte es besser, aber im Anbetracht der fehlenden Speicherkapazitäten eine Art "Notnagel".
Tatsächlich ist die Wärmekapazität aller Warmwasser-Boiler erheblich, wie eine kleine Abschätzung zeigt. Bei 30 Mio. Boilern, á 200 l ergibt das beim Aufheizen von 10 °C auf 80°C eine Energiesenke für 490 GWh Strom, der auf dem Markt oft nahezu kostenlos in Zeiten der solaren Überproduktion ist, der aber dem Betreiber der PV-Anlage etwa 30ct/kWh bringt. Mithin würden bei so einem Aufheiz-Zyklus 147Mio. Euro "verbrannt" oder verkocht, je nach Perspektive.
Elektroautos
Die große Hoffnung, dass wir unsere regenerative Energie in den Batterien unserer Elektroautos speichern können, ist zum Teil richtig. Um alle 30 Mio Elektroautos der Zukunft (2030?) aufzuladen, benötigt man eine vergleichbare Strommenge wie für das Heizen der Wasserboiler. Allerdings ist die Energie schlecht abrufbar, da vermutlich nur wenige eine geleerte Batterie nach einer dunklen Nacht wünschen.
Bemerkenswert ist, dass etwa die Hälfte der Autos tagsüber auf Firmenparkplätzen stehen, die gute Plätze für das Tanken von Solarstrom sind. Die verschiedenen technischen Hürden, etwa Zähler, Stecker, Anschlussleistung usw. wurden angesprochen und können in der Praxis ein Problem werden.
System Energieangebot und Nachfrage, Michael Sterner vom IWES

Wasserstoff, Erdgas und Erdgasnetz
Die Umwandlung von Strom in Wasserstoff ist bekannt und erscheint in vielen Vorträgen. Ein weiterer Schritt ist die Umwandlung von Wasserstoff in Methan, wie er von Michael Sterner propagiert wird. Dieses Erdgas kann man relativ problemlos in ungeheuren Mengen in das Erdgasnetz einspeisen. Damit kann man in der Tat alle überschüssigen Strom, der durch Wind- und Solarkraftwerke entsteht, abfangen. Vorausgesetzt, es werden sehr viele Elektrolyseure im GW Bereich bereitgestellt. Der nicht unerheblicher Flächenbedarf sein erwähnt.
Diese Projekte werden von der Autoindustrie vorangetrieben, weil man eine gewisse Hoffnung hat, damit den Verbrennungsmotor am Leben zu erhalten. Vergleicht man aber den Wirkungsgrad eines Verbrennungsmotors, der bei ca. 20% liegt, mit den hocheffizienten Elektromotoren (>90%), und kalkuliert noch die Umwandlungsverluste bei Elektrolyse und Methanisierung ein, so bleiben traurige 10% des Solarstroms für eine sinnvolle Verwendung übrig. Ein Elektroauto kann hingegen 80% der Solarenergie sinnvoll nutzen.

Die Folgerungen von Matthias Popp

Fazit
Die Konferenz hat einen guten Überblick geliefert, wenn auch nicht alle Fragen geklärt sind, so wird zumindest das Thema Energiespeicher inzwischen ernst genommen. Eine Lösung ist aber noch nicht in Sicht. Im Gegensatz zur IRES 2010 habe ich in diesem Jahr jeglichen visionären Vorschlag zu Speichern vermist.

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

Sonntag, 6. November 2011

Jeder wird Energiepolitiker

Wenn ich mit Menschen über Energie diskutiere, habe ich oft das Gefühl, jeder glaubt, er ist ein guter Energiepolitiker. Das Beste, um seine eigene Kompetenz im Energiebereich zu erhöhen ist, wenn man mal selbst versucht, ein gut funktionierendes Szenario für die Zukunft zu entwerfen. Das war bisher schwer.
Ausschnitt aus dem Programm "Pathways analysis
Online Simulator
Jetzt gibt es auf der Website von "without-the-hot-air" von Professor David JC MacKay aus Cambridge einen Onlinesimulator zum Berechnen von Zukunftsszenarien. 
Man kann jetzt nach belieben neue Windräder und Speichersysteme aufstellen, Kernenergie abschalten oder ausbauen oder exotische Quellen wie Wellen und Gezeiten nutzen. Allerdings geltend die Rechnungen nur für England, der Unterschied zu Deutschland dürfte aber eher gering sein. Schön wäre natürlich so ein Tool auch für Deutschland, wo etwas mehr Sonne scheint und praktisch keine Gezeiten genutzt werden können.
Sehr gut ist, dass man auch die Verbrauchsgewohnheiten im Land ändern kann. 
Schwere Entscheidung
Welchen Weg soll man wählen, setzt man nur auf Wind und Sonne, oder darf es auch etwas Kernenergie sein. Man bemerkt sehr schnell, dass es sehr schwer ist, gleichzeitig CO2 einzusparen, die Produktion nicht abzuwürgen, auf Kernenergie zu verzichten und dabei noch die Landschaft für die Lebensmittelproduktion zu nutzen.
Das Programm ersetzt automatisch fehlende Energie durch Gaskraftwerke, aber ob das in 2050 so einfach geht, darüber kann man seine Zweifel haben.
Gute Grafik 
Erstaunlich ist, dass das alles innerhalb des Browsers funktioniert, zumindest bei meinem Google Chrome, und schön sind auch die grafisch präsentierten Ergebnisse anzusehnen. Mit etwas Englisch und Energiewissen sollte eigentlich damit ein netter "Simulationsabend" herauskommen.

Freitag, 28. Oktober 2011

Strom als Erdgas speichern


Energieträger Methan
Erdgas ist ein sehr vertrauter Energieträger, der bisher aus natürlichen Lagerstätten (Aus der Erde, daher Erd-Gas) gewonnen wird. Aufgrund endlicher Lagerstätten und der Problematik, dass die Verbrennung von Erdgas CO2 erzeugt, sollte Erdgas, genaugenommen Methan, in Zukunft anders gewonnen werden. Eine faszinierende Idee ist, Erdgas aus Strom zu erzeugen. Damit hat man scheinbar zwei Probleme auf einmal gelöst, Strom kann in Form von Erdgas gespeichert werden und klimaneutrales Erdgas steht zur Verfügung wenn der Strom aus erneuerbaren Quellen stammt.
Das Erdgas zu Methan Verfahren, immer wenn Pfeile eintreffen, wird Material oder Energie eingespeist, Am Ende entsteht SNG, "Synthetic Natural Gas" also Methan. Für die Stromerzeugung sind weitere Schritte nötig.
Quelle: Specht [1]

Energieverbrauch
Betrachtet man den Erzeugungsprozess genauer, gibt es einige bemerkenswerte Probleme. Zunächst muss als Vorprodukt für Methan Wasserstoff erzeugt werden. Dies erfolgt durch Elektrolyse, ein altbekanntes Verfahren, das allerdings unter realistischen Bedingungen keinen besonders guten Wirkungsgrad hat. Danach wird aus dem Wasserstoff unter Zugabe von CO2, in einem Druckreaktor Methan. Auch dieser Prozess hat nur einen begrenzten Wirkungsgrad, insbesondere muss im Reaktor eine erhebliche Temperatur von über 500 °C herrschen. Dieses gewonnene Methan muss unter Druck gesetzt werden und kann damit in das Erdgasnetz eingespeist werden. Das Erdgasnetz in Deutschland hat aufgrund der enormen Kapazität von Druckkavernen ein sehr hohes Speicherpotential von rechnerisch 130TWh Elektrizität.
Wirkungsgrad
In einem letzten Schritt wird jetzt aus dem Erdgas Strom erzeugt. Dies geschieht am besten mit einer Gasturbine und einem Generator. Unter Einsatz der besten verfügbaren Turbinen (GuD-Kraftwerk) erreicht man einen Gesamtwirkungsgrad von 37% laut Sterner [1, Seite 345]. Es sei angemerkt, dass Sterner als Erfinder des Konzepts in seinem Artikel sicher eine sehr optimistische Abschätzung des Wirkungsgrads angibt.
Technischer Aufwand
Neben den niedrigen Wirkungsgrad muss man den Aufwand für die Erzeugung des Methangases berücksichtigen. In der Kette kommen zwei chemische und eine Anlage zur Stromerzeugung zum Einsatz. Berücksicht man nur die Umwandlung von Wasserstoff zu Methan, die in einer Containerbasierten Anlage mit einer Leistung von 50kW am ZSW realisiert wurde, so ergibt sich, dass man für die Speicherleistung 5 GW bereits 100.000 Container benötigt. Dies entspricht einer Fläche von 20 km². Veranschlagt man pro Container Kosten von 100.000€ so wird allein die Umwandlung in Methan eine Anlage mit 10 Mrd. Euro erfordern. Es ist schwer vorstellbar, dass ein derartiges Konzept im großen Maßstab wirtschaftlich betrieben werden kann. Allerdings könnte in einzelnen Fällen unter speziellen Einspeiseregeln, etwa zur Optimierung der vorhergesagten Leistung einer Windkraftanlage, eine solche Anlage Sinn machen. 
Quellen:
[1] M. SPECHT, u.a.,.ERDÖL ERDGAS KOHLE 126. Jg. 2010, Heft 10

Lesen Sie auch: Power to Gas

Samstag, 8. Oktober 2011

Speicherstudie der KfW

Die KfW Bankengruppe hat eine kurze aber lesenswerte Studie zum Strom-Speicherproblem in Deutschland herausgebracht. (Download)
Der aktuelle Stand des politisch gewollten Ausbaus der erneuerbaren Energien soll dazu führen, dass bereits 2020 35% des Stromverbrauchs durch erneuerbare Energien gedeckt wird. Im Jahr 2010 lag der Wert noch bei 17%. Das entspricht also einer Verdoppelung innerhalb von zehn Jahren. Danach geht es "gemütlicher" weiter, so soll der Ausbau von 2040 auf 2050 nur noch eine Steigerung um etwa ein Viertel, dann auf 80% Anteil, betragen.
In der Studie wird sehr klar dargestellt, dass ab dem Überschreiten einer gewissen Schwelle der Produktion von erneuerbarer Energie die Nutzung von Speichern zwingend ist, will man nicht den ökologisch erzeugten Strom wegwerfen.
Speichertechnologien
Es werden dann alle auf dem Markt verfügbaren und einige im Labormaßstab vorhandenen Technologien nach ihrer Eignung für die Speicherung von Solar und Windenergie geprüft.
Dabei sollte nach Meinung der Autoren eine gute Speichertechnik folgende Qualitäten mitbringen:
  • Hohe Kapazität
  • Große Leistung
  • Guter Wirkungsgrad
  • Geringe Selbstentladung
Von den untersuchten Speichern:
  • Pumpspeicher
  • Druckluftspeicher
  • Wasserstoffspeicher
  • Lithium-Ionen Akkus
  • Redox-Flow-Batterien
Sind nur die ersten Zwei in der Lage, zumindest einen Wochenausgleich zu liefern. Wasserstoff hat mit 40% einen zu geringen Wirkungsgrad, Lithium Akkus sind viel zu teuer und Redox-Flow-Batterien haben einen sehr hohen Preis für den Konverter, etwa zehnmal teurer als eine Turbine.

Allerdings gibt es ein Problem, in Deutschland ist kein Platz für Pumpspeicher mit großer Kapazität. Der Vorschlag die Speicher in Norwegen zu bauen hat einige Nachteile, insbesondere müssen sehr teure Seekabel verlegt werden. Aber auch die vollständige Abhängigkeit von einem anderen Staat bei der Stromversogung ist bedenklich.
Druckluftspeicher können theoretisch mit 70% Wirkungsgrad arbeiten, allerdings fehlt heute die notwendige Turbinentechnik, die die entsprechenden Temperaturen und Drücke gut verträgt. Ein noch größeres Problem sind riesige, isolierte Hochtemperatur-Wärmespeicher die entsprechende Drücke aushalten. Diese Systeme werden immer sehr teuer bleiben.
Lageenergiespeicher
Leider wurde der Lageenergiespeicher noch nicht in die Betrachtung mit einbezogen. Er erfüllt alle Kriterien sehr gut:
  • Hohe Kapazität (1000 GWh)
  • Große Leistung (5000 MW)
  • Guter Wirkungsgrad (ca. 75%)
  • Geringe Selbstentladung (Praktisch null)
Sollte das Forschungsprojekt Lageenergiespeicher, wie geplant, noch in diesem Jahr starten und erfolgreich sein, dann besteht gute Hoffnung, dass das Speicherproblem gelöst wird.

Dienstag, 27. September 2011

Speicher und Konverter trennen

Es gibt im Prinzip zwei Arten von Stromspeicher, solche, die direkt den Strom speichern und solche, die die Energie erst in eine andere Form umwandeln.
Batterien gehören zur ersten Art, aber auch sogenannte Supercups, Kondensatoren, die ungewöhnlich viel Energie aufnehmen können. Der Strom fliest direkt in diese Systeme hinein und man kann die Spannung einfach abgreifen. Benötigt man doppelt so viel Speicherkapazität, nutzt man doppelt so viele Batterien. 
Die zweite Art der Energiespeicher ähnelt immer einem Pumpspeicherkraftwerk. Es wird mit einer elektrischen Pumpe Wasser auf einen Berg in einen Speichersee gepumpt und bei Strombedarf wird die im Wasser gespeicherte Energie wieder über eine Turbine in Strom umgewandelt. Die meisten Pumpeicherkraftwerke werden in einen Modus betrieben, der eher einem Akku entspricht, das bedeutet, komplett aufladen, komplett entladen. Der Speicher und die Turbinen sind darauf abgestimmt, jeden Tag einen solchen Zyklus zu durchlaufen.
Stromspeicher sollten die Umwandlung und das Speichermedium getrennt durchführen


Speicher für die Solare Zukunft
Für die zukünftigen Formen der erneuerbaren Energien, Sonne und Windenergie, wird dieses Konzept nicht mehr genügen. Es muss eine Trennung zwischen Konverter, das sind die Pumpen, respektive die Turbinen und dem Speichersee bei der Auslegung geben. Der Speicher, hier der Speichersee, akkumuliert über eine längere Phase Energie, dazwischen wird aber immer wieder auch etwas Energie entnommen.
Dies hat den Vorteil, dass die Pumpen und Turbinen, die sehr teuer sind, wirtschaftlich arbeiten können.
Mit jedem Teilladezyklus kann Geld verdient werden, der Strom wird billig eingekauft, wenn etwa die Sonne scheint und die Solarzellen eine Strom-Überproduktion abwerfen. In der Nacht, wenn die Lichter eingeschaltet werden, liefert der Speicher etwas Strom zu einem deutlich höheren Preis, weil jetzt kein anderer, günstiger Strom zur Verfügung steht.
Nach einigen Wochen, wenn der Speicher richtig voll ist, dann kann in einer Phase schlechten Wetters, das ist Wetter, wo weder die Sonne scheint, noch der Wind weht, der Speicher entleert werden. Jetzt ist der Strom sehr wertvoll, weil normale Batterien sicher nicht so lange mithalten können.
Wie sieht so ein Speicher aus?
Obwohl ich bisher einen Speichersee beschrieben habe, kann der Speicher aber auch völlig anders aussehen. Etwa ein Druckbehälter mit Wasserstoff, der als Konverter einen Elektrolyseur hat, der Wasserstoff erzeugt, wenn genügend günstiger Strom vorhanden ist. Ist der Strombedarf hoch, dann wird wie oben beschrieben, aus dem Speicher Wasserstoff (statt Wasser) entnommen und über eine Brennstoffzelle (statt einer Turbine) Strom an das Netz abgegeben. 
Als drittes Konzept kommt hier der Lageenergiespeicher in Frage, der, statt Wasser hochzuheben, eine große Felsmasse anhebt. Auch hier kommen Pumpen und Turbinen, wie bei einem Speichersee, zum Einsatz.
Eine heute oft diskutierte Speicherform ist die Herstellung von künstlichen Erdgas aus Wasserstoff. Dies hat den Vorteil, dass man das Erdgasnetz als Speicher verwenden kann, das, aufgrund der vielen Leitungen, 50 TWh Energie aufnehmen kann, was sehr viel ist!
Vor- und Nachteile
Obwohl alle Verfahren im Prinzip geeignet sind, große Energiemengen zu speichern, gibt es doch eine sehr unterschiedliche Eignung.
Speicherseen kann man kaum noch anlegen, da diese viel Fläche benötigen. Pro Quadratmeter können nur 10 kWh gespeichert werden. Für die notwendige Speicherung von sieben Tagesladungen Strom (11TWh) müssten 1200 km² überflutet werden, das wäre etwa der gesamte Südschwarzwald, höchst unrealistisch. 
Wasserstoff muss auch gespeichert werden, dafür könnten gegebenenfalls unterirdische Tanks geeignet sein. Das Problem sind der geringe Wirkungsgrad (ca. 50%) und die sehr aufwendigen chemischen Anlagen.
Erdgas aus Wasserstoff kann zwar die bestehende Speicherinfrastruktur (Erdgasnetz) nutzen, aber durch die vielen Umwandlungsschritte: Strom>Wasserstoff>Erdgas>Strom, bleibt am Schluss nur noch 25% der eingesetzten Energie übrig. 
Der Lageenergiespeicher hat eine Speicherdichte von 2MWh pro Quadratmeter, daher benötigt er nur ein Hundertstel des Platzes den ein Speichersee braucht. Der Wirkungsgrad von 75% ist den chemischen Verfahren deutlich überlegen.
Wäre der Lageenergiespeicher schon verfügbar, würde er ohne Frage genutzt, das Problem hier ist, dass er noch entwickelt werden muss, aber das sollte in einem Hochtechnologie-Land wie Deutschland kein Problem sein!

Montag, 5. September 2011

Warum Speicher ein Problem werden

Wenn Stromerzeuger bisher über Speicher gesprochen haben, dann haben sie ein Ziel verfolgt, die Kraftwerke möglichst gleichmäßig laufen zu lassen und den unterschiedlichen Strombedarf im Lauf eines Tages auszugleichen. Konventionelle Kraftwerke wie Kohlekraftwerke schaltet man nur ungern ab. Der Grund liegt in den hohen Kosten beim wieder Hochfahren. Das Anheizen eines Kohlekraftwerks kostet bis zu 50.000 €. Ein Betrag, für den es sich sogar manchmal lohnt, den Strom nicht nur zu verschenken, sondern den Abnehmern sogar Geld zu zahlen, wenn sie Strom verbrauchen, anstelle eines Abschaltens des Kraftwerks. Die Situation bei Kernkraftwerken ist genau gleich, genaugenommen sogar noch ungünstiger, man will das Kraftwerk nicht herunterfahren, sondern im Dauerbetrieb laufen lassen, was auch mit dem Wort Grundlastbetrieb beschrieben wird.
Nachtstrom
Da schon bisher die Menschen in der Nacht weniger Strom verbraucht haben, als am Tag, wurden zwei Ausweichstrategien gefahren. Einerseits hat man in der Nacht den Strom einfach billiger angeboten und damit Elektrospeicherheizungen gefördert. Zu anderen hat man Speicherkraftwerke gebaut, die Nachts Wasser von einem tiefer gelegenen Gewässer in einen hochgelegenen See gepumpt haben. Im Lauf des Tages hat man das Wasser wieder über eine Turbine geleitet und damit insbesondere in der Mittagszeit Strom erzeugt.
Da der Strom tagsüber sehr viel teurer ist, als Nachts, kann man einen gewissen Gewinn einfahren, sagen wir mal jeden Tag 1.000 Euro, im Lauf eines Jahres somit 365.000 Euro. Und betreibt man die Anlage 40 Jahre lang, was in der Energiewirtschaft üblich ist, so kann man damit theoretisch ein Speicherkraftwerk für 14.600.000 finanzieren. Eine relativ einfache Rechnung, die oft aufgegangen ist.
Zeitalter der Erneuerbaren
In Zeitalter der erneuerbaren Energie liegt jetzt eine völlig andere Situation vor. Strom wird dann erzeugt, wenn die Sonne scheint oder wenn der Wind weht. Manchmal dauert es einige Tage bis die Sonne mal wieder scheint, manchmal weht der Wind eine Woche stark und mehrere Wochen Flaute folgen. Betreibt man einen Speicher, kann man wieder den günstigen Strom kaufen, der jetzt günstig ist, wenn der Wind weht oder die Sonne scheint. Und man verkauft den Strom wenn die Sonne und der Wind kaum Energie produzieren. Gehen wir mal davon aus, dass wir unseren Speicher sechsmal im Jahr füllen können und ebenso oft wieder den Strom teuer verkaufen können. Dann haben wir, bei gleichen sonstigen Bedingungen sechs mal 1.000 Euro im Jahr eingenommen (das sind 6.000 Euro). Nach 40 Jahren sind das 240.000 Euro. Eine Menge Geld für eine Person, aber natürlich bei weitem nicht genug um eine Anlage wie oben beschrieben, die 14 Millionen kostet, zu betreiben!
Lösung
Im ersten Moment würde man sagen, dann baut man halt keinen Speicher, aber das ist natürlich keine Lösung. Was passiert, ist, dass der Strompreis entweder so stark schwankt, bis sich sogar die schlecht ausgelastete Speicheranlage lohnt oder es werden Speicher gebaut, die viel billiger sind.
Beachten wir mal die Preisspanne, gehen wir davon aus, dass bisher eine Schwankung von 0,05 Euro im Strompreis das Speicherwerk finanziert hat, dann muss in Zukunft der Strompreis um 3 Euro!! schwanken (0,05*365/6). Statt bisher vielleicht 0,20 ct kostet dann eine Kilowattstunde manchmal 3 Euro, an anderen Tagen dann wieder eher 2 ct.
Die Sache wird aber leider noch viel ungünstiger, und das liegt an den Standorten der Pumpspeicherkraftwerke. Alle einigermaßen günstigen Standorte sind bereits verbraucht, neue Pumpspeicher stoßen auf große Widerstände aus der Bevölkerung. Damit muss man auf andere Speichertechniken wie Batterien ausweichen, aber dort sind die Preis pro Speichereinheit noch viel teurer. Wie dieser Teufelskreis gelöst wird, darf jeder gespannt verfolgen.

Sonntag, 21. August 2011

Das unsichtbare Speicherproblem

"Wärme auf Vorrat",
So preist das Institut für Wärme und Öltechnik die Vorteile einer Ölheizung an. Und die Aussage enthält natürlich einen wahren Kern, wer im Keller einen vollen Öltank hat, muss sich ein Jahr lang keine Sorgen um den Ölpreis machen. Ein Tank mit 3000 Liter speichert nicht weniger als 30.000kWh Wärmeenergie. Das ist weit mehr, als jeder andere Speicher im Alltag zu leisten vermag. Selbst die größten Batteriespeicher können diese Energiemenge nicht aufnehmen. So kann die größte Batterie der Schweiz nur 500kWh Strom speichern. In Deutschland hat man zur Zeit des kalten Krieges in Berlin eine Batterie mit 14.000kWh aufgebaut.

Abbildung: Ein Schwarzwaldhof ist ein riesiger Energiespeicher, für Heu! Das kleine Häuschen ist das Vorratshaus für Lebensmittel, auch eine Form von Energiespeicher

Vorratshaltung von Energie ist weit verbreitet, jeder Bauernhof hatte früher "Holz vor der Hütte", eine kluge Art, Wärme zu speichern und gleichzeitig das Gebäude zu isolieren. Blickt man auf einen Schwarzwaldhof, so können unter dem Dach Heumengen eingelagert werden, die eine Versorgung über zwei Jahre gewährleistet. Damit kann der Bauer und das Vieh selbst einen nassen Sommer überleben, in dem kein Heu geerntet werden kann.

Strom ist unsichtbar, wir können Strom nicht wahrnehmen, zumindest nicht schmerzlos, und damit beginnt das Problem des Stromspeichers. Da bisher niemand nennenswert Strom gespeichert hat, haben wir kaum ein Gefühl für die Menge Strom, die aus der Steckdose kommt. Wir kennen zwar Batterien für einige Kleingeräte wie Taschenlampen und Wecker, sehen aber nicht direkt, wie viel, oder besser wie wenig, Energie darin gespeichert ist.

Wollte man den oben abgebildeten Schwarzwaldhof mit gespeicherter elektrischer Energie aus Batterien über ein Jahr lange versorgen, wäre das gesamte Dach voll mit Batterien. Und Batterien wachsen leider nicht auf der Wiese.

Samstag, 13. August 2011

Pumpspeicherkraftwerke

Die mit großem Abstand meist genutzte Art, elektrische Energie zu speichern, ist die des Pumpspeicherkraftwerks. Das Prinzip ist einfach und seit hundert Jahren bewährt. Wasser wird aus einem Fluss oder See in ein hochgelegenes Speicherbecken gepumpt. dabei nimmt das Wasser die elektrische Energie, die zum Antrieb der Pumpe verwendet wird, in Form von potentieller Energie auf. Ganz ähnlich dem Beispiel des Wassereimers, der in der Einführung beschrieben wurde. Die gespeicherte Energiemenge hängt direkt von der Wassermenge und der Pumphöhe ab.
Abbildung: Das Pumpspeicherwerk Rönkhausen, im Oberbecken können eine Million kubikmeter Wasser gespeichert werden, mit 270 m Höhendifferenz können damit 0,73 GWh gespeichert werden. (Bildquelle: Wikipedia) 


Ein typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland hat eine Fallhöhe von 400 m, da die meisten Mittelgebirge sich nicht wesentlich höher gegenüber den umliegenden Tälern erheben. Für die Planung großer Speicherkapazitäten ist es interessant, wie groß die Energiemenge ist, die man pro Quadratmeter speichern kann. Denn für die Speicherung muss Land überflutet werden und jeder kann sich überlegen, wie teuer ein Quadratmeter Land in Deutschland ist. Der betrachtete Speichersee soll einen Wasserspiegel haben, der bis zu zehn Meter schwanken kann, damit kann man pro Quadratmeter zehn Kubikmeter Wasser speichern. Das ist die Wassermenge für ein kleines Gartenschwimmbecken aus Plastik, wie man es im Supermarkt kaufen kann. Unter diesen Annahmen findet man, dass auf einem Quadratmeter eine Speicherkapazität von 10 kWh vorhanden ist. Damit könnte man zehn Stunden eine Maschine mit 1 kW Leistungsaufnahme betreiben oder hundert Stunden einen Computer, mit 100 W Leistungsaufnahme, rechnen lassen.

Bedarf an Speicherfläche
Für die Energieversorgung mit erneuerbaren Energien müssen für jeden Einwohner im Durchschnitt 147 kWh Speicher bereitgestellt werden. Damit benötigt jeder einen Stausee mit einer Fläche von etwa 15 m². Dies erscheint nicht allzuviel, rechnet man dies jedoch auf die Einwohnerzahl von Deutschland, 80 Millionen, hoch, so hat dieser Stausee eine Fläche von 1200 km². Das ist mehr als die doppelte Fläche des Bodensees.
Abbildung: Veranschaulichung des Flächenbedarfs vom Pumpspeicherkraftwerken. Praktisch der gesamte Südschwarzwald müsste geflutet werden, würde man für jeden Einwohner die notwendigen 147 kWh Speicherbedarf bei einem Umstieg auf Solar- und Windenergie bereitstellen.

Es ist schwer vorstellbar, dass es innerhalb von dreißig Jahren gelingt, in Deutschland eine derart große Fläche mit Stauseen zu überfluten. Die meisten höher gelegenen Gebiete sind in Deutschland unter Natur- oder Landschaftsschutz, ein nicht unerhebliches Hinderniss, will man das Gelände überfluten. Weiterhin müssten für derart große Stauseen viele Orte und Städte überflutet werden, was die Akzeptanz in der lokalen Bevölkerung auf nahe Null absinken (sic!) läßt. Das geplante Pumpspeicherkraftwerk Atdorf im Schwarzwald, mit einer oberen Seefläche von einem Quadratkilometer, stößt auf massiven Widerstand, obwohl es sich um ein unbewohntes Gelände handelt. Das Pumpspeicherkraftwerk Atdorf kann als "Kleinanlage", 13 GWh Kapazität, im Vergleich zu den notwendigen Kapazitäten von 12.000 GWh angesehen werden.

Alternativen:

In weiteren Blogposts beschrieben
Berechnungshinweis:
Erstaunlicherweise findet man im Internet selten die Speicherkapazität von Speicherkraftwerken, häufig wird nur die Turbinenleistung angegeben. Wer gerne mal die Kapazität eines Speichersees nachrechnet, für den ist folgende Formel Hilfreich:
Die Energiemenge E berechnet sich aus der Schwerkraft g = 9,81 N/kg, der Masse des Wassers m und der Fallhöhe h das Wassers.
E = g * m * h
Da man meist nicht die Masse m kennt, eine einfache Berechnung mit der Seefläche A (in m²):
E = g * A * h *1000 * Pegelschwankung(in Metern)
Das Ergebnis ist die Energiemenge in Joule, das ist unpraktisch, da man in der Stromversorgung eher in kWh denkt, daher muss das Resultat noch durch 3.600.000 geteilt werden.
Als Faustformel kann man sich auch merken: 10kWh pro Quadratmeter.

Mittwoch, 3. August 2011

Superspeicher - der Diesel

Eine kleine Exkursion, gibt es nicht bereits einen Superspeicher für Strom? Gehen wir mal in die Garage, dort steht ein Auto, sagen wir ein Mittelklassewagen mit Dieselantrieb. Auf der Straße kann dieses Auto mühelos 700 km mit einer Tankfüllung zurücklegen. Der Motor ist mit einem Generator verbunden, der hat im Auto den schönen Namen “Lichtmaschine”. Damit wird natürlich kein Licht, sondern Strom produziert.
Aktuell wird oft diskutiert, ob es nicht sinnvoll wäre, die Batterien von Elektroautos für das Stromnetz als Speicherreserve zu nutzen. Was spricht eigentlich dagegen, normale Autos als Generatoren an das Stromnetz zu hängen. Damit in Zeiten geringer Produktion aus den erneuerbarer Quellen, Flaute bei Windkraftwerken, in der Nacht und im Winter bei Solarkraftwerken, schnell einige Gigawatt Strom zusätzlich zu generiert werden? 
Abschätzung
Daher eine einfache Abschätzung, der Tank im Auto hat 50 Liter Diesel, das ist eine Energiemenge von 500 kWh Wärmeenergie. Bei einem Wirkungsgrad von etwa 40% können damit 200 kWh Strom erzeugt werden. Ein Durchschnittsbewohner in Deutschland benötigt, wie bereits beschrieben, etwa 900 Watt Strom um seinen Lebensstandard aufrecht zu erhalten. Unser vollgetanktes Dieselauto kann somit zehn Tage lang ausreichend Strom erzeugen. (Mehr zu Energieeinheiten)
Es wird sofort klar, dass die Energiemenge im Autotank einen signifikanten Beitrag in Phasen von Stromknappheit liefern kann. Allerdings muss man dabei mehrere Dinge bedenken. Zuerst müssten die Autos einen Stromanschluss bekommen, der es erlaubt, geeigneten Wechselstrom an das Netz zu liefern. Hier hilft allerdings die Solartechnik, diese nutzt genau solche Wechselrichter um den Solarstrom ins Netz einzuspeisen, damit sollten solche Wechselrichter günstig zu bauen sein. Weiterhin sollte das Auto natürlich im Leerlauf laufen und das Abgas darf keine Innenräume verpesten. Weiterhin bedarf es einer geeigneten Elektronik, die den Motor ferngesteuert anschaltet und in der optimalen Drehzahl für den Wirkungsgrad betreibt. Auch dieses sollte keine unüberwindbare Hürde sein.
Erstaunlich viel Leistung verfügbar
Wieviel Energie kann mit solch einem Konzept bereitgestellt werden? Im Durchschnitt haben die Fahrzeuge 50kW Leistung, das ergäbe, bei 18 Millionen Dieselfahrzeugen, 900 GW, das ist das zehnfache des deutschen Kraftwerksparks! Wenn man davon ausgeht, dass nur jeder zehnte Fahrer bereit wäre an diesem Konzept teilzunehmen und die Lichtmaschine nur 10 kW elektrische Leistung pro Auto liefert, könnte man damit 18 GW Strom erzeugen. Das entspricht 18 Kernkraftwerken, die ja in absehbarer Zeit alle abgeschaltet werden. Um es gleich klarzustellen, es geht hier nicht darum, dauerhaft den Strom aus den PKW Motoren zu erzeugen, sondern nur zu Zeiten von Spitzenlast.
Betrachtet man die Sache ökonomisch, so liegt der Strompreis aus Diesel bei einem Dieselpreis von 1,50 €/l bei 0,37 €/kWh. Allerdings sollte der Gesetzgeber so fair sein und die Mineralölsteuer in Höhe von 0,50 €/l in diesem Fall nicht erheben, da ja die Straße nicht abgenutzt wird, das würde den Strompreis auf 0,25 €/kWh senken. Dieser Wert erscheint immer noch hoch, ist aber in Spitzenzeiten an der Strombörse durchaus üblich, und nur für diesen Fall ist der Einsatz von Dieselmotoren aus dem Kfz-Bestand gedacht.
Resumé
In der Summe erscheint es so, dass das Konzept nicht wirklich überzeugend ist, aber es führt vor Augen, wieviel Energie in unseren Autos gespeichert ist (10 Tage Stromversorgung) und welch enorme Leistung (das zehnfache des Kraftwerkparks) aus den Automotoren abgerufen werden kann. Dabei wurden nur Dieselpersonenwagen betrachtet, nimmt man alle Autos und LKWs hinzu, verdreifacht sich diese Zahl nochmals.

Eine ähnliche Idee ist das Schwarmkraftwerk von der Firma Lichtblick als "Zuhausekraftwerk" angeboten.
Unternehmen, die gespeicherte Energie verkaufen.

Samstag, 30. Juli 2011

Energiesparen

“Die beste Energiequelle ist Energiesparen”

Diese beliebte Formulierung, die man unter anderem im SPD Wahlprogramm findet, klingt sehr einleuchtend. Und das ist auch schon das Problem, eine einleuchtende Formulierung zu wiederlegen erfordert wesentlich mehr gedankliche Schärfe, als unsinnig klingende Forderungen.
Zunächst ist es natürlich physikalischer Unsinn, da Sparen natürlich keine Energiequelle ist. Genausowenig wie das Nichtautokaufen die beste Autofabrik ist. Aber an diesem eher sophistischem Argumentationsstrang will ich mich nicht aufhalten.
Welchen Vorteil hat Energiesparen? Man spart Geld! Und in der Tat ist, bei einem Strompreis von etwa 20ct/kWh, sparen sehr reizvoll, insbesondere wenn man bedenkt, dass die Herstellung des Stroms nur 7ct/kWh kostet. Man spart nämlich Steuern, und wer will das nicht? Die Funktion von Steuern ist, ein bestimmtes Verhalten zu steuern, und hier will der Gesetzgeber offensichtlich die Einsparung von Strom erreichen. Da die meisten Steuern schon viele Jahre existieren, sollte man vermuten, dass sie auch ihre Steuerungswirkung erfüllt haben. Daher blicken wir einmal in einen Haushalt, in den Haushalten werden 27% des Stroms verbraucht.

Abbildung: Stromverbrauch im Haushalt, Deutschland liegt mit 3500 kWh pro Jahr im Vergleich zu anderen Ländern in der unteren Hälfte!

Immer mehr Elektrogeräte

Die Zahl der Elektrogeräte übertrifft inzwischen die Zahl der Steckdosen in der Wand bei weitem, daher werden häufig im Diskounter Steckdosenleisten angeboten. Der einfache Besitz von Elektrogeräte ist aber noch kein Energieverbrauch, sieht man von dem Herstellungsaufwand und manchmal auftretenden Standbyverbrauch ab.
Richtig viel Strom wird erst gebraucht, wenn die Geräte eingeschaltet werden, wenn der Toaster glüht, die Waschmaschine wäscht, der Herd zum Kochen verwendet wird, die Mikrowelle den Kaffee aufwärmt, der Radio spielt, der Computer rechnet, der Brotbackautomat backt, der Fernseher läuft, die Stehlampe leuchtet, der Föhn die Haare trocknet, der Staubsauger die Wohnung reinigt, die Bohrmaschine bohrt, der elektrische Schraubenzieher dreht, der Eierkocher kocht, der Kühlschrankt kühlt, das Raclett bruzzelt, der Drucker druckt, die Nähmaschine näht, der Mixer mixt, das Babyphone quäkt, das Handy lädt, der Treppenlift fährt und das Heizkissen wärmt.
Das war sicher eine viel zu kurze Aufzählung, aber jedes dieser Geräte erfüllt eine Aufgabe, daher immer die verschiedenen Verben. Und jeden Menschen, den ich frage, sagt, er selbst verschwendet keine Energie, aber der Nachbar, der hat einen Wäschetrockner, einen Whirlpool, eine Sauna, eine Wärmelampe, eine elektronische Orgel, und so weiter.
Frage ich aber den Nachbarn, so hat auch der gute Gründe, mangelnde Zeit, gesundheitliche Gründe, ein kleines Baby, Freude an Musik und so weiter.
Abbildung: Und so teilt sich der Strombedarf im Haushalt auf. Jeder kann sich fragen: Wo macht Sparen am meisten Sinn? (Bildquelle: Wikipedia)

Nach diesen Beobachtungen glaube ich nicht, dass viele Menschen selbst auf die angenehmen Dienste der elektrischen Geräte verzichten wollen. Die Betonung liegt auf selbst, was die Anderen tun sollten, sollte erstmal deren Sorge bleiben, sie zahlen dafür auch ordentlich Stromsteuern.

Technische Lösungen

Bleibt als zweiter Ansatz Energiesparen durch technische Lösungen. Da bedeutet, dass Ingenieure versuchen, den gleichen Service, etwa saubere Wäsche, gekühlte Lebensmittel, mit weniger Strom zu erreichen. Dies gelingt auf jeden Fall!
Allerdings gibt es da mehrere Probleme. Das erste Problem ist, dass viele technische Lösungen auch einen deutlich erhöhten Aufwand nach sich ziehen, nicht zuletzt die Entwicklungskosten müssen bezahlt werden. Weiterhin haben viele Lösungen unerfeuliche Nebenwirkungen, die Sparlampe hat Quecksilber und leuchtet kalt, der Sparkühlschrank hat weniger Stauraum und mehr Isolation, die sparsame Waschmaschine braucht länger bis sie fertig ist.
Viele dieser Nachteile kann man ertragen so haben sich inzwischen Menschen an die weniger schönen Farben beim Essen unter der Sparlampe gewöhnt. Manchmal weichen die Menschen einfach aus und kaufen einen viel größeren Kühlschrank, da die A+ Klasse die Größe nicht berücksichtigt, kann dieser sogar mehr Strom als der kleine Kühlschrank benötigen.
Wesentlich schwieriger ist das Problem der Investition. Jede Einsparung durch technisch bessere Geräte erfordert das Kaufen von neuen Geräten. Und diese Investitionen müssen sich lohnen. In der Industrie gibt es dafür exakte Rechenmethoden, im Privatbereich spielt häufig das gefühlte Sparen eine Rolle.
Kaufen wir einen neuen Kühlschrank, so ist zuerst ein erheblicher Betrag zu zahlen, diese Zahlung wird als unangenehm empfunden. Danach wird die Stromrechnung um etwa sechs Euro pro Monat sinken, dies wird praktisch nicht wahrgenommen, da viele die Stromrechnung automatisch abbuchen lassen. Nach vielleicht zehn Jahren hat sich der Kühlschrank amortisiert, und das tatsächliche Energiesparen beginnt! Doch jeder von uns weiß, dass nach zehn Jahren häufig die eigene Lebenssituation anders ist, dass die Technik sich verändert hat oder dass Geräte defekt werden. Daher ist die Investition in das Energiesparen immer Risikobehaftet, man kann nicht sicher sein, ob man erstens wirklich Energie spart, und zweitens, ob es sich jemals rechnet. Das dürfte der tiefere Grund sein, warum viele weiterhin genau die Geräte verwenden, die bereits seit Jahren ihren Dienst tun.
Betrachtet man dieses Einzelverhalten auf einer makroökonomischen Ebene, also für das ganze Land, so sieht man, dass der Stromverbrauch in den letzten 20 Jahren im wesentlichen konstant geblieben ist, obwohl alle Geräte heute mit wesentlich energieeffizienterer Technik ausgestattet sind.

Donnerstag, 28. Juli 2011

Energieverbrauch pro Person

Seit Erfindung des Feuers benötigt der Mensch mehr Energie, als er rein über die Nahrung aufnimmt. Aber erst seit der verstärkten Industrialisierung im 19. Jahrhundert werden wesentliche Mengen von fossilen Energieträgern genutzt. In der heutigen Welt unterscheiden sich die Gesellschaften sehr stark durch ihren absoluten und spezifischen Energieverbrauch. Es gibt eine klare Relation zwischen materiellem Wohlstand und Energieverbrauch. So haben Länder mit geringem Bruttosozialprodukt tendenziell einen niedrigeren Energieverbrauch pro Person als reiche Länder, die oft ein vielfaches an Energie verbrauchen als arme Länder.

Abbildung: Im Vergleich zu anderen Industrieländern mit vergleichbarem Bruttosozialprodukt (GDP) ist der elektrische Energieverbrauch, mit 7762kWh/a  pro Person in Deutschland, mäßig.

Dabei spielt der Energiepreis in den jeweiligen Ländern eine erhebliche Rolle, wenn Energie sehr preiswert ist, wird auch relativ viel davon verbraucht.
Der Energieverbrauch in Deutschland ist im Vergleich zu den anderen Industrieländer im unterem Bereich [Quelle: Gapminder/IEA und andere]. Für jeden der 80 Millionen Einwohner Deutschlands wurden 7762 kWh (2006) Strom produziert. Davon wurden nur 2000 kWh privat verbraucht, fast die Hälfte des Stroms wird von der Industrie für die Herstellung von wertvollen Produkten benötigt. Handel und Gewerbe kühlen nicht zuletzt unsere Lebensmittel, öffentliche Einrichtungen wie Finanzamt und Klärwerk benötigen acht Prozent der elektrischen Energie um ihre Aufgabe zu bewältigen und der elektrische Bahnverkehr weitere drei Prozent zum Transport von Personen und Gütern. Ein Teil des produzierten Stroms, etwa zehn Prozent, geht in den Stromleitungen und Transformatoren bei der Verteilung verloren.  
Abbildung: Diese Herdplatte verbraucht genau so viel Strom, ~1kW, wie jeder Deutsche permanent an Strom verbraucht!

Berücksichtigt man, dass ein Jahr 356 Tage hat, dann nutzt jeder Deutsche im Durchschnitt permanent 886 W elektrischen Strom. Das entspricht mehr als fünf gleichzeitig laufenden Fernsehern oder einer Herdplatte, die immer eingeschaltet ist. Auch hier wieder, nur ein kleiner Teil des Verbrauchs findet im Privathaushalt statt, Strom wird von der Gesellschaft an sehr vielen Stellen, vom Krankenhaus bis zur Straßenbeleuchtung benötigt.

Stromverbrauch ist aber nur die Spitze des Eisbergs, wenn es um Energieverbrauch geht!
Für eine vollständige Betrachtung der Energieströme ist es sinnvoll, den Verbrauch aller Energieträger, Kohle, Braunkohle, Benzin, Öl, Gas unter den Begriff Primärenergie zusammenzufassen. Allerdings ist der Begriff etwas mehrdeutig, da auch Energieformen wie Wind, Wasserkraft, Solarenergie und Biomasse bei der Rechnung berücksichtigt werden. Der erzeugte Strom aus erneuerbare Quellen wird einfach dem Primärenergieverbrauch zugeschlagen. Unabhängig von einer exakten physikalischen Betrachtug. Erst durch die Analyse des Primärenergieverbrauchs erhält man ein vollständiges Bild von den Energieströmen die für die Aufrechterhaltung unseres Lebensstandards notwendig erscheinen.

Der Primärenergieverbrauch liegt bei 47.719kWh pro Jahr und Person, darin ist, wie bereits angemerkt, jede Form von Energie enthalten, unter anderem Erdöl, Steinkohle, Erdgas, umgewandelte Solarenergie und Windstrom und andere Energieformen. [http://goo.gl/VfUZM]

Rechnet man den Primärenergieverbrauch auf eine kontinuierliche Leistung um, so erhält man für jeden Deutschen eine Durchschnittsleistung von  5440 W oder 5,4 kW. Das entspricht dem Verbrauch eines Kleinwagens, der permanent durch die Landschaft fährt.
Will man die Energieversorgung ohne Einschränkungen des Komforts beibehalten, so muss eine zukünftige Energieversorgung diese Leistung liefern können. Einige argumentieren, dass in Zukunft erheblich Energie eingespart werden kann. Allerdings sollte man nicht übersehen, dass die Menschen immer mehr Komfort nutzen, nicht zuletzt, weil die Menschen im Durchschnitt älter werden. So hat sich der Kraftstoffverbrauch von Autos im Lauf von vierzig Jahren praktisch nicht verändert, obwohl die Motoren erheblich sparsamer wurden. Die zurückgelegte Strecke pro Einwohner ist erheblich gewachsen, was in der Summe zu einem Verbrauchswachstum geführt hat.
Eine weitere interessante Größe für die Bedeutung des Stromverbrauchs ist die Lebenserwartung in einem Land. Nur in Ländern, die mehr als 5.000kWh Strom pro Einwohner und Jahr verbrauchen, liegt die Lebenserwartung über 80 Jahre. Dies ist zumindest ein statistisch eindeutiger Zusammenhang wenn man den Daten der Weltbank glauben schenkt [http://goo.gl/aOCbc]. Es ist sehr schwer vorstellbar, dass es zukünftig eine Bereitschaft zum Energieeinsparen gibt, wenn man damit nicht die Lebensqualität und damit die Lebenserwartung erhalten oder steigern kann.

Sonntag, 24. Juli 2011

Kostengünstiger Strom

Wenn man auf dem Solarserver die Meldung:

"Solarstrom verursacht Preiseinbruch an Strombörse: Am 16. Juli sank der Strompreis an der der EEX zur Mittagszeit auf Nachtstrom-Niveau" (21.7.2011 Solarserver)
liest, dann freut sich der Normalbürger, in der Solarbranche folgt dann die Bemerkung:
"Jeder Anlagenbetreiber kann spätestens seit dem 16. Juli 2011 erkennen, dass an der Börse immer dann niedrige Preise vorherrschen werden, wenn Solar- und Windkraftanlagen besonders viel Strom produzieren." (21.7.2011 Solarserver)

Und genau damit ist man am Kern des Problems angekommen. Obwohl der Solarstrom mit weit über 20ct/kWh vergütet wird, ist er auf dem Markt, zum Zeitpunkt der Produktion am Tag, nur 2ct/kWh wert. Sollte das Angebot an Solarstrom weiter wachsen, wird der Marktwert sogar noch weiter fallen.

Das bedeutet aber, dass in dieser Form eine ökonomische, marktwirtschaftliche Erzeugung von Solarstrom völlig unmöglich ist. Insbesondere rechnet niemand damit, dass die Erzeugung von Solarenergie um den Faktor 10 billiger wird.

Allerdings gibt es einen Ausweg, wenn es möglich wäre, den Strom dann zu verkaufen, wenn der Strompreis hoch ist. Dies sollte eigentlich in der Nacht der Fall sein, wenn keine Sonne scheint. Dass dies nicht der Fall ist, liegt daran, dass immer noch sehr viele Grundlastkraftwerke in der Nacht Strom produzieren, wenn er nicht gebraucht wird. Dies wird sich aber mit dem Abschalten der Kernkraftwerke ändern.

Von diesem Zeitpunkt an wird Strom in der Nacht teurer sein, als an Tagen, an denen die Sonne scheint. Könnte man den Strom Speichern, zumindest für 12 Stunden, wäre ein Geschäftsmodell geboren. Allerdings kein besonders gutes, da der Nachtstrompreis nie besonders hoch werden wird. Insbesondere wird der Nachtstromverbrauch mit dem zunehmenden Wegfall von Nachtspeicheröfen stark gedämpft.





Abbildung: Die beiden Bilder zeigen die Solarstromproduktion am 1. Dezember 2010 und am 1. Mai 2012. Die Solarstromproduktion erreicht im Winter, selbst in der Mittagszeit, nur ein Zwanzigstel der Leistung als am 1.Mai. Zudem ist die Tageslänge und damit die Produktionszeit im Winter erheblich kürzer als im Sommer, man beachte die unterschiedliche Skalierung. (Quelle: SMA)

Wesentlich aussichtsreicher ist es, den Strom dann zu liefern, wenn keine Sonne am Tag scheint, und das ist zuallererst im Winter!

Im Winter kann am Tag praktisch kein Strom produziert werden, wie die Abbildung drastisch zeigt. Damit ist es zwingend, einen Stromspeicher auch für längere Perioden (Monate!) zu haben, wenn man alleine auf Solarenergie setzt. Erfreulicherweise ist die Situation bei der Windenergie wesentlich entspannter, da der Wind im Winter häufig und kräftig weht. In der richtigen Konfiguration reichen etwa sieben Tage Speicherkapazität. Allerdings existieren in Deutschland nur Speicher, die in der Summe 30 Minuten (in Worten: dreißig Minuten) weit reichen.

Dienstag, 12. Juli 2011

Energiepreis

Energie ist wertvoll, doch wie kann man ihren Wert bestimmen? Es gibt nur ein Maß, das ist, wie viel sind die Menschen bereit für Energie zu zahlen. In Deutschland zahlt der Endverbraucher etwa 0,25 Euro für eine kWh Strom. Davon ist aber nur ein Drittel der tatsächliche Energiepreis, zusätzlich sind noch Transportkosten und ein ganzes Steuerpaket, bestehend aus EEG, KWK, Ökosteuer, Konzessionsabgabe und auf all dem noch die Mehrwertsteuer, enthalten.


Abbildung: Strompreisschwankungen an der EEX, rot sind die täglichen Maxima, schwarz sind die täglichen Minima, Quelle: EEX

Auf dem Strommarkt (EEX, Strom wird dort im MWh gehandelt) liegt der Preis zumeist bei 0,05 bis 0,07 Euro pro Kilowattstunde. Strom ist die hochwertigste Energieform die wir kennen, daher ist der Strompreis auch deutlich höher als der Preis für Brennstoffe, die nicht in Strom umgewandelt sind.


Abbildung: Die Heilzölpreise schwanken durch viele Einflussgrößen, letztendlich ist ein starker Preisanstieg zu beobachten Quelle: http://www.tecson.de/pheizoel.html

Der Preis von Brennstoffen wie Heizöl oder Benzin setzt sich ebenfalls aus einem Energiepreis und verschiedensten Steuern und Abgaben zusamen. Der Energiegehalt von einem Kilo Heizöl oder Diesel, was die gleiche Substanz ist, beträgt 11,8 kWh pro Kilogramm. Der Preis für ein Kilo Heizöl beträgt manchmal einen Euro, ohne auf die Schwankungen in beide Richtungen einzugehen, wird klar, dass der Endkunde hier für eine Kilowattstunde mit 8 Cent deutlich weniger zahlt als bei Strom (0,25€/kWhel). Der Grund liegt im Unterschied der Energiequalität.

Mehr zum Strompreis:
Strompreis und Stromsteuern