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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.