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Innovationsblog neue Ideen | Guide Stupid merkwürdige Sachen dokumentiert | Energiespeicher Bedeutung und Zukunft| Energy Age the big picture (engl.)

Dienstag, 25. Oktober 2016

Ein Jahr Tesla gefahren, ein Erfahrungsbericht

Erfahrungen mit dem Elektroauto 

Seit Ende Oktober 2015 fahre ich jetzt meinen Tesla S 85D, ein rein elektrisches Auto, das ich mir gekauft habe um nicht weiter die Umwelt so sehr zu belasten wie mit meinem Dieselauto, das ich davor genutzt habe. Ein Umstieg auf den öffentlichen Nah- und Fernverkehr ist mir durch meinen Wohnort im Schwarzwald kaum möglich. Zudem habe ich festgestellt dass die Nutzung der Bahn, die oft mit erheblichen Verspätungen unterwegs ist und mir sehr schwierige Arbeitsbedingungen bietet, für mich nicht wirklich eine Alternative darstellt.

Verschiedene alte Autos mit Verbrennungsmotor und mein Tesla

Es gibt viele Gründe sich einen Tesla Auto zu leisten, für mich standen das angenehme Fahren und die längerfristig ökologischen aber auch ökonomischen Vorteile im Vordergrund.

Zuverlässig

Was habe ich jetzt gelernt, nach über 30.000 km auf der Straße? Das erste ist, dieses Auto funktioniert immer, es gab innerhalb dieser Zeit kein einziges Problem das so schwerwiegend gewesen wäre dass ich nicht mein Ziel rechtzeitig erreicht hätte, was man natürlich in der Oberklasse erwarten kann.

Witzigerweise hat gerade die Batterie meines alten Autos früher öfter den Dienst versagt, etwa entladen weil das Licht an blieb, so dass der Motor nicht startete. Die Sorge ist völlig verflogen und die Legende vom leeren Akkumulator im Elektroauto kann ich nicht teilen.

In der Praxis ist es so, dass man jeden Morgen mit einem vollgetanktem, oder besser, vollgeladenem Auto losfährt und über 400 km zurücklegen kann. Meine alltägliche Fahrten, die selten über Stuttgart oder Zürich hinausgehen, führen daher nicht zu einem völligen Entladen sondern zumeist habe ich mehr als 100 km Reserve im Tank wenn mein Auto abends wieder in die Garage kommt.

Parken im Flughafenparkhaus Zürich, in der Schweiz gibt es deutlich mehr Teslas

Interessanterweise lernt man dadurch fast nie wieder eine Tankstelle kennen. Dies führt dazu, dass einige Tätigkeiten, die man an der Tankstelle bisher erledigt hat, etwa Scheibenwaschen oder frisches Wasser in die Wischanlage füllen, jetzt zu Hause erfolgen und so war eine meiner ersten Käufe ein guter Scheibenreiniger und ein entsprechender Schwamm.

Langstreckentauglich

Während des letzten Jahres bin ich auch mehrmals Langstrecken gefahren, mit Zielen, die über 500 km weit weg waren. Dabei hat sich das dichte Supercharger Netz von Tesla sehr bewährt. Das Navigationssystem des Fahrzeugs zeigt bereits beim Start die notwendigen Zwischenhalte an, so dass man gut planen kann wo man etwa sein Frühstück einnimmt oder die Mittagspause hält und wann man ankommt.

Hier habe ich in die letzte freie Ladesäule erwischt. 

Auf allen Fahrten, an denen ich einen Supercharger angesteuert habe, hatte ich immer eine freie Ladesäule bekommen, vielleicht war es Glück, weil zwei Mal war es wohl die letzte, gerade noch freie Säule. Dort hätte allerdings nach fünf Minuten auch ein anderes Auto ausgeparkt, so dass die Verzögerung erträglich gewesen wäre. Dies war übrigens in beiden Fällen eine Ladestation in den Niederlanden, dort gibt es erheblich mehr Tesla Fahrzeuge als in Deutschland.

Viele freie Ladesäulen, aber verwirrende Beschilderung wann man parken darf.

Ein typischer Halt am Supercharger läuft folgendermaßen ab, man steckt sofort das Ladekabel ein, sucht das nächstgelegene Restaurant auf um vielleicht einen Kaffee zu trinken und eine Kleinigkeit zu essen, bis man bezahlt hat und gegebenenfalls auf der Toilette war, vergehen leicht 20 bis 25 Minuten und das Auto kann wieder 300 km weit fahren.  Sollte man ein Mittagessen einnehmen, dann ist das Auto meistens wieder fast voll aufgeladen (400 km).

Mehrmals habe ich mir auch den Spaß gemacht und die Pause einfach für einen kleinen Spaziergang genutzt. Das ist sehr zu empfehlen, wenn man nach drei Stunden hinter dem Steuer eine halbe Stunde geht, fühlt man sich wirklich wieder frisch und kann frohgemut weiter fahren.
Dies ist eine generelle Eigenschaft bei Fahrten, denn ich glaube es ist nicht wirklich gesund mehr als 500 km am Stück zu fahren. Das bedeutet auf deutschen Autobahnen mindestens fünf Stunden unbeweglich ununterbrochen hinter dem Steuer zu sitzen. Denn die menschlichen Sinne sind nicht für derartige Konzentrationsleistung gebaut, obwohl wir diese Aufgabe bewältigen, sind wir danach erschöpft und wundern uns warum wir dann oft nicht gut schlafen oder sogar mehrere Tage geringere Leistung vollbringen.

Laden an der Fahrradladestation eines Hotels in Celle

In Ausnahmefällen kann man das Auto auch an eine ganz normale Steckdose hängen, etwa wenn man in einem Hotel übernachtet. Dort wo ich bisher gefragt habe, war das Personal sehr zuvorkommend und hat es mir immer ermöglicht (kostenlos!) Strom zu saugen.
Es gibt auch noch die öffentlichen Ladesäulen, dort kann man mit unterschiedlichen Steckern ebenfalls einen Tesla laden, sofern man das passende Kabel dabei hat. Ich habe so ein Kabel bei Fernreisen dabei und einmal habe ich es auch in Catzand, NL, ausprobiert.

Öffentliche Ladesäule in Cadzand
Erstaunlicherweise hat sogar mein spezieller Chip von Plugsurfing sofort funktioniert. Eine praktische Sache, die Abrechnung erfolgt dann später über das Bankkonto. Allerdings wundert man sich als Teslafahrer, dass es wirklich Menschen gibt, die an so einer langsamen Ladesäule (11 kW) wirklich laden, selbst nach drei Stunden war nur Strom für 150 km eingespeichert, kein Vergleich zum Supercharger.

Der Autopilot

Eine spezielle Geschichte ist der Autopilot. Zum Zeitpunkt, als ich das Auto erhalten habe war dieser noch nicht installiert, jedoch die entsprechende Sensorik, vorne und hinten eine Kamera sowie ein Radargerät, bereits eingebaut. Nach wenigen Tagen bekam ich "over the air" die Software 7.0, die denn Autopiloten besser gesagt den sogenannten Autopiloten enthält.

Das Fahren mit dem Autopiloten, der ständig besser wird, ist für mich eine echte Erleichterung beim Fahren über lange Strecken. Auf kurzen Strecken, beziehungsweise auf kurvigen Landstraßen, ist der Autopilot keine gute Wahl, denn entweder nimmt er die Kurve sehr langsam oder man hat das Gefühl, wenn man nicht eingreift könnte ein Rad den Randstein berühren. 
Fahrt mit "Autopilot" auf der Autobahn. 

Völlig anders ist es auf der Autobahn dort ist der Autopilot ein außerordentlich nützliches Hilfsmittel da er zuverlässig die Spur hält. Ich erinnere mich an einen Vorfall, als auf einer dreispurigen Autobahn, ich war auf der zweiten Spur, plötzlich von rechts ein Auto herein geschnitten kam. Instantan bremste der Tesla und ich konnte sicher hinter diesem Fahrzeug weiterfahren. Ich bin mir nicht sicher, ob ich selbst genauso schnell reagiert hätte, was sicherlich einen unangenehmen Unfall zur Folge gehabt hätte.

Zuverlässig fährt der Autopilot auf gut markierten Landstrassen.

In der Öffentlichkeit ist der Autopilot umstritten oder besser gesagt die deutsche Autoindustrie findet es unangenehm von ausländischer Technik überholt zu werden. Dies führte zu einem originellen Brief den mir das Kraftfahrzeug Bundesamt in Flensburg gesendet hat. Dort werde ich darauf hingewiesen dass ich die Bedienungsanleitung des Tesla genau lesen soll, denn dort steht der Autopilot ist nur eine Hilfsfunktion und der Fahrer muss immer vollständig auf das Verkehrsgeschehen achten. Und er muss jederzeit entsprechend eingreifen. Ich glaube nicht dass Kunden anderer Hersteller, etwa von Daimler, Mercedes wird mit "Autonomes Fahren" beworben, ebenfalls vom Kraftfahrzeugbundesamt einen entsprechenden Brief erhalten.

Technische Probleme

Die technischen Probleme waren überschaubar doch will ich einige, die mir aufgefallen sind, kurz erläutern.

Am schwerwiegendsten fand ich, dass ich nach der Rückkehr von einer Flugreise im Winter zunächst keinen Navigations Bildschirm vom System bekommen habe. Der Bildschirm blieb einfach schwarz. Erst durch Reset des Fahrzeugs nach einigen Kilometern fahrt auf einem Parkplatz, ist es mir gelungen das System wieder zum Arbeiten zu bringen. Ob es an der tiefen Temperatur lag oder an einen anderen merkwürdigen Effekt vermag ich nicht zu beurteilen, er ist jedenfalls nie wieder aufgetreten. Solche Fehler verschwinden häufig, da Tesla regelmäßig, etwa im Monatsrhythmus, neue Versionen mit Bugfixes und manchmal auch neue Versionen mit neuen Features über Nacht an das Auto sendet.

Ein zweiter Fehler habe ich beim ABS System beobachtet dass unter sehr feuchten Bedingungen, also starken Gewitterschauer, plötzlich nicht mehr aktiv ist beziehungsweise die Software teilt mit dass jetzt das ABS nicht mehr verfügbar ist.

Eine nette Autonummer, in Belgien gesehen.

An dieser Stelle fand ich es erfreulich, dass die Software mir sehr genau mitgeteilt hat, dass es diesen Fehler gibt und die Konsequenz, dass das entsprechende ABS Bremsen nicht verfügbar ist. Nachdem der Sensor wieder trocken wurde ging der Fehler weg und auch dies wurde vom System sofort mitgeteilt.
Ein Besuch in der Werkstatt hat gezeigt, dass das entsprechende technische Teil einen Baufehler hatte, der wohl vom Zulieferer zu verantworten war. 

Weitere kleine Probleme gibt es immer wieder mal an verschiedenen Stellen so ist das Schließen des vorderen Kofferraums "Trunc" etwas mühsam da es genau so erfolgen muss wie wenn man eine Motorhaube abschließt, durch kräftiges andrücken der "Motorhaube".

Ein weiteres merkwürdiges Phänomen beobachte ich manchmal beim Ausstrecken des Ladesteckers, der ein bis zwei Sekunden benötigt bis er softwaremäßig das System entriegelt. Kein großes Problem aber vielleicht könnte man dies etwas verbessern.

Party-Effekt

Ein elektrisches Auto ist immer noch etwas besonderes, insbesondere in Deutschland, inzwischen wohl das Land mit der niedrigsten Elektroautodichte unter den Industrieländern.
Anzahl der Elektroautos 2016. Deutschland ist das Schlusslicht! Quelle: Wikipedia
Durch diesen Exotenstatus und den heimlichen Wunsch vieler, doch ein sauberes Auto zu fahren, ergeben sich immer lebhafte Diskussionen und viele Fragen.
Wo kann man den Laden? (Zuhause:-)
Brennt der leicht? (Nein, Benzin und Diesel brennen viel besser!)
Die Batterie geht sicher schnell kaputt! (Bisher weniger als 0,2% Kapazitätsverlust)

Am besten sind natürlich die Probefahrten, das Auto voll gepackt, im Kofferraum haben ja auch noch zwei Kinder Platz und los geht's es. Für Viele eine noch nie erlebte Beschleunigung und ein leises Fahren ohne Brummen. Inzwischen fahren drei meiner engeren Bekannten einen Tesla.

Wertverlust und Wirtschaftlichkeit

Der Tesla, in der Ausstattung die ich habe, hat neu 97 Tausend Euro gekostet. Suche ich bei Autoscout24, sehe ich, dass das Auto immer noch deutlich über 90 Tausend Euro wert ist. Für ein Auto dieser Kategorie ein sehr ungewöhnlich geringer Wertverlust!
Bedenke ich die eingesparten Treibstoffkosten, etwa 3000€, die Steuerfreiheit und die niedrige Vollkaskotarif (800€/Jahr) dann ist das bei den niedrigen Zinssatz ein sehr günstiges Auto.

Meine Beträge über Elektroautos

Donnerstag, 13. Oktober 2016

World Energy Council 2016

Welt Energie Kongress 2016 in Istanbul

Vom 9.-13. Oktober 2016 fand in Istanbul der Weltkongress zum Thema Energie statt. Es war der 23. Kongress, der seit 1923 im Dreijahresrythmus, diesmal in Istanbul, stattfand.

Die Themen des Kongress waren über den gesamten Energiebereich, von der Öl- und Gasförderung bis zu den Erneuerbaren Energien verteilt. Es kamen viele wichtige Staatsmänner wie der russische Präsident Vladimir Putin, der Gastgeber und türkische Präsident Recep Erdogan, und viele weitere Regierungschefs und Minister, darunter der israelische Energieminister Yuval Steinitz, der erste offizielle Besuch nach sechs Jahren Eiszeit zwischen der Türkei und Israel, an den Bosporus.
Vladimir Putin spricht über die Bedeutung von Energie und den Ölpreis, eine Bemerkung über eine Zusammenarbeit mit der OPEC während der Rede hat den Ölpreis um 2$ ansteigen lassen!
Das Thema Energie führt eben nicht nur Wissenschaftler und Ingenieure zusammen, sondern auch Politiker und Diplomaten. Die weltweite Verknüpfung der Energieerzeugung spielt eine wichtige Rolle und die Türkei wurde als Drehscheibe zwischen Asien, naher Osten und Europa sowie dem Mittelmeerraum dargestellt.

Die globale Energiewende

Bei allen Teilnehmern ist angekommen, dass die Energiewende, hin zu Erneuerbaren Energien, insbesondere Sonne und Wind, kommt. Allerdings ist die Geschwindigkeit wie schnell das geht umstritten. Während ich selbst überzeugt bin, dass noch im nächsten Jahrzehnt der wesentliche Wandel abgeschlossen ist, sprach Marie-José Nadeau, Chair, World Energy Council davon, dass im Jahr 2060 sich der Anteil der Erneuerbaren an die 50% des gesamten Energieverbrauchs nähert [1].

Das ist aus der Sicht der Energiebranche verständlich. Dort wird mit Öl, Kohle und Erdgas gehandelt. Sollte sich der Wandel schnell vollziehen, ist das Öl und die Kohle unverkäuflich, die Branche spricht von "stranded resources". Damit ist gemeint, dass dann das Öl im Boden, auf dem ja heute der enorme Firmenwert der Energiekonzerne beruht, wertlos wird.
Schlüsselthemen bei der Energiewende in den nächsten Jahrzehnten

Dabei wurde immer wieder die Bedeutung des Pariser Abkommens zur CO2 Reduktion betont. Generell sehen dabei aber viele einen Wandel von Kohle zu Erdgas, da bekanntlich Erdgas nur halb so viel CO2 erzeugt, wenn es in Strom umgewandelt wird, als Kohle! Das liegt zum einem daran, das ein Methan-Molekül aus einem Kohlenstoff und vier Wasserstoffatomen besteht, aber auch an dem besseren Wirkungsgrad von Gaskraftwerken.

Energie-Drehscheibe Türkei

Auf der Konferenz in der Türkei spielte die geo(energie)strategische Rolle der Türkei eine erhebliche Rolle. 

Durch die Türkei laufen wichtige Öl und Gasleitungen, weitere Gaspipelines sind geplant. 
Nicht zuletzt der Bau einer neuen Gaspipeline die russische und andere asiatische Gasvorkommen einfachen Zugang nach Europa bringen, waren ein Grund, warum Putin, aber auch der Präsident von Azerbaijan, Ilham Aliyev, nach Istanbul kam.
Aliyev, Präsident von Azerbaijan, sieht Vorteile, wenn "sein" Gas durch die Türkei strömen kann.

Die Bedeutung von Wasserkraft

Es ist ja oft eine gewisse Ironie, das die Wasserkraft als wichtigste erneuerbare Energie im weltweitem Mix, sie liefert immerhin 71% aller erneuerbaren Energiequellen oder 6,8% des weltweiten Energieverbrauchs, oft vergessen wird.

Die Bedeutung der Wasserkraft kann in einer Kombination von Solar- Wind und Wasserkraft liegen. Auf der Konferenz sprach man von Solarenergie als Wassersparer, in der Form, dass am Tag die Turbinen am Staudamm abgeschaltet werden und der Staudamm sich zusätzlich füllt, während in der Nacht mit doppelter Kraft Wasser für die Stromerzeugung verwendet werden kann. Somit sind bereits normale Staudämme wichtige Energiespeicher für die Energiewende. Ich spreche hier noch nicht von Pumpspeichern oder gar den Lageenergiespeicher


Zudem gibt es, zumindest in Afrika und in Südamerika, noch viele unerschlossene Wasserkraft "Reserven". Allerdings ist man sich sehr wohl bewusst, dass jeder Staudamm auch ein enormer Eingriff in die Natur ist und sehr oft auch in die Lebensräume der Menschen eingreift! Insbesondere in Indien ist das Wasser der Flüsse heilig und damit kaum der Bau von Staudämmen möglich, wie ich von Richard M. Taylor, Chief Executive, International Hydropower Association, gelernt habe.

Afrika soll Strom bekommen

Während die Einwohner der Amerikas und Asien nahezu vollständig mit Strom versorgt werden, gibt es in Afrika immer noch 600 Millionen Menschen ohne Strom. Das bedeutet, kein Licht, kein einfach zu ladendes Mobiltelefon, kein Kühlschrank und auch kein Schweißgerät.

Der letzte Tag der Konferenz war daher Afrika gewidmet. Bei Afrika, hier ist im wesentlichen Schwarzafrika südlich der Sahara gemeint, muss man an die riesigen Flächen denken und die immer noch dünne Besiedlung. Dies macht den Bau eines Leitungsnetzes unwirtschaftlich und daher bekommt die Solarenergie in Inselsystemen oder in Microgrids, eine hohe Bedeutung.
Im Forum Talent and Capacity Building moderiert von Samir Ibrahim aus Kenia, rechts Sanjit 'Bunker' Roy aus Indien, und daneben Andreas Spiess, Solarkiosk, aus Deutschland.

Die praktische Umsetzung erfordert dabei ein gewisses Wissen um Strom und Solarenergie. Dieses versucht Bunker Roy mit seiner Barfuß Universität (Barefoot College) zu vermitteln, dabei unterrichtet er weltweit Frauen (Grandmothers) zu praktischen Themen der Solarnutzung, ein beeindruckendes Projekt!
Andreas Spiess versucht mit seiner, wie er betonte, kommerziellen Lösung des Solarkiosks in Afrika die Verbreitung der lokal angepassten Solarenergienutzung voranzutreiben.

Messestand 

Messestand der Heindl Energy GmbH

Die Heindl Energy GmbH hat den Speicher "Gravity Storage" auf einem Messestand präsentiert. Leider waren nur sehr wenige Unternehmen aus Europa auf der Messe vertreten. Der Stand war direkt neben Aramco, der größten Ölfirma der Welt aus Saudi Arabien. Soweit ich es beobachtet habe, hatte unser Stand aber fast mehr Interesse geweckt.

Ein 600 MW Kraftwerk auf dem Wasser zur Notversorgung.
Es gab natürlich noch viele andere interessante Messestände, witzig fand ich noch die Idee des "Energieschiffs", das ist ein Schiff mit einem vollständigen Kraftwerk, inklusiver Umspannwerk, das in einen Hafen festmacht und die lokale Stromerzeugung, etwa nach einer Naturkatastrophe, unterstützen kann.

Noch einige Anmerkungen

Kurz nach dem Militärputsch in der Türkei war die Sicherheitsstufe sehr hoch, man wurde mindestens zweimal abgetastet, und ist dreimal durch Metalldetektoren gelaufen bevor man in den Hochsicherheitsbereich des Konferenzzentrums gelangte. 
Ausstellung zum Militärputsch
Im Konferenzbereich gab es eine Ausstellung über den Sieg des türkischen Volks gegen die Putschisten.

Die Organisation der Messe war zumindest "gewöhnungsbedürftig" aber Istanbul hat durch leckere Restaurants wieder einiges entschädigt. Es wurde mehrmals im Kongress auf die ausgezeichneten Urlaubsmöglichkeiten in der Türkei hingewiesen.
Etwas rustikales Kellerambiente bei der Verpflegung der Tagungsgäste, die Teilnahmepreise waren erheblich!
Die Teilnehmer der Konferenz kamen aus vielen Ländern, allerdings waren westliche Länder unterdurchschnittlich vertreten. So habe ich Griechenland vermisst, das ja angeblich große Gasvorkommen hat, aber wohl keine guten Beziehungen zur Türkei.
Herkunft der Tagungsteilnehmer, Asien bildete den Schwerpunkt.
Alle Foren waren im orientalischen Stil, auf fünf gemütlichen Sesseln sassen die Teilnehmer und diskutierten ohne Bilder, obwohl eigentlich immer Projektoren und aufwendige Bildschirme verfügbar waren.
Der Scheich aus Dubai neben dem Rainer Baake, deutscher Staatssekretär (3.vl)

Dienstag, 27. September 2016

Wie viel Speicher brauchen wir?

Energiewende braucht Speicher

Die weltweite Energiewende ist im vollen Gang. Im letzem Jahr, 2015, wurde mehr regenerative Kraftwerkskapazität, Wind, Sonne, installiert, als alle Kohle, Erdgas und Kernkraftwerke zusammen. Allerdings mit einem kleinen Schönheitsfehler, die installierte Leistung produziert nicht Nachts oder bei Windstille, das bedeutet, für eine Vollversorgung benötigt man noch Energiespeicher. 

Wie gross der Speicherbedarf ist, kann man nicht eindeutig bestimmt werden, da er von vielen Faktoren abhängt. In diesen Blogbeitrag will ich aber eine globale Abschätzung des Speicherbedarfs festhalten.

Die globale Energiewende

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass ich hier nicht die Situation in Deutschland beschreibe, sondern die globale Situation. Das macht durchaus Sinn, da nur global die Probleme von Peak Oil oder das CO2 Problem gelöst werden können. Um so erfreulicher ist es, dass etwa in 2016 fast doppelt so viel Photovoltaik (PV), 70 GW, installiert wird, wie in Deutschland installiert ist. Und Deutschland ist mit 40 GW zweiter hinter China in der Liste der PV Installationen. Es sei darauf hingewiesen, dass ich hier nur den Stromverbrauch betrachte, längerfristig wird alle Energienutzung auf Strom umgestellt, was nochmals zu einer Verdopplung aller vorgestellten Zahlen führen dürfte.

Die Entwicklung der globalen Energiewende kann man verstehen, wenn man die Entwicklung der letzten 25 Jahre aufzeichnet:
Entwicklung des Energieverbrauchs und der Installation von Erneuerbaren Energiequellen,
Grafik eigene Darstellung, Daten von BP.
Zunächst sieht man, dass der Strombedarf in der logarithmischen Darstellung konstant wächst, um etwa 3% pro Jahr. Der Zubau von Wind- und Solarkraftwerken aber mit 22% was dazu führt, dass ca. 2025 weltweit so viel PV und Wind installiert ist, wie konventionelle Kraftwerke. Eine Situation, die in Deutschland schon erreicht ist!

Die produzierte Strommenge reicht aber erst um das Jahr 2030 aus um den gesamten Bedarf Strombedarf der Welt zu decken, immer vorausgesetzt, dass der Zubau weiter wächst. Die Deckung des gesamten Strombedarfs kann man aber nur erreichen, wenn ausreichend Speicher vorhanden sind und das wird im nächstem Jahrzehnt das ganz große Thema.

Einflüsse auf den Speicherbedarf

Den größten Einfluss auf den Speicherbedarf hat das Stromnetz. Das liegt daran, dass man mit dem Stromnetz den Strom optimal vom Erzeuger zum Verbraucher transportieren kann. Scheint etwa in Süddeutschland die Sonne, kann man den PV Strom in den Norden transportieren, umgekehrt, weht im Norden der Wind, kann man den Windstrom über die gleiche Leitung in den Süden transportieren.
Dies habe ich bereits in einem früheren Blogbeitrag "Stromleitungen als Energiespeicher" genauer betrachtet.

Es gibt daher einen Wettbewerb zwischen Speicher und Leitungen.
Das Optimum zwischen Netzkosten und Speicherkosten muss gefunden werden
Theoretisch könnte man eine Leitung um die Erde legen und daran alle Solarkraftwerke anschließen. Es wäre immer Strom ohne Speicher verfügbar, da immer irgendwo die Sonne scheint. Allerdings ist das sehr teuer und auch der Transport über sehr große Strecken führt zu Verlusten in der Leitung. Alternativ kann man sich einen Speicher in den Keller stellen, der über ein halbes Jahr die Solarenergie sammelt und dann käme man völlig ohne Leitung aus. Dieser Speicher müsste pro Person etwa 1000 kWh speichern können, bei aktuellen Preisen von 1000€/kWh für private Batteriespeicher zahlt man dann pro Person eine Million für den Speicher, nicht ökonomisch darstellbar, wie man so schön sagt.

Genauere Rechnungen, wie sie etwa von J. Tambke und L. Bremen [1] durchgeführt wurden, zeigen, dass bei einem optimalen Netzausbau in Deutschland und vollständiger Umstellung auf Wind- und Solarenergie die Energie "nur" für eine Woche gespeichert werden muss. Bei einer "Kupferplatte" über ganz Europa benötigt man sogar nur zwei Tage Speicherkapazität.

Sieht man sich die Weltkarte an, so wird allerdings schnell klar, dass weitreichende Stromnetze nicht überall auf Zustimmung stoßen werden. Stromleitungen sind eine empfindliche Infrastruktur und wer will schon, dass der Strom durch Krisenregionen geleitet wird, was bedeuten kann, dass plötzlich die Leitung ausfällt. Es gibt da Historisch leider einige Beispiele.

Weitere Optimierungsmöglichkeiten

Weitere Faktoren auf den Speicherbedarf stellen die Verbraucher dar. Würden alle Verbraucher genau dann die Energie abrufen, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht, wären überhaupt keine Speicher erforderlich. Aber da sehr viele Verbraucher nur aufwendig flexibler werden können, so will etwa niemand nur dann mit dem Zug fahren wenn gerade die Sonne scheint, muss man immer mit einer gewissen Grundlast rechnen. Dabei sein angemerkt, dass nur 40% des Stromverbrauchs in Haushalten stattfindet, der Rest teilt sich auf Industrie, Gewerbe und öffentliche Einrichtungen auf.
Wichtige Einflussfaktoren für den Speicherbedarf, eigene Darstellung.
Auch das Smart Grid, zeitweise stark beworben kann nur etwa 10% des Verbrauchs verschieben, siehe Blogbeitrag "Das Märchen vom Smartgrid". Und trotzdem kann man den Bedarf natürlich optimieren, warum sollte ein chemischer Reaktor auf voller Leistung laufen, wenn gerade der Strom knapp und damit auch teuer ist? Ich gehe optimistisch davon aus, dass etwa 50% des Speicherbedarfs durch optimale Steuerung aller Verbraucher vermieden werden kann.

Speicherbedarf im Jahr 2030

Im Jahr 2030 wird bei kontinuierlichem Wachstum etwa ein globaler Stromverbrauch von 5.000 GW vorhanden sein. Geht man von einer sehr guten Vernetzung aus, das bedeutet, Regionen von der Größe Europas können fast perfekt den Strom austauschen benötigt man zwei Tage Speicherkapazität. Berücksichtigt man dann noch, das 50% des Speicherbedarfs durch optimale Steuerung eingespart werden, muss man Speicher haben, die eine Kapazität von einem Verbrauchstag speichern können. Bei 5.000 GW Strombedarf und 24 h Speicherbedarf ist das eine Kapazität von 120.000 GWh

Weltweiter Speicherbedarf in 2030: 120.000 GWh.

Diese Speicherkapazität ist gewaltig, daher soll sie in Relation zu bekannten Speichern gesetzt werden. In Deutschland gibt es Pumpspeicher mit einer Kapazität von 40 GWh. Das ist weniger als 0,03% des globalen Speicherbedarfs, dabei hat Deutschland noch ein gut ausgebautes Pumpspeichersystem. Will man die Speicherkapazität mit Batterien aufbauen und nutzt dazu die Gigafactory von Elon Musk in Nevada, die nach Fertigstellung etwa 50 GWh Batterie-Kapazität im Jahr produziert, benötigt man 2.400 Jahre bis ausreichend Batterien produziert sind.
Der Lageenergiespeicher (Gravity Storage) kann in einer Standardausführung mit 250 Meter Durchmesser 8 GWh speichern. Das bedeutet man benötigt davon 15.000 Stück. Oder, wenn man die große Version mit 500 Meter Durchmesser wählt, immer noch ca. 1000 Stück. 

Vermutlich wird daher nur ein Teil des Speicherbedarfs über echte Energiespeicher wie Batterien oder Pumpspeicher abgedeckt. Der Rest könnte noch für einige Zeit aus Erdgaskraftwerken kommen oder durch optimales Managen von großen Stauseen. 

Auf jeden Fall wird es einen gewaltigen Markt für Energiespeicher geben!

Sonntag, 29. Mai 2016

Problem Batterie und Autoindustrie

Lithium Ionen treiben die Zukunft an

Die Basisinnovation LiIon-Batterie, vorangetrieben von der Firma Sony, hat überraschend, aber das ist bei Innovationen üblich, die Entwicklung des Elektroautos ermöglicht. Davor gab es nur Akkumulatoren die extrem schwer, Bleiakkumulator, extrem giftig, Nickel Cadmium, oder aus anderen Gründen nicht für einen Energiespeicher im Auto geeignet waren. 
Dies hat dazu geführt, dass man lange in der Autoindustrie der Entwicklung von Batterien keine besondere Aufmerksamkeit gewidmet hat. Mit der erfolgreichen Entwicklung von Tesla hat sich das grundlegend geändert, daher will ich hier über die Bedeutung der Batterietechnik in der Autoindustrie berichten.

Die Wertschöpfung eines Autos (Heute)

Ein Auto besteht aus vier Komponenten: 
  1. Der Glider, das ist das Auto ohne Motor und Energiespeicher
  2. Motor mit Energiespeicher (Tank oder Batterie)
  3. Image (Zumeist durch Werbung aufgebaut)
  4. Die Energiemenge, die das Auto in seinem Leben verbraucht
Der Glider ist heute ein Produkt der Zulieferindustrie, ob Scheinwerfer, Stoßstange, Sitze oder Räder mit Reifen, fast nichts davon wird in der Autofabrik hergestellt. In manchen Werken verbleibt noch das Verschweißen der Karosserie aus einer Tonne Blech, kein besonders aufwendiger Vorgang dank Robotertechnik.

Der Motor, hier versteht die Automobilindustrie einen Verbrennungsmotor, der mit einem Wirkungsgrad von ca. 20 Prozent unter Emission erheblicher Mengen von Feinstäuben und anderer ungesunder Substanzen das Auto mehr oder weniger schnell auf Reisegeschwindigkeit bringt und auf dieser Geschwindigkeit hält. Tausende von Ingenieure versuchen diese Technik (legal oder illegal) zu optimieren 

Das Image von Autos verschiedener Marken wird durch gewaltige Werbebudgets [1] entwickelt. Durch Productplacement in Filmen und aufwendige Verkaufszentren wird ein hoher Wert des Autos suggeriert, obwohl alle Autos im Stau gleich schnell fahren. Für viele Menschen ist das Auto, neben dem Haus, das teuerste Produkt, das zur eigenen Aufwertung erworben wird.

Der Treibstoff, den ein Auto im Lauf seiner Betriebsphase von etwa 300.000 km verbrennt, kostet 30.000€ und ist nicht selten teuer als das ganze Auto. Zudem weis man zum Zeitpunkt des Autokaufs nicht, wie teuer dieser Treibstoff wird. Das Geld fliest an die Ölkonzerne und Ölstaaten, nicht in die Autoindustrie!

Letztendlich verfügen die großen Automobilhersteller nur über die Fähigkeit Motoren herzustellen, den Rest der Wertschöpfung haben sie entweder an andere vergeben oder es gibt kein großes Wertschöpfungspotential, wie bei der Karosserieherstellung.

Die Wertschöpfung im Elektroauto

Elektroautos haben eine erheblich andere Verteilung bei den oben genannten Punkten 1. - 4. 

Der Glider bleibt im wesentlichen gleich, interessanterweise spielt die Gewichtseinsparung eine geringere Rolle als bei bisherigen Autos, da durch Rekuperation (Zurückgewinnung von Bremsenergie) sowohl die Energie, die für das Beschleunigen, als auch die Energie die für das Erklimmen von Höhe verwendet wird, nicht zur Erwärmung der Bremsscheibe verwendet wird. 
Die Verwendung von nichtrostenden Aluminium wird sinnvoll, weil die Lebensdauer eines Elektromotors erheblich über der eines Verbrennungsmotors liegt. Und wer will schon ein verrostetes Elektroauto, das noch einen guten Motor und eine funktionierende Batterie hat.

Der Wert des Elektromotors liegt weit unterhalb eines Verbrennungsmotors, der aus 6000 beweglichen Präzisionsteilen besteht. Elektromotoren sind einfach aufgebaut, einige Kupferdrahtwicklungen und ein Aluminiumzylinder der sich dreht. Seltene Erden sind nicht nötig, die findet man nur in Hybridautos wie dem Toyota Prius (46kg!).

Der Verbrenner-Treibstoff (und Tank) im Elektroauto fehlt, aber dafür benötigt man eine Batterie und Strom.
Die Batterien sind das mit Abstand teuerste im Elektroauto und erstaunlich ähnlich im Preis wie die Treibstoffkosten eines Verbrenner-Autos. 
Erstaunlicherweise haben dies weder die großen Ölkonzerne noch die großen Autofirmen bemerkt. Ausnahme: Tesla baut eine Gigafactory, eine Batteriefabrik, die jährlich für etwa 500.000 Elektroautos Batterien liefern kann und damit die Firma von anderen Lieferanten unabhängig macht.
Einzig die deutsche Firma Volkswagen hat angekündigt, dass sie erwägt 10.000.000.000 € in den Bau einer Batteriefirma zu investieren (FAZ)! Leider hat man derartige Ankündigungen im Umfeld E-Mobilität von deutschen Autofirmen schon öfter gehört, Fakten wurden bisher leider keine geschaffen.

Der "Treibstoff" Strom wäre eigentlich eine klare Aufgabenstellung für die Stromversorger oder Ölfirmen. Hier herrscht völlige Funkstille.

Das Problem der Alltagstauglichkeit

Will man ein Elektroauto genau so einsetzen wie ein bisheriges Auto, so muss es zuverlässig die tägliche Strecke von vielleicht 100 km zurücklegen können aber auch den Italienurlaub oder die längere Geschäftsreise ermöglichen. 
Das bedeutet, normalerweise "tankt" man Zuhause an der Steckdose was praktisch mit allen Elektroautos über Nacht möglich ist und hat damit kaum mehr Kontakt zu einer Tankstelle. Ausnahme ist vielleicht das Scheibenwischer Wasser nachfüllen und ein Besuch in der Waschstraße.
Auf längeren Reisen muss jedes Auto neue Energie einladen, das geht an einer Tankstelle innerhalb von fünf Minuten, bei einem Elektroauto darf das auch nicht entscheidend die Dauer der Reise verändern. Es ist also zwingend erforderlich, dass es ein Netz von Schnellladestationen gibt. An dieser Stelle bin ich über die Politik höchst erstaunt, die zwar 10.000 Ladesäulen fördern will (pro Ladesäule gepflegte 60.000 Euro Steuergeld). dabei aber nicht  die Schnellladefähigkeit fordert. 
Nur Ladesäulen, an denen man in 20 Minuten mehr als 200 km Reichweite aufladen kann (Schnellladesäulen) führen zu einer Alltagstauglichkeit von Elektroautos. 
Da außer Tesla keine anderer Autohersteller oder Organisation, hier denke ich an Ölkonzerne, Autobahnraststätten, Stromkonzerne, ein Schnellladenetz betreibt, kann ein Interessent an Elektromobilität heute nur ein Auto von Tesla kaufen, alle anderen Hersteller haben faktisch kein nutzbares Elektroauto im Angebot. 

Fiktion Batterieproblem

Das häufigste Thema bei der Diskussion um Elektroautos ist das Batterieproblem. Es geht dabei um mindestens drei Themen
  1. Batteriepreis
  2. Lebensdauer
  3. Rohstoffe
Die Preise für Batterien sind fast im freien Fall. Auf der Abbildung sieht man eine Folie, die auf der Menasol 2016 Energiekonferenz aufgelegt wurde. Im Vergleich zum Preisverfall bei Solarzellen scheint sich der Preis von LiIon-Batterien noch schneller nach unten zu bewegen. 
Entwicklung der Batteriepreise, eine Verdopplung der Menge senkt den Preis um 26%.
Liegt der Preis einer kWh Speicherkapazität bei 250 € und benötigt man für die Alltagstauglichkeit etwa 80 kWh in einem Auto, so kostet die Batterie 20.000 €. Zählt man die Stromkosten dazu, ist das weniger als die Treibstoffkosten eines konventionellen Autos. 

Die Lebensdauer bei Batterien hängt von den Ladezyklen und einigen anderen Faktoren, etwa Temperatur, ab. Tausend Ladezyklen schaffen praktisch alle Batterien, selbst ein Bleiakku. Das bedeutet aber bei 300.000 km Fahrleistung und 300 km pro Ladung, dass die Batterie mühelos die Fahrzeugnutzungsdauer erreicht. Zudem scheint es bei LiIon Batterien so zu sein, dass es zwar eine geringfügige Abnahme der Kapazität gibt, aber danach  eine weitere Nutzung, etwa bei einer Solaranlage als Nachtspeicher, sinnvoll möglich ist.

Der Rohstoff Lithium (60ppm [2]) ist wesentlich häufiger als Blei (18 ppm in der Erdhülle [3]) anzutreffen. Damit gibt es kein Rohstoffproblem, auch wenn es kurzzeitig bei der Förderungen zu Engpässen kommen könnte, da die Bergwerke nicht schnell genug ausgebaut werden. Im Gegensatz zu Öl wird aber Lithium im Auto nicht verbraucht sondern kann 100% wiederverwendet werden. Lithium ist auch nicht giftig, wer seine Suppe mit Meersalz würzt, verwendet neben Kochsalz Lithium, das in großer Menge im Meer(Salz) vorkommt.

Alte Industrie versagt bei Innovationen

Obwohl die Fakten zu Elektroautos einfach zu verstehen sind, wundert man sich, warum die Autoindustrie fast nichts tut. Das Problem sind über hundert Jahre gewachsene Strukturen. Praktisch alle Autohersteller sind über 100 Jahre alt, Ausnahme Volkswagen, ein Unternehmen das am 28 Mai 1937 gegründet wurde.
In diesen Unternehmen gibt es extrem viel Wissen über Verbrennungsmotoren. Zündzeitpunkt und Sauerstoffzufuhr, Auspuff und Katalysator sind teuer und aufwendig untersucht. Die technologische Elite kann Verbrennungsmotor, hat darauf studiert und promoviert.
Batterietechnologie, Lithium Ionen und Elektrolyte hat man höchstens in den Medien gehört. Es ist nicht die Kernkompetenz. Wie soll man also die Technologie entwickeln? Die natürliche Reaktion ist, man wartet ab und baut Siebenganggetriebe und Hybridmotoren oder gar Wasserstoffmotoren.

In der gleichen Zeit ist es Tesla Motors gelungen etwa fünf Jahre Vorsprung zu erarbeiten. Tausende von Schnellladesäulen aufzustellen und ohne teurer Werbung ein Markenimage aufzubauen, das zu einer sauberen Umwelt mit regenerativen Energien passt. 

Es wäre nicht neu in der Geschichte der Innovationen, dass eine Industrie den Technologiebruch nicht überlebt. Keine Segelschiffswerft hat Dampfschiffe gebaut, zuletzt hat man es mit Siebenmaster und "Hybridantrieb" (Segel plus Dampfmaschine) versucht.
Kein Katalogversand hat Amazon und Ebay die Stirn im Internet geboten. Der Quellekatalog wurde so dick, dass er unterging.
Keine Telefonfirma von Siemens bis Nokia spielt in der Smartphone-Liga eine wichtige Rolle.

Wir werden uns damit abfinden müssen, dass es in zehn Jahren manche Firmen VW/BMW/Daimler nur noch als Namen aber nicht mehr als große Arbeitgeber gibt. Das ist es, was Schumpeter als:
Innovation ist Zerstörung
"creative destruction"
beschreibt. Und er hat vermutlich auch diesmal wieder recht.

Vermutlich hätte ich das auch in meinem Innovations-Blog gut schreiben können, passt aber auch zu Energiespeicher.

Hinweis:

[1] Allein Volkswagen hat in den Monaten Jannuar - April 2016 über 100 Millionen Euro in Deutschland für Werbung ausgegeben, Quelle: Nielsen/Statista.

[2] ppm steht für Parts Per Million, Das bedeutet, hat man eine Tonne durchschnittliches Gestein, dann sind darin 60 Gramm Lithium und 18 Gramm Blei enthalten.

[3] Der Massenanteil bei den Elementen verdeckt, dass man mit einem kg Blei etwa um den Faktor 50 weniger Energie speichern kann als mit einem kg Lithium. Unter dieser Voraussetzung betrachtet, benötigt man weniger Lithium für alle Autos (wenn sie elektrisch sind) als heute Blei für die Starterbatterien in Benzin und Dieselautos eingesetzt wird.




Dienstag, 5. April 2016

Tesla schneller, höher, weiter

Die Leistungsdaten vom Tesla Model S

Als begeisterter Fahrer eines Tesla Model S will ich in diesem Blog einige ungewöhnliche Rechnungen anstellen um ein Gefühl für die Leistungsfähigkeit dieses Elektroautos zu geben, aber auch um einige Daten zur Physik eines Autos und von Batterien zu vermitteln.

Bergfahrt mit Tesla

Am Berg trennen sich bekanntlich die leistungsstarken und die schwachen Fahrzeuge. Das ist auch der Grund warum man an Steigungen oft eine zusätzliche Spur für LKWs findet oder eine eigene Überholspur für PKW.
Ein Tesla S wiegt mit Fahrer und etwas Gepäck m = 2250 kg (2108kg Leergewicht) und hat in der Ausführung 85D, D steht für Dual Drive (Allrad) und nicht für Diesel (igitt), eine Batterie mit 85 kWh Kapazität.

Mit 428 PS kann man damit sehr schnell eine Steigung bewältigen. Um das zu berechnen muss man die notwendige Leistung berechnen um die Masse anzuheben, der Luftwiderstand sei vorerst vernachlässigt.

Man erhält mit g=9,81m/s², Höhe: h, Zeit: t
Leistung = 315 kW = m * g * h / t
h/t = 315 kW / ( 2250 kg * 9,81 m/s²)
h/t = 14,3 m/s

Wie in einem Hochgeschwindigkeitslift geht es nach oben, nach einer Minute ist man bereits in 840 m Höhe. Die Stadt Furtwangen im Schwarzwald, mein Wohnort, liegt genau 840 Meter über den Meeresspiegel. Nach weiteren zehn  Minuten erreicht man den Gipfel des Mount Everest!
Das tut man natürlich nicht, da noch keine Straße auf den Gipfel führt, aber es zeigt doch die unglaubliche Leistungsfähigkeit dieses Elektroautos.

Wie hoch könnte man hinauf?

Bei einem Verbrennungsmotor nimmt die Leistung mit der Höhe drastisch ab und vermutlich würde kein Benzin oder Diesel den Gipfel des Mount Everest, aus Sauerstoffmangel, schnell erreichen. Mögen mich hier Motorexperten eines besseren belehren. Zumindest Hubschrauber, ausgenommen der Eurokopter, können in dieser Höhe nicht fliegen. Für ein Elektroauto im Prinzip kein Problem.
In 11 Minuten könnte ein Tesla S den Gipfel des Mount Everest erreichen, wenn er auf Meereshöhe losfährt und wenn es eine geeignete Straße gäbe.

Das Limit für den Tesla ist die Batterie, die natürlich bei dieser Bergfahrt schnell leer wird. Wenn man die gesamte Ladung, 85 kWh in Lageenergie umwandelt, dann entspricht das einer Höhe von

Energie = 85 kWh = 306.000.000 J = m * g * h
h = 306 MJ / (2250 kg * 9,81 m/s²)
h = 13.800 m

Man könnte also, wenn es denn eine Straße in den Himmel gäbe, bis in die Stratosphäre hochfahren, oberhalb der Schicht, in der die Passagierflugzeuge fliegen. Wenn man wieder gemütlich herunterrollt, würde die Energie wieder in die Batterie eingespeist und man käme mit einem gut aufgeladenem Tesla wieder am Meeresstrand an! Ganz im Gegensatz zu den Brennstofffahrzeugen, bei denen wäre der Tank leer.

Und die Höchstgeschwindigkeit ist?

Wir träumen jetzt weiter und überlegen uns, wie schnell ein Tesla fahren könnte, wenn da nicht so Nebensächlichkeiten wie Abregelung bei 250 km/h, Luft- und Rollwiderstand, wären. 
Wir bauen also eine etwas andere Übersetzung ein und los geht die Reise mit dem vollgeladenen Tesla.

Energie = 306 MJ = 1/2 m v²
v = Wurzel(306 MJ * 2 / 2250 kg) 
v = 521 m/s = 1.877 km/h

Das Auto könnte theoretisch deutlich schneller als Schallgeschwindigkeit fahren, wenn wir keine so dicke Luft auf dem Planeten hätten. Allerdings sieht man auch, dass extrem große Energiemengen nötig sind um sehr schnell zu werden. Eine Satellit fliegt mit 7,8 km pro Sekunde oder mit 28.000 km/h um die Erde.
Daher auch die Aussage von Elon Musk, Chef von Tesla und SpaceX: Das letzte was elektrisch angetrieben wird sind die Weltraumraketen.

Zurück in der Wirklichkeit

Der Tesla ist auch in der Wirklichkeit ein sehr praktisches Auto, da man immer über ausreichend Reserven verfügt, nicht nur in der Batterie, sondern auch beim Anfahren oder Überholen. 

Weitere Analysen zum Tesla:

Dienstag, 15. März 2016

Wie viel Öl wird noch gebraucht?

Warum der Ölpreis soweit sinkt

In den letzten Jahren konnte man an der Börse den stark schwanken Ölpreis sehen zwischen 144 $ für ein Barrel und neuerdings weniger als 40 $ für ein Barrel hat der Preis innerhalb kurzer Zeit geschwankt. Es ist offensichtlich eine grundlegende Veränderung im Energiemarkt abzusehen. Betrachtet man das Wachstum der Erneuerbaren so beobachtet man seit 20 Jahren einen kontinuierlichen Anstieg bei den Installationen von Wind und Solarenergie.
Abb. 1: Das Wachstum des Stromverbrauchs und der Energieerzeugung aus Wind und Sonne. (Eigene Darstellung)
Extrapoliert man diese Installation neuer Energiequellen, so findet man, dass nach einigen Jahren genügend Elektrizität von diesem System erzeugt wird um alle Energie Bedürfnisse der Menschheit zu befriedigen.

Ende der fossilen Energieerzeugung

Die entscheidende Frage ist, wie lange wird dieser Übergang dauern und, daraus abgeleitet, wie viel Öl ist für diese Phase noch notwendig?

In diesem Blog werde ich zeigen dass die Menge des noch zu fördernden Öls wesentlich geringer ist als die noch vorhandenen Ölreserven! Damit ergibt sich für die Ölförderländer eine ganz merkwürdige Situation: Sie wissen nämlich bereits jetzt dass sie in einigen Jahren kein Einkommen durch den Verkauf von Öl mehr erzielen können. Es ist wie auf einen Markt auf den viel zu viel Kartoffeln im Angebot sind der Preis für die Kartoffeln weit absinkt so ist es auch hier. Es ist nicht nur aktuell zu viel Öl-Förderung vorhanden sondern es sind darüber hinaus, einige werden Staunen, zu viele Ölreserven vorhanden um einen guten Preis für diesen, im Moment noch immer sehr wertvollen, Energierohstoff zu erzielen.

Berechnung des Ölbedarfs

In den letzten Jahren haben wir ein Wachstum von etwa 22% für die aus Wind und Sonne gewonnene Energie (Abb. 1). Wir müssen nun berechnen, wie viel Energie weltweit aktuell benötigt wird. Obwohl dies scheinbar einfach ist, müssen wir einige Daten umrechnen. Es ist nämlich ein erheblicher Unterschied ob Energie in Form von Strom oder von einem fossilen Rohstoff vorliegt so kann man aus der thermischen Energie einer Tonne Kohle nur etwa ein Drittel dieser Energie in Strom umwandeln. Dies gilt sowohl für Öl, Kohle, Gas und andere Brennstoffe.

Abb. 2: Annahme, der Stromverbrauch wächst wie bisher ohne Substitution der fossilen Brennstoffe.

Die Stromerzeugung basiert heute noch im Wesentlichen auf wenige Quellen das Verbrennen von Kohle, Erdgas, Uran, die Erzeugung von Wasserkraft und aktuell mit wenigen Prozenten auf anderen regenerativen Systemen (Wind, Sonne!). 

Interessanterweise werden nur geringe Mengen der Ölförderung für die Erzeugung von Strom eingesetzt. Öl dient im Wesentlichen zum Antrieb von Transportsystemen, ob es Autos, Lastkraftwagen, Schiffe oder Flugzeuge sind. Sicher wird nicht in den ersten Jahren der Flugverkehr auf Elektroantrieb umgestellt aber mit einem Energiebedarf von etwa 3% ist diese Segment nicht entscheidend für die globale Umstellung.
Abb. 3: Energiebedarf (rot), Anteil fossile Energie (blau) und erneuerbare ohne Wasserkraft (grün). Die Differenz roter und bleuer Kurve wird heute von Wasserkraft und Kernenergie bereitgestellt. Zukünftig, ab etwa 2035, kann aller Energiebedarf aus erneuerbaren Quellen bereitgestellt werden

Umstellung auf Elektroantrieb

Will man die vollständige Umstellung auf elektrische Antriebe, ein Ziel das innerhalb der nächsten 20 Jahre gut erreicht werden kann, dann wird das Öl, ausgedrückt in einer Energiemenge (TWh) durch eine Strommenge ersetzt die nominal nur ein Drittel so viel TWh entspricht. Da, wie bereits angedeutet, die Verbrennungsprozesse in Motoren nur ca. 30% Wirkungsgrad haben. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen dass einzelne Wirkungsgrade hier nur grob abgeschätzt werden, da es einerseits Verbesserung in Wirkungsgraden gibt andererseits durch verschiedene veränderte Nutzungsgewohnheiten häufig auch niedrige Wirkungsgrade eintreten.

Abb. 4: Gleicher Inhalt wie Abb 3, jedoch mit einer logarithmischen Skala für die Energie.
Man erkennt das gleichmäßige Wachstum der Erneuerbaren, das hier mit 18,5% pro Jahr angenommen wurde.

Strombedarf wächst weltweit

Die insgesamt benötigte Elektrizitätsmenge wird erheblich ansteigen, zum Einen, weil es längerfristig einen globalen Trend zu mehr Energieverbrauch gibt aber zum Zweiten weil die bisher von Brennstoffen erzeugten Arbeitsleistungen zusätzlich durch Strom substituiert werden wird. Wir müssen also die gesamte Strommenge berechnen, die aus dem konventionellen Strombedarf und aus dem substituierten Strombedarf für den Antrieb und auch noch für thermische Vorgänge, insbesondere Heizungen, entstehen. 

Wenn Heizen auch noch elektrisch wird

Bei Heizungen sei darauf hingewiesen dass mit Wärmepumpen ähnlich wie bei Verbrennungsmotoren, allerdings hier positiv, dreimal so viel (Wärme-) Energie erzeugt werden kann als durch den Einsatz vergleichbaren Brennstoffe. 

Abb. 5: Bis 2035 werden noch 528 000 TWh Energie aus fossilen Energieträgern benötigt.

Berechnet man den zusätzlichen Energiebedarf in Form von Strom, so kann man diesen mit dem aktuellen Wachstum bei der Installation erneuerbare Energiequellen vergleichen. 

Ab 2025 wird der Öl-, Kohle- und Gasbedarf rückläufig

Zu dem Zeitpunkt, an dem die erneuerbaren Energiequellen mehr Energie liefern als der gesamte globale Bedarf an Strom ist, wird kein weitere Rohstoff zum Verbrennen benötigt. Dies wird irgendwann zwischen 2035 und 2040 geschehen. Bis dahin muss allerdings noch konventionelle fossile Energie verbrannt werden mit natürlich stark rückläufiger Tendenz ab 2025. 
Abb. 6: Aktueller Anteil der verschiedenen fossilen Energieträger an der weltweiten Energieversorgung

Zählt man die jährlich verbrannte fossile Ressource zusammen, erhält man den gesamten noch vorhandenen Bedarf an fossilen Ressourcen. Es ist nicht trivial den Wechsel insbesondere von Kohle Öl und Erdgas exakt zu beschreiben vermutlich wird die Kohle als erstes aus der Erzeugung herausgenommen da diese am einfachsten durch erneuerbaren Strom substituiert werden kann Kohle wird heute praktisch nur für die Verbrennung in Kohlekraftwerken und zur Stahlerzeugung eingesetzt. Auf die Stahlerzeugung werde ich hier nicht weiter eingehen. Erdgas wird etwa zur Hälfte für die Stromerzeugung und zur anderen Hälfte für die Erzeugung von Wärme verwendet die Substitution bei der Wärmeerzeugung wird als erstes geschehen da es ökonomisch sehr interessant ist aus Strom mit Hilfe von Wärmepumpen sofort drei Mal mehr Wärmeenergie zu erzeugen als ein gleichartiger Anteil an Erdgas produzieren würde. Insbesondere ist es auch bequemer elektrisch zu heizen als mit den doch nicht ganz unerheblichen Gefahren einer Erdgasheizung und den erheblichen Kosten einer Erdgasinfrastruktur.
Des letzte Element in dieser Veränderung wird die vollständige Substitution von Öl, hier ist weiterhin der Flugverkehr ausgeklammert, darstellen.

Abb. 7: Die verfügbaren, gesicherten fossilen Rohstoffreservern sind weit größer als der Bedarf ,der bis zum Ende des fossilen Zeitalters (ca. 2035) vorhanden ist.  

 Welche Staaten leiden am meisten

Jeder Staat, der heute seine Staatsfinanzen im Wesentlichen aus den geförderten Öl- und Erdgaserlösen erzielt, wird in Zukunft große Probleme bekommt. Hier kann man insbesondere an Russland und die arabischen Staaten denken aber auch einige andere, wie Venezuela und Nigeria haben hier eine schlechte Zukunft. Da diese vorgestellte Analyse den einzelnen Ländern in ähnlicher Form vermutlich bereits bekannt ist, wird nun versucht werden möglichst viel der noch vorhandenen Ressourcen auf dem Weltmarkt zu verkaufen. Die klassische Folge eines solchen Verkaufs Wettbewerbs ist ein erheblicher Preisverfall. 
Abb. 8: Wie hoch muss der Ölpreis sein, damit verschiedene Staaten wirtschaften können? Quelle: Deloitte University Press

Man könnte nun meinen, dass dieser Preisverfall schnell auf die Wachstumskurve der erneuerbaren Energien zurückschlägt. Genau dies ist aber erstaunlicherweise nicht der Fall, der Grund liegt darin, dass bereits heute mit Photovoltaik Strom zu einem äquivalenten Preis von 20 Dollar pro Barrel erzeugt werden kann. Das bedeutet erst bei einem Preis von unter 20 $ pro Barrel Rohöl ist überhaupt eine ökonomisch getriebene Ablösung moderner Photovoltaik durch Ölkraftwerke denkbar.

Allerdings wird ein Investor sehr wohl abwägen, ob es nicht wesentlich besser ist langfristige Energiequellen wie Photovoltaik zu installieren, die zudem fast keine Wartung benötigen, als sich auf den Bau oder Betrieb von konventionellen Kraftwerken zu verlassen. Wir werden also einen starken Wandel bei der Energieerzeugung und den Gewinnen, die einzelnen Ländern dadurch entstehen, sehen.

Gibt es neue Gewinner?

Spannend ist hierbei, inwieweit Länder mit sehr günstigen Solareinstrahlung dies nutzen um Strom zu exportieren. Letztendlich ist aber die vorhandene Fläche für Solarenergie derart groß dass es kaum einen vergleichbaren Wettbewerbsvorteil gibt wie es bei der Ölförderung. 
Solareinstrahlung auf der Welt, Quelle: IRENA
Ein weiterer Aspekt ist natürlich die Verteilung der Energie und insbesondere die Speicherung. Es ist unklar ob ein globales Stromnetz das Kontinente überspannt und dieses Problem löst wie es heute von dem chinesischen Netzbetreiber China Grid angestrebt wird, oder ob große Speicher etwa in Form des Lageenergiespeicher diese Aufgabe übernehmen und damit eine kontinuierliche globale und saubere Energieversorgung in Zukunft gewährleisten.

Quellen:

Alle Rohstoff-Daten wurden der BP Datenbank entnommen, dort ist auch eine Excel-Tabelle abrufbar um die Daten bequem weiter zu verarbeiten!

Hinweis zu den Rechnungen:
Es wurden folgende, vereinfachende, Annahmen getroffen:
Die Umrechnung der Energieeinheiten auf TWh basiert auf der Tabelle von Volker Quaschning.
Die Energieumwandlung von Energie-Rohstoffen in Strom erfolgt mit 33% Wirkungsgrad.
Von der Gasproduktion gehen 50% in die direkte thermische Nutzung.
Steinkohle wird nur in Kraftwerken verbraucht.
Öl wird nicht zur Stromerzeugung verwendet.
Das Wachstum des weltweiten Energieverbrauchs beträgt 2,88%.
Das Wachstum aller erneuerbaren Energien beträgt 18,5%.
Das Bezugsjahr für die Verteilung der Rohstoffnutzung ist 2014.

Die Vereinfachungen wurden bewusst gewählt um die Komplexität handhaben zu können. Exaktere Zahlen würden nur eine scheinbare Steigerung der Prognosegenauigkeit bringen. Für den Wert beim Wachstum der Erneuerbaren wurde in der Rechnung der sehr konservative Wert von 18,5% genommen, historisch waren diese Werte immer höher, Eine plausible Änderung der Zahlen in der Analyse würde nur das Ende der fossilen Brennstoffe etwas früher (2030) oder etwas später (2040) bedeuten.

Freitag, 19. Februar 2016

Speicher für große PV Anlagen

Energiespeicher für große Solarfelder

Zunehmend werden für die Wüsten dieser Welt Solarkraftwerke geplant, um die regionalen Bedürfnisse des Energiebedarfs zu decken. So wurden allein im Jahr 2015 mehr als 59 GW PV neu installiert [1]. In Regionen mit schwächeren Stromnetzen sind diese schnell überfordert, daher müssen dringend Speicher als Zusatzelement bereits in der Projektentwicklung berücksichtigt werden.

PV und/oder CSP

Bis heute werden PV Großkraftwerke nicht zusammen mit Speichern betrieben, da es an preiswerten Technologien mangelt und noch kein akuter Bedarf existiert. Konzentrierende Solarkraftwerke (Concentrated Solar Power CSP) nutzen bereits heute große Salzspeicher die mithilfe der Solarenergie erwärmt werden und damit in den Nachtstunden über eine Dampfturbine Energie liefern können. 
Prinzipieller Aufbau eines CSP Kraftwerks mit Wärmespeicher (Quelle: nest)
In der abgebildeten Anordnung benötigt man neben dem Solarfeld, das zumeist in Form von Rinnenkollektoren aufgebaut ist einen großen Salzspeicher, einen Wärmetauscher, eine Dampfturbine und insbesondere einen Condenser, der erhebliche Mengen an Wasser verbraucht, wenn er effizient betrieben werden soll. 
Modell einer CSP Anlage mit Rinnenkollektoren in der Wüste
Das Kernproblem sind aber die Kollektoren, die aus schwenkbaren Spiegeln bestehen und daher viel empfindliche Mechanik enthalten um mit einer Präzision von weniger als 0,5 Grad dem Stand der Sonne nachgeführt zu werden. Zudem wird durch ein zentrales Rohr ein heißes Öl unter hohen Druck transportiert, daher benötigt man bewegliche Dichtungen die das System letztendlich Wartungsintensiv und damit teuer machen.

Solange PV teuer war, und das liegt ja weniger als 10 Jahre zurück, dass ein kW PV über 5.000$ gekostet hat, war PV gegenüber thermischen Solarkraftwerken keine Alternative. Aber die Zeiten haben sich geändert. Die Installation von PV Großanlagen kostet pro kW nur noch 1.300$ und ist damit erheblich günstiger als CSP, solange man ohne Speicher arbeitet.

PV und Gravity Storage

Photovoltaik ist inzwischen pro installierter Kilowattstunde wesentlich (etwa Faktor zwei) preiswerter als eine CSP Anlage. Daher bietet es sich an, eine PV Anlage mit einer Speichertechnologie zu kombinieren, die wettbewerbsfähig ist.
Prinzipieller Aufbau eines PV-Felds mit einem Lageenergiespeicher (Gravity Storage)
Ein Lageenergiespeicher (Gravity Storage) ermöglicht es, eine kWh so günstig zu speichern, dass eine Kombination von PV und Gravity Storage einen wettbewerbsfähigen Preis in nicht subventionierten Strommärkten ermöglicht.
Modell eines PV-Felds mit einem Großspeicher (Gravity Storage)
Mit dieser Kombination ist es dann möglich, eine kontinuierliche Stromversorgung in der Wüste zu ermöglichen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Fluktuieren der PV Leistung insbesondere bei heraufziehender Bewölkung. Innerhalb von Minuten kann die Leistung eines PV-Felds dann um viele 10 MW abfallen. Das kann von einem Stromnetz das weitgehend auf erneuerbare Energien beruht nicht abgefangen werden. Daher müssen Speicher, die schnell reagieren und große Leistungs- und Energiekapazitäten haben, in das Stromsystem integriert werden.
Schwankung der PV Leistung bei unterschiedlicher Anlagengröße, Quelle [2]
Die Abbildung veranschaulicht, wie steil selbst bei großen PV Anlagen die Stromproduktion ansteigen oder abfallen kann. Es gibt zwar einen gewissen Dämpfungsfaktor durch die große Fläche der Anlage, aber dieser genügt nicht um das Stromnetz stabil zu halten.
Hier sollte erwähnt werden, dass in Ländern wie Deutschland, in dem die Dachanlagen sehr weiträumig verteilt sind, die wetterbedingten steilen Flanken keine entscheidende Rolle für die kurzzeitige Netzstabilität spielen.

PV plus Speicher erlaubt 24h Solarstrom 

Wenn die Welt nicht nur am Tag mit Solarstrom versorgt werden soll sondern auch in der Nacht, dann ist es notwendig gewaltige Speicherkapazitäten aufzubauen. Heute werden vom Kraftwerkspark stündlich 5000 GWh produziert, Selbst wenn in der Nacht der Bedarf nur halb so groß ist, so kann man abschätzen dass für die durchschnittlich 12 Nachtstunden etwa 30.000 GWh gespeichert werden müssen. Zum Vergleich, in Deutschland gibt es eine Speicherkapazität von 40 GWh in Form von Pumpspeichern.
Der Investitionen für den globale Umstieg auf Solarenergie wird sich etwa zur Hälfte aus Speicherkosten und zur anderen Hälfte aus den Kosten für die PV Anlagen zusammensetzen, wie man bei einer genauen Rechnung sieht. Umgelegt bedeutet das eine Investition von 7500 € pro Erdenbürger oder heruntergerechnet auf den Monat, bei 30 Jahren Betrieb, 20 Euro Stromerzeugungskosten pro Monat!
Gelingt diese Investition, dann haben alle Menschen eine stabile, saubere und sichere Stromversorgung.

Quellen:

[1] Joshua S Hill, Global Solar PV Installations Grew 34% In 2015, CleanTechnica, Januar 22, 2016