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

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/

Donnerstag, 15. Mai 2014

Energiespeicher, die besten Blogs

Die besten Energiespeicher Blogbeiträge

Nachdem am 15.5.2014 der Energiespeicher Blog über 100.000 Besucher erreicht hat, will ich eine Liste der besten Blogs aus Sicht der Besucher bringen.
Am 15. Mai 2014 kam der 100.000. Besucher zu diesem Blog!

Aber wie bestimmt man den besten Blog? Ein Kriterium könnte sein, welcher Beitrag die meisten Besucher hatte. Hier ist das Votum eindeutig, mit 4500 Besuchern gewinnt der Beitrag:

Allerdings steht dieser Beitrag auch schon seit 20.11.2012 im Netz und hatte damit große Chancen gelesen zu werden. Analysiert man, welcher Beitrag täglich am häufigsten gelesen wird, dann gewinnt:

Tesla und die Batteriepreise

Dieser Beitrag wird seit März 2014 täglich von durchschnittlich zehn Lesern gelesen, ganz neue Beiträge wurden nicht einbezogen, da dort die Statistik verzerrt ist.
Aber ist ein Beitrag schon deshalb gut, weil er gelesen wird? Ein anderes Kriterium ist, ob die Leser ein "Plus" bei Google vergeben. Welcher Beitrag wurde bisher am häufigsten mit g+ versehen?
Da ein Beitrag, den wenige sehen, weil er etwa in Suchmaschinen schlecht zu finden ist, automatisch wenig "Plus" bekommt, sollte man den Beitrag als besten bezeichnen, der prozentual die meisten g+ erhält und das war der Beitrag:
Über 12% haben den Beitrag mit einem "Plus" versehen. Daraus folgere ich, dass Vergleiche beliebt sind. Manche Beiträge entfachen auch eine rege Diskussion, hier ist der Beitrag mit den meisten Kommentaren:

Jetzt darf ich mich bei den Lesern für das rege Interesse bedanken und hoffe auf viele Weiterempfehlungen. Für mich war das schreiben der Beiträge bisher immer sehr lehrreich, da es jedesmal zu einer intensiven Beschäftigung mit den jeweiligen Thema geführt hat. 
Auch in Zukunft werde ich den Blog mit aktuellen Themen, Vergleichen und Ideen weiterführen. 

Zum Schluss noch der Blogbeitrag mit der kleinsten Leserzahl, sozusagen die "Rote Laterne":


Dienstag, 13. Mai 2014

Vergleich der Energiespeicher mit Lageenergie

Energiespeicher mit Lageenergie

Durch die starke weltweite Zunahme von Wind- und Solarenergieanlagen sind viele Erfinder mit der Frage beschäftigt, wie man die Energie möglichst ökologisch und ökonomisch speichern kann. Neben den vielen chemischen Konzepten spielt dabei die Nutzung der Schwerkraft in Form von Lageenergie eine wichtige Rolle. In diesem Blog sollen alle mir relevant erscheinenden Verfahren verglichen werden.

Kriterien für Energiespeicher 

Für alle Speicher werden dabei folgende Kriterien betrachtet:

  • Flächenbedarf 
  • Bautechnische Probleme
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität
  • Besondere Anforderungen
  • Offene Probleme
Der Wirkungsgrad wird hier nicht betrachtet, da vermutlich alle Verfahren zwischen 80% und 95% Zyklus-Wirkungsgrad erreichen und damit praktisch alle hier beschriebenen Ansätze die bekannten chemischen Speicherverfahren übertreffen (Ausgenommen: Batterien).
Alle vorgestellten Verfahren sind noch nicht in der praktischen Umsetzung und daher wird die Marktreife ebenfalls nicht berücksichtigt. Das klassische Pumpspeicherwerk wird als Referenzsystem zum Vergleich herangezogen, daher zunächst die Daten:

Pumpspeicherwerk 

Das klassische Pumpspeicherkraftwerk nutzt zwei Wasserreservoirs auf unterschiedlicher Höhe und pumpt zwischen beiden Wasser hin und her. Bei günstigen Strom wird hochgepumpt, bei hohen Strompreisen wird Wasser über eine Turbine mit Generator geleitet. Der Flächenbedarf ist erheblich, zusammen mit dem Unterbecken benötigt man pro Megawattstunde (1000 kWh) 200 Quadratmeter. Bautechnisch stellen der Damm und das Becken sowie die verschiedenen Stollen die größte Herausforderung dar. Die Kosten der Speicherkapazität werden in der Literatur sehr unterschiedlich angesetzt, 100 Euro pro kWh wird für bereits gebaute Anlagen oft angegeben. Die besondere Anforderung ist, dass ein natürlicher Höhenunterschied von mindestens 400 Meter vorhanden sein sollte. Weiterhin kann durch Verdunstung in warmen, ariden Gegenden erheblich Wasser verloren gehen. Technisch gibt es keine offenen Probleme, allerdings gibt es inzwischen erhebliche Widerstände gegen Neubauten, da oft wertvolle Hochflächen geflutet und verbaut werden. 

Energy Cache

Eine sehr originelle Idee ist das anheben von Schotter mit einer Art Skilift, wie es die Firma Energy Cache verfolgt und von Bill Gates [1] (teilweise) finanziert wird.
Dabei wird Schotter mit einer Kübelkette bei Stromüberschuss nach oben gezogen, dort automatisch entladen und bei Strombedarf wird der Prozess einfach umgedreht.
  • Flächenbedarf: 100m²/MWh, stark vom Wirkungsgrad (Schütthöhe!) und Höhenunterschied abhängig
  • Bautechnische Probleme: Seile nutzen sich ab
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Sehr hoch, vermutlich weit über 1000€/kWh
  • Besondere Anforderungen: Großer Höhenunterschied, viel Schotter
  • Offene Probleme: Prototyp funktioniert
Gesamturteil: Nicht geeignet da zu aufwendig.

Das Meer-Ei

Eine inverse Version des Pumpspeichers ist das Meer-Ei [2], eine Hohlkugel aus Beton, die tief in das Meer versenkt ist. Bei Stromüberschuss, insbesondere aus Offshore-Windparks, wird Wasser aus der Kugel herausgepumpt, bei Strommangel strömt das Wasser wieder über eine Turbine in die Kugel ein und erzeugt Strom.
Das Meer-Ei tief in der See versenkt kann günstig Energie speichern. Bild: Fraunhofer IWES
  • Flächenbedarf: nur Meeresboden notwendig
  • Bautechnische Probleme: Betonkugeln müssen sehr massiv und groß sein, Verschalung problematisch
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Unbekannt, aber vermutlich erträglich (200€/kWh denkbar)
  • Besondere Anforderungen: Tiefe Meeresstelle erforderlich, daher nicht für die Nordsee geeignet.
  • Offene Probleme: Seewasser erfordert gute Materialien und maritime Roboter-Techniken da nicht für Taucher zugänglich (Aufschwimmen denkbar).
Gesamturteil: System hat Potential im Offshorebereich.

Der Schottersack

Analog zum Ansatz des Meer-Ei arbeitet der Schottersack [3] unter Wasser. 
Das Prinzip des Schottersack Energiespeichers nach Heindl
Ein sehr großer Kunstoffsack, etwa aus LKW Plane, wird mit Schottersteinen unter Wasser gefüllt. In den Zwischenräumen befindet sich zunächst Wasser. Bei günstiger Energie wird das Wasser ausgepumpt, Luft strömt über einen Schnorchel nach. Bei Energiebedarf lässt man das Wasser über eine Turbine wieder einströmen. Vorteil, der Schotter kann nicht kollabieren, da er sehr fest ist.
  • Flächenbedarf: nur Meeresboden notwendig
  • Bautechnische Probleme: Herstellen eines großen Kunstoffplanenbehälters der Wasserdicht ist
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Abhängig von Tiefe und Schotterpreis, deutlich unter 100€/kWh möglich
  • Besondere Anforderungen: Tiefe Meeresstelle erforderlich, daher nicht für die Nordsee geeignet.
  • Offene Probleme: Seewasser erfordert gute Materialien und maritime Roboter-Techniken da nicht für Taucher zugänglich.
Gesamturteil: System hat Potential im Offshorebereich.

Gravity Power

Das kalifornische Unternehmen Gravity Power [4] will in alten Bergwerksschächten große Massen hydraulisch anheben und absenken. Dabei wird Wasser bei Stromüberschuss unter den Zylinder gepumpt oder bei Strommangel senkt sich der Kolben und presst Wasser über eine Turbine.
Gewichte im Schacht bei Gravity Power (Copyright Gravity Power)
  • Flächenbedarf: sehr gering, da vollständig unterirdisch.
  • Bautechnische Probleme: Sehr tiefer Schacht muss vorhanden sein und muss präzise ausgekleidet werden
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Abhängig von Tiefe, 100€/kWh möglich, wenn geeigneter Schacht mit 2000 m Tiefe vorhanden ist. Bei Neubau von Schächten völlig unwirtschaftlich.
  • Besondere Anforderungen: Verwaister, tiefer Schacht in gutem Zustand erforderlich.
  • Offene Probleme: Dichtung muss extrem hohe Drücke (200 Bar und höher) aushalten, da sehr große Bautiefe
Gesamturteil: System hat Potential falls Schacht vorhanden ist

Lagenergiespeicher

Der Lageenergiespeicher, nach Heindl [5], hat eine gewisse Ähnlichkeit zum Konzept von Gravity Power. Dabei wird eine große Felsmasse, 50 m Radius oder mehr, ausgeschnitten und als Kolben für die Energiespeicherung verwendet.
Der Lageenergiespeicher, eine große, natürliche Felsmasse
  • Flächenbedarf: Deutlich geringer als bei Pumpspeicher, je nach Größe 10m²/MWh
  • Bautechnische Probleme: Fels freilegen und präzise auskleiden
  • Kosten pro kWh Speicherkapazität: Abhängig vom Radius, 10€/kWh möglich. 
  • Besondere Anforderungen: Günstige Geologie
  • Offene Probleme: Dichtung und Bergbautechnik
 Gesamturteil: System hat großes Potential 

Fazit

Es gibt viele neue Ideen im Bereich der Schwerkraftspeicher. Leider gibt es praktisch keine öffentliche Förderung für die einzelnen Konzepte. Das ist insbesondere schade, da vorab schwer zu erkennen ist, welche Technologie optimal ist. Zudem ist das Speicherproblem drängend und muss rechtzeitig angegangen werden, da zwischen Forschung und Umsetzung immer einige Jahre vergehen.

Weitere Informationen:

Quellen:

[1] The startup behind Bill Gates’ ‘ski lift for energy storage’ Gigaom
[2] Das Meer-Ei, HORST SCHMIDT-BÖCKING, et al. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/piuz.201301330/pdf
[3] Eduard Heindl, Patentanmeldung DE2012100174



Freitag, 9. Mai 2014

Sonne, Fenster und die Steuern auf Energiespeicher

Steuer auf Solarstrom

Wenn ich früh am Morgen den Rolladen hochfahre um das Tageslicht zu nutzen und dabei die elektrische Lampe abschalte ist das schlecht für den Finanzminister. Den auf den Strom, den meine Sparlampe verbraucht bekommt er Steuern. Pro Kilowattstunde 14 ct, davon 2 ct Stromsteuer und 5 ct Mehrwertsteuer und viele andere Steuern, siehe "Stromsteuer oder Strom steuern".
Da ist es natürlich einleuchtend (sic) dass der Staat eine Steuer auf das Licht erheben will. Obwohl es fast wie eine Idee aus Schilda, der Heimatstadt der Schildbürger, klingt, will das der SPD Wirtschaftsminister!
Sonnensteuer auf eigene Äpfel und getrocknetes Heu! Nein bisher nur auf Solarenergie.

Sonne für Mieter doppelt so teuer

Es ist tatsächlich geplant, mit der Reform des EEG auf selbst genutzten Solarstrom eine Umlage von 3 ct pro kWh zu erheben. Und da die Idee von einem Sozialdemokraten kommt gibt es für Mieter gleich die doppelte Gebühr nämlich 6 ct pro Kilowattstunde [1].
Wo liegt eigentlich der Unterschied zwischen einem Fenster, durch das das Sonnenlicht in mein Zimmer fällt und einer PV Anlage, die für mich das Sonnenlicht in Strom umwandelt und es mir ermöglicht, dass ich auch im Keller Licht habe?
Es gibt keinen.
Wenn ich im Garten einen Apfel ernte, dann schadet das dem Wochenmarkt, denn ich kaufe den Apfel nicht und zahle daher keine Mehrwertsteuer auf den Apfel.
Der Apfel ist gespeicherte Solarenergie.
Und wo liegt der Unterschied, wenn ich auf dem Dach eine PV-Anlage betreibe und mit einem Akku die Energie Speichere, damit ich in der Nacht ein Buch bei Licht lesen kann?
Und warum muss ein Mieter dafür doppelt so viel Abgaben zahlen als ein Hauseigentümer.

Selten so gewundert

In diesem Blog versuche ich immer, Tatsachen aus dem  Bereich der Energiespeicherung zu erklären, aber diesmal will es mir nicht gelingen auch nur im Ansatz zu verstehen, warum Sonnenlicht nicht mehr ein freies Gut sein soll.
Ich habe für die PV-Anlage gezahlt, inklusive der Mehrwertsteuer. Ich habe für die Dachfläche gezahlt, inklusive Grunderwerbssteuer. Ich habe für das Regenwasser, das vom Dach abläuft gezahlt, in Form einer Abwasserabgabe. Aber das Licht, das auf das Haus fällt, muss genau so wie die Luft die ich atme, frei von Steuern beleiben.


Quellen:
[1] EEG-Novelle, www.solarserver.de

Donnerstag, 1. Mai 2014

Energiespeicher Wasserstoff oder Lithium, was ist der bessere Speicher?

Wasserstoff und Lithium als Energiespeicher

Der Energiespeicher für das Auto der Zukunft muss viel Energie speichern, leicht sein und wenig Platz benötigen. Zudem soll er umweltfreundlich, preiswert und leicht verfügbar sein. 
Periodensystem der Elemente, oben stehen die leichten Elemente, Quelle: Wikipedia

Periodensystem

Ein Blick in das Periodensystem der chemischen Elemente gibt uns einen ersten Hinweis: Oben stehen die leichten Elemente, das sind jene, die im Atomkern nur wenige Bausteine haben. Rekordhalter ist eindeutig Wasserstoff, da er nur ein Proton hat. An zweiter Stelle kommt Helium, das ist aber chemisch völlig inaktiv, warum manche damit Kinderballons füllen.
Und bereits an dritter Stelle steht Lithium, das erste Metall im Periodensystem. Da es, im Gegensatz zu Wasserstoff, fest ist, benötigt es nur wenig Platz. Mit einer Dichte von 0,53g/cm³ ist es das mit Abstand leichteste Metall [1] und schwimmt mühelos auf Wasser (Achtung, Lithium ist sehr reaktionsfreudig, nicht ausprobieren, Video). 

Energie in den Elementen

Will man die chemische Energie bestimmen, die in einem Element steckt, und die eng mit der Speicherkapazität zusammenhängt, dann kann man die Verbrennungswärme messen. Wie vielen bekannt ist, explodiert eine Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff in der Knallgasreaktion. 
Energiedichte verschiedener Stoffe bezogen auf Volumen und Gewicht, Quelle: Wikipedia
Ein Liter Wasserstoff (im Luftballon) setzt bei der Verbrennung mit Sauerstoff 0,003 kWh Energie frei, das ist wenig, wenn man bedenkt dass ein Liter Lithium 6,4 kWh Energie freisetzt! Allerdings ist eben Wasserstoff ein Gas und hat damit eine extrem geringe Dichte. Komprimiert man Wasserstoff, indem man ihn in einen Drucktank bei 700 Bar einsperrt, das für Autos geplant ist, setzt ein Liter 1,5 kWh Energie bei der Reaktion frei, das liegt schon näher am Lithium. Ein Nachteil bei der Kompression ist der Energieverlust durch die Kompression, der bei 10% liegt.

Stromspeicher für Elektroautos

Niemand will einen "Lithiummotor" bauen, der Lithium verbrennt, es geht um die Verwendung in einer Batterie. Auch die direkte Wasserstoffverbrennung im Auto erscheint heute nicht mehr sinnvoll, es soll erst Strom aus dem Wasserstoff in einer Brennstoffzelle gewonnen werden und mit diesem Strom ein Elektromotor angetrieben werden. 
Betrachtet man die Energiespeicherung aus dieser Perspektive, und geht der Frage nach, mit welchem System, Wasserstoff, Lithium, kann ich ein besseres Elektroauto bauen erhält man folgende Resultate:
Ein modernes Elektroauto soll 500 km weit fahren (z.B. Tesla) und benötigt dafür 85 kWh Strom.
Nutzt man Lithium, benötigt man dafür eine Batterie mit 600 kg Gewicht.
Jetzt das gleiche Auto mit Wasserstoffantrieb:
Zunächst benötigt man einen Drucktank, der 700 Bar aushält, er wiegt 125 kg [2]. Dazu kommt eine Brennstoffzelle, die den Wasserstoff, zusammen mit dem Sauerstoff aus der Luft in Strom umwandelt, mit einem ähnlichem Gewicht. 
Brennstoffzelle, Bildquelle Wikipedia

Wirkungsgrad der Techniken  

Während ein Lithiumakku mühelos über 90% der eingespeicherten Energie wieder abgibt, sieht die Situation bei Wasserstoffsystemen sehr viel schlechter aus. Gewinnt man den Wasserstoff aus Strom, am besten Wind- oder Solarstrom, so verliert man bei der Herstellung 20% der Energie in der Elektrolyse. Danach wird der Wasserstoff komprimiert, womit weitere 10% verloren gehen. Verwendet man eine gute Brennstoffzelle, verliert man weitere 40% der Energie [3]. Damit gehen nur 43% der ursprünglichen Energie an den Elektromotor.

Kosten

Zuletzt sollten noch die Kosten betrachtet werden. Für den Lithiumakku sind diese aus der Preisliste von Tesla bekant, der Lithiumakku kostet 20.000€, mit deutlich sinkender Tendenz. Für die Wasserstoff Brennstoffzelle gibt es keine großen Serienzahlen, aber eine Studie von Roland Berger [4] wird auch in zehn Jahren der Preis bei etwa 9000€ für 100kW liegen. 

Fazit: Lithium gewinnt!

Vergleicht man alle vorgetragenen Aspekte, so gewinnt Lithium als Energieträger im Auto. Vermutlich gibt es noch ein erhebliches Entwicklungspotential bei der Lithiumbatterie, wie die fundamentale Analyse der Physik gezeigt hat. Zudem ist es wesentlich einfacher Strom zu tanken, als Wasserstoff, da es zwar ein Stromnetz bis in jeden Haushalt hinein gibt, aber praktisch kein Wasserstoffnetz. Die Kosten eines solchen Netz, mindestens Europaweit, aufzubauen, sprengen jeden Kostenrahmen.
Aber auch der geringe Wirkungsgrad spricht gegen Wasserstoff, es ist eben schon ein Unterschied ob die Hälfte der Energie bereits im Speichersystem verloren geht oder nicht.
Das Wasserstoffzeitalter wird damit eine Vision bleiben, die Jule Verne 1870 beschrieben hat:
„Das Wasser ist die Kohle der Zukunft. Die Energie von morgen ist Wasser, das durch elektrischen Strom zerlegt worden ist. Die so zerlegten Elemente des Wassers, Wasserstoff und Sauerstoff, werden auf unabsehbare Zeit hinaus die Energieversorgung der Erde sichern.“

Quellen

[1] Lenntech, schöne Liste der Elemente.
[2] Autopresse.de, Fahrbericht.
[3] Brennstoffzelle bei Wikipedia.