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Donnerstag, 2. Juli 2015

Energiespeicher für das neue Strommarktdesign

Energiespeicher auf allen Ebenen

Die Speicherkonferenz von Management Circle fand dieses Jahr in Waldorf Astoria in Berlin vom 30.6. bis 1.7 2015 statt. Mehrere hochkarätige Referenten haben einen sehr aktuellen Überblick zu Speichern und den vorhandenen Markt für Speicher gegeben. Ein Highlight war der Vortrag des Zukunftsforschers Lars Thomsen.

Von klein bis Groß

Strom kann in kleinsten Mengen gespeichert werden, dazu eignen sich Batterien sehr gut. Es gibt einen Trend zu Hausspeichern, da für diese bereits heute im Haushalt wirtschaftlich sein können, wie Dr. Thomas Unnerstall, N-ERGIE, zeigte. Seine Annahme basierte auf einem Haushalt, der 1800kWh im Jahr verbraucht. Kommt der Strom aus der PV Anlage für 12ct/kWh und ein Speicher, der aufs Jahr umgerechnet 150€ kosten darf, liegt die Einsparung bei 200€/a.
Entwicklung der Strompreise und der Batteriepreise, aus dem Vortrag von Bernhard Schuhmacher

Ähnliche Betrachtungen wurden von mehreren Referenten angeführt, etwa von Berhard Rindt, egrid GmbH, der im Allgäu die Gemeinde Wildpoldsried betreut. Die Frage ist, nach welchem Kriterium entscheidet sich ein Privatkunde für einen Batteriespeicher. Ist es eine rein ökonomische Betrachtung und welche Verzinsung ist dabei relevant. Während Unternehmen bevorzugt zweistellige Renditen bei einer Investition erwarten, genügt dem Endkunden oft eine höhere Verzinsung als bei der Bank, die heute praktisch bei null Prozent liegt.

Ein weiteres Kriterium ist die von Dr. Ulrich Bünger angesprochene „Autarkielust“ der Bürger. Wer eine Batterie hat, kann sich als unabhängig vom Stromnetz empfinden. Dies lässt sich noch steigern, wenn man die aktuelle Technik von Viessmann in Form eines Mikroblockheizkraftwerks installiert, wie Timm Kehler, Vorstand „Zukunft Erdgas e.V.“, betonte. Wer einen Gasnetzanschluss hat, kann sich damit völlig vom Stromnetz abkoppeln. 
Kopplung Wärme und Strommarkt, eine Kombination aus PV und KWK kann sehr gut optimiert werden, aus dem Vortrag von Dr. Frank May
Viele kleine Batterien ergeben einen Schwarm der theoretisch das Stromnetz positiv unterstützen kann. Dr. Norbert Verweyen, RWE Effizienz GmbH, zeigte auf, dass bereits 2018 ein Haus theoretisch ökonomisch ohne Netzanschluss betrieben werden kann. Weiterhin betonte er, dass es durch kluge Elektronik möglich ist, sehr viel effizienter die einzelnen Ressourcen zu nutzen. So kann das Wasser mit einer Wärmepumpe elektrisch aufgeheizt werden, wenn Strom gerade im Überschuss vorhanden ist. Mit einer guten digitalen Vernetzung im Haus und zwischen den Gebäuden lassen sich dann viele Anforderungen aus dem Stromnetz lösen. Dies betrifft nicht nur die Speicherung von Strom sondern auch die Regelung der Frequenz sowie kurzfristige Leistungsspitzen.
Podiumsdiskussion mit Christoph Gatzen, Lars Waldmann, Nils aus dem Moore, Michael Sterner, Bernhard Schuhmacher

Regelenergie mit Batterien

Der Zubau von fluktuierenden erneuerbaren Energien erfordert neuartige Regeltechnik um das Stromnetz stabil zu halten. PV ist eben kein „Pillepalle“, wie Bernhard Fenn, HEAG, aus Darmstadt betonte. In mehreren Forschungsprojekten wie Web2Energy und SolVer wurde versucht, Speicher für verschiedene Systemdienstleistungen einzusetzen um gerade die Störungen des Stromnetzes durch fluktuierende Einspeisung auszugleichen.

Die Problematik hat Clemens Triebel von Younicos sehr plastisch dargestellt. Was bedeutet bevorzugte Einspeisung ins das Netz, wenn das Netz die Energie nicht mehr aufnehmen kann? Das Netz kann das nicht einfach „Wegschwitzen“ wie er sich in seiner plastischen Art ausdrückte. Daraufhin haben die Ingenieure von Younicos das Problem genauer analysiert. Auf der Insel Graciosa fanden Sie dazu ein hervoragendes Testgelände. Dort werden Dieselgeneratoren und Windgeneratoren parallel betrieben. Bereits bei 35% Wind am Energieanteil gibt es massive Probleme, der Diesel fängt zu stottern an. Die Lösung ist das elektronische Einbinden einer Batterie. Die Betreiber des Stromnetzes auf Graciosa hatten das nicht geglaubt, daher hat Triebel das Stromnetz von Graciosa in Berlin in einer Halle (Kosten 10 Mio.€) nachgebaut. Es zeigt sich, dass die Elektronik derart schnell auf Störungen der Frequenz reagiert, dass auch 65% Energie aus Windstrom möglich sind. Dies wurde dann tatsächlich auf der Insel umgesetzt.

In Deutschland laufen immer noch 30GW an Kraftwerksleistung um das Netz nicht zum Stottern zu bringen indem die rotierenden Massen Regelleistung erbringen. Ein Batteriekraftwerk mit 1 GW Leistung würde die Abschaltung von 10 GW thermischen Kraftwerken (Braunkohlekraftwerke!) erlauben. Um dies im Deutschen Stromnetz zu erproben, hat die WEMAG, wie Jost Broichmann vorstellte, ein Batteriekraftwerk mit 5 MW Leistung aufgebaut. Das System funktioniert sehr gut und verdient sogar Geld, da inzwischen die Regelleistung verkauft werden kann, 210.000 €/MW und Jahr, mit steigender Tendenz. Allerdings gab es einige die große Zweifel haben, ob die Preise für Regelenergie wirklich steigen.

Jenseits von Batterien

Die Kapazität der Gigafactory von Elon Musk liegt bei 50 GWh Batteriekapazität pro Jahr. Um das einzuordnen sei darauf hingewiesen, dass das etwas mehr ist als alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke, die 40GWh speichern können. Doch in Europa gibt es viele Speicherkraftwerk, unter anderem in Österreich, die Otto Pirker, vom Verbund in Österreich, vorstellte. Dabei muss man sorgfältig unterscheiden, ein Pumpspeicherkraftwerk kann aktive Wasser hochpumpen wenn günstiger Strom im Netz ist, ein Speicherkraftwerk ist ein Staudamm, hinter dem das zulaufende Wasser gespeichert wird und dann bei Bedarf abgelassen werden kann, Österreich hat Speicherkraftwerke mit 3 TWh Kapazität, in ganz Europa, inklusive Norwegen, Schweiz und Türkei sind es 220 TWh.

Um diese gewaltige Speicherkapazität anzuschließen müssen allerdings Leitungen gebaut werden. So stellte Gunnar Sprengel, Nordlink, eine Stromleitung, die gerade nach Norwegen gebaut wird, vor. Diese Leitung hat eine Kapazität von 1400 MW und ist mit über 500 km durch die Nordsee die längste Leitung in Europa. Was den Laien wundert: Die Isolation basiert  auf ölgetränktem Papier, das die 500.000 Volt Spannung sicher isolieren kann. Mit 2 Mrd. € ist die Leitung nicht ganz billig und die Anschlussanlage mit Umwandlung von Wechselstrom auf Gleichstrom benötigen eine Fläche von jeweils 4 ha an den Enden. Der Wirkungsgrad für einen Zyklus, Windenergie aus Deutschland virtuell eingespeichert, Strom dann aus Norwegen wieder zurück in das deutsche Stromnetz, liegt bei 85%.
Die Einkopplung des Stroms in das Nordlink Kabel, vorgestellt von Gunnar Sprengel
Leitungsbau ist allerdings nicht immer von der Bevölkerung gewünscht, insbesondere wenn die Leitungen durch Bayern gehen, wie Michael Sterner, Professor an der Hochschule in Regensburg, betonte. Das alte Dreieck der Energiewirtschaft, Kosten, Sicherheit, Umwelt, muss um die Gesellschaft erweitert werden. Nur wenn eine Lösung gesellschaftliche Akzeptanz hat, lässt sich eine Lösung wirklich umsetzen.

Die Visionen von Thomson

Der Zukunftsforscher Lars Thomson vom Unternehmen future matters (Videos!), hat uns erst einmal auf den Zeitrahmen eingestimmt, vor neun Jahren gab es eine Fussball WM, an die sich alle erinnern, aber es gab noch keine Apps! Hätte damals jemand gesagt, eine Sonnenfinsternis ist ein Problem für das Stromnetz hätten die Experten aus der Energiewirtschaft gedacht, da hat sich jemand um eine Zehnerpotenz verrechnet. Wer kann sich heute vorstellen, dass die Firma SolarCity in 10 Jahren als Stromunternehmen der vierten Generation den US Strommarkt dominiert.
Fossile Kraftwerke werden in 5 Jahren endgültig die gesellschaftliche Akzeptanz verlieren, was dann?
2026 läuft das letzte Auto mit Verbrennungsmotor vom Band? Die Aussagen waren kühn, aber nicht unrealistisch. Sehr gefreut hat mich, dass er als zukünftige Möglichkeit des Energiespeichers auch den Lageenergiespeicher erwähnt hat!

Weitere Berichte von Energiespeicher-Konferenzen

Donnerstag, 25. Juni 2015

5. VDI-Fachkonferenz Energiespeicher für die Energiewende

Speichertechnik für die Energiewende

Die fünfte Fachkonferenz wurde wieder von Professor Michael Sterner geleitet und fand in Fürth bei Nürnberg statt. Mit etwa 40 Teilnehmern war sie etwas schwächer als frühere Veranstaltungen besucht, was auch an der großen Zahl vergleichbarer Events liegen kann.
Im Kern wurden erste Forschungsergebnisse aus den verschiedenen Projekten vorgestellt, die im Rahmen der Energiespeicher Initiative der Bundesregierung gefördert wurden.

Bürokratie und Speicherpolitik

Stefan Nykamp, Leiter Technik-Center Netzspeicher, Westnetz GmbH, Dortmund, wies in seinem Vortrag darauf hin, dass Deutschland keine Kupferplatte ist, in der jede Stromquelle jeden Verbraucher ohne Probleme findet. Dies Annahme liegt aber vielen Analysen zu Speichern zugrunde. Das bedeutet, dass der Ort, an dem ein Speicher aufgebaut wird, eine erhebliche Bedeutung für den Netznutzen hat. Eine Tatsache, die von der Politik bei der Förderung von Speichern gerne übersehen wird.
Typischer Projektablauf, hier Energiepark Mainz
Auch die Bürokratie bei Speicherprojekten ist bemerkenswert, für seine Pilotanlage mit einem Container, der eine MWh speichern kann mussten 15 Anträge gestellt werden. Ähnliche Erfahrungen wurden auch von Jonas Aichinger, Stadtwerke Mainz AG, berichtet. Seine Pilotanlage für die Wasserstoffproduktion kann als Forschungsanlage laufen, sobald das Projekt abgeschlossen ist, droht die Abschaltung, da die Genehmigung einer Wasserstoffanlage extrem aufwendig ist und damit ein wirtschaftlicher Weiterbetrieb der 7 MW Anlage nicht rentabel ist.
Die Meinung der Politik, vertreten durch Dr. Ralf Sitte, Leiter des Referats Strom und Netze, Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie BMWi, ist allerdings, dass es praktisch keinen Speicherbedarf gibt. Das mag im Moment stimmen, das wird sich aber in Zukunft ändern, denke ich, wenn wir dann nicht vorbereitet sind, haben wir das Nachsehen.

Wo sollten die Strom-Speicher in Deutschland stehen?

Eine interessante Analyse zur Speicherproblematik lieferte Martin Finkelmann, Amprion, mit der Überlegung, dass Windstrom in einer nördlichen Sammelschiene aufgesammelt werden sollte und die Solarenergie in einer südlichen Sammelschiene. 
Sammelschiene für Strom, aus dem Vortrag von Finkelmann
Bekanntlich weht im Norden viel Wind und im Süden scheint etwas mehr Sonne. In der Mitte liegen die konventionellen Kraftwerke mit gespeicherter Energie aus Kohle und Braunkohle. Meiner Meinung nach wäre es optimal, wenn genau in dieser Lage, in der Mitte Deutschlands mehrere Speicherkraftwerke gebaut würden, die sowohl den Strom vom Norden als auch den aus Süden, mit minimalen Leitungsaufwand, speichern können. 

Das Batteriekraftwerk

Clemens Triebel, Chef der Younicos AG, hat in seinem sehr lebendigen Vortrag erläutert, wie das Batteriekraftwerk funktioniert. Die Idee ist, dass heute konventionelle Kraftwerke nur mit 80% der Leistung laufen, damit sie die Möglichkeit haben, kurzfristig innerhalb von Sekunden oder Minuten mehr oder weniger Strom zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe kann von Batterien mit geeigneter Steuerung wesentlich besser übernommen werden. Da zum einem die Batterien sowohl Strom liefern können als auch Strom abgeben können und zum Anderem eine sehr schnelle Reaktion, weniger als 8 Millisekunden, möglich sind. Da die Batterien sehr LiIon-batteriefreundliche Arbeitsbedingungnen vorfinden, 17°C und keine Tiefenentladung, hat der Hersteller wohl 20 Jahre Gerantie gegeben.
Eine erste Anlage dieser Art wurde installiert, das "Batteriekraftwerk" der wemag kann 5 MW Leistung aufnehmen oder abgeben, wenn auch nur für einige Minuten. Damit könnte man immerhin auf ein Kohlekraftwerk mit 25  MW verzichten, soweit es die Minutenreserve betrifft. Die Batterie dient hier also nicht zum Speichern des Stroms über längere Zeit sondern zum kurzfristigen abfangen von Leistungsschwankungen. Damit sieht man auch, dass Speicher sehr unterschiedliche Bedeutung haben können.
Batterie im Netz, Quelle: Vortrag von Stefan Nykamp
Eine weitere Batterie im Netz wurde von Stefan Nykamp,Westnetz GmbH, vorgestellt, dort ging es um das Problem, vorübergehend eine Stromleitung zu entlasten. Es wurde eine Batterie in einem Container gewählt, da dies die günstigste Lösung war, bis dann ein größerer Netzausbau kommt.

Flexibilität oder Speicher

Nach dem Vortrag von Dr. Georg Markowz, Evonik Industries AG, der gezeigt hat, wie man durch abschalten von großen Verbrauchern der Chemieindustrie das Stromnetz sehr stark entlasten kann. So ist insbesondere die Erzeugung von einigen Grundstoffen, etwa Acetylen, sehr energieintensiv ca (6 GW!) aber leicht flexibel steuerbar. Im Anschluss an den Vortrag entbrannte eine Diskussion über die Frage, ist eine Flexibilität ein Speicher. 
Das Problem ist, dass nach unserer Gesetzgebung Flexibilitäten nicht die Privilegien von Pumpspeichern haben. Wer einen Stromverbraucher im richtigen Moment vom Netz nimmt, der verbessert zwar die Gesamtsituation, wenn gerade nicht genügend Wind- oder Solarenergie zur Verfügung stehen, andererseits ist es aber etwas anderes, wenn ein Pumpspeicher Strom aus dem Netz nimmt und später wieder liefert. Denn ein flexibler Verbraucher kann natürlich nicht Strom liefern, sondern nur den Verbrauch einstellen. 
Es wäre an dieser Stelle wünschenswert, wenn der Gesetzgeber auch flexible Verbraucher durch geeignete Anreize fördern würde. Das einfachste wären sinnvolle Tarife. Siehe auch den Blogbeitrag Stromsteuer oder Strom Steuern.

Flüssige Speicher

Gerade für den Verkehr wären flüssige Speicher, ähnlich Diesel, sehr wünschenswert, da die Handhabung sehr einfach und gewohnt ist. Dazu stellte Carl Berninghausen vonSunfire GmbH, Dresden, ein Verfahren zur Erzeugung von künstlichen Kraftstoffen vor. Im Prinzip eine gute Idee, allerdings habe ich das Gefühl, dass man damit in einer Alten Welt denkt, denn das Verbrennen dieser Kraftstoffe ist nicht besonders effizient. So wird die Kette von Strom bis zur Energie zum Antrieb in dieser Form nur einen Wirkungsgrad von 10-15% ermöglichen. 
Einordnung verschiedener Speichetechnologien aus der Präsentation von Teichmann, Hydrogenios
Eine spannende Alternative ist der Transport von Wasserstoff durch Einlagerung in einem wiederverwendbaren Trägeröl, etwa Dibenzyltoluol (4€/kg) , das Dr.-Ing. Daniel Teichmann, Geschäftsführer der Hydrogenious Technologies, vorstellte. Damit kann man 2 kWh/kg  Energie transportieren. Das liegt genau in der Mitte zwischen aktuellen Lithium Batterien und Diesel. Wasserstoff kann im Prinzip durch Elektrolyse hergestellt werden und durch eine Brennstoffzelle wieder in Strom umgewandelt werden. Die Verluste liegen zwar im Bereich von 50%, sind aber deutlich geringer als bei künstlichen Flüssigkraftstoffen, leider gibt es zusätzlich bei der Ein- und Ausspeicherung Verluste, so dass die Gesamtbilanz noch ungünstiger ausfällt.

Der hydraulische Felsspeicher

Freundlicherweise durfte ich auch den Lageenergiespeicher zum zweiten Mal auf der VDI Tagung vorstellen, insbesondere alle aktuellen Entwicklungen wie die neuartige Dichtung, die den Bau des Speichers wesentlich realistischer macht.
Die neue Dichtung des Lageenergiespeichers
Die Resonanz auf den neuen mechanischen Speicher war gut, wenn auch die Technologie im Umfeld all der chemischen Speicher ungewöhnlich war.

Fazit

Die Entwicklung von verschiedenen Energiespeichern ist angestoßen, viele verschiedene Lösungen für viele verschiedene Probleme im Stromnetz aber auch für mobile Anwendungen werden entwickelt. Kaum eine Lösung ist bereits erfolgreich am Markt. Über der Veranstaltung schwebte immer die TESLA Gigafactory, die öfter zitiert wurde. Spannend, ob deutsche Ingenieurkunst auch zu wirtschaftlichen Lösungen führt.

Freitag, 8. Mai 2015

World Energy Storage Forum 2015

Bericht vom World Energy Storage Forum 2015

Vom  28-30 April 2015 wurden in Rom die neusten Trends bei der Speicherentwicklung auf dem WESF vorgetragen. Im Zentrum standen wieder Batterien, es gab aber auch einige Vorträge zu Pumpspeichern. Der Lageenergiespeicher (Hydraulic Rock Storage, HRS) war mit einem Stand vertreten, der reges Interesse verursacht hat.

Wie leistungsfähig werden Batterien?

Im Vortrag von George Crabtree der das JCESR in Chicaco leitet, gab es einen Blick in die zukünftige Entwicklung von Batterien.
Abbildung 1. Einordnung von Batteriesystemen, Quelle: JCESR
Dabei wurde in einem Diagramm, Abbildung 1, dargestellt, dass noch lange nicht das Ende der Fahnenstange bei der Entwicklung von Lithium Batterien erreicht ist. Sowohl in Bezug auf die Energiedichte pro Kilogramm, wichtig für Autos, aber auch beim Platzbedarf kann es erhebliche Fortschritte geben. Interessanterweise ist die Batterie eines Tesla Model S  um den Faktor zwei kompakter als vom Nissan Leaf, auch die Energiedichte ist wohl um 50%, bezogen auf das Gewicht, besser.

Preisentwicklung

Aber auch die Preise der Batterien werden sicher sinken. Die berühmte Pressekonferenz von Elon Musk zur Powerwall, der neue Batteriespeicher für Jedermann, war noch nicht gegeben, aber die Werte lagen in der Luft.
Video: Pressekonferenz von Tesla mit Elon Musk am 1. Mai 2015 in LA
Es ist natürlich sehr schwierig, die zukünftigen Preise von Batterien vorherzusagen, aber mit dem Wert 350$/kWh für die Powerwall ist ein wichtiger Meilenstein erreicht. Eine Übersicht, die viele Prognosen zusammenfasst, ist in Abbildung 2 gezeigt, die ebenfalls von Crabtree präsentiert wurde.
Abbildung 2: Zukünftige Entwicklung der Batteriepreise,
Quelle: Nykvistand Nilsson, Nature Climate Change 5, 329 (2015)
Der Trend zeigt stark sinkende Preise, allerdings scheint es auch im Jahr 2030 nicht möglich zu sein, Energie für weniger als 150$/kWh in Batterien zu speichern. Daher müssen auch andere Technologien für das Speichern von Energie untersucht werden. Die günstigste bekannte und praktisch umgesetzte Methode ist das Pumpspeicherwerk. Ein weiteres verfahren ist Power to Gas, das von Manfred Pils, Austrian Power Grid, vorgestellt wurde. Das große Problem sind die vielen Verluste, die bei den vielen Umandlungen entstehen, wie in Abbildung 3 gut sichtbar wird. 
Abbildung 3: Probleme bei der Energieeffizienz mit Power to Gas, Quelle: Manfred Pils
Nur etwa 36% der eingesetzten Energie werden im günstigsten Fall wieder zu Strom. 

Marktanteil von Speichertechnologien

Interessant ist auch zu sehen, welche Speichertechniken wirklich in der Praxis eingesetzt werden. Dies hat Jean-Christophe Bestaux, ALINEASOLAR in Spanien, vorgestellt. Die Pumpspeicher dominieren derart, dass in Abbildung 4 die anderen Techniken in einer "Lupendarstellung" betrachtet werden mussten.
Abbildung 4: Marktanteile der Speichertechnologien, Quelle: J-C Bestaux
 Weltweit sind 140.000 MW Pumpspeicher vorhanden, nur 976 MW machen alle anderen Technologien zusammen aus. Dabei dominieren Druckluftspeicher, Compressed Air Storage (CAES) mit etwa der Hälfte. Lithiumbatterien sind mit 100 MW nahezu vernachlässigbar. Das muss aber nicht bedeuten, dass das in alle Zukunft so bleibt! Vor zehn Jahren war die Photovoltaik in einer ähnlichen Rolle, auf Dauer ist eben die Preisentwicklung und die Marktentwicklung entscheiden. 

Leistungsgradienten

Ein interessanter Test für Pumpspeicher war die Sonnenfinsternis am 20 März 2015. In einem Vortrag von Peter Matt von den Illwerken in Österreich wurde gezeigt, wie die schnelle Reaktion der Pumpspeicher das Nachregeln bei schnell veränderlicher Leistung von Solarleistung ermöglicht. Wie in Abbildung 5 zu sehnen ist, war der Gradient der Leistungszunahme ähnlich hoch, wie er erst in einigen Jahren, dann aber jeden Tag, bei Ausbau der Photovoltaik zu erwarten ist.
 
Abbildung 5: Abfangen extrem schneller Leistungsveränderung, Quelle Peter Matt, Illwerke.

Fazit:

Die Tagung in Rom war hervorragend organisiert und viele interessante Vorträge haben das Spektrum der Speichertechnologien angesprochen. Leider haben nur wenige Vorträge mit exakten Daten gehandelt und man hatte oft das Gefühl, damit soll ausgeblendet werden, dass aktuell Batteriespeicher kein wirklich funktionierendes Geschäftsmodell am Strommarkt haben.


Sonntag, 25. Januar 2015

Sonne in der Wüste braucht Speicher

World Future Energy Storage

Nach einer Woche auf der Arabischen Halbinsel in Abu Dhabi will ich meine Eindrücke von der World Future Energy Storage hier weitergeben. Es handelt sich um eine Energiemesse, auf der alle großen Player der Energieversorgung zu sehen waren, Nicht nur PV Unternehmen wie First Solar, sondern auch die Ölkonzerne wie BP, Statoil, Stromkonzerne wie Alstom und ABB, haben auf großen Messeständen, neben der Heindl Energy GmbH (28m²), auf die zukünftigen Lösungen für die Energieversorgung hingewiesen.
Eröffnung durch den Staatspräsident Scheich Chalifa bin Zayid Al Nahyan der vereinigten Arabischen Emirate.

PV wird gewinnen

Die Photovoltaik beginnt einen Siegeszug in Ländern mit Sonne, den man sich in Deutschland aktuell nicht vorstellen kann. Rainer Baake, Staatssekretär im Bundeswirtschaftsministerium, wunderte sich sichtlich, dass hier ein Preis von 4,8 Cent/kWh für Solarstrom von den Kraftwerksbetreibern angeboten wird, ohne Subvention! Die Rechnung ist natürlich sehr einfach, wenn in Deutschland bei 14 Cent/kWh eine Solaranlage wirtschaftlich ist, dann ist Sie in Ländern mit der dreifachen Solareinstrahlung logischerweise bei 5 Cent/kWh wirtschaftlich.
Verschiedene Solarkonverter auf der Messe die für die Wüste geeignet sind, Modell am Stand von Masdar.
Jeder Stromversorger wird daher PV bevorzugen, wenn er die Chance hat, damit den teuren Brennstoff für den Dieselgenerator einzusparen. In den Ländern mit Öl ist das eine einfache Rechnung: Jedes Barrel Diesel, das nicht für Strom verwendet wird, kann auf dem Weltmarkt verkauft werden, aktuell für 50$ in naher Zukunft sicher auch wieder etwas teurer. Da aus einem Liter Diesel nur 3 kWh Strom erzeugt werden können, ist nur bei einem Preis unterhalb von 15 Cent/Liter ein Dieselgenerator wirtschaftlich. Rechnet man die Kosten für den Generator und die Umweltverschmutzung hinzu, wird der Kostenvorteil der Solarenergie noch extremer.
Eine direkte Folge ist, dass inzwischen in den Wüstenstaaten die Produktion von PV Produktionsstätten anläuft. Man will die Wertschöpfungskette Energie im Land behalten!

Speicher und PV

Eine PV-Anlage  kann heute in sonnenreichen Gegenden sehr wirtschaftlich betrieben werden. Leider scheint die Sonne aber auch in den Ländern des Südens nur am Tag, in den 365 Nächten des Jahres wird aber auch Strom benötigt. 
Damit eine durchgehende Stromversorgung möglich wird, benötigt man einen Speicher, der die gewaltigen Energiemengen, die eine Stadt benötigt, kostengünstig und langfristig bereit stellen kann. Leider können das Batterien heute nicht leisten, da neben dem Preis auch die Langlebigkeit bei vielen Ladezyklen schwierig ist.
Das Hydraulic Rock Storage System der Heindl Energy hat in der arabischen Welt großes Interesse gefunden.

Der Lageenergiespeicher

Der Lageenergiespeicher, den wir international Hydraulic Rock Storage nennen, kann das Problem lösen. Obwohl der Speicher auch Wasser benötigt, das in Wüstenregionen knapp ist, kann er für die Speicherung eingesetzt werden. Der Wasserverbrauch einer Stadt wie Abu Dhabi an einem Tag ist größer als der einmalige Bedarf an Wasser (1300 tausend m³) für einen Lageenergiespeicher mit einer Gigawattstunde Kapazität!
24 Stunden Solarstrom sind mit dem Lageenergiespeicher möglich

Wird eine Solaranlage  mit einer Leistung von 200 MW in einer sonnenreichen Region gebaut, dann kann diese Solaranlage zusammen mit einem Speicher der eine Gigawattstunde Kapazität hat, eine 24 Stunden Vollversorgung mit Solarstrom gewährleisten. 
Speicher sind in Regionen mit Solarstrom wesentlich wirtschaftlicher als in Deutschland, da sie über 300 Zyklen im Jahr fahren und nicht nur 170, wie in Deutschland üblich. Wird der Strom in der Nacht mit einen Aufschlag von wenigen Cent verkauft, ist er Konkurrenzfähig zu Dieselgeneratoren und finanziert die Investition in einen Lageenergiespeicher schnell.

Dauerhafte ökonomische Solarenergie

Obwohl man sich im Winter in Deutschland kaum eine reine Solarstrom-Versorgung vorstellen kann, ist diese in sehr vielen Ländern der Erde möglich. Der Durchbruch bei den Preisen für Photovoltaik und die neu gefundene Möglichkeit die Energie zu speichern werden innerhalb von zwei Jahrzehnten zu einer völligen Umstellung der Stromversorgung aus rein wirtschaftlichen gründen führen.

Quellen:

Eigene Bilder
Mehr zur Konferenz:
Hinweis: Bei der Bezeichnugn Cent wurde nicht zischen $ und € unterschieden.

Freitag, 7. November 2014

Pumpspeicher, eine alte Erfindung

Wer erfand den Pumpspeicher?

Pumpspeicher oder genauer Pump Speicher Kraftwerke (PSK) oder im englischen Pumped Hydro Storage (PHS), stellen 99% der Energiespeicherkapazität der Welt dar!
Doch woher kommt diese Technologie?

Leibnitz der deutsche Mathematiker

Wir blättern in das Jahr 1679 zurück. Der Silberbergbau im Harz leidet unter Grubenwasser, je tiefer die Schächte angelegt werden, um so schwieriger wird es das Wasser wieder herauszupumpen. Die "Wasserkunst" ist weit entwickelt, mit Mühlräder wird die "Kunst" angetrieben und das Wasser zu Tage befördert. Leider gibt es ein Problem, nicht immer ist genügend Wasser da um die Mühlräder anzutreiben. Eine einfache Lösung ist, kleine Speicherseen oberhalb der Wasserräder anzulegen, aber auch diese werden mit der Zeit leer.
Der geniale Mathematiker und Philosoph Wilhelm Leibniz will das Wasser von Windmühlen nach oben pumpen und damit das Problem lösen.
Das Zitat ist dem Buch "Leibniz, Newton und die
Erfindung der Zeit" von Thomas de Padova, entnommen
Offensichtlich beschreibt Leibnitz hier das erste Pumpspeicherwerk. 
Leider konnte er sein Werk nicht verwirklichen, weil der Umweltschützer nicht wollten, dass die Windmühle auf dem Berg steht. Somit musste er die Windmühle im Tal aufstellen und dort gab es nicht ausreichend Wind. 
Der Umweltschützer war der Herzog Ernst August.

Der erste Untertagespeicher für Photovoltaik

Nachdem der Pumpspeicher sozusagen erfunden war benötigt man für die Energiewende noch einen Untertagespeicher für die Photovoltaik, die bekanntlich täglich einen "Nachtteil" hat.
Und wieder wundert man sich, wie früh die Lösung in einer Patentschrift beschrieben wird. Bereits im Jahre 1901(!) meldet ein gewisser Herr Reginald A. Fessenden ein "System of storing power." als Patent in der USA unter der Nummer "US 1247520 A" an.
Fessensen weist darauf hin, dass es bald eine Energieknappheit geben wird und erneuerbare Energieerzeuger, insbesondere Windenergieanlagen und "solar radiation" [2] eine Glättung erfordern.
Professor Busch weist auf die Erfindung des Unterwasserspeichers auf der Tagung "Altbergbau 2014" hin.

Lageenergie

Die Idee, mit Lageenergie große Energiemengen zu speichern ist also erstaunlich alt. Ich bin jetzt natürlich gespannt, ob meine Idee, eine große Felsmasse als Speichermedium zu nutzen genau so lange für die Umsetzung benötigt, als die Vorgänger. Der Lageenergiespeicher wurde 2010 zum Patent Nummer WO 2012022439 A1 angemeldet und wartet noch auf seine Umsetzung [3].
Aktueller Stand der Entwicklung des Lageenergiespeichers

Mehr zu Schwerkraftspeicher

Quellen:

[1] Thomas de Padova: „Leibniz, Newton und die Erfindung der Zeit“. Piper Verlag, München 2013. 339 S.
[2] Reginald A. Fessenden, System of storing power, Patent US 1247520 A



Freitag, 1. August 2014

Energie eines Energiespeichers

Berechnung der Energie eines Energiespeichers

Energie ist für Menschen ein vieldeutiges Wort, mit Energie in den Tag starten, energisch widersprechen oder ohne Energie ein Thema verfolgen. Energie ist aber auch eine physikalische Größe und da nicht jeder gerne dem Physikunterricht gefolgt ist, gibt es jetzt einen Versuch das Thema Energiespeicher übersichtlich zu erklären.

Was ist Energie

Wenn man mit dem Fahrrad einen Berg hinauf fährt, hat man Energie verbraucht, zumindest den Wunsch, Energie in Form von Nahrung zu sich zu nehmen. Erstaunlicherweise hat man aber nicht nur körperlich Energie verbraucht, man hat auch Energie gewonnen, Lageenergie, denn jetzt ist man auf einem Berg. Genau dieses Geschehen kann man sehr gut mit dem Begriff Energie, Energiespeicher und Energieumwandlung beschreiben.

Thomas Young benutzt um 1800 erstmals den Begriff Energie im modernem Sinn. (Bild Wikipedia)
Zuerst ist die Energie im Frühstücks-Müsli, die wird teilweise vom Körper aufgenommen und in Form von Zucker und Fett chemisch eingespeichert. Jetzt beginnt die Radtour, die chemische Energie wird in mechanische Energie umgewandelt, mit viel Kraft bewegt man seine eigenen Kilos Meter für Meter nach Oben. Dass die Energieumwandlung nicht zu hundert Prozent gelingt, merkt man spätestens, wenn man den Pullover auszieht weil einem sehr warm wird und an der Schweißperlen die zur Kühlung dienen. Wenn man Oben ist, kann man wieder herunterrollen. man bemerkt, es läuft von selbst, der Fahrtwind weht und nach dem Ausrollen ist man wieder am Ausgangspunkt angekommen. Jetzt ist alle Energie vollständig verbraucht, genaugenommen in Wärme umgewandelt. Bei der Fahrt ins Tal hat sich die Bremse und die Luft sich erwärmt, damit hat die Luft die ursprüngliche Lageenergie in Form von Wärmeenergie aufgenommen.

Wie kann man die Energie messen?

Um die Energie genau zu beschreiben benötigt man eine Einheit in der die Energie gemessen wird. Ähnlich wie eine Länge in Metern (m) und Gewicht mit der Einheit Kilogram (kg) gemessen wird, kann man auch Energie messen.
Isaac Newton, Physiker, nach dem die Einheit der Kraft benannt ist (Bild Wikipedia)
Da Energie durch Kraft mal Weg beschrieben wird, benötigt man eine Einheit für Kraft und eine Einheit für den Weg. Die Einheit für den Weg kennt jeder, es ist der Meter. Die Einheit für die Kraft ist das Newton (N), die zu Ehren des berühmten Physikers Isaac Newton so genannt wird. Ob es schlau ist, Einheiten nach Physikern zu benennen weis ich nicht, für viele ist es auch verwirrend, aber es ist eben so eingeführt. Ein Newton ist die Kraft, mit der hundert Gramm gegen die Hand drücken. Warum hundert Gram und nicht ein Kilogram? Das ist eine komplizierte Geschichte, die mit der Schwerkraft zusammenhängt und jetzt nicht genauer erklärt wird.
James Prescott Joule, nach Ihm ist das Newton Meter benannt. (Bild: Wikipedia)
Also hat die Energie die Einheit von Kraft mal Weg oder in anderen Worten Newton Meter, abgekürzt Nm!
So weit so gut, aber jetzt kommt wider das Phänomen, dass berühmte Physiker namentlich in Einheiten verewigt werden. Für ein Nm sagt der Physiker Joule (J), das ist nach dem Engländer James Joule benannt.
Ein Joule ist nicht besonders viel Energie, etwa die Lageenergie, wenn eine Schokoladentafel auf dem Tisch und nicht am Boden liegt. Auf der Müslipackung findet man die Angabe Kilo Joule (kJ) das sind tausend Joule und das ist die Energie, die der Schokoladenesser als Lageenergie hat, wenn er auf den Tisch steigt.
Im Alltag verwendet man eine noch größere Energieeinheit und das ist die kWh (kilo Watt Stunde). Jetzt kommt noch ein Physiker ins Spiel, das ist James Watt, bekannt durch seine Erfindung der Dampfmaschine. Es sei angemerkt, er hat die Dampfmaschine nicht erfunden, aber doch erheblich verbessert. 
James Watt, Dampfmaschinenbauer und Namensgeber der Leistungseinheit Watt. (Bild Wikipedia)
Eine Kilowattstunde ist die Energie, die bei einer Leistung von tausend Watt in einer Stunde umgesetzt wird. Moment, ich habe vergessen zu erklären was eine Leistung bei Physikern ist. Eine Leistung ist es, wenn man die Tafel Schokolade vom Boden aufhebt und auf den Tisch legt, schafft man das in einer Sekunde, hat man ein Watt (W) geleistet. Klettert man in einer Sekunde selbst auf den Tisch, ist das sogar ein Kilowatt! Nebenbei, das ist richtig anstrengend, daher bringen wir nicht so gerne viel Leistung, aber das ist wieder ein anderes Problem.

Die Umrechnung der Energie

Die einzelnen Einheiten könne Problemlos ineinander umgerechnet werden:
1 Nm = 1 J = 1 Ws
1000 J = 1kJ
3600 kJ = 1 kWh
Es gibt noch ungezählt viele andere Einheiten, diese habe ich in meinem Blogbeitrag "Energieeinheiten uneienheitlich" genauer betrachtet. 

Energie im Energiespeicher

Jetzt sind wir in der Lage die Energie in einem Energiespeicher zu berechnen, wir brauchen nur die Leistungsaufnahme während des Ladens zu Messen und die Dauer der Ladezeit festhalten.
Lädt man etwa eine Batterie mit einem Watt über eine Stunde, so hat die Batterie 3600 Ws =3600 J Energie aufgenommen. Eine gute Batterie sollte diese Energie auch wieder nahezu vollständig abgeben. Der Wirkungsgrad von Lithiumbatterien liegt heute bei über 90%!
Tesla S mit einer 85 kWh Lithium Batterie. (Bild Wikipedia)
Jetzt tanken wir einen Tesla S, ein Elektroauto mit einer 85 kWh Batterie.
Schließen wir die Batterie an eine einfache Haushalts-Steckdose an, so liefert diese Steckdose 3kW. Um die Batterie vollständig zu laden benötigt man daher beachtliche 28 Stunden, Autos brauchen eben viel Strom. Jetzt fahren wir mit dem Tesla S in die Berge und überlegen, wie hoch hinauf wir mit einer Batterieladung kommen. Angenommen der Wagen wiegt mit Fahrer ~2000 kg, dann müssen wir eine Kraft von ~20 000 N (= 20 kN) aufwenden um Höhe zu gewinnen. Mit 85 kWh im "Tank" schaffen wir:
85 kWh * 3600 kJ/kWh / 20 kN ~ 15 000 m, damit können wir also zwei mal den Mount Everest hochfahren! Dem Elektromotor macht die Höhenluft keine Probleme, bei der Straße wird es schon schwieriger.

Eine gute Reise wünscht Eduard Heindl

Freitag, 23. Mai 2014

Energiespeicher Holz

Ein Vergleich von Holz und Photovoltaik

Diesmal tritt zum Wettbewerb zwischen den Energieträgern Holz und PV-Strom an. Holz ist definitiv der älteste vom Menschen genutzte Energieträger. Holz wächst als natürlicher Rohstoff nach, allerdings nicht annähernd so schnell, wie wir Energie verbrauchen. Das hat im 18. Jahrhundert fast zur vollständigen Entwaldung Europas geführt. Zum "Glück" kam dann die Kohle, die zumindest den Wäldern wieder eine Chance gegeben hat.

Wie viel Energie ist in Holz?

Jeder Brennstoff hat einen Heizwert, bei Holz ist das etwas komplizierter, da der Heizwert bei Holz empfindlich vom Wassergehalt abhängt, siehe Abbildung.
Heizwert von Holz stark vom Wassergehalt abhängig (Quelle: Wikipedia)
Gut gelagertes Holz hat weniger als 15% Restfeuchte, damit liegt der Heizwert bei 4,2 kWh/kg Holz. Ein Raummeter Fichtenholz wiegt 330 kg und hat damit einen Energiegehalt von 1.400 kWh Wärmeenergie. Umgerechnet auf Strom, der eine höherwertige Energie ist und in einem Kraftwerk aus Wärme gewonnen werden kann, "enthält" ein Festmeter 600 kWh Strom. 
Holz oder (und?) Photovoltaik, was ist sinnvoll?
Im Bild sieht man eine PV Anlage, die auf einem Holzlager montiert ist. Interessanterweise liefert diese PV-Anlage bei einer Leistung von 2 kW jedes Jahr 2000 kWh Strom, innerhalb von drei Jahren füllt diese PV-Anlage den Holzschuppen "virtuell", dann hat Sie die elektrische Energie von 10 Raummeter geliefert. Drei Jahre ist auch etwa die Zeit, die man warten muss, bis das Holz perfekt trocken ist.

Wie schnell wächst Holz nach?

Der jährliche Holzzuwachs pro Hektar liegt laut Landwirtschaftsministerium [1] bei 16 m³ für schnell wachsende Hölzer wie Fichte. Das Entspricht, bei Berücksichtigung der Umrechnung auf Raummeter, etwa 25 Raummeter oder 35.000 kWh.
Im Vergleich zu einer PV-Anlage bietet sich an. Diese würde auf einem Hektar 500.000 kWh Strom produzieren [2]. Damit ist der Flächenbedarf in der Holzwirtschaft 14 mal größer als bei PV-Freiflächen-Anlagen. Allerdings ist das nur eine sehr grobe Abschätzung, da nur ein Teil des Holzes rein für den Brennholzbedarf angebaut wird und praktisch kein Holz für die Stromerzeugung verwendet wird.
Der große Vorteil von Holz ist allerdings die langfristige Lagerfähigkeit der Energie, was bei Strom praktisch nicht möglich ist.

Wie teuer ist Holz

Entwicklung Holzpreis im Vergleich zu Öl und Gas (Quelle: C.A.R.M.E.N [3])
In der Praxis spielt der Preis für die verschiedenen Brennstoffe eine große Rolle, bei gleichem Energiegehalt ist Holz nur halb so teuer als Gas oder Öl. Die Preisschwankungen auf dem Öl- und Gasmarkt, siehe Abbildung oben, machen allerdings den direkten Vergleich etwas schwer. Holz hat zusätzlich den Vorteil, dass es "CO2-frei" ist, da es sich um einen nachwachsenden Rohstoff handelt.

Fazit

Wie so oft in der Energiewirtschaft ist es sehr schwierig, die Eigenschaften verschiedener Energieformen miteinander zu vergleichen. Der Autor heizt mit Holz, genauer mit Stückholz und einem zentralen Holzofen mit 92% Wirkungsgrad. In der Praxis muss man allerdings den Umgang mit Holz und dem Ofen lieben, es macht Arbeit, Dreck und manchmal wundert man sich am Morgen, wenn der Ofen ausgegangen ist und man kalt duschen muss.

Quellen:

[1] Zuwachs - nach Baumart unterschiedlich, Bundesministerium für Landwirtschaft und Ernährung.
[2] Freilandanlagen, Solaranlagen-Portal, http://www.solaranlagen-portal.com/photovoltaik/freilandanlage
[3] CENTRALES AGRAR- ROHSTOFF- MARKETING- UND ENERGIE-NETZWERK, http://www.carmen-ev.de/