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Innovationsblog neue Ideen | Some Science my research | Energiespeicher Bedeutung und Zukunft | Energy Age the big picture (engl.)

Samstag, 15. Dezember 2012

Jahresdauerkennlinie und Speicher

Woher kommt der Strom

Der Strom kommt jede Minute aus anderen Energiequellen. Und der Strombedarf ist in jeder Minute anders!
Diese zwei Tatsachen kann man mit einer Grafik veranschaulichen, in der man einfach über ein Jahr aufträgt, wie viel Strom aus welcher Quelle geliefert wird, wie in der ersten Abbildung.
Stromverbrauch im Jahr 2007, Quelle: IWES Gutachten Pumpspeicher 2010
Die schwarze Kurve zeigt, wie viel Strom tatsächlich verbraucht wurde, die unteren Kurven zeigen die Erzeugung durch verschiedene erneuerbare Energiequellen. Die "Rest" dazwischen wurde mit konventionellen Kraftwerken (Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Kernenergie) erzeugt.
Da diese Darstellung nicht besonders gut zu lesen ist, gibt es eine alternative Darstellung, die Jahresdauerkennlinie. Dabei zählt man, in wie vielen Stunden eine bestimmte Last auftritt und sortiert das Resultat zu einer hübschen Kurve:
Jahresdauerkennlinie 2007, Quelle: Fraunhofer IWES und BEE 2009
Damit erkennt man, dass 8000 Stunden lang der Verbrauch größer als 45GW war, 6000 Stunden lag er sogar über 53GW. Dies ist für die Planung von konventionellen Kraftwerken (Hier der graue Bereich) sehr praktisch, da damit die Auslastung schnell erkennbar ist. 
Wesentlich schwieriger wird es, wenn man damit die fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen einträgt. Diese halten sich nicht an den Bedarf und werden erzeugt, wenn eben gerade der Wind weht oder die Sonne scheint. Erstaunlich ist es, wenn man in der Literatur verschiedenen Jahresdauerkennlinien der Zukunft vergleicht.
Aus dem Bundesumweltministerium:
Strom im Jahr 2050, Quelle: BMU - FKZ 03MAP146





Das erstaunliche an dieser Studie ist, obwohl offensichtlich während der Spitzenlaststunden, siehe rechten Teile der Abbildung, die Sonne scheint, wird die Solarenergie (Photovoltaik) fälschlicherweise in der Jahresdauerkennlinie im wesentlichen bei den Schwachlaststunden eingetragen, wenn gerade niemand Strom braucht. 
Die Konsequenz ist, dass man dann mit unverhältnismäßig viel Speicher rechnen muss. Ob dieser Fehler Absicht oder einfach nur Inkompetenz ist, kann ich nicht beurteilen. Zumindest in der Studie des IWES, Abbildung darüber, ist die Photovoltaik noch links, das bedeutet bei hoher Netzlast, eingetragen.

Vereinfachung der Modelle

Alle obigen Modelle und Kurven entstammen umfangreichen Computersimulationen, für die Millionen ausgegeben wurden. Ich befürchte aber, dass es sich dabei um massives "over-computing" handelt. Es wird viel gerechnet, aber wenig nachgedacht. Denn Keiner kann genau sagen wie die Welt im Jahr 2050 aussieht, außer der Aussage, die Sonne wird auch in Zukunft am Tag scheinen und in der Nacht werden viele Menschen schlafen!
Ich habe es daher mit einer stark vereinfachten Jahresdauerkennlinie versucht:
Jahresdauerkennlinie bei 90% Wind- und Solarenergie
Dabei habe ich berücksichtigt, dass die Last unterschiedlich ist, die Sonne maximal 4400 Stunden im Jahr scheint und der Wind unterschiedlich stark weht. 
Man erkennt dabei sofort, dass der Überschuss (150TWh) so gewählt wurde, dass mit einem Speicher damit die Unterdeckung von 100TWh gut ausgeglichen werden kann. Insgesamt wurden 500TWh verbraucht und dafür 267TWh Wind, 178TWh Solar und 50 TWh sonstige Energie erzeugt. Dies könnte man mit einer Windkapazität von 150GW Leistung und 170GWpeak Photovoltaik erreichen.
Die Größe des notwendigen Speichers hängt allerdings von der Anzahl der Ladezyklen ab, bei zehn Zyklen wären 10TWh nötig, wie viele Computermodelle ebenfalls ergeben.
Der große Vorteil von einfachen Modellen ist, man kann wesentlich schneller erkennen, wo wirklich die Eckdaten liegen, zudem erkennt man dabei leichter Logikfehler, wie sie oben wohl gemacht wurden.




Dienstag, 20. November 2012

Batterien als Stromspeicher

Batterien sind echte Stromspeicher

Die Diskussion um die Veränderungen bei der Einspeisung von Solarstrom ins Stromnetz, insbesondere die günstige Möglichkeit, Solarstrom selbst zu verbrauchen, lassen Batterien attraktiv erscheinen. Können Batterien auch wirtschaftlich das Speicherproblem für die Erneuerbaren Energien lösen? Das will ich mal näher für den Privatbereich betrachten.
Bleibatterie mit 0,3 kWh Kapazität (Bild: Wikipedia)

Was macht eigentlich eine Batterie

Vorab, eine Batterie ist ein chemisches System das Spannung liefert, sogar das Älteste (1800: erste Batterie), das man kennt. Letztendlich funktionieren Batterien, indem sie die Differenz im elektrochemischen Potential nutzen. Das bedeutet, jedes Element hat so einen Spannungswert, verbindet man zwei Elemente mit unterschiedlichen Spannungswert mit einer Flüssigkeit (Elektrolyt) so kommt es zu einer chemischen Reaktion und Strom fliest. Ist dieser Vorgang umkehrbar hat man einen Akkumulator, den man laden und entladen kann.
In der Praxis gibt es einige Einschränkungen, die Spannung, die man zum Aufladen anlegen muss ist immer größer als die Spannung die die Batterie abgibt, dadurch vermindert sich der Wirkungsgrad.
Weiterhin sind viele geeignete Elemente, insbesondere Blei, selten, giftig schwer und teuer.

Wann lohnt sich ein Batteriespeicher?

Für viele stellt sich die Frage, soll ich meinen Solarstrom mit einer Batterie speichern?
Dazu gibt es keine eindeutige Antwort. Es gibt Menschen, die wollen nie etwas wegwerfen und speichern daher den Strom auch wenn es nicht direkt wirtschaftlich ist. Diese Situation will ich nicht näher betrachten.

Damit sich ein Speicher lohnt, muss es eine ausreichende Differenz im Strompreis geben!

Rechenbeispiel:

Bezieht man etwa den "normalen" Strom aus dem Netz zu einem Preis von 25ct/kWh und kann selbst Strom aus Solarenergie für 15ct/kWh erzeugen, dann hat man bereits eine Voraussetzung erfüllt: Eine Differenz (10ct/kWh) im Strompreis. 

Produziert man Mittags eine Kilowattstunde, speichert diese Energie ab und nutzt Abends die Energie um zu kochen, hat man 10ct eingespart. Wiederholt man dies jeden Tag, hat man am Ende eines Jahres bei gutem Wetter, 300 Tage an dem man diesen Effekt nutzen kann. Damit hat man 30€ eingespart. Funktioniert die Batterie fünf Jahre, das sind 1500 Zyklen, dann hat man 150€ eingespart, die man für die Finanzierung der Batterie verwenden kann. Mehr als 3000 Zyklen erreichen nur wenige Batterien, genau genommen beginnen Batterien ab den ersten Zyklus immer etwas an Kapazität zu verlieren.

Schaut man auf den Markt, findet man nur Bleiakkumulatoren, die etwa 150€ pro Kilowattstunde kosten, also für das obige Beispiel geeignet wären. Allerdings muss man noch einige weitere Kosten  berücksichtigen:
  • Wechselrichter, da Batterien nur Gleichstrom benötigen, muss der Wechselstrom umgewandelt werden, diese Wandler können ähnlich viel wie die Batterien kosten.
  • Der Wechselrichter senkt den Wirkungsgrad um etwa 4% (2% pro Umwandlung)
  • Wirkungsgrad: Je nach Batterie werden nur 90% Wirkungsgrad erreicht, das bedeutet, man bekommt von einer eingespeicherten Kilowattstunde nur 0,9kWh zurück. Damit kostet das Laden 15ct, entnehmen kann man nur 0,9*25ct=22,5ct. Damit hat man nur 7,5ct eingenommen!
  • Alte Batterien muss man entsorgen.
Damit wird die zunächst sehr optimistische Rechnung erheblich schlechter, nach 1500 Zyklen hat man nur 1500*7,5ct =  112,5€ eingenommen (Oder eingespart).
Das System kostet aber mit Wechselrichter 300€, mit Installation oft auch das Doppelte (600€-1000€).
Offensichtlich ist ein Batteriespeicher in diesem Fall nicht lohnend.

Erstes Resultat

Bei den üblichen Strompreisdifferenzen ist ein Batteriespeicher völlig unwirtschaftlich!

Wann könnte es sich doch lohnen?

Keine Rechnung ohne Ausnahme. 
Notstrom: Sollte jemand für die Zuverlässigkeit eines Computersystems eine Notstromversorgung auf Batteriebasis planen, wird oft völlig anders gerechnet und der Gewinn besteht in den unverhofften Einnahmen. Allerdings muss die Batterie dann etwas größer ausgelegt werden, da bei einer fast entladenden Batterie natürlich keine Notstromversorgung möglich ist.
Insellösung: An manchen Orten ist der Strom wesentlich teurer als 25ct, dann wird die Rechnung für die Batterie günstiger, und es kann sich wieder lohnen.

Allgemein kann man folgende Rechnung aufstellen (ohne Zinsen):

Kosten Batteriesystem < Preisdifferenz * Wirkungsgrad * Zyklen

Folgende Werte einsetzen:
Kosten Batteriesystem: Alle Kosten, insbesondere Akkumulator (Nutzbare Kapazität), Wechselrichter, Entsorgung, Raumbedarf, ggf. Versicherung, Garantiekosten, Wartungskosten.
Preisdifferenz: Preis den man für Netzstrom zahlt - Vollkosten der Eigenstromerzeugung
Wirkungsgrad: Alles was den Wirkungsgrad reduziert, insbesondere Batterie und Wechselrichter, realistisch sind oft 85% (0,85 einsetzen)
Zyklen: Wie oft kann das System einen vollen Ladezyklus durchlaufen, insbesondere bis die Batterie ersetzt werden muss. Realistisch sind Werte zwischen 2000 (Blei) und 6000 (Lithium)

Und damit kann man leicht selbst entscheiden, ob ein Batteriesystem lohnt.

Allgemeine Wirtschaftlichkeit von Speichern

Freitag, 16. November 2012

Die 3. Linie: Speicher als Gegenargument

Die drei Versuche die Erneuerbaren Energien zu bremsen

Prognosen über die zukünftige Entwicklung der Energieversorgung sind schwierig, und gerade deshalb ist es interessant, was in der Vergangenheit prognostiziert wurde.
Verschiedene Prognosen für die Erneuerbaren Energien [1]
Betrachtet man die Studien der Vergangenheit, findet man einen massiven systematischen Fehler, (fast) alle Prognosen sind für (fast) alle Zeiträume durch massives Unterschätzen der Entwicklung geprägt. man könnte nun meinen, das sind einfach Prognosefehler, aber so einfach wird es vermutlich nicht sein.
Mehr zu Prognosen: Aktuelle Prognose 2012

Die unmögliche Energiequelle

Vor zwanzig Jahren hat der "Informationskreis Kernenergie" folgendes Statement in einer ganzseitigen Anzeige veröffentlicht:
"... Die Dänen sind europäischer Spitzenreiter bei der Nutzung der Windenergie: 1988 wurde in Dänemark fast jede hundertste Kilowattstunde aus Wind erzeugt - das entspricht einem Anteil von 0,9 Prozent am gesamten Stromverbrauch. 
Eine vergleichbar intensive Nutzung der Windkraft ist in der Bundesrepublik wegen anderer klimatischer Bedingungen nicht möglich. ..." Aus einer Anzeige des Informationskreis Kernenergie am 20. Juni 1990 in DER ZEIT [1] (Hervorhebung vom Autor)

Dabei wir eine grundsätzliche Aussage aufgeführt, die in der Diskussion um Erneuerbare Energien lange zentral war: "Aus klimatischen Gründen geht ein Umstieg auf Erneuerbare nicht!"
Im erstem Halbjahr 2012 wurden bereits 26% des Stroms aus Erneuerbaren Energien gewonnen und damit ist die Glaubwürdigkeit dieser Aussage dahin. Die erste Verteidigungslinie der Energiewirtschaft gegen Erneuerbare Energien ist gefallen.

Die unbezahlbare Energiequelle

Wie bei jedem Rückzugsgefecht wird sofort eine neue Linie gezogen. Und beobachtet man die politische Diskussion, so ist es gelungen, den Eindruck zu erwecken, dass "Erneuerbare Energien unbezahlbar sind". Dazu wurde insbesondere das EEG so verändert, dass die Industrie heute weniger für Strom zahlt als von einem Jahr und alle Kosten auf die Gruppe der Endverbraucher umgewälzt wird. Die müssen jetzt mit beängstigenden zusätzlichen Kosten von 40€ pro Jahr rechnen.
Jeder der schon einmal den Heizöltank gefüllt hat, weis, dass 40€ eher ein kleiner Aufschlag sind. Diese zweite Linie wird daher bald fallen.

Die unsichere Energiequelle

Hat man kein wirklich gutes Argument, kann man eine diffuse Angst erzeugen, im Energiebereich ist das der Stromausfall, weil Strom nicht ausreichend gespeichert werden kann. Es ist mit der vorhandenen Technik tatsächlich relativ schwierig und teuer, ausreichende Mengen Strom zu speichern. 
Tatsächlich ist es wohl eher die Unlust, aktuelle Ideen zur Speichertechnik, wie den Lageenergiespeicher näher zu untersuchen. Die großen Stromkonzerne haben abgewunken, kein Speicherbedarf!

Fällt auch diese dritte Verteidigungslinie, gibt es praktisch kein Argument gegen die vollständige Umstellung auf Erneuerbaren Energien. Die Prognosen werden dann nicht mehr von 6000MW Kohlestrom in 2050 sprechen, sondern von 100% Erneuerbare Energien in 2030.

Anmerkung: Zölle hatte ich vergessen

Es gibt noch eine 4. Methode die Solarenergie zu bremsen, diese ist so absurd, dass ich sie zunächst nicht erwähnt habe,  Zölle! 


Mehr zu Investitionen in Speicher

Quellen:

Samstag, 10. November 2012

Kapazitätsmärkte, wozu?

Die Idee der Kapazitätsmärkte

Im Zusammenhang mit der Umstellung der Energieversorgung wird häufig eingeworfen, wir brauchen dringend Kapazitätsmärkte. Es geht um die Frage, "wann gehen die Lichter aus", wenn wir weiter erneuerbare Energien installieren. Zunächst erscheint es ja sehr merkwürdig, dass durch zusätzliche Kraftwerke die Gefahr eines Stromausfalls steigen soll. In erster Näherung stimmt das natürlich nicht, denn je mehr Kraftwerke, um so mehr Versorgungssicherheit. Allerdings ist die Sache etwas komplizierter

Der Strommarkt

Abbildung 1: Die Merit-Order Kurve, Je größer die Nachfrage, um so höher der Preis.
 Doch irgendwann kann die  Nachfrage die Kapazität übertreffen, dann kommt es zu einem Stromausfall.
In Deutschland gibt es einen Strommarkt [1], der nach dem Prinzip Merit-Order funktioniert. Das bedeutet, alle Kraftwerke werden nach den Grenzkostenpreis sortiert. Grenzkosten, das ist der Preis für Strom der zwischen abgeschalteten Kraftwerk und eingeschaltetem Kraftwerk liegt. Etwa bei einem Kohlekraftwerk der Kohlepreis pro Kilowattstunde. Bei einer Solarzelle liegt der Preis praktisch bei Null. Am höchsten ist der Preis bei Gas und Ölkraftwerken, in der Abbildung 1 ganz rechts. Je nach Nachfrage wird dann für alle Teilnehmer der gleiche Marktpreis bestimmt. Das Problem ist aber, der Verbraucher merkt davon nichts, der Strom ist immer gleich teuer. Die Folge ist, die Nachfragekurve wirkt nicht.

Nachfrage

Abbildung 2. Die Nachfragekurve, je höher der Preis, um so geringer wird die Nachfrage.
Ein funktionierender Markt arbeitet mit der Nachfragekurve, Abbildung 2, das bedeutet, je niedriger der Preis, um so höher die Nachfrage. Hohe Preise reduzieren die Nachfrage. Da im Strommarkt praktisch kein Kunde den aktuellen Börsenpreis zahlen muss, entsteht ein Problem. Selbst wenn der Preis an der Strombörse stark ansteigt, wird keiner seine Klimaanlage oder Aluminiumschmelze etwas herunterfahren, da er kein Marktsignal empfängt.
Damit ist aber die Gefahr vorhanden, dass plötzlich mehr Strom verbraucht wird, als Kapazität vorhanden ist, insbesondere, wenn bestimmte Kapazitäten, wie Wind und Sonne, nicht verfügbar sind. Dies führt zu einem Stromausfall, den keiner will.

Lösungsmöglichkeiten

Die einfachste Lösung ist, der Staat schreibt vor, wie viele Kraftwerke vorhanden sein müssen und zahlt dafür einen festen Betrag, das ist ein sogenannter Kapazitätsmarkt. Diese Lösung ist für Stromkonzerne sehr attraktiv, da diese immer noch riesige Kraftwerke besitzen, die aufgrund der Solar- und Windkraftwerke immer häufiger abgeschaltet bleiben und damit keine Einnahmen erwirtschaften. 
Nachteil dieser Lösung ist, dass der Staat immer sehr schlecht ist den Bedarf richtig zu ermitteln, wir erinnern uns an Milchseen in der EU und an die Autoproduktion in der DDR. Der Grund liegt zumeist an Interessen, so wird die lobbystarke Stromwirtschaft eher etwas zu viel Kapazitätsbedarf prognostizieren.

Alternative: Echter Markt

Das wichtigste ist, dass in einem Markt der Käufer die tatsächlichen Kosten zahlt, in diesem Fall den Preis des Stroms wie er gerade an der Börse gehandelt wird. Daher wären flexible Stromtarife, die den aktuellen Marktpreis einrechnen sinnvoll. An vielen Stellen könnte dann der Strombedarf etwas gesenkt werden, wenn die Produktion wirklich an die Kapazitätsgrenze kommt. Das wird auch in Zukunft eher selten sein, aber im Grenzfall sehr wirksam und zudem ein guter Schutz gegen Stromausfälle [2].

Versicherungslösung

Eine weitere Lösung wäre eine Art Versicherung gegen Stromausfall. Schon heute gibt es viele Dienstleistungen, die nicht 100% funktionieren, so steht im Vertrag der Telekom nur eine 97% Verfügbarkeit, wer mehr will zahlt etwas mehr. Kunden die eine hohe Verfügbarkeit benötigen zahlen dann etwas mehr, vielleicht 5%, und haben dann 99,9% Liefersicherheit für Strom. Diese Versicherungen würden sehr schnell beginnen, Speicher für Strom anzulegen, da es jetzt sehr lohnend ist, immer Strom zu liefern.

Staat oder Markt

Ich will kein abschließendes Urteil abgeben, aber meine Erfahrung ist bisher immer gewesen, dass der Staat oder eine Regulierungsbehörde nicht besonders gut den Bedarf eingeschätzt haben. So hat etwa die Bundes-Post Anfang der 1990er Jahre den Handybedarf auf 100.000 Handys in Deutschland eingeschätzt. Welche ein Irrtum.
Die Vorhersagen für Solarenergie und Windkraft sind vergleichbar schlecht, wie die Diskussion um die Sätze des EEG zeigen. Ich hoffe, bei der Weiterentwicklung des Stromnetzes wird mehr auf Markt als auf Plan gesetzt.

Eine weitere Alternative ist ein linearer Strommarkt.
Merkwürdig sind die paradoxen Marktsignale.
  
Quellen:
[1] Tietjen, Oliver, Kapazitätsmärkte, Germanwatch, April 2012
[2] Siegmeier, Jan, Kapazitätsinstrumente in einem von erneuerbaren Energien geprägten Stromsystem, Electricity Markets Working Papers WP-EM-45, Juli 2011

Freitag, 9. November 2012

Power to Gas

Power to Gas? Künstliches Erdgas als Speicher

Die Bundesregierung unterstützt die Technologie "Power to Gas" und viele, etwa die DENA,  finden dies eine sinnvolle Idee Energie zu speichern. Daher will ich das Konzept einmal gründlich analysieren.

Ausgangspunkt

Die Grundidee von Power to Gas liegt in der Umwandlung von überschüssigen Strom aus Windkraftwerken oder aus Solarzellen in Wasserstoff. Da Wasserstoff aber nur schlecht zu speichern ist und mit unserem Erdgasnetz nicht kompatibel ist, wird der Wasserstoff über eine chemische Reaktion zusammen mit CO2 in Methan umgewandelt. Methan ist der chemische Begriff für Erdgas, wie es durch Millionen von Gasleitungen in die Haushalte transportiert wird. Verbrennt man dieses Methan wieder in einer Gasturbine, dann kann man damit Strom erzeugen und hat auch zu Zeiten von Strommangel eine sichere Energiequelle.

Wo liegen die Denkfehler?

Elektrolyse

Der erste Schritt, in diesem Verfahren, die Elektrolyse, kennt jeder noch aus dem Chemieunterricht. Dabei wird im Hofmannschen Apparat Gleichstrom angelegt und schon perlt an der Kathode Wasserstoff nach oben.
Hofmannscher Apparat zur Wasserstofferzeugung
Dieses Verfahren nutzt als Elektroden Platin, ein sehr teures Edelmetall! Für den großtechnischen Einsatz ist es daher erforderlich ein preiswerteres Metall zu finden, hier ist Nickel das günstigste Metall. Dies erfordert aber, dass man eine höhere Spannung anlegt, als theoretisch notwendig wäre, Überspannung siehe Wikipedia, damit verschlechtert sich der Wirkungsgrad.  Der Wirkungsgrad hängt natürlich von den Details der Konstruktion ab, Greenpeace gibt für seine Anlage 73% an. Eine genaue Analyse des Wirkungsgrads findet man in der Studie des Fraunhofer Instituts ISE, die aufzeigt, dass ein wesentlich höherer Wirkungsgrad schwer unter realen Bedingungen zu erreichen ist.
Neben den Wirkungsgrad ist es schwierig, kurzzeitig hohe Ströme in einem Elektrolyseur umzuwandeln, wie es gerade für Systemen benötigt wird, die Spitzen bei der Solar- oder Windenergie nutzen sollen.

Methanerzeugung

Um aus Wasserstoff Methan zu erzeugen, das bedeutet Kohlenstoff anzulagern, benötigt man Kohlendioxid (CO2). Das erscheint zunächst erfreulich, da in der Atmosphäre zu viel CO2 ist. Leider kann dieses CO2 aufgrund der extremen Verdünnung nicht direkt verwendet werden. Eine Alternative ist, CO2 dort zu nutzen wo es entsteht, etwa bei der Verbrennung von Kohle, was extrem aufwendig und unökologisch ist, oder bei Biogasanlagen. Letztere erzeugen viel CO2 bei der Umwandlung von Pflanzen (Mais) in Methan. Prinzipiell ist das CO2 aus solchen Anlagen als Ausgangsstoff für die Methanerzeugung geeignet.  
In einem chemischen Reaktor wird unter Druck dann Methan erzeugt. Der Wirkungsgrad ist etwa 80%, da es sich um eine exotherme Reaktion handelt. Damit ist der Wirkungsgrad auch unabhängig vom technischen Fortschritt festgelegt.
Für die Lagerung und den Transport ist es notwendig das Methan zu verdichten. Dazu werden Pumpen benötigt, die einen kleinen Teil der Energie benötigen, die im Erdgas gespeichert ist. 
Der Gesamtwirkungsgrad der Methanherstellung ist das Produkt aus den einzelnen Wirkungsgraden!
In unserer Rechnung: 73% * 80% = 58% Wirkungsgrad

Umwandlung in Strom

Methan ist jedoch noch kein Strom! Das Ziel der Umwandlung von Strom in Methan war die Speicherung von Strom. Will man nur Methan als Erdgas zur Heizzwecken speichern, ist es wesentlich wirtschaftlicher, den Strom direkt in Warmwasserspeicher einzusetzen, man spart dann 42% Verlust und den riesigen Aufwand von Elektrolyseur und Methanerzeugung!
Strom kann aus Methan effizient in einer Erdgasturbine erzeugt werden. Dazu wird das Erdgas in der Turbine verbrannt, ähnlich einer Turbine im Düsenflugzeug, und zur Optimierung kann man die heiße Abluft zur Dampferzeugung nutzen und sozusagen als Nachbrenner noch eine Dampfturbine betreiben.
Der Wirkungsgrad von Erdgas-Dampfturbinen liegt zwischen 50% und 60%. Hier muss man beachten, dass hoher Wirkungsgrad immer über sehr teuere Systeme erkauft wird. Das macht Sinn, wenn eine Turbine 6000 Stunden im Jahr läuft (Grundlast). Wird die Turbine aber nur 1000 Stunden eingesetzt (Spitzenlast), ist es nicht sinnvoll den maximal möglichen Wirkungsgrad zu nutzen. Somit kann man annehmen, dass für die zukünftige Stromversorgung Turbinen für Spitzenlasten einen Wirkungsgrad von 50% aufweisen.
Zu beachten ist jetzt, dass der Gesamtwirkungsgrad mit dem der Methanherstellung multipliziert werden muss!
In unserer Rechnung gilt: 58% * 50% = 28% Wirkungsgrad!
Das bedeutet, von 100kWh, die eingesetzt wurden, erhält man nur 28kWh zurück.

An dieser Stelle werden häufig zwei Argumente in den Raum geworfen:
1. Wenn der Strom praktisch umsonst ist, dann spielt der Wirkungsgrad keine große Rolle
2. Man kann doch noch die Restwärme nutzen.
Die Nutzung der Restwärme ist theoretisch möglich, da wir aber von Spitzenlastkraftwerken ausgehen, ist der Aufwand unwirtschaftlich. Ein Fernwärmenetz, das nur 1000 Stunden im Jahr arbeitet wird kaum jemand wollen.

Denkfehler Strommarkt

Die Vorstellung, dass der Strom zukünftig bei starker Sonneneinstrahlung fast kostenlos ist, erscheint plausibel, da zumindest heute häufig sehr niedrige Strompreise auftreten, wenn die erneuerbaren Energien viel liefern. 
Ein zukünftiger Strommarkt wird aber sehr wohl auf dieses Marktsignal reagieren. Gibt es etwa häufig Strom für 2ct/kWh, dann ist es lohnend, damit den Warmwasserboiler im Keller aufzuheizen und damit (vorübergehend) elektrisch das Brauchwasser zu erwärmen und die Wohnung zu beheizen. Zudem werden andere "smarte" Teilnehmer, etwa Kühlhäuser nur noch dann ihre Klimaaggregate anschalten, wenn der Strom sehr billig ist. 
Daher erwarte ich, dass der Strompreis in einem solchem Umfeld nur sehr selten unter 2ct/kWh fällt, was aber immer noch ein sehr günstiger Einkaufspreis ist!
Steigt der Strompreis an, können alle jene Marktteilnehmer Strom in das Netz einspeisen, die ihn zuvor abgespeichert haben. Und jetzt kommt der Wirkungsgrad ins Spiel!
  • Ein Pumpspeicherkraftwerk hat einen Wirkungsgrad von 80%. Damit ist es theoretisch bereits bei 2ct/kWh/0,8 = 2,5ct/kWh lohnend, die Turbinen des Pumpspeicherkraftwerks anzuwerfen.
  • Kurz darauf kommen die Betreiber von Druckluftspeichern, diese haben heute einen Wirkungsgrad von 40%. Für sie ist ein Strompreis von 2ct/kWh/0,4 = 5ct/kWh der Grenzpreis, ab dem sie in das Netz mit Gewinn einspeisen können.
  • Und erst bei einem Strompreis von 2ct/kWh/0,28 = 7,1 ct/kWh wird es für den Betreiber der Erdgasturbine (Methan aus Wasserstoff, Wasserstoff aus Strom gewonnen) attraktiv, die Turbine anzuwerfen.
Zu beachten ist, dass diese Rechnung nur den Wirkungsgrad berücksichtigt, nicht die Investition in die jeweilige Technik. In erster Näherung ist aber nicht zu erwarten, dass der Betrieb großer Elektrolyseanlagen, Methanwandler und aufwendige Gasturbinen zum Nulltarif zu haben ist. Ganz im Gegenteil, diese kaum erprobte Technologie wird sehr teuer sein. Daher sollte man ein Auge auf Systeme mit hohen Wirkungsgrad werfen.

Pumpspeicherkraftwerke, die heute 99% aller Stromspeicher ausmachen, haben einen gewaltigen Vorteil, gerade wegen des Wirkungsgrads.
Die Weiterentwicklung des Pumpspeicher in Form des Lageenergiespeichers, ebenfalls Wirkungsgrad 80%, ist daher sinnvoll, da er in einem Strommarkt der Zukunft sehr gute Chancen hat sich zu amortisieren.

Das Konzept Power to Gas wird es aus den oben beschriebenen Gründen im Strommarkt der Zukunft sehr schwer haben.









Donnerstag, 9. August 2012

Stromleitungen als Energiespeicher?

Stromleitungen als Energiespeicher?

Stromleitungen erscheinen auf dem ersten Blick nicht als Energiespeicher. Physikalisch speichern sie zwar aufgrund der Maxwellschen-Gesetze den Strom für einige Millisekunden, aber das ist hier nicht von Interesse.
Stromleitungen reduzieren den Speicherbedarf
Leitungen transportieren und Speicher speichern, so möchte man meinen. Die Sache ist aber etwas komplexer. Das liegt daran, dass bei der Erzeugung von Strom der Zeitpunkt des Verbrauchs und der Zeitpunkt der Erzeugung nicht nur von der Zeit sondern auch vom Ort abhängt. Ein einfaches Beispiel soll das zeigen: Ich koche gerne um 11:30 mein Mittagessen und mein Nachbar kocht es erst um 12:00 und etwas weiter gibt es jemanden der erst um 13:00 mit dem Elektroherd zu kochen beginnt.
Will jeder autark leben, dann hat jeder eine kleine Photovoltaikanlage (1kW) und speichert die Energie in einer Batterie. Wenn jeder zu kochen anfängt, dann holt er aus der Batterie den Strom und mit dem erwärmen der Kochplatten (3kW) leert sich die Batterie.
In unserem zweitem Modell legen wir jetzt Leitungen. Alle Drei haben jetzt ihre Häuser mit Leitungen verbunden. Da die drei Photovoltaikanlagen jetzt verbunden sind, genügt der Strom aus den drei Anlagen jeweils vollständig aus, um jedem Koch seine benötigten 3kW Strom zu liefern. Einen sonnigen Tag mal vorausgesetzt. 

Vorteil von Fernleitungen

Die kleine Geschichte mit den drei Köchen hat aber ein Problem, wenn nämlich nirgends die Sonne scheint, so muss jeder doch wieder seinen Strom speichern. Besser ist es wenn man die Leitungen bis an einen Ort legt, an dem die Sonne scheint, und das Wetter ist oft bereits in hundert Kilometer anders als hier.
Typische Wolkenverteilung in Mitteleuropa (Satellitenbild: EUMETSAT)
Mit den Fernleitungen kann man daher die Speicherkapazität erheblich reduzieren. Bei vollständig lokalem vorgehen, jeder hat Photovoltaik auf dem Dach, will aber keine Stromleitung, müsste man Speicher für fast sechs Monate anlegen, damit man auch im Winter Strom hat. 

Windenergie einbinden

Eine weitere Möglichkeit, den Speicherbedarf zu reduzieren besteht im Energiemix, wenn man neben Solarenergie auch Windenergie nutzt, bekommt man insbesondere im Winter viel Strom. Da der Wind besonders an der Küste stark weht, macht es durchaus Sinn, Leitungen von Norddeutschland nach Süddeutschland zu legen um die Versorgung zu verbessern.

Interkontinentale Leitungen

Interessant ist, wie sich der Speicherbedarf entwickelt, wenn man über sehr große Entfernungen den Strom transportiert. Dann wirkt es sich aus, dass das Wetter nie überall gleich ist. Aufgrund physikalischer Gesetzte hat ein Tiefdruckgebiet immer eine Größe im Bereich von 1000km und ebenso groß sind Hochdruckgebiete. Damit weht irgendwo im Umkreis von 1000km immer der Wind und an einem anderem Ort scheint immer irgendwo die Sonne!
Rechnet man dies in Computermodellen genau aus, so zeigt sich, dass bei einem Mix aus Windenergie (60%) und Sonnenenergie (40%) und perfekten Leitungen in Deutschland "nur" ein Speicherbedarf von sieben Tagen (11TWh) besteht. Wird das Stromnetz über ganz Europa gespannt, dann benötigt man nur zwei Tage Speicherkapazität! (Quelle: Lueder von Bremen).

Kosten und Einsparung durch Leitungen

Es ist daher nicht die Frage, ob man Leitungen für Strom will, sondern wie wenig Leitungen man sich leisten kann, denn Speicher sind sehr teuer. Um 11 TWh zu speichern muss man bei einem Speicherpreis von hundert Euro pro kWh (was ein billiger Pumpspeicher ist) 1.100.000.000.000 Euro ausgeben (1.100 Milliarden), diesen Betrag kann man durch europaweite Leitungen auf 3 TWh reduzieren, dann kosten die Speicher "nur" noch 300 Milliarden. Dadurch hat man 800 Milliarden weniger Kosten für Speicher, die man für Leitungen ausgeben kann. 

Rechnet man das für jeden Einzelnen, bedeutet das: Statt 14.000 Euro Speicherkosten pro Person nur noch 3.800 Euro Speicherkosten bei einem europaweitem Stromnetz. 

Daher verhalten sich Stromleitungen in der Bilanz wie Speicher!


Eine globale Betrachtung im Beitrag
Intercontinental Energy Grid

Mittwoch, 8. August 2012

Kostenloser Strom

Gibt es kostenlosen Strom?

Bei der Diskussion um den Einsatz von Energiespeicher lese ich häufig, dass es in Zukunft kostenlosen Strom gibt und daher der Wirkungsgrad von Speichern keine wesentliche Rolle spielt.
Es gibt tatsächlich manchmal bereits heute Situationen, in denen der Strompreis an der Strombörse EEX Null oder sogar leicht negativ ist. Wie ist das möglich? Strom ist eine sehr verderbliche Ware, wenn Strom erzeugt wird, der nicht sofort konsumiert wird, dann ist er wertlos. In einer Welt, in der nur konventionelle Kraftwerke, Kohle, Braunkohle etc. im Einsatz sind, wird das Kraftwerk, das die höchsten Brennstoffkosten hat, abgeschaltet, wenn der Bedarf sinkt. Kurzzeitige Schwankungen wurden bisher schon durch Pumpspeicherkraftwerke ausgeglichen.
Inzwischen sind aber 50 GW Leistung aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne am Stromnetz und es kann vorkommen, dass man kein weiteres konventionelles Kraftwerk abschalten kann, da Photovoltaikanlagen keinerlei Brennstoffe benötigen, liegen deren Grenzkosten praktisch bei Null!
Bisher ist das aber erst an sehr wenigen Stunden im Jahr aufgetreten, mithin waren die Mengen unbedeutend.
Daher die Mär vom kostenlosen Strom. Allerdings unterschätzt diese Überlegung, wie schnell der Markt reagiert, wenn es ein kostenloses Gut auf dem Markt gibt. 

Ein neuer Markt

Sehr schnell werden sich Käufer finden, die sehr günstigen Strom abnehmen. Am einfachsten ist eine alte Lösung, die noch aus den Zeiten der Atomkraftwerke stammt und den schönen Namen "Speicherheizung" trägt. Immer wenn der Strom billig war, das war früher in der Nacht, schalteten sich die Speicherheizungen automatisch an und simple Heizdrähte haben einen Ziegelstein im Wohnzimmer aufgeheizt. Der Ziegelstein war natürlich mit Asbest isoliert und "hübsch" mit Blech verkleidet.
Diese Lösung könnte sofort wieder aufleben, etwas moderner vielleicht, indem das Wasser der Zentralheizung bei günstigen Strom elektrisch erwärmt wird. Und sofort bildet sich am Markt wieder ein Strompreis der sicherlich niedrig ist, aber nur so niedrig, dass es sich gerade nicht lohnt mit Erdgas das Warmwasser zu erzeugen. Ich schätze auf etwa 3ct/kWh.

Echte Stromspeicher

Sicherlich gibt es nicht genügend Wasser, das man auf diese Weise erwärmen kann, aber einige hundert GWh können damit vom Markt an einem sonnigen Tag aufgenommen werden. Der nächste Schritt ist, dass echte Stromspeicher auf den Markt kommen, Pumpspeicherkraftwerke, Batterien, Druckluftspeicher, Umwandlung in Wasserstoff/Erdgas, und natürlich der Lageenergiespeicher
In dieser Situation des Wettbewerbs, ist es nicht nur wichtig, dass man billig den Strom einkauft, der dann vielleicht 3ct/kWh kostet, sondern dass man ihn auch gewinnbringend verkaufen kann. Und genau an dieser Stelle kommt der Wirkungsgrad von Speichern ins Spiel.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel Strom ich liefern kann, wenn ich 100 kWh eingespeichert habe. Ein idealer Speicher mit 100% Wirkungsgrad könnte wieder 100 kWh liefern. Ein Pumpspeicherkraftwerk (Oder auch der Lageenergiespeicher) hat etwa 80% Wirkungsgrad und liefert daher nur noch 80 kWh Strom. Hat es den Strom für 3ct pro kWh gekauft, hat die eingelagerte Strommenge von 100 kWh drei Euro gekostet. Um beim Verkauf wieder drei Euro zu erhalten, muss der Strompreis mindestens 3/80 € = 3,75 ct pro kWh betragen. Das ist nur eine kleine Preiserhöhung und diese hat man oft auf dem Markt. daher sind auch heute Pumpspeicher ökonomisch zu betreiben.
Schlechter sieht es für einen Druckluftspeicher mit 40% Wirkungsgrad aus, hier muss der Preis schon auf 3/40 =  7,5 ct/kWh ansteigen. Das kommt heute noch selten vor, wird aber in einer Welt mit hohem Anteil an Strom aus Sonne und Wind möglich. Eine Umwandlung in Methan und Rückumwandlung in Strom liegt mit einem Wirkungsgrad von 25% noch schlechter, hier muss der Preis auf 3/25=12ct/kWh steigen, damit zumindest die Stromeinkaufskosten wieder hereinkommen. 
Und an dieser Stelle kommen die Marktmechanismen zum tragen. Der Stromspeicher, der am günstigsten den Strom wieder anbieten kann, der wird als erstes verkaufen. Damit wird aber ein Geschäftsmodell für Betreiber von Systemen mit geringem Wirkungsgrad immer schlechter darstellbar.

There is no free lunch

Und ähnlich wie der alte Spruch "there is no free lunch" in der Wirtschaft gilt, so gilt auch in Zukunft, es wird keinen kostenlosen Strom geben, wenn es einen funktionierenden Markt gibt. Es sollte aber angemerkt werden, dass es im Bereich der Energieerzeugung und insbesondere im Strommarkt eher keinen gut funktionierenden Markt gibt. Oder haben Sie schon mal für 3ct/kWh Strom von ihrem Elektrizitätshändler geliefert bekommen?

Eine genaue Analyse der Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern habe ich in einem weiterem Blogbeitrag durchgeführt.
Dem Thema Kapazitätsmärkte ist Auch ein Beitrag gewidmet. Mehr zu den Stromsteuern

Sonntag, 22. Juli 2012

Untere Preisschwelle für Solarstrom

Ein Wort vorneweg, die hier kalkulierten Preise für Solarenergie könnten erreicht werden, es sind keine aktuellen Preise die wir in Kürze sehen werden, sondern Grenzwertbetrachtungen.
Betrachtet man die Kostenstruktur für Solarenergie, dann gibt es die Modulpreise, die Gestelle, die Montagekosten und die Transportkosten.

Die Modulpreise sind heute immer noch durch die Siliziumzellen dominiert. Allerdings kann die Firma Firstsolar bereits Silizium-Dünnschichtmodule mit über 14% Wirkungsgrad herstellen. Damit wird auf Dauer der Glaspreis die Module dominieren, da nur minimale Mengen an Silizium aufgedampft werden und die Prozesse extrem optimiert werden können. Der weltweite Markt für Flachglas liegt bei 50 Millionen Tonnen, der Umsatz bei 21 Mrd$. Mithin kostet eine Tonne Flachglas 420$. Damit können 100m² Solarglas gefertigt werden, das etwa 3,2mm dick ist. Ein Quadratmeter Solarmodul, ohne Montage, ab Werk, könnte somit 4,2$/m² kosten

Geringer Wirkungsgrad

Konservativ wird der Wirkungsgrad von SI -Dünnschicht nicht wesentlich über 15% gehen, insbesondere wenn man die Degeneration berücksichtigt. Damit benötigt man 7m² Glasfläche um 1kW_peak zu installieren. Der Preis für das Modul pro kW_peak liegt dann bei 28$/kW_peak, zum Vergleich, dieser Wert liegt heute noch bei 500$/kW_peak, aber es soll die Grenze gefunden werden.
Die Installation erfordert Gestelle aus Stahl und Aluminium, eine grobe Schätzung ist, dass etwa soviel Metall notwendig ist, als für die Solarzellen, also nochmals 28$/kW_peak.
Diese Materialien müssen angeliefert werden, Heute kostet eine Containerfracht 0,05$/kg um die halbe Welt, etwa China-Europa. Danach muss noch vom Hafen zur Baustelle ein LKW fahren, dabei erhöhen sich die Frachtkosten um weitere 19$/kW_peak.
Die Montage besteht im wesentlichen aus dem Einrammen er Pfähle und dem Festschrauben der Module, das sind Vorgänge, die mit geeigneten Maschinen erheblich automatisiert werden können, ich setze sie mit 26$/kW_peak an.

Kostenstruktur für ein kW_peak installierte Leistung:


  • Modulpreis:   28$
  • Gestelle     :   28$
  • Montage   :   25,6$
  • Transport  :   25,6$
  • Summe     : 107,2$

Finanzierung

Das gesamte System muss finanziert werden und dabei soll innerhalb von 10 Jahren das Invest vollständig zurücklaufen, danach entstehen im Unternehmen Reingewinne. Bei guten Standorten, etwa Südspanien oder im Südwesten der USA können 2000kWh/a mit einer Solaranlage mit 1kW Spitzenleistung erzeugt werden. Innerhalb von 10 Jahren somit 20.000kWh.
Da unsere Anlage 107$/kWh_peak kostet, kann der Strom für 0,006$/kWh oder 0,6ct/kWh produziert werden. Das liegt weit unterhalb aller bekannten Stromerzeugungskosten, die bei 5ct/kWh in Kohlekraftwerken liegen!

Nicht berücksichtigte Kosten

Diese Betrachtung hat einige Kosten bewusst ausgespart, da sie nicht direkt in die Stromproduktion einfließen. Der Abtransport des Stroms kann über Leitungen erfolgen, aber möglicherweise steht der Verbraucher, etwa Rechenzentren, Aluminiumhütten, Mineralölkonverter, direkt neben der Anlage, was heute oft bei Flusskraftwerken der Fall ist. Die Wartung wurde nicht berücksichtigt, kann aber sehr klein gehalten werden, heute geht man von 1% der Systemkosten pro Jahr aus, das würde in unserem Fall den Preis um 10% auf 0,0066$/kWh unwesentlich erhöhen.
Die genutzten Flächen sollten vorzugsweise Wüsten sein, bisher sind solche Landflächen extrem billig, da praktisch wertlos. Das könnte sich natürlich in ferner Zukunft, wenn alle Wüsten voll mit Solaranlagen stehen, ändern. 
Sinnvoll wäre natürlich noch ein Speichersystem für diesen extrem günstigen Strom, aber das ist eine andere Geschichte, die ich mit meinem Lageenergiespeicher gerne lösen würde.
Weitere Kosten, wie Wechselrichter, Blitzschutz, Versicherung, Steuern, Bewachung, Rückbau, "Ökoabgabe?" habe ich nicht näher betrachtet. 
Auf jeden Fall sollte damit klar werden, dass ein weiteres Absinken des Preises für Solarstrom möglich, und aufgrund des großen Marktes sogar als sehr wahrscheinlich anzusehen ist!

Freitag, 20. Juli 2012

Ist Solarenergie in Deutschland anders?

Deutschland ist das Land mit dem größtem relativen und absoluten Anteil an Solarenergie im Stromnetz. Die Ursache ist das EEG, so kann man es zumindest allerorten lesen. Interessant ist es aber, einmal der Frage nachzugehen, wie sich das Wachstum der Solarenergie in anderen Ländern entwickelt.
Wachstum der PV-Installationen, Weltweit ohne Deutschland und nur in Deutschland
 (Quelle:  BP, eigene Darstellung)
Vor der Einführung des EEG in Deutschland wuchs die Zahl der PV Installationen sowohl in Deutschland als auch im Rest der Welt um etwa 30% pro Jahr. Nach der Einführung im Jahr 2000 ist die Wachstumsrate in Deutschland sprunghaft auf über 100% angestiegen. In den anderen Ländern war die Wachstumsrate eher unterdurchschnittlich bei 20%. Seit 2010 hat sich das Bild aber umgekehrt, in Deutschland ist das Wachstum, wohlgemerkt nicht der absolute Zubau, auf 40% gefallen. Im Rest der Welt liegt das Wachstum aber inzwischen bei erstaunlichen 80%!
Die Ursache kann man darin suchen, dass durch das EEG die Produktionszahlen massiv angewachsen sind und damit die Preise für PV auf einen Bruchteil des ursprünglichen Wertes gesunken sind, etwa Faktor Fünf.
Damit ist die Solarenergie in vielen sonnenreichen Staaten attraktiv geworden und es kommt zu einem natürlichen Wachstum der Installation von Solarenergie ohne Subventionen.

Dieses Wachstum verursacht einen gewaltigen Speicherbedarf den ich unter "Wann kommt der Speicherbedarf" beschrieben haben.

Freitag, 6. Juli 2012

Firmen für gespeicherte Energie führend


Blickt man auf die Liste der zwanzig umsatzstärksten Unternehmen der Welt, so staunt man. Eigentlich würde man eine bunte Mischung aus Automobil, Internet, Elektronik und Energieunternehmen erwarten. Dies ist aber keineswegs so!
Liste der 20 umsatzstärksten Unternehmen der Welt, Quelle: FAZ

Die 20 führenden Unternehmen erwirtschaften einen Umsatz von etwa 5.000 Milliarden Euro, auf Mineralölfirmen entfallen über 3.000 Milliarden, das sind mehr als 60 Prozent. Nimmt man noch das Erdgasunternehmen Gazprom und den Energieversorger EON hinzu, so hat der Energiemarkt bei den großen Konzernen mit 70% die überragende Bedeutung.

In vielen Branchen benötigt man für das Produzieren eine große Menge Geld und viel Personal, das ist in der Mineralölwirtschaft etwas anders, das Gut, Öl ist praktisch fertig in der Natur vorhanden. Gewiss muss man bohren, transportieren und raffinieren, aber das verursacht nicht die zentralen Kosten, diese sind durch die Endlichkeit des Gutes bestimmt, und das ist gespeicherte Energie in bester Form. 

Ich treffe immer wieder Menschen, die die Bedeutung von Energie unterschätzen und auch unterschätzen, wie viel Umsatz in einem Jahr alleine mit dem Handel von Energie gemacht wird. Das bedeutet aber auch, dass die Welt bereit ist, sehr viel Geld für Energie auszugeben und daher können Energieprobleme auch gelöst werden.

Kosten einer Energiewende

Man bedenke, um die gesamte Welt mit Solarstrom zu versorgen, müssten 20.000 TWh Strom erzeugt werden. Dazu müssen etwa 10 000 000 000 kW Photovoltaik installiert werden, bei heutigen Preisen von 1000 €/kWpeak kostet das etwa den Umsatz von drei Jahren der 13 größten Energieunternehmen. Selbst wenn man die Speicherkosten in gleicher Höhe ansetzt, sieht man, dass eine globale Energiewende sehr wohl im Bereich des wirtschaftlich Machbaren ist.

Insbesondere muss man sich im Klaren sein, dass nach dieser Energiewende praktisch keine weiteren Kosten für Strom auftreten, da die Sonne dann tatsächlich „kostenlos“ liefert. Somit kann man nur mit einem alten Spruch aus der Mineralölwirtschaft sagen: „packen wir‘s an!“

PS. Inzwischen bin ich auf eine Analyse von Hans-Josef Fell gestoßen, der abschätzt, dass weltweit etwa 5.000 Mrd.$ für Energie ausgegeben werden, das liegt in der gleichen Größenordnung.

Siehe auch: Geplante Investitionen in Energiespeicher.

Freitag, 22. Juni 2012

2. VDI-Speicherkonferenz


Am 20 und 21. Juni 2012 fand in Karlsruhe die 2. deutsche VDI Speicherkonferenz statt. Geleitet wurde sie von Professor Dr.  Michael Sterner aus Regensburg. Die zentralen Themen waren Power to Gas (P2G), wie unter dem Vorsitzenden kaum anders zu erwarten, da er beim Fraunhoferinstitut IWES die entsprechenden Technologien angestoßen hat. Daneben ging es um andere neue physikalische Speichersysteme und dabei natürlich um den Lageenergiespeicher (PDF, Folien mit SoundtrackMP3) der auf großes Interesse gestoßen ist, mein Vortrag wurde von Sterner in der Abschlussrede als erfrischend, querdenkerisch aber auch als sehr wichtige Innovation eingestuft.  

Power to Gas

Power to Gas  ist das Verfahren, bei dem man mit überschüssigen Solarstrom oder Windstrom Wasserstoff erzeugt wird und danach mit CO2 dieser Wasserstoff in einer chemischen (oder auch biologischen!) Reaktion in Methan umgewandelt wird. Methan kann man natürlich hervorragend in das Erdgasnetz einspeisen. Leider ist der Wirkungsgrad nur 60%, so dass es keinerlei wirtschaftlichen Vorteil gegenüber natürlichem Methan gibt. Dieses Verfahren ist also als Stromspeicherverfahren nicht sinnvoll, allerdings ist es für die Autoindustrie von Interesse. So wurde von Audi das Thema aufgenommen und eine erste Produktionsanlage wird in Norddeutschland direkt neben einer Biogasanlage aufgestellt, da dort das notwendige (ökologische) CO2 anfällt. Methan kann bekanntlich auch als Autogas verwendet werden und gibt er Automobilindustrie mit Verbrennungsmotor eine interessante Alternative nach dem Ölzeitalter. Bemerkenswerterweise ist die CO2 Bilanz exakt gleich wie beim Elektroauto, so dass es wirklich sinnvoll sein kann Methan zu tanken, da die Reichweite heute schon viel besser ist.

Synthetisches Öl aus Solarenergie

Interessanterweise ist auch die vollständig synthetische Herstellung von Benzin oder Diesel aus Solarenergie wirtschaftlich. Die Herstellungskosten pro Liter liegen bei einer Vollkostenrechnung unter einem Euro und ab einem Ölpreis von etwa 120€ pro Barrel werden wir synthetisches Öl sehen. Insbesondere für die Luftfahrt ein zentraler Punkt, da ein A380 als Batterieflugzeug wohl nie kommen wird.

Druckluftspeicher

Das seit über vierzig Jahren bekannte Verfahren, Strom in Form von Druckluft in Salzkavernen zu speichern ist kaum verbessert worden und leidet weiterhin unter dem schlechten Wirkungsgrad von 40-50%. Weltweit gibt es zwei Anlagen, in den letzten zwanzig Jahren wurde keine neue gebaut.

Batterien

Als spezielle Speicherform wurde die Vanadium-Redox-Flow Batterie dargestellt. Dabei werden zwei Ionisierungsstufen von Vanadium in zwei Tanks gespeichert. Bei Strombedarf werden die elektrolytischen Flüssigkeiten in eine Kammer gepumpt in der sie durch eine Membrane getrennt sind. Es entsteht ein elektrisches Potential und dieses kann genutzt werden. Dabei wurde ein fertiges System gezeigt, das in zwei Containern, ein Tankcontainer, ein Reaktionscontainer, 400kWh speichern kann. Es wird von Gildemeister wohl gut nach Indien verkauft, wo lokal Solarenergie erzeugt wird und bei dem notorisch schwachen Stromnetz eine zuverlässige Energieversorgung möglich wird.

Die Tagung hat viele interessante Vorträge geliefert, allerdings haben alle Teilnehmer unter dem überfüllten Raum und der schlechten Klimatisierung gelitten. Mit Sicherheit war das nicht die letzte Speicherkonferenz des VDI, da das Thema zunehmend wichtiger wird.

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:


Sonntag, 17. Juni 2012

Norwegen die Superbatterie

Die größten Batterien der Welt können etwa 100 MWh (100.000 kWh) speichern. Das ist die Strommenge, die ein durchschnittlicher Deutscher in 12 Jahren verbraucht. Das größte Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland, Goldisthal, hat etwa hundert mal mehr Kapazität, 8,4 GWh Strom. Soviel als Vorrede um die Größenordnungen in Erinnerung zu rufen, über die man spricht, wenn es um die Speicherkapazität geht.

Norwegen, eine andere Dimension

Die Speicherseen in Norwegen spielen in einer anderen Liga, die erschlossene Kapazität beträgt 84 TWh, das entspricht ziemlich genau 10.000 mal Goldisthal. Das bedeutet, auch wenn  wir jedes Jahr 100 solche Speicher bauen würden, erst nach hundert Jahren hätten wie die gleiche Speicherkapazität!

Speichersee ist nicht gleich Pumpspeicherkraftwerk

Ein Speichersee ist ein See, der hinter einen Staudamm liegt und Wasser zurückhalten kann. Je mehr es regnet, um so mehr Wasser fliest in den See und der Wasserspiegel steigt. Wird Strom benötigt, öffnet man eine Schleuse und leitet das Wasser über eine Turbine und erzeugt damit Strom. Der See leert sich langsam. Je nach Bauart und Genehmigung kann der Wasserstand um mehrere zehn Meter absinken und später durch Zufluss wieder ansteigen.
In einem Pumpspeicherkraftwerk ist es zusätzlich möglich, durch Pumpen Wasser in den See zu Pumpen, so dass man nicht auf Regen warten muss um den See wieder zu füllen.

Virtuelle Pumpspeicher

In der Energiediskussion wird häufig gefordert, mehr Pumpspeicher zu bauen, damit überschüssiger Windstrom aus der Nordsee gespeichert werden kann. Da der Bau von solchen Kraftwerken einerseits teuer und andererseits nicht sehr beliebt bei der Bevölkerung ist, sucht man nach Alternativen.
Eine strategische Alternative sind die Speicherseen in Norwegen, auch wenn sie nicht als Pumpspeicher ausgelegt sind. Und das geht so: Wenn bei uns der Wind wieder mal heftig weht und mehr Strom produziert als genutzt werden kann, überträgt man den Strom über Unterwasserleitungen nach Norwegen. Dort wird der Strom von den Norwegern verbraucht, hauptsächlich um die Häuser elektrisch zu heizen. Gleichzeitig schaltet man aber die Turbinen der Speicherseen ab. Damit bleibt das Wasser im Speichersee bis wieder Bedarf entsteht.
Damit hat man einen virtuellen Pumpspeicher, der bis zu 20 GW Leistung aufnehmen kann, so groß ist nämlich im Durchschnitt der Stromverbrauch in Norwegen und Norwegen hat zu 99% eine Stromversorgung, die auf Wasserkraft basiert.

Stromleitungen nach Norwegen

Das einzige finanzielle Problem bei der Nutzung der größten "Batterie" der Welt, den Speicherseen in Norwegen, sind die Leitungen. Eine Leitung von Deutschland nach Norwegen kostet etwa 1000 € pro kW Leistungskapazität. Das ist eine überschaubare Summe, wenn man bedenkt, dass man für jeden Deutschen etwa ein Kilowatt Kapazität benötigt. In der Summe sind die Zahlen natürlich gewaltig, um 20 GW anzuschließen, benötigt man 20 Mrd.€, eine große Summe, die allerdings im Vergleich zu anderen Investitionen im Bereich der erneuerbaren Energien eher gering erscheint, man bedenke, dass das etwa der Betrag ist, der jedes Jahr in den Ausbau der Photovoltaik geflossen ist.  
Ungleich teurer wären vergleichbare Batterien, diese würden mindestens 100 €/kWh kosten, oder in anderen Worten, um die 84 TWh von Norwegen mit Batterien abzubilden benötigt man 84.000 Mrd.€. Eine absolut utopische Summe, die das Bruttosozialprodukt der Erde (56.000 Mrd.€) übertrifft!

Das Problem der Politik

Jedem Ingenieur und auch jedem wirtschaftlich denkenden Menschen erschließt sich sofort der Vorteil dieser Superbatterie. Allerdings sollte auch beachtet werden, dass die Anbindung eines anderen Landes an das Stromnetz in einem derartigem Umfang sorgfältiger politischer Abwägung bedarf. Was würde passieren, wen es zu einem Boykott käme, was wenn die Preise willkürlich verändert werden, aus der Abhängigkeit von Öl haben wir da einiges gelernt. Trotzdem wird es in Zukunft sinnvoll sein, diese Speicherkapazität optimal in eine ökologische, nachhaltige Energieversorgung einzubinden.

Mehr zur Problematik von Stromleitungen und Energiespeicher.

Samstag, 16. Juni 2012

Sind Speicher für Strom ökonomisch?


In der aktuellen Diskussion über die Einführung der erneuerbaren Energien ist die Frage der Stromspeicherung völlig ungeklärt. Warum ist es so schwierig, dieses Problem zu quantifizieren und zu lösen.

Bisherige Entwicklung des Speicherbedarfs

Bis vor zehn Jahren war die Stromwelt relativ einfach. Es gab einige riesige thermische Kraftwerke, insbesondere Kernkraftwerke und Braunkohlekraftwerke. Diese lies man immerzu laufen und wenn niemand den Strom benötigt hat, etwa in der Nacht, dann hat man den Strom billig abgegeben. Manche haben damit ihre Nachtspeicherheizung betrieben, andere haben damit die Speicherseen der Pumpspeicherkraftwerke gefüllt.

Am Tag, wenn der Bedarf angestiegen ist, wurden einige Kohlekraftwerke hochgefahren, wenn es eng wurde auch noch einige Gaskraftwerke und die Turbinen bei den Speicherkraftwerken wurden angeworfen. Für dieses Konzept ist unser Leitungsnetz, unsere Speicherkapazität und unser Stromtarif ausgelegt.  

Plötzlich kommt die Sonne ins Spiel

Die Sonne hat bekanntlich die Eigenschaft, dass sie nie nachts scheint. Daher ändert sich zunächst in der Nacht für die Stromversorgung nichts. Anders am Tag, dann scheint die Sonne und Photovoltaikanlagen auf den Dächern der Häuser und Scheunen liefern Strom. Strom wird seltener knapp, da die zusätzliche Stromproduktion im Wesentlichen den zusätzlichen Strombedarf an Tag abdeckt.
Stromverbrauch: Stromquellen: Grau ist konventionell, Grün aus Wind und Gelb aus der  Photovoltaik. (Bildquelle: eex)


Das hat aber zwei fatale Konsequenzen, die Betreiber der Gaskraftwerke müssen ihre Gasturbinen nur noch selten zuschalten. Da diese aber nach geliefertem Strom bezahlt werden, verlieren sie Einnahmen. Gaskraftwerke werden unökonomisch, manche denken schon an das vollständige Abschalten, keiner an den Bau neuer Gaskraftwerke. Ähnlich ergeht es den Speicherkraftwerken. Auch sie werden weniger gebraucht und der Preisunterschied auf dem Strommarkt ist zwischen Tag und Nacht sehr gering, so dass die Betreiber von Pumpspeichern wenig Freude haben und kaum an die Investition in neue Kapazitäten denken.

Wann werden dann die Speicher notwendig?

In der aktuellen Situation sind Speicher nicht notwendig, wie auch der VDE in einerPresserklärung mitgeteilt hat. Erst ab etwa 40% erneuerbare Energien am Netz lohnen sich Speicher. Aktuell sind genau 20% erneuerbare Energien am Netz. Die wirklich schwierige Frage lautet daher, wann werden es 40% sein? Eine sehr simple Betrachtung wäre, in den letzten 20 Jahren sind etwa 15% erneuerbare an das Netz gegangen, dann werden in den nächsten 20 Jahren weitere 15% an das Netz gehen und alle Probleme liegen in weiter Ferne.

Eine genauere Betrachtung ergibt allerdings, dass vor fünf Jahren der Anteil der erneuerbaren Energien nur halb so hoch war. Erwartet man innerhalb der nächsten fünf Jahre eine weitere Verdopplung der erneuerbaren Energien, dann ist bereits vor 2020 ein erhebliches Speicherproblem vorhanden. Und genau da liegt das Prognoseproblem. Man kann für die Prognose zwei verschiedene Annahmen treffen, die erste ist, dass das Wachstum von 15% pro Jahr, das in den letzten zehn Jahren sehr stabil war anhält. Dafür spricht, dass die Preise für Solaranlagen und für Windkraftwerke zurückgehen und damit sich die Investition immer mehr lohnt, auch ohne Subventionen.

Eine alternative Betrachtung geht davon aus, dass durch den politisch gewollten Stopp aller Subventionen der Zubau praktisch zum Stillstand kommt und damit keine Speicherrelevanten Strommengen auf dem Markt auftauchen. In diesem Fall muss am Stromsystem zunächst wenig geändert werden, allerdings ist aktuell kaum erkennbar, dass die Bevölkerung an einem Ausstieg aus den erneuerbaren Energien interessiert ist.

Welche Speicher sind wirtschaftlich?

Wie wirtschaftlich ein Speicher ist, hängt von mehreren Größen ab, erstens, wie teuer die Kapazität von einer kWh Energie ist (SP), wie oft der Speicher pro Jahr gefüllt und entleert wird, das ist die Zahl der Speicherzyklen (Zy). Weiterhin, wie stark der Strompreis schwankt, die sogenannte Volatilität(Vo) und dem minimalen Einkaufspreis (Pmin).  Und nicht zu unterschätzen ist der Wirkungsgrad der Speicher (Wi).
Damit kann man die Einnahmen errechnen, wie lange in Jahre (Ta) es dauert bis der Speicher seine eigenen Kosten erwirtschaftet hat. Die Gleichung lautet:
Ta = SP/((((Pmin+Vo)*Wi)-Pmin)*Zy)

Nimmt man eine Bleibatterie (70% Wirkungsgrad) mit einem Speicherpreis von SP=150€, geht von einem minimalen Strompreis von 0,02€/kWh aus und hofft auf eine Volatilität von 0,10€/kWh, mit Tageszyklen Zy=365 pro Jahr, der bei einer Photovoltaikanlage möglich erscheint, so erhält man:
Ta = 150 € / ( ( ( (0,02 €/kWh + 0,10 €/kWh ) * 0,7 ) - 0,02 €/kWh ) * 365 )
Ta = 6,4 Jahre

Die Rückzahlzeit für Speicher hängt sowohl von der Volatilität auf dem Markt als auch vom Wirkungsgrad ab. (Zum Vergrößern anklicken)

Nach gut sechs Jahren ist die Investition in die Bleibatterie zurückgelaufen, allerdings ohne Berücksichtigung von Zinsen. Allerdings gibt es ein viel größeres Problem, die Bleibatterie ist nach etwa 1000 Ladezyklen so geschwächt, dass sie nicht mehr die gewünschte Leistung bringt und ausgetauscht werden muss, somit erreicht dieses System nie die Wirtschaftlichkeit unter den beschriebenen Annahmen.
Rücklaufzeit, zum Vergrößern anklicken
Rücklaufzeit einer Investition in Stromspeicher bei einem unteren Preis von  0,02€/kWh und mit 365 Zyklen im Jahr. (Zum Vergrößern anklicken)


Erst wenn der Speicherpreis auf deutlich unter 100€/kWh sinkt und die Lebensdauer weit über 3000 Zyklen liegt, werden Speicher wirtschaftlich. Unklar ist, mit welcher Technologie dies erreicht werden kann, aber vermutlich sind Pumpspeicherkraftwerke gute Kandidaten, da diese bereits heute wirtschaftlich arbeiten. Für Batterien, die auf teuren Rohstoffen basieren ist es nur in Ausnahmefällen ökonomisch sinnvoll diese für die stationäre Stromspeicherung einzusetzen. Für mobile Anwendungen, wie Fahrräder und Autos ist die Situation natürlich völlig anders.




Donnerstag, 24. Mai 2012

Energiespeicher Schwerkraft

Immer wieder werde ich gefragt, wieso man nicht einfach schwere Gewichte hochhebt und damit Energie speichert? Prinzipiell kann man sehr wohl Energie durch Anheben von Gewichten speichern.
Pendeluhr mit Gewichten (Bildquelle : Wikipedia)
Besonders bei Uhren ist das Verfahren, Energie durch das Anheben von Gewichten zu speichern weit verbreitet und sinnvoll, da Uhren erstaunlich wenig Energie benötigen. 

Berechnung der Energiemenge

Um die Menge an gespeicherter Energie zu bestimmen, müssen drei Faktoren berücksichtigt werden, die Stärke der Schwerkraft, die Masse des Gewichts und die Höhe um die das Gewicht angehoben wird.
Ein erstes Beispiel soll das verdeutlichen, eine Pendeluhr hat ein Gewicht, das m = 10 kg schwer ist und einen Meter (h = 1m) hochgehoben wird. Die Schwerkraft ist weltweit praktisch immer gleich und mit g = 9,81m/s² anzusetzen. Oder vereinfacht g ~ 10m/s²
Damit bekommt man die gespeicherte Energie:
E = m * g * h
E= 10 kg * 10 m/s² * 1 m 
E = 100 J = 100 Ws 
Die Uhr speichert also 100 Watt Sekunden, oder in anderen Worten ausgedrückt, damit könnte man eine Glühbirne mit 100 Watt genau eine Sekund antreiben. Nicht besonders viel!

Um die Energiemenge zu erhöhen, kann man die Uhr höher aufhängen, etwa auf einem Kirchturm, der 100 Meter hoch ist. Wenn das Gewicht an einem langen Seil dann 100 Meter aufgezogen wird, speichert es 10.000 Ws, Damit kann man die Glühbirne bereits 100 Sekunden aufleuchten lassen. 

Ein Turm mit Gewicht

Ein noch höherer Turm ist sicher keine gute Lösung, daher versuchen wir das Gewicht zu vergrößern. Wenn man statt 10 kg einen Felsblock mit 3600 kg anhebt, hat man 3.600.000 Ws gespeichert! Das ist schon eine Menge und es lohnt sich, dies in der üblichen Einheit Kilowattstunden (kWh) anzugeben. Da eine Stunde 3600 Sekunden hat ergibt das genau eine Kilowattstunde und hat auf dem Strommarkt einen Wert von etwa 0,05€.

Offensichtlich kann man damit kein wirtschaftliches Speichersystem aufbauen, denn auch nach 1000 Zyklen hat man nur 50 Euro eingenommen, muss aber von dem Geld den 100m hohen Turm, den Motor und noch einiges an Zubehör bezahlen.

Ein Güterzug

Ein Ausweg ist, die Masse weiter massiv zu erhöhen, etwa ein großer, amerikanischer Supergüterzug, der 100 Wagons hat und jeder Wagon 100 Tonnen schwer ist. Diesen ziehen wir jetzt 360 m hoch auf die Schwäbische Alb und lassen ihn bei Bedarf wieder herunterrollen. Die Energiemenge ist dabei:
E = 100 * 100 t *1000 kg/t * 10 m/s² * 360 m
E = 36.000.000.000 Ws
E = 10.000 kWh
Die Energiemenge die dieser Güterzug speichert ist erheblich, allerdings auf dem Strommarkt nur 500€ wert. Vielleicht auch ein Hinweis, dass Strom doch immer noch eine sehr günstige Energie ist.  

Will man mit dieser Konstruktion Geld verdienen und fährt den Güterzug jeden Tag bei Sonnenschein mit der Energie aus Photovoltaikanlagen hoch, so hat man nach 1000 Zyklen immerhin 500.000€ eingenommen. Allerdings besteht kaum die Chance, damit auch nur das notwendige Abstellgleis zu finanzieren, von der Lokomotive und den Wagons ganz zu schweigen.

Einen See hochheben

Der Klassiker für das Speichern von Energie ist das Hochpumpen von Wasser in einen Speichersee. Ein größerer See, wie der Schluchsee, kann immerhin 13 Millionen Tonnen Wasser aufnehmen, dies entspricht bei 500 Meter Höhenunterschied die gewaltige Energiemenge von 18 GWh. Bei einem Strompreis von 0,05€ ist die Energie im See jetzt 900.000€ wert! Nach 1000 Zyklen kann man damit etwa 900 Millionen Euro einnehmen und es ist realistisch, mit so viel Geld ein System dieser Art zu bauen. 

Einen Fels hydraulisch anheben.

Der ultimative Energiespeicher ist ein zylinderförmiger Fels, den man aus seiner Umgebung freilegt, wie es beim Lageenergiespeicher verwirklicht werden soll. Die Felsmasse beträgt etwa 2 Milliarden Tonnen. Hebt man diesen Fels hydraulisch um 500m an, so speichert er etwa 2000GWh, unter Berücksichtigung von Verlusten bei den Turbinen sind es mindestens 1600GWh, das ist ein Wert von 80 Millionen Euro. Würde man theoretisch diesen Berg 1000 mal hochheben, könnte man damit 80 Milliarden Euro einnehmen. Die Frage ist, ob ein derartiges Bauwerk zu diesen Preis realisierbar ist? 

Speicherbau ist schwer

Aus den obigen Beispielen sieht man, dass es schwer ist, mit der Schwerkraft und großen Massen größere Energiemengen zu speichern. Es soll noch angemerkt werden, dass es sich bei der ökonomischen Betrachtung um grobe Überschlagsrechnungen handelt. Die Annahme, dass man 5ct pro kWh erlösen kann ist auf dem aktuellen Markt realistisch, der Wert könnte aber auch auf das Doppelte ansteigen. Die Annahme von 1000 Arbeitszyklen ist ebenfalls ungenau, würde etwa jeden Tag eingespeichert, dann wäre bereits nach drei Jahren das Kapital zurückgeflossen. Es ist unklar wie oft in Zukunft überschüssige Energie vorhanden ist, zudem sind Abschreibung, Betriebskosten usw. nicht berücksichtigt.

Hinweis:

Die größten Energiespeicher gibt es in Norwegen, denen ich einen eigenen Beitrag gewidmet habe

Dienstag, 17. April 2012

Wirkungsgrad von Speichern


Mit zunehmendem Ausbau von Wind und Sonne wird es Überschüsse bei der Stromversorgung geben, die zu sehr niedrigen Strompreisen führen. Häufig ist man der Meinung, bei sehr billigem Strom würde der Wirkungsgrad der Speicher nur eine untergeordnete Rolle spielen. Daher soll hier der Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad eines Speichers und der Wirtschaftlichkeit eines Speichers betrachtet werden.
Strompreisschwankungen an der EEX, mit einem Speicher kann man damit Geld verdienen.

Typische Wirkungsgrade von Stromspeichern

Der perfekte Stromspeicher hat 100% Wirkungsgrad, das bedeutet, eine kWh Strom, die eingespeichert wird, kann man genauso wieder entnehmen. Diesen Wirkungsgrad hat etwa ein Kondensator. Allerdings sind Kondensatoren derart teuer, dass man nur sehr kleine Energiemengen speichern kann und eine weitere Betrachtung dieser Technik keinen Sinn macht.

Pumpspeicher

Nicht ganz so gut, aber mit dem besten Wirkungsgrad für große Strommengen, sind Pumpspeicherkraftwerke. Damit wird mit einer Pumpe Wasser in einem höher gelegenen See gepumpt und bei Bedarf über eine Turbine wieder Strom erzeugt. Die besten Pumpen erreichen heute einen Wirkungsgrad von 92%, für Turbinen gilt dasselbe. Somit liegt der mögliche Gesamtwirkungsgrad bei 85%. In der Praxis wird dieser Wert selten erreicht, da hohe Wirkungsgrade auch immer mit teuren Maschinen verbunden sind. So findet man in der Praxis meist einen Wirkungsgrad von 80% bei neuen Pumpspeicherkraftwerken und bei älteren manchmal weniger als 70%. (mehr zu Pumpspeicherkraftwerke)

Druckluftspeicher

Komprimiert man Luft und pumpt diese in eine Kaverne, so kann man damit auch Energie speichern. Diese sogenannten (nichtadiabatische) Druckluftspeicher-Speicher brauchen wenig Platz, sind technisch nicht sonderlich anspruchsvoll, erreichen aber nur einen Wirkungsgrad von 40%. Dies liegt an einem lästigen physikalischen Effekt, komprimiert man ein Gas, erwärmt es sich. In der Kaverne kühlt das Gas aber aus und verliert damit wertvolle mechanische Energie weil damit auch der Druck abfällt.

Methan

Eine Umwandlung von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff kann mit einem Wirkungsgrad von 80% erfolgen. Verwandelt man diesen Wasserstoff in Methan, lässt sich dieses Gas in fast beliebiger Menge im Erdgasnetz speichern. Das ist für einen Langzeitspeicher optimal, allerdings ist jetzt nur noch 60% der ursprünglichen elektrischen Energie vorhanden. Leider liegt der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Methan mit einer Gasturbine in Strom bei 50%. Damit liegt der Gesamtwirkungsgrad bei 30% (0,6*0,5).
(Mehr zu Erdgasspeicher Power to Gas)

Wirtschaftliche Nutzung eines Speichers.

In der folgenden Rechnung wurden die tatsächlichen Strompreise der EEX-Strombörse in der Zeit vom 19.-26. März 2012 verwendet um optimal mit verschieden guten Speichern Strom günstig einzukaufen und wieder möglichst teuer zu verkaufen. Man sieht deutlich, dass kurz nach Sonnenuntergang der Strom am teuersten ist, weiterhin an manchen Tagen mit viel Wind der Strompreis unter 20 Euro/MWh (2 ct/kWh) liegt.
Einnahmen mit einem Speicher, je nach Wirkungsgrad.

Ist der Wirkungsgrad hoch, etwa 80%, dann kann man bereits geringe Preisschwankungen ausnutzen, da nur ein geringer Verlust im Speicher auftritt. In dem Beispielzeitraum hätte man, auf das Jahr hochgerechnet, 740 Euro mit einer MWh Speicherkapazität verdient. Oder in der bequemen Einheit kWh wären es 0,74€/kWh*a Einnahmen gewesen. Ein normales Pumpspeicherkraftwerk, das 100€/kWh kostet, kann damit nie in die Gewinnzone vordringen. Der Lageenergiespeicher, hätte bereits im zweiten Jahr einen Überschuss erwirtschaftet.

Mit einem geringerem Wirkungsgrad, wie dem Druckluft-Speicher (40%) wären die Einnahmen noch geringer, 0,36€/kWh*a. Selbst bei einer völlig kostenlosen Kaverne ist hier ein Gewinn aufgrund der Turbinenkosten schwer darstellbar.

Mit der Technik „Power to Gas“, bei der Methan erzeugt wird und daraus wieder Strom erzeugt wird, liegt der Wirkungsgrad bei 30% und die Einnahmen betragen nur 0,20€/kWh*a, damit ist die Finanzierung des Elektrolyseurs, der Methanchemie und der Gasturbine schwer vorstellbar, selbst wenn der Speicher, das Erdgasnetz, völlig kostenlos genutzt werden können.

Strompreise in der Zukunft

In Zukunft werden die Strompreise wesentlich stärker schwanken, damit ist eine Verdopplung, oder eine noch wesentlich stärkere Erhöhung der Einnahmen leicht vorstellbar. Allerdings werden dabei die einzelnen Speicher weiterhin nur proportional zum Wirkungsgrad hinzugewinnen.

Jedem den es gelingt, Speicher im Preisbereich von 10€/kWh herzustellen, hat damit ausgezeichnete Einnahmemöglichkeiten. Und genau das könnte die große Chance des Lageenergiespeichers werden.
Anmerkung: Die Rechnung nutzt nur die Daten von acht Tagen und ist daher nicht repräsentativ für das ganze Jahr. Aber sie gibt einen ersten Eindruck, wie sich die Einnahmen einesSpeichers darstellen. 

Montag, 2. April 2012

Benzin ein teurer Energiespeicher?

Jedes Jahr an Ostern brandet die Diskussion auf, warum ist das Benzin so teuer?
Als erstes sind da natürlich die Mineralölkonzerne schuld, halt, so einfach ist das nicht!
Ölpreis in Dollar pro Barrel ab Rotterdam,
Quelle: http://www.finanzen.net/rohstoffe/oelpreis 
Ich will mal versuchen, sachlich einige Aspekte des Beninpreises darzustellen.

Der Rohölpreis

Der Rohölpreis hat direkten Einfluss auf den Benzinpreis, eine ganz stark vereinfachte Rechnung besagt, aus einem Barrel kann man 150 Liter Benzin gewinnen. Kostet also ein Barrel 125$, was um Ostern 2012 der Fall ist, dann kostet ein Liter 0,83$ oder 0,64€/Liter, bei einem Dollarkurs von 1,30€/$.
Das war vor einem Jahr noch anders, da kostete ein Barrel 110$ und der Euro war noch 1,45€/$ wert. Damit kostete das Benzin im Einkauf 0,51€/Liter, damit ist der Einkaufspreis um über 25% gestiegen.
Warum das so ist, liegt an zwei wichtigen Faktoren, Öl wird immer knapper, zudem benötigt Japan sehr viel Öl, da es seine gesamten Kernkraftwerke abgeschaltet hat. Das andere Problem ist der Euro, aufgrund einer starken Ausweitung der Geldmenge, bekannt unter "Eurorettung" hat der Euro weltweit eine schwächere Kaufkraft.
Wir es eine Änderung beim Rohölpreis geben? Vermutlich wird der Preis nicht mehr längerfristig sinken, da es noch keinen Ersatz für diesen optimalen Energiespeicher gibt. Jeder Liter enthält 10kWh, würde man das in einem Bleiakku abspeichern, benötigt man für einen Liter bereits zehn Akkumulatoren. Es gibt aber eine gewisse Preisgrenze nach oben, da es ab einem Ölpreis von 150$/Barrel ökonomisch ist, aus Kohle Öl herzustellen.

Die Steuern

In Deutschland wird Treibstoff besteuert, merkwürdigerweise nicht nach Energiegehalt, sondern nach Treibstoffsorte. So wird Benzin höher (65ct/l) besteuert, als Diesel (47ct/l) und Erdgas (18ct/l) fast überhaupt nicht. Damit versuchen die Politiker den LKW Verkehr zu stärken, viele LKW finden Politiker gut, Autofahrer haben da manchmal eine andere Meinung. 
Der Grund für diese Steuer ist im Prinzip nachvollziehbar, damit sollen die Straßen finanziert werden. Zusätzlich hat man aber auch eine sogenannte Ökosteuer eingeführt, aus der die Renten finanziert werden sollen. 
Interessanterweise kommt auf diese Steuer und den Benzinpreis noch die Mehrwertsteuer hinzu, diese macht 19% aus, was bei einem Tankstellenpreis von 1,70€/Liter immerhin 27ct/l sind. Die Gesamtsteuer pro Liter beträgt damit 0,92€/Liter.

Die Mineralölkonzerne

Die verbleibenden 0,14€/Liter (1,70€-0,64€-0,92€) teilen sich nun die Mineralölindustrie, der Tankstellenbetreiber und der arme Mitarbeiter, der in der Nacht vom Ostersonntag zum Ostermontag in der Tankstelle stehen muss. Ehrlich gesagt sehe ich da nicht all zuviel Luft für Preissenkungen durch die Tankstellen.

Aber aus irgendeinem Grund wird in den Medien jedesmal auf die Mineralölkonzerne losgegangen. Ich will nicht sagen, dass ich jede Aktion der Konzerne so toll finde, man denke nur an die Ölkatastrophen, aber für den hohen Benzinpreis können sie nichts.

Schuldig am hohem Benzinpreis sind:

  1. Der Staat  (54%)  mit seinen Steuern, aber das sind wir, wir bekommen das Geld wieder zurück, in Form von Rente, Straßen und vielleicht sogar Bildung.
  2. Die Ölknappheit (23%), seit 1972 wird weniger Öl gefunden als verbraucht. Solange wir keine anderen Energiespeicher haben, wird fast jeder Preis gezahlt werden.
  3. Die Europolitiker, durch den Kaufkraftverlust des Euros wird Öl teurer.
  4. An letzter Stelle die, die sich darum kümmern, dass überall immer Benzin verfügbar ist. 
Wie wertvoll ist Energie?
Vielleicht auch interessant: Wie viel Geld mit Öl verdient wird!

Samstag, 31. März 2012

Investitionsvolumen neue Energiespeicher

Sobald die Energieproduktion aus Wind und Sonne den Bedarf übersteigt, ist es sinnvoll, Strom in großem Umfang zu speichern. Mittags, am 28. März 2012 wurde erstmal in Deutschland über die Hälfte des Stroms aus Windkraftwerken und Solaranlagen erzeugt. Innerhalb weniger Jahre wird es völlig normal sein, dass zeitweise deutlich mehr Strom produziert wird als von allen Verbrauchern benötigt wird.
Vermutete Umsätze im Speichermarkt bis 2021 laut Pike Research
Speichervolumen
Das zu erwartende Speichervolumen ist dabei abhängig von den Stromleitungen, eine gute Schätzung ist, dass innerhalb Deutschlands eine Verbesserung des Stromnetzes erfolgt, aber kein perfektes Stromnetz in Europa aufgebaut werden wird. Damit entsteht ein Speicherbedarf von sieben Tagesladungen Strom, das sind 11.000 GWh. Es ist dabei zu beachten, dass die Speicher wohl nie innerhalb von sieben Tagen vollständig entladen werden, jedoch in ungünstigen Zeiten, wenn wochenlang wenig Wind weht und wenig Sonne scheint, die Speicher diese Energiemenge zusätzlich zu den schwachen anderen Stromquellen liefern.

Preise für große Speicher 
Die günstigsten Speicher sind bis heute Pumpspeicherkraftwerke, dort kostet eine Kilowattstunde Speicherkapazität etwa 100 €. Würde man in Zukunft nur auf diese Technik setzen, kosten die Speicher 1100 Milliarden Euro, das ist vergleichbar mit dem sogenannten Rettungsschirm für den Euro, der angeblich 800 Milliarden Volumen hat. Dies ist offensichtlich extrem viel Geld, das nicht in einem Jahr ausgegeben werden wird.
Eine Analyse von Pike Research geht davon aus, dass bereits im Jahr 2020 weltweit mehr als 20 Milliarden $ für große Speicher pro Jahr ausgegeben werden. Nach fünfzig Jahren wären das aber erst die notwendigen Investitionen, die für Deutschland alleine nötig sind (bei konstanten Ausgaben gerechnet).

Mögliche Alternativen
Die Studie von Pike Research verteilt die Ausgaben auf verschiedene Speichertechnologien. Dabei ist anzumerken, dass "Advanced" Lithium oder Flow Batterien noch nicht existieren. Natrium Schwefel Batterien sind nach einem schweren Zwischenfall in Japan etwas in Verruf geraten und mit weit über 100€/kWh auch nicht billiger als Pumpspeicher. CAES bedeutet Compressed Air Energy Storage, auf deutsch Druckluftspeicher, diese sind zwar mit 100€/kWh günstig aber aus physikalischen Gründen liefern sie nur 40% der eingespeicherten Energie zurück.
Bleibt noch der Lageenergiespeicher, der hier nicht erwähnt wird, aber das Potenzial hat, um den Faktor 50 günstiger als ein Pumpspeicherkraftwerk zu sein.

Weltweiter Bedarf
Analysiert man nicht nur den deutschen Markt, sondern den Weltmarkt, dann ergeben sich extrem große Zahlen. Längerfristig wird weltweit ein Wechsel zu Wind- und Solarenergie stattfinden. Nicht, weil es ein CO2 Problem gibt, sondern weil es einfach billiger ist, ein Wind oder Solarkraftwerk aufzubauen. Eine Situation die bereits jetzt an vielen Orten der Welt eingetroffen ist. Damit wird es nötig, eine Speicherkapazität von der gleichen Größenordnung wie in Deutschland aufzubauen, mit den weltweiten Stromverbrauchsdaten aus 2008 ergibt sich damit ein Speicherbedarf von 360 TWh, was bei der Nutzung der preiswertesten verfügbaren Technik, dem Pumpspeicherkraftwerk, auf 36.000 Milliarden Euro führt. Damit ist klar, dass der Markt für die Speicherung von Strom einer der bedeutendsten Märkte der nächsten 30 Jahre wird, der Zeitraum, in dem die globale Energieversorgung auf erneuerbare Energien umgestellt wird. Könnte man den Lageenergiespeicher zum erwarteten Preis von 2€/kWh realisieren, wäre das eine weltweite Einsparung von etwa 35 000 Milliarden Euro!