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Dienstag, 22. Oktober 2013

Windenergie und Speicherbedarf

Weltweite Analyse der Windenergie

Das weltweite Windangebot reicht weit über den Energiebedarf der Menschheit hinaus. Allerdings findet man die meiste Windenergie nicht nahe am Boden sondern in Höhen ab 500m über Grund. Zukünftige Technologien können diese Energie vermutlich effizient nutzen. Dieser Blogbeitrag betrachtet die verfügbare Windenergie und den dazugehörigen Speicherbedarf. Ich beziehe mich dabei im Wesentlichen auf den Artikel Global Assessment of High-Altitude Wind Power [1]

Wo weht der Wind

Will man viel Wind finden, gibt es weltweit zwei einfache Regeln: 
  • weit Oben
  • in den mittleren Breiten
Die Windstärke steigt bis etwa fünfhundert Meter über Grund stetig an, bleibt dann etwa konstant und erst oberhalb von 2000m nimmt sie weiter zu und ist dann auch sehr konstant. 

Der Wind hat in günstigen Gebieten eine Energie von 10kW/m², Quelle [1]
In günstigen Gegenden, etwa bei New York an der US-Ostküste, erreicht der Wind im Mittel eine Energie von 10kW/m², das ist außerordentlich viel Energie, wenn man bedenkt, dass die mittlere solare Einstrahlung selbst in der Sahara nicht über 0,25kW/m² liegt.

Energieentnahme mit segelnden Winddrachen

Bisher wurden Windkraftwerke immer größer, weil es nur mit einem hohen Turm möglich ist, einen großen Rotor günstig in den Wind zu stellen. Dieser Ansatz hat aber seine Grenze erreicht, weil der notwendige Stahl, um einen Turm 140m hoch zu bauen und sicher zu halten, überproportional steigt. 
Eine sehr interessante Alternative sind Flugdrachen, die an einem Seil gehalten werden und sich selbst optimal in den Wind stellen.
Flugdrachen der Firma Makani Power, Bildquelle: Makani Power
 Dieser Ansatz hat mehrere wichtige Vorteile:
  1. Einfaches Erreichen der Höhe mit optimaler Windgeschwindigkeit
  2. Wesentlich weniger optische Beeinträchtigung
  3. Wesentlich weniger (1/20) Materialbedarf als bei Windkraft-Türmen
  4. Konstanter Wind
Allerdings gibt es auch erhebliche ungelöste Probleme:
  1. Gefährdung des Luftverkehrs
  2. Absturz auf bewohntes Gebiet
  3. Vollautomatischer, zuverlässiger Betrieb
  4. Materialfragen für Seil und Stromleitung
Wie so oft am Anfang einer neuen Technologie erscheinen die Probleme gewaltig, aber wer hätte gedacht, dass aus einen kleinen Doppeldecker ein A380 wird, der völlig zuverlässig fast 1000 Menschen bei 800km/h um die halbe Welt in 12.000m Höhe fliegen kann?

Speicherbedarf

Gegenüber den konventionellen Windkraftwerken benötigt man bei segelnden Windkraftwerken in großer Höhe wesentlich weniger Speicher um eine sehr zuverlässig Energieversorgung zu erreichen. In der Studie wurde dies für mehrere große Städte, wie New York durchgerechnet. Es zeigt sich, dass für einer 99,9% Verfügbarkeit des Windstroms und Stromleitungen mit 200km Länge, eine Speicherkapazität von 0,1kWh pro Quadratmeter Segelfläche nötig ist, wenn man mit 0,1kW/m² Windkraftwerksleistung arbeitet. Siehe Abbildung.
Speicherbedarf bei vollständiger Versorgung mit Windenergie. Längere Leitungen reduzieren wie üblich, den Speicherbedarf. Quelle [1]
Mit anderen Worten, um eine Stadt mit einem Energieverbrauch von 1GW mit Wind zuverlässig zu versorgen, benötigt man 10 Quadratkilometer Segelfläche und 1GWh Stromspeicher (Kleiner Pumpspeicher). Will man die Segelfläche auf einen Quadratkilometer reduzieren, vergrößert sich der Speicherbedarf auf 1.000GWh, mehr Speicherkapazität als alle Pumpspeicher weltweit haben.
Eine ähnliche Abhängigkeit hat man auch bei konventionellen Windkraftwerken.

Klimafolgen

Würde man tatsächlich die weltweite Energieversorgung auf hochfliegende Winddrachen umstellen, benötigt man dafür, bei optimaler Lage, eine Drachenfläche von 500km², eine überschaubare Fläche. Unvergleichlich weniger als eine Vollversorgung mit Solarenergie.
Der klimatische Effekt besteht darin, dass sich der Wind etwas reduziert, was die Ausgleichsströmungen zwischen Tropen und Polarregion abschwächt. Letztendlich würde es um ein Grad (-1°K) kälter!
Jede Form der Energieerzeugung hat eben Nebenwirkungen, in diesem Fall würde die Nebenwirkung günstig der Klimaerwärmung entgegenwirken.

Fazit:

Hochfliegende Windkraftwerke haben ein sehr großes Potential, dass allerdings mit heutiger Technik schwer zu erschließen ist. Aber die Aufgabe ist nicht annähernd so schwer, wie eine kontrollierte Kernfusion. Daher sollte man in diesem Bereich auch in Deutschland mehr forschen. 

Ähnliche Themen:

Quellen:

Freitag, 11. Oktober 2013

Aluminium als Benzin der Zukunft

Aluminium als Treibstoff

Auf den ersten Blick klingt die Idee etwas verrückt, Aluminium, das wir aus dem Bau von leichten Autos kennen, als Treibstoff zu verwenden. Aber das Verfahren, das die Israelische Firma Alchemie Research entwickelt hat, bedarf einer genaueren Betrachtung.
Reichweite eines Alydro Autos bei gleichen Bedingungen im Vergleich zu anderen Techniken (Quelle Alchemie Resarch)

Aluminium benötigt viel Strom

Bei der Herstellung von Aluminium wird sehr viel Strom benötigt. Derart viel Strom, dass dereinst das größte Wasserkraftwerke in Deutschland, das Innwerk in Töging, nur für die Aluminiumherstellung gebaut wurde.
Wenn aber die Herstellung von einem Kilogramm Aluminium 13kWh benötigt, dann sollte es auch möglich sein, diese Energie wieder zurückzugewinnen. Und genau das ist die Idee des neuartigen Energiespeichers Aluminium.
Leider geht das nicht ganz einfach, da Aluminium sich sofort mit einer Oxydschicht überzieht und damit für weitere Reaktionen nicht verfügbar ist. Der Vorteil, Alunminium "rostet" nicht, ist hier genau der Nachteil. 

Der Aluminiumreaktor

Die Lösung für das Problem ist ein kleiner Reaktor, bei dem Aluminiumkügelchen zusammen mit Wasser auf 900°C erhitzt werden. Dabei spaltet sich Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff auf, der Sauerstoff reagiert mit den Aluminiumkügelchen und oxidiert sie vollständig. Der Wasserstoff kommt in eine Brennstoffzelle, zusammen mit Sauerstoff aus der Luft kann damit bekanntlich Strom produziert werden.
Genaugenommen ist das Aluminium nur ein guter Trick, den Wasserstoff für die Brennstoffzelle bereitzustellen.

An der Aluminiumtankstelle

Möglicherweise fahren wir also zukünftig alle 2400km an die Aluminiumtankstelle, der 60 Liter Tank wird mit Aluminiumkügelchen gefüllt und das verbrauchte Aluminium, das in Form von Aluminiumoxid vorliegt, wird für das Recycling abgesaugt. 
Manchmal muss man noch etwas Wasser nachfüllen, wenn etwas Wasser aus der Brennstoffzelle entwichen ist, aber daran haben wir uns ja an der Tankstelle gewöhnt.
Beim aktuellen Aluminiumpreis würde eine solche Tankladung, 60kg Aluminium, 80€ ohne Steuern, kosten.

Sehr Umweltverträglich

Aluminium ist neben Sauerstoff und Silizium das dritt-häufigste Element der Erdkruste und damit weder Knapp noch besonders gefährlich. Im Tank, als Aluminiumkügelchen ist es völlig harmlos, selbst bei einem Autounfall gibt es keinerlei Probleme. Kein Vergleich mit einem auslaufenden Benzintank oder gar einem Wasserstoffdrucktank.
Aluminiumoxid ist derart Lebensmittelverträglich, dass wir sogar unser Pausenbrot in Alufolie einwickeln. 

Probleme

Leider gilt auch in diesem Fall, jede Technik hat auch Nachteile. Obwohl ich die Details der Technik aus Gründen der Vertraulichkeit nicht kenne, einige Überlegungen.
Herstellung von Aluminium: Der Energieaufwand bei der Herstellung von Aluminium ist, wie bereits angedeutet, hoch. Allerdings kann der notwendige Strom aus Wind- und Solarenergie gewonnen werden, am besten dort, wo diese natürlichen Ressourcen reichlich vorhanden sind. Da Aluminium mit 13kWh/kg eine höhere Energiedichte als Öl hat, sollte auch der Transport kein Problem sein.
Bei der Herstellung entsteht durch die Graphitelektrode etwas CO2, das sollte aber im Vergleich zu anderen Treibstoffen nicht überschätzt werden.
Technik im Auto: Für eine Auto mit "Aluminiumtreibstoff" benötigt man neben dem Tank zusätzliche einen Reaktor, der bei 900°C den Wasserstoff erzeugt. Weiterhin eine Brennstoffzelle und natürlich Elektromotoren. Möglicherweise ist dieser Aufwand zuerst bei großen Autos oder sogar LKW-Antrieben einfacher zu realisieren als im Kleinwagen. Dort könnte die Li-Batterie sinnvoller sein.
Wirkungsgrad: Der Wirkungsgrad des Aluminiumkonzepts ist leider schlecht. Aus den 13kWh/kg Aluminium, die bei der Produktion eingesetzt werden gehen nur 8,6kWh in das Aluminium. Bei der Umwandlung zu Wasserstoff und Sauerstoff im Reaktor gehen nochmals 25% verloren. In der Brennstoffzelle muss mit einem ähnlichen Verlust gerechnet werden. Verbleiben etwa 37% Wirkungsgrad.  
Nicht perfekt, aber im Vergleich zu vielen anderen Systemen vertretbar.

Fazit

Aluminium als mobiler Energiespeicher könnte eine große Zukunft haben, da die physikalischen Randbedingungen stimmen. Mit etwas Optimierung bestehen jedenfalls gute Aussichten, einen Energiespeicher für Schiffe, LKWs und große Autos zu haben, der eine sehr große Reichweite ermöglicht.
Ich wundere mich, warum man bei uns, soweit ich weis, kaum Forschung in diesem Bereich betreibt!

zum Weiterlesen:

Aktueller Bericht bei CBCnews (Juni 2014)

Samstag, 5. Oktober 2013

US Energiespeicherkonferenz

Energy Storage North America 2013

Vom 10-12 September fand in diesem Jahr die Energy Storage North America  in San Jose, CA, statt. Es ist die Partnermesse der Energy Storage Düsseldorf, zu der ich bereits einen Blogbeitrag beschrieben habe.

Zunehmend Solarenergie

In den USA wächst der Anteil der Erneuerbaren Energien, insbesondere PV in Kalifornien, das führt zur sogenannten "Duck Curve" wie die phantasievolle Bezeichnung für die Stromlast mit Solarenergie genannt wird.
Die "Duck Curve", rechts Carla Peterman, California Public Utilities Commission
Commissioner
Zwischen 17 und 19 Uhr steigt der Strombedarf extrem an, wenn die Sonne untergeht und zugleich alle von der Arbeit Nachhause kommen und die Klimaanlage auf höchste Stufe stellen. Um dieses Problem zu adressieren, sollen bis 2020 in Kalifornien 1300MW Speicherleistung installiert werden. Maximal darf ein Speicher 50MW haben, damit kein Pumpspeicher gebaut wird. Pumpspeicher sind in Kalifornien bei der Bevölkerung offenbar unbeliebt. Andererseits werden dadurch auch neue Technologien wie der Lageenergiespeicher verhindert, die erst ab 50MW sinnvoll sind.
Auf eine Frage aus dem Publikum, ob es nicht sinnvoll wäre, die Speicherkapazität im neuem politischen Programm festzulegen, war die Antwort, "Wir haben Kraftwerke bisher immer in MW gemessen, das soll auch so bleiben!", ich hatte das Gefühl, dass noch nicht angekommen ist, dass Leistung und Energie* verschiedene Dinge sind.
Der Außenstehende frägt sich zudem beim Betrachten der Kurve, ob es nicht viel billiger wäre, wenn in Kalifornien die Haushalte eine Zeitschaltuhr (Oder noch besser eine App für das iPhone) für die Klimaanlage kaufen. Dann wird am Nachmittag die Klimaanlage eingeschaltet und wenn man nachhause kommt ist es kühl und die Solarenergie des Nachmittags ist effizient genutzt, ganz ohne elektrischen Speicher, nur mit dem thermischen Speicher "Wohnung".

Wirtschaftliche Betrachtung

Wesentlich stärker als bei anderen Konferenzen stand in Amerika nicht die Ökologie oder die Technik im Vordergrund sondern die Wirtschaftlichkeit bei der Energieversorgung. In einem Vortrag von James P. Avery, Executive Vice President – Power Supply, San Diego Gas & Electric, wurde auf die Marktverzerrung bei der Bezahlung verschiedener Energieformen hingewiesen.
Subvention der Solarenergie in Kalifornien, präsentiert von James P. Avery,  San Diego Gas & Electric 
In San Diego muss der Versorger 0,37$/kWh an die Kunden für Solarstrom zahlen. Das führt, ähnlich wie beim EEG in Deutschland, zu einer Quersubvention, die von den Versorgern beklagt wird. Dort müssen die Versorger die Zusatzkosten nämlich in den Strompreis direkt einpreisen und es gibt keine Umlage wie im EEG, die der Verbraucher getrennt sehen kann. Daher sind Versorger mit vielen PV Kunden deutlich, gegenüber solchen mit wenig PV Kunden, im Nachteil.

Mehr Diskussion weniger Vorträge

Ein deutlicher Unterschied zu vergleichbaren Konferenzen in Europa war die Diskussionsform. Es gab immer ein Panel, das bequem in Sesseln sass, auch während einzelne Mitglieder ihren ca. zehn-minütigen Vortrag, zumeist im Sitzen, hielt.
Es gab viele Panel Diskussionen auf der Energy Storage North America
Das Publikum war stark eingebunden und stellte viele Fragen an die Experten. Allerdings hatte ich das Gefühl, dass es viel mehr politisch ökonomische Aspekte waren, die interessierten, als ich bei uns gewohnt bin.
Viele Fragen aus dem Publikum an das Panel

Fazit

Die weite Reise in das Silicon Valley nach San Jose war lohnend, ich habe jetzt eine genauere Vorstellung, wie die amerikanische Energiepolitik funktioniert. Es gibt auch dort noch keine genaue Vorstellung, wie viel Speicher notwendig ist, noch welche Technologie auf Dauer sich durchsetzen wird. Ein Gesprächspartner aus dem VC Bereich hat zu mir gesagt: "It is the energy storage poker table". Jeder behauptet, seine Technik sei optimal, aber keiner lässt sich in die Karten schauen, wenn es um die Probleme der jeweiligen Technologie geht.
Weiterhin habe ich gelernt, dass der Gesetzes-Dschungel im Energiebereich in den USA wohl noch viel schlimmer ist als in Deutschland. Dort gibt es 51 Bundesstaaten und jeder Staat hat eine eigene Gesetzgebung, aber selbst Provinzen und Landkreise können dazu entgegengesetzte Regelungen haben.
Dadurch, dass die USA fast alle Kohlekraftwerke abgeschaltet hat und 41% des Stroms aus flexiblen und relativ sauberen Erdgaskraftwerken kommt, ist die Integration von Wind und Solarenergie wesentlich einfacher als in Deutschland.
Es bleibt anzumerken: Die USA hat in den letzten Jahren die CO2 Emissionen reduziert, Deutschland hat sie gesteigert! 

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

Anmerkung:

* Leistung und Energie sind verschiedene Dinge, weil Leistung einen momentanen Wert für die Abgabe von Energie beschreibt. Die Leistung wird in Watt gemessen. Ein elektrisches Gerät hat immer eine Anschlussleistung, die angibt, wie viel Strom verbraucht wird, wenn es läuft. Bei Autos wir die Leistung oft in PS (statt kW) gemessen und jeder hat dafür ein gewisses "Gefühl".
Energie beschreibt wie viel Arbeit verrichtet werden kann, Energie wird in Joule oder kWh gemessen, also über eine gewisse Zeit. Im Auto hat die Tankfüllung eine gewisse Energiemenge, die viele Menschen in Form von "Liter Benzin" gut kennen. Mehr unter Energieeinheiten.