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Sonntag, 30. Juni 2013

Lithium oder Blei Batteriespeicher, ein Vergleich

Welcher Speicher ist besser: Lithium oder Bleiakku?

Bei vielen Technologien gibt es immer wieder ein Kopf an Kopf rennen. Soll man ein Diesel- oder Benzinmotor fahren? Ist Solarenergie oder Windstrom besser? Letztendlich wird es der Markt entscheiden, oft bleiben aber auch beide Lösungen bestehen, bis eine Dritte die alten Lösungen ablöst.

Der Bleiakku

In der Batterietechnik gibt es das alte Schlachtross Bleiakkumulator, bereits 1854 wurde der Bleiakkumulator von Wilhelm Josef Sinsteden erfunden und entwickelt. Aufgrund der großen Atommasse von Blei benötigt man für das Abspeichern von einer kWh Strom einen 33kg schweren Bleiakku. Dies mach den Bleiakku für die Anwendung in normalen Kraftfahrzeugen viel zu schwer.
Für die stationäre Speicherung von Energie, etwa für eine Photovoltaik Anlage, spielt das Gewicht keine so große Rolle. Im Haus stört eher, dass in einem Bleiakku sehr viel gefährliche Schwefelsäure verwendet wird, daher müssen die Bleiakkumulatoren sicher gelagert werden.
Würde man Bleiakkus im großem Umfang einsetzen, stellt sich die Frage, ob Blei überhaupt in ausreichender Menge gewonnen werden kann. Aktuell werden auf der Welt 3 Millionen Tonnen Blei pro Jahr gefördert, dabei kommt ein Drittel aus China. Theoretisch könnte man mit dieser Menge 90 GWh speichern. Das entspricht etwa der Speicherkapazität der europäischen Pumpspeicherwerke (Ohne Norwegen).

Der Lithium Ionen Akkumulator

Erst seit 1991 gibt es Lithium Ionen Akkumulatoren, der erste Lithium-Cobaltdioxid-Akkumulator wurde, da der Li-Akku sehr leicht ist, für eine Videokamera von Sony eingesetzt. Eine genaue Angabe, wie schwer ein Lithium Akku ist, ist nicht so einfach möglich wie bei Blei, da bei Lithium Akkus nicht das Gewicht von Lithium dominiert, sondern die anderen Bauteile und Elektrolythen. Theoretisch genügen 80 Gramm Lithium um eine kWh Strom zu speichern, in der Praxis liegt der Wert aufgrund der notwendigen Elektrolyten deutlich über einem Kilogramm. Für mobile Anwendungen ist aber Lithium heute immer die erste Wahl, obwohl der Preis eines Lithium Akkus höher ist als bei anderen Akkumulatoren.

Kostenwettbewerb

Jetzt soll der Bleiakku in direktem Wettbewerb mit den Lithiumakku für die stationäre Stromspeicherung gestellt werden, wie er für eine PV-Anlage oft Verwendung findet. 
Folgende Ausgangssituation, die von Professor Sauer in Mainz auf der VDI-Tagung vorgetragen wurde, soll angenommen werden[1]. 
  • Speicherkapazität 5kWh
  • Systemlebensdauer 20 Jahre
  • Kapitalzins 2%
Blei-Akku und Lithium Akku im Vergleich
Das verblüffende Resultat ist, beide Systeme sind in der Praxis mit 13,2ct/kWh gleich teuer. Die Investition in die Lithium-Ionen-Batterie ist zwar höher, als in die Blei-Säure-Batterie, aber die Lebensdauer des Lithiumsystems kompensiert diese Differenz wieder.
In der Berechnung von Sauer werden sehr viel geringere Preise für dass Lithiumsystem angenommen, wie man es aktuell im Handel findet. Seine Argumentation ist, diese Preise entsprechen den Werten, die heute in der Elektromobil-Produktion bereits üblich sind. Mittelfristig werden Heimsysteme im gleichem Preisbereich liegen.

Batterien können sich rechnen

Unter der Annahme, dass eine Solaranlage für 13 ct/kWh Strom erzeugt und der Speicher die kWh für 13,2 ct/kWh, wie oben gezeigt, speichert, ist eine private Speicherung von Solarstrom ökonomisch sinnvoll. Da die meisten mehr als 27ct/kWh für den Strom zahlen. Allerdings muss man einen Händler finden, der das gesamte Speichersystem so günstig liefert.

Weitere Beiträge im Blog:


Quelle:
[1] Sauer, Dirk, et.al., Speicher in netzgekoppelten PV-Anlagen, RWTH Aachen, VDI-Fachkonferenz Energiespeicher für die Energiewende, Mainz 2013 


Sonntag, 9. Juni 2013

Bericht von der Speicher Tagung des VDI

Bericht von der Speicher Tagung des VDI 

Zum dritten Mal fand die VDI - Fachkonferenz "Energiespeicher für die Energiewende", diesmal in Mainz, unter der Leitung von Professor Michael Sterner statt.
Die komplexe Gesetzgebung für Energiespeicher, visualisiert von Hauptmeier (RWE)

Überblick von T. Bischoff

Im Überblicksvortrag von Thorsten Bischoff aus dem Referat 14 des Bundesministeriums für Umwelt erläuterte einige Fehler bei der Speicher Diskussion.
Unternehmen suchen neue Geschäftsmodelle für Speicher, dabei muss man zwischen netzdienlichen* Leistungen im Sekunden und Minutenbereich und auf der anderen Seite mittel- und längerfristiger Speicherung unterscheiden. Bisher wurden alle diese Leistungen von Großkraftwerken erbracht, ohne dass man über einen Markt für diese Leistungen nachgedacht hat.
Im Gegensatz zur offiziellen Regierungsmeinung geht Bischoff davon aus, dass 2020 bereits 45% fluktuierenden Erneuerbare Energien (EE) am Netz sind und damit die Speicherung von großen Strommengen früher kommen wir.
Zunächst ist es billiger, Überschussstrom wegzuwerfen als zu speichern, aber nach der schwierigen Übergangsperiode werden Speicher sehr wichtig.
Die aktuelle Förderung von Batterien macht nur Sinn, wenn sie netzdienlich sind, da es damit möglich wird, die Mitttagsspitze bei der Solarenergie zu kappen, wie er eindrucksvoll zeigte.
Ein wichtiger Hinweis war noch, dass es sehr teuer ist wenn nationale Autarkie angestrebt wir, im Verbund mit den Nachbarstaat gewinnt jeder.

Verschiedene Speicheraspekte

Professor Albert Moser von der RWTH Aachen analysierte fünf Szenarien des Speichersausbaus. Dabei zeigt sich, dass erst ab 80% EE Anteil Langzeitspeicher ökonomisch sinnvoll werden. Allerdings hat er die Rechnung mit Power-to-Gas durchgeführt, das einen sehr schlechten Speicherwirkungsgrad hat (gezeigt sind bisher 25%, es wurde sehr optimistisch mit 40% gerechnet.)
Ein Szenario das gegenüber einer vollständigen Speicherung nur die halbe Speicherkapazität hat erreicht die wirtschaftlichste Nutzung. Es sei angemerkt, das dies empfindlich von der Flexibilität der Kraftwerke abhängt, wie Hans-Martin Henning zeigte, mithin von der Anzahl der Erdgas Turbinen die Strom ins Netz liefern können. Clemens Triebel zeigte, dass 1GW Batterien etwa 10GW "must run" Kapazität wie Braunkohle oder Kernkraftwerke im Bezug auf Netzstabilisierung ersetzen kann.
Professor Dirk Sauer, ebenfalls von der RWTH Aachen, analysierte den aktuellen Batterie Markt. Die Preise für Bleibatterien liegen im Bereich von 600–2500€/kWh und Lithium-Ionen-Akku im Bereich von 2000–3800€/kWh. Offensichtlich sind diese Preise weit überhöht, wenn man die Preise der Autobatterie-Systeme vergleicht. Hier werden offensichtlich die hohen Entwicklungskosten gerade umgelegt.
Thomas Bruckner von der Universität Leipzig zeigte, dass in einigen Regionen Norddeutschlands die Zukunft in Form von sehr hohen Windenergie Anteilen bereits begonnen hat und man dabei ein gutes Modell für das zukünftige Stromnetz hat.

Neue Speichertechnologien

Am 2.Tag präsentiert Horatio von John, Geschäftsführer von der gravity power GmbH Deutschland, einen neuen Typ Schwerkraft Speicher, wie er von Jim Fiske in Kalifornien erfunden wurde. Das System ähnelt dem hier allen bekannten Lageenergiespeicher, allerdings arbeitet es vollständig unterirdisch, was erhebliche Erd-, Gesteinsbewegungen erfordert. Leider hat das Unternehmen auch noch keinen Kunden für eine Pilotanlage gefunden.
Betonkugeln statt Betonköpfe, kreative Speicherlösungen, hier von Jochen Bard präsentiert.
Ein weiterer Schwerkraftspeicher wurde von Jochen Bard präsentiert, dabei werden Betonhohlkugeln im Meer in 700m Tiefe versenkt und mit Überschussstrom leergepumpt. Dies ist für viele Offshore Windparks interessant, allerdings nicht in der Nordsee, da diese nur 20–50m tief ist. Auch hier gibt es noch keinen Prototypen, allerdings plant die Firma Hochtief demnächst eine kleine Versuchsanlage.
Richard Brody aus den USA präsentierte ein weiteres physikalisches Verfahren, indem Luft komprimiert wird und die Wärme zum Verdampfen von Wasser eingesetzt wird. Originell an dem Konzept war, dass ein Generator, wie er in Windkraftanlage eingesetzt wird, mit einem Schiffsdiesel kombiniert wurde, beides relativ günstige Maschine, da aus der Serienproduktion. Die Dieselmaschine übernimmt die Verdichtung und wird vom Generator mit Überschussstrom angetrieben, es wird daher kein Diesel eingesetzt! Die Pressluft wird in preiswerten Pipelinerohren gespeichert. Bei Strombedarf wird der Vorgang einfach umgekehrt. Laut Brody hat solch ein System einen Wirkungsgrad von 55%,sehr viel im Vergleich zu den 42%, die man bisher bei nichtadiabatischen Druckluftspeichern erreicht, allerdings wurde der Wert nicht experimentell gezeigt, so hat der Autor Zweifel.
Interessant war der Hinweis, dass in den USA immer, gesetzlich vorgeschrieben, geprüft werden muss ob eine neue Hochspannungsleitung nicht durch einen Speicher vermieden werden kann.

Power to Gas für Autos

Hermann Pengg-Bührlen von Audi zeigte, wie ein Erdgasfahrzeug komplett CO2 neutral werden kann. Dazu wurde der Lebenszyklus eines Autos analysiert:
20% der CO2 Belastung entstehen bei der Herstellung, 79% während der Nutzung durch den Treibstoffverbrauch und 1% bei der Entsorgung.
Erneuerbare Kraftstoffe, wie Ethanol stehen im Wettbewerb zu Nahrungsmittel und sind damit nicht nachhaltig. Die Lösung von Audi ist, aus Windstrom Erdgas zu erzeugen, und dieses Erdgas an normalen Erdgastankstellen zu tanken. Dieser Ansatz ist sogar geringfügig besser als ein Elektroauto, da es keine CO2 aufwendige Batterie benötigt.

Fazit

Die Energiewende hat ein grundlegendes Nachdenken über die technische Struktur unseres Stromversorgungssystems eingeleitet. Viele neue Erkenntnisse zum Funktionieren eines zuverlässigen Stromnetzes sind untersucht worden oder werden gerade genauer betrachtet.
Inzwischen gibt es auch immer mehr Ideen zum Bau von Speichern. Dabei werden verschiedene Ideen der Schwerkraftnutzung immer wichtiger.
Welche Lösungen sich durchsetzen beleibt also spannend.

*netzdienlich: Ein Stromnetz muss die Frequenz halten und kurze Lastspitzen abfangen, alle Systeme die das unterstützen sind netzdienlich. 

Samstag, 1. Juni 2013

Zukünftiger Speicherbedarf mit Crowdsourcing ermittelt

Wachstum Solarstrom und Windenergie

Die entscheidende Frage für den Speicherbedarf ist, wie schnell werden die fluktuierenden erneuerbaren Energien wie Solarstrom und Windenergie ausgebaut. Die Szenarien der Regierung gehen von einer Ausbauquote von 80% bis 2050 aus. Das erscheint ambitioniert, doch das ist ein geringes Wachstum. Aktuell werden 28 TWh Photovoltaikstrom und 46 TWh Windenergie erzeugt. Zusammen sind das 12,4% des gesamten Stroms (600TWh), der in Deutschland produziert wird. Will man 80% erreichen, müssen 480 TWh Strom aus Wind und Sonne erzeugt werden. Um das Ziel innerhalb von 37 Jahren zu erreichen, muss die Kapazität jährlich um 5% zunehmen. 
Das Wachstum von Solar- und Windenergie in Deutschland,
tatsächliche Werte in Rot, 2012 als rotes Kreuz.

In den vergangenen Jahren ist die Stromproduktion aus fluktuierenden, erneuerbaren Quellen aber jährlich um mehr als 15% gewachsen. 

Prognose durch Umfrage

Wie kann man die Zukunft richtig einschätzen? Die Institute wie Fraunhofer IWES oder die Bundesnetzagentur gehen von sehr geringem Wachstum, etwa 5% pro Jahr aus. Dabei ist anzumerken, dass die neuere Prognose von der Bundesnetzagentur zu einem etwas höheren Wert tendiert, siehe Abbildung oben.
Ich habe auf dem Blog eine Umfrage durchgeführt, die Frage lautete:

Wird noch vor 2025 die 15% Trendlinie Wachstum Solar&Windenergie gerissen?

Die möglichen Antworten waren:
  • Ja, das Wachstum fällt dauerhaft unter 15%
  • Nein, das Wachstum von Wind und Solarenergie bleibt ungebrochen
Beide Antworten waren fast gleich häufig (19:17), damit lautet die Antwort, das Wachstum von 15% ist die wahrscheinlichste Variante.

Bedeutung für Energiespeicher

Die Bedeutung des Ergebnisses für Energiespeicher lautet, ab 2027 werden über 80% des Stroms aus Solar- und Windkraftwerken geliefert. Es ist offensichtlich, dass bei einen so hohen Anteil fluktuierende Stromerzeugung der Bau von Speichern für den überschüssigen Strom sehr sinnvoll wird, andernfalls muss man bei Überproduktion den Strom "wegwerfen" oder, wie die Energiebranche das nennt, abregeln.
Allen die an der Umfrage teilgenommen haben, darf ich noch meinen Dank aussprechen, Sie haben eine wichtige Information geliefert!

Weitere Aspekte der Energiewende: