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

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


Donnerstag, 28. Januar 2016

Speicherforschung in Deutschland

Forschung zu Energiespeicher in Deutschland

Deutschland ist ein Land der Forschung und Entwicklung, durch gute Universitäten, Hochschulen und Industrie könnten wichtige Zukunftsfelder besetzt werden. Eins der zentralen Themen der globalen Energiewende ist das Speichern von Strom. Hier bahnt sich in Deutschland ein Desaster an!

Die zentralen Elemente einer Energieversorgung

Energieversorgung mit Elektrizität benötigt im wesentlichen drei Elemente: 
  • Umwandlung einer Energieresource in Strom
  • Speichern des Stroms oder der Energieresource
  • Versorgungssystem zu den Energieabnehmern
Im alten Energiesystem war die Resourcen Kohle, Erdgas und Uran. In Deutschland werden sehr wirtschaftliche Kohlekraftwerke gebaut, aber Kohle ist in einer Welt die CO2 nur begrenzt emittieren will, keine Energiequelle der Zukunft.
Erdgas ist eine sehr saubere Energiequelle, allerdings ist hier Deutschland von anderen Ländern als Lieferant abhängig. Uran wurde aus politischen Gründen als Energiequelle gestoppt. 
Folge: In diesen Bereichen wird aufgrund des Strukturwandels in der Energieversorgung das vorhandene technische Know How in Zukunft keinen wesentlichen Wert haben.

Die Umwandlung von Solarenergie mit Solarzellen wird künftig die weltweite Energieversorgung dominieren. Obwohl in Deutschland diese Energiewende eingeleitet wurde, ist es nicht gelungen, die Herstellung von Photovoltaik in Deutschland zu halten. Allerdings ist die dafür notwendige Technologie, Solarzellen aus Silizium und Glasscheiben herzustellen, inzwischen so gut verstanden, dass es um Fertigungsanlagen in aller Welt geht. Hier kann der Maschinen und Anlagenbau als Zulieferer dienen.

Die Energiespeicher

Eine fluktuierende Energiequelle wie die Sonne erfordert Energiespeicher, und mit dem globalen Ausbau der Photovoltaik, allein im Jahr 2015 wurden weltweit ca 60 GW installiert, wächst der Speicherbedarf. Eine wahre, sich auftuende, Marktlücke!

Daher müssen gewaltige Ressourcen in die Entwicklung leistungsfähiger Speicher fliesen um weltweit konkurrenzfähige Produkte anzubieten.
Kompetenz an falscher Stelle, Speicherkompetenz Weltanteil. (Quelle: ISI 2015 [1])
Auf der Liste der möglichen Energiespeícher liegt Deutschland in drei Bereichen in der Spitzengruppe: Wasserstoff, Pressluftspeicher (CASE), Schwungräder.

Betrachten wir die drei Technologien im Einzelnen:

Wasserstoff

Wasserstoff ist theoretisch ein sehr guter Energiespeicher, betrachtet man die Energie pro Masseneinheit, dann ist er sogar der beste chemische Energiespeicher. Soweit die Theorie. Leider hat Wasserstoff einige gravierende Probleme, zum einem ist die Umwandlung von Strom zu Wasserstoff und zurück nicht besonders effizient. Weiterhin gibt es erhebliche Probleme Wasserstoff effizient zu speichern. Daher mag es auch nicht verwundern, dass kein anderes Land in diesem Bereich forscht. 
Eine ausführliche Analyse zum Thema Wasserstoffzeitalter habe ich in einem Blogbeitrag "Is the Hydrogen age rising?", durchgeführt.
Die technologische Führerschaft mit 94,8% ist bemerkenswert, allerdings völlig nutzlos, da wohl das Wasserstoffzeitalter nur in Science Fictions kommen wird.

Compressed Air Energy Storage CASE

Luft mit billiger Energie zu komprimieren und bei Bedarf wieder über eine Turbine freizusetzen ist ein sehr logischer Ansatz, zumindest auf den ersten Blick. Luft ist kostenlos, Kompressoren sind allgegenwärtig, alles erscheint einfach. Leider hat die Physik für eine nicht adiabatische Kompression eine Formel, die einen sehr schlechten Wirkungsgrad zwangsläufig zur Folge hat. Praktisch liegt dieser Wirkungsgrad bei 45%, das bedeutet mehr als die Hälfte der Energie kommt nicht wieder zurück. 
Aufwendige neue Verfahren ermöglichen zwar eine adiabatische Kompression, die theoretisch einen sehr guten Wirkungsgrad hat, allerdings zum Preis sehr hoher Systemkosten. 
Leider ist damit aber das Problem noch nicht gelöst, man benötigt einen Speicher, am besten eine Salzkaverne. Diese gibt es in Norddeutschland zwar reichlich, weltweit sind sie aber geologisch eher eine Kuriosität. Das mag auch der Grund sein, dass sonst fast niemand an dieser Technologie forscht oder anders formuliert, 73,8% Weltanteil in der Speicherkompetenz nicht so schwer zu erreichen war.

Schwungrad

Ein Schwungrad dürfte der erste technische Energiespeicher überhaupt gewesen sein, nämlich in der Form einer Töpferscheibe. Man kann diese Technik erstaunlich weit treiben und gelangt dann zu extrem schnell rotierenden Rädern aus Kohlefaser. 
Das Limit der Schwungräder wird durch die Zentrifugalkräfte und die Materialfestigkeit festgelegt. Kohlefasern, wirklich ein high tech Material, erlauben nur sehr begrenzte Speicher mit etwa 4 kWh in einem massiven Stahlkessel. Ja der Stahlkessel ist nötig, da beim Versagen des Schwungrads derart viel Energie freigesetzt wird, dass selbst dicker Stahl durchschlagen wird. So bestehen heutige Schwungrad-Anordnungen aus wesentlich mehr Stahl als Schwungrad! Das führt zu einer schlechten Energiebilanz und ungünstigen Platzbedarf. 
Die Folge, praktisch niemand setzt Schwungräder praktisch ein und ein Forschungsvorsprung ist nicht so wertvoll als gedacht.

Wo liegt die Zukunft

Welche Technologie in Zukunft dominieren wird, kann man nicht sicher sagen, aber man kann sich die Wachstumsfelder und den Technologieeinsatz ansehen:
Relevante Speicher auf dem Weltmarkt und das jeweilige Wachstum. (Quelle: ISI 2015 [1])
Betrachtet man die heute am weitesten verbreitete Technologie, so Dominiert mit weitem Abstand, man beachte die logarithmische Skala, PHS, Pumpspeicherkraftwerke, mit 97,5%! Und wie hoch ist der deutsche Anteil im Bereich des Wissens um diese Technik? Leider nur klägliche 4,4%. Das könnte man natürlich ändern, wenn man die Forschung zum Lageenergiespeicher fördern würde, aber diese erfolgt bisher noch nicht.

Die am stärksten wachsende Speichertechnologie sind LiB, Lithium Ionenbatterien, die im Mittel in den letzten fünf Jahren um unglaubliche 90% pro Jahr gewachsen sind. Der Grund ist klar, Batterien für Elektroautos werden daraus hergestellt und Speicher für Solaranlagen. Da Deutschland erheblich von der Autoindustrie abhängt als ein ganz klarer Fall, hier muss geforscht werden. Leider liegt das Know How bei erschreckend niedrigen 3,3% im weltweitem Vergleich. 

Der Bereich mit relativ großem Anteil am Markt und beachtlichen Wachstumszahlen ist die thermische Energiespeicherung. Hier liegt das Wissen um diese Technologien bei praktisch Null, oder um genau zu sein, bei 0,1%.

Desaster der Technologieförderung

Betrachtet man die Lage der deutschen Speicherforschung und des erarbeiteten Wissens, kann man nur ein Fazit ziehe: Nicht Zukunftsfähig.
Es wurden über Jahrzehnte Technologien entwickelt, von denen sich andere längst verabschiedet haben, weil es kein Potenzial gibt und man hat die Technologien, die wirtschaftlich am bedeutendsten sind völlig vernachlässigt. 
Daher muss man massiv versuchen, zumindest in der Batterietechnik und bei Pumpspeichertechnologien (Hier ist Österreich führend) Anschluss zu finden.

Die Ressourcen sind da, man muss nur die Forschung in nicht entwicklungsfähige Technologien einstellen.

Quellen:

[1] Gesamt-RoadmapStationäre Energiespeicher 2030, Fraunhofer-Institut für System und Innovationsforschung ISI, Dezember 2015




Montag, 11. Januar 2016

Tesla Geschwindigkeit optimieren

Aufladen der Batterien des Tesla S

Wer ein Elektroauto fährt, der muss nie zur Tankstelle und ölverschmierte stinkende Benzin- oder Dieselspritpistolen in die Hand nehmen. Allerdings muss man bei längeren Fahrten an eine Ladesäule.  Wie öft das vorkommt, will ich in diesem Beitrag zeigen und Berechnen, wie man optimal fährt.

Wie weit kommt man mit einer Batterieladung?

In der Herstellerangabe für den Tesla S 85D steht eine Reichweite von 524 km nach NEFZ (Neuer Europäischer Fahrzyklus). Dass die Europäischen Fahrzyklen nicht unbedingt die Realität wiederspiegeln ist hinlänglich bekannt, daher sollen hier realistische Werte untersucht werden. 
Bericht von der Weltrekordfahrt mit einem Tesla in 24h über 2424km weit gefahren, Gratulation an Horst Lüning!

Freundlicherweise stellt TESLA auf seiner Website einen Rechner vor (Reichweite, runterscrollen), bei dem man unter verschiedenen Randbedingungen, insbesondere bei verschiedenen Geschwindigkeiten, Temperaturen und mit Heizung, die tatsächliche Fahrleistung berechnen kann.
Beispiel:
  • Tesla S 85D
  • 19Zoll Reifen
  • Geschwindigkeit: 100km/h
  • Außentemperatur: 10°C
  • Heizung an
Reichweite: 448 km

Die Bedeutung der Geschwindigkeit

Den größten Einfluss auf die Reichweite hat die Geschwindigkeit!
Das ist zwar bei allen Autos so, aber bei einem Elektroauto wird das eben viel genauer gemessen und wahrgenommen. Ich habe den Zusammenhang für mein Auto einmal in einer Grafik dargestellt, die "Messwerte" entstammen der Website von Tesla, da eine eigene Messung zu aufwendig ist.
Stromverbrauch mit Tesla Daten errechnet und extrapoliert
Der Verbrauch liegt bei einer Geschwindigkeit von 110km/h bei etwa 20kWh. Dies ist auch mein Erfahrungswert.
Auf der Website von Tesla kann man nur bis 120km/h Geschwindigkeit rechnen (Rote Quadrate), den Rest (Gestrichelt) habe ich mit einer quadratischen Näherung extrapoliert. Wer es nachrechnen will, die Formel lautet:

Verbrauch = 0,0010604v2 - 0,0046211v + 7,3626145

Dabei muss man als Geschwindigkeit v km/h eingeben.
Fährt man also mit 150km/h, die Grenze, bei der der Autopilot noch die Steuerung übernehmen will, dann hat man bereits einen Verbrauch von über 30kWh/100km.

Optimales Aufladen

Da höhere Geschwindigkeiten zu einer geringeren Reichweite führen, habe ich mir die Frage gestellt, was ist dann die optimale Geschwindigkeit, wenn man die Ladezeit an den Superchargern mit einkalkuliert. Hier ist von Bedeutung, dass die volle Ladeleistung nur bis etwa 50% der Batterieladung abgegeben wird, danach wird der Ladevorgang langsamer, das ist technisch bedingt.
Der Tesla Website entnimmt man hier die folgende Abbildung für das Ladeverhalten:
Ladegeschwindigkeit am Supercharger
Lädt man 20 Minuten, ist die Batterie bereits halb voll, das ist von der Ladezeit optimal. Jetzt habe ich für eine hypothetische Tour von 1000 Kilometer berechnet, wie oft man an den Supercharger muss. Dies kann man aus der Reichweite des Fahrzeugs ermitteln, da diese ja geschwindigkeitsabhängig ist, wieder eine Kurve:
Reichweite mit einer halben "Batteriefüllung" entspricht 42,5 kWh beim S 85D
Fährt man gemütlich mit 70 km/h kann man immerhin 350 km mit der halben Batterieladung erreichen und spart sich natürlich viele Besuche bei der Ladestation. Fährt man schnell, kommt man natürlich auch schneller voran und muss öfter laden.  

Um das Optimum zu finden muss man Ladezeit und Fahrzeit zusammenzählen. Ich bin nun von folgenden Annahmen ausgegangen:
  • Reichweite wie oben dargestellt
  • Start mit halb voller Batterie
  • fast leere Batterie am Supercharger
  • 20 Minuten Ladezeit (50%)
  • 10 Minuten für Ab- und Auffahrt von der Autobahn
Damit ergibt sich folgende Zeit für die 1000 km Reise:
Tatsächliche Reisezeit mit Ladezeit und Abfahrtzeit zu den Ladestationen
Wenn man mit 110 km/h fährt hat man eine Reisezeit von 12 Stunden, bis man eine Entfernung von 1000 km überwunden hat. Eine weitere Steigerung der Geschwindigkeit auf 140 km/h bringt nur eine geringe Verbesserung um 34 Minuten, eine weitere Steigerung auf 150 km/h gar nur noch 6 Minuten, danach wächst die Reisezeit sogar wieder an!
Ökologisch ist eine sehr hohe Reisegeschwindigkeit auch nicht, da deutlich mehr Strom verbraucht wird, auch wenn man den an Superchargern nicht bezahlen muss. So kostet eine gewonnene Minute, wenn man statt 130 km/h 140 km/h schnell fährt, 4 kWh oder einen Euro, wenn man die Energie zuhause bezahlen würde.

Empfehlung

Wenn man sehr lange Strecken fährt, ist es nicht sinnvoll extrem schnell zu fahren, die in vielen Ländern vorgeschriebene Höchstgeschwindigkeit von 120 km/ Stunde erlaubt mit einem Tesla bereits eine optimale Reisegeschwindigkeit wenn man das Aufladen berücksichtigt.

Hinweise:

In der Praxis steht natürlich nicht exakt nach 50% Stromverbrauch ein Supercharger, daher kann man das hier theoretisch Beschriebene nicht exakt umsetzen, aber es ist doch ein guter Hinweis zur Optimierung.
Weiter wichtige Einflussgrößen sind Wind und auch Fahrtwind von anderen Fahrzeugen, die die Reichweite erheblich beeinflussen können, wie mir immer wieder auffällt.
Berge habe ich jetzt nicht näher betrachtet, der Einfluss ist aber geringer als man denkt.

Mehr zu meinen Tesla-Erfahrungen in einem Fahrbericht

Eine andere Rechnungen die mir inzwischen mitgeteilt wurde:
http://tff-forum.de/viewtopic.php?f=68&t=4450

Freitag, 11. Dezember 2015

Tesla, Teil 2, Fahrbericht

Tesla auf großer Fahrt

Nachdem ich gleich nach dem Kauf des Tesla S 85D über meine Einschätzung des neuartigen Batterieautos berichtet habe, folgt jetzt ein ausführlicherer Bericht über den Fahralltag.

Eine Reise über 1400 km

Kürzlich musste ich eine Reise nach Brüssel zum Empfang der European Association for Storage of Energy (EASE) durchführen. Mir standen drei Möglichkeiten zur Verfügung, Flugzeug, Bahn oder Auto. 

Mit dem Flugzeug brauche ich etwa 5 Stunden, inklusive Anreise, Abfertigung und Wartezeiten am Flughafen, sowie Taxi zum Ziel in Brüssel. Da aber nicht jede Stunde ein Flieger geht, muss ich für Anreise und Abreise aus eigener Erfahrung jeweils 10 Stunden einrechnen, die Wartezeit im Hotel ist da eingerechnet. 

Mit der Bahn ist die Anreise "nur" 7 Stunden, aber mit viermal Umsteigen verbunden, was zumindest nicht bequem ist und das Risiko einer erheblichen Verspätung wegen eines versäumten Anschlusszugs deutlich steigert. Zudem kostet diese Reise in der 1. Klasse erhebliche 500 Euro!

Der neue Supercharger in Erftstadt liegt direkt an einem Umspannwerk,
hier gibt es noch Ausbaupotential! 

Bleibt die Fahrt mit dem Tesla, die reine Fahrtzeit ist zwar mit 8 Stunden auch lange, allerdings kann ich den Abfahrtszeitpunkt optimieren. Die reinen Reisekosten liegen dann im Wesentlichen in den Stromkosten, bei der Abfahrt fahre ich "vollgetankt" los, damit sind 85kWh Strom in der Batterie die bei meinem Elektrizitätswerk 22€ Kosten, das Aufladen auf der Reisestrecke an den Superchargern ist kostenlos!

Um die Kosten der Reise noch weiter zu senken und um keine langweilige Reise zu haben, nehme ich insgesamt vier Personen über das Portal BlaBlaCar auf unterschiedlichen Streckenabschnitten mit, die zusammen sogar 70€ zahlen, insofern ist die Reise fast "Kostenneutral".

Planung der Reise

Wenn man in den Tesla steigt und ein Reiseziel angibt, dann berechnet das Auto automatisch eine Route, die an verschiedenen Superchargern Haltezeiten einberechnet um die Batterie geeignet aufzuladen. Für die Reise bis Brüssel waren das drei Haltepunkte. Auf der Reise habe ich dann aber bemerkt, dass das Auto sehr vorsichtig in der Planung ist und lieber etwas zu früh als zu spät einen Aufladehalt einplant. 

Leider hatte ich in Brüssel kein Hotel mit destination Charger, jener sehr praktischen Einrichtung, die über Nacht das Auto wieder komplett volllädt, somit musste ich vor Brüssel etwas mehr laden um am Morgen wieder weiterfahren zu können. Damit ist ein Halt von 20 Minuten gemeint, um die Batterie wieder auf etwa 60% aufzuladen. Man hält ja zumeist mit einer Restladung von 10% an der Ladestelle, in 20 Minuten werden etwa 50% der Batterie geladen. Ein Aufladen auf 100% ist nicht optimal, da die letzten kWh sehr langsam geladen werden, das liegt am Ladeverhalten der Batterie. 

Die Fahrt

Für die bequeme Ansteuerung der Zustiegspunkte meiner Mitfahrer habe ich diese in meinem Googlekalender notiert. Am großem Display im Tesla erscheint dann der erste Zustiegstermin und durch anklicken navigiert mich das Auto dort hin. Schön wäre, wenn BlaBlaCar diese Daten automatisch als Datensatz überspielen würde. 

Nach dem erreichen der Autobahn hinter Strassburg kann man dann bequem auf Autopilot stellen und sich ganz den Geprächen mit seinen Mitfahrern widmen. Das geht in Frankreich gut, da dort die Geschwindigkeit einheitlich bei 120 km liegt und somit das Überholen praktisch entfällt. Normalerweise "hängt" man hinter einen Lieferwagen (Windschatten!) und das Auto übernimmt außerordentlich zuverlässig die Steuerung. 

Eine Ausnahme stellen die Mautstationen dar, hier muss man definitiv selbst an das Steuer um eine Durchfahrt anzusteuern. Hinter der Mautstation kann man dann in weniger als vier Sekunden auf 100 km/h beschleunigen, sehr zur Belustigung der Beifahrer.

Nach etwa vier Stunden Fahrt wird der erste Supercharger angesteuert. Der erste liegt hinter einem guten Hotel. Im Hotel kann man sich frisch machen und einen ersten Cappuccino zu sich nehmen. Freundlicherweise gibt es dort freies WLAN und einige EMails können abgearbeitet werden, das geht während des Fahrens dann doch nicht.
Alle angesteuerten Supercharger ermöglichten es, dort zumindest einen Kaffee zu trinken, bei einem, einer Tesla Lounge nahe Antwerpen in Belgien, war er sogar frei, erinnerte mich stark an die Lounge am Bahnhof für 1. Klasse Kunden.

Die regelmäßigen Halte hat ein Mitfahrer mit den Kommentar "Das passt gut zur Slowfood Bewegung" Reisen wird wieder ein Reisen und nicht nur eine reine Hetze. Ich kann nicht sicher sagen ob meine  Anspannung, die ich bisher immer am Ende einer sehr langen Autofahrt hatte dadurch wegblieb, dass ich regelmäßig einen Halt eingelegt habe oder dass ich nicht immer mit voller Konzentration auf die Rücklichter der voranfahrenden Autos achten musste, vermutlich beides. Auf jeden Fall bin ich sehr erholt am Ziel und später wieder zuhause angekommen.

Was könnte besser sein?

Jedes Produkt kann man verbessern. Beim Tesla sehe ich Potential in einer genaueren Einschätzung des Energieverbrauchs des Motors. Neben der Geschwindigkeit spielt es eine erhebliche Rolle, inwiefern der Wind, auch der Fahrtwind anderen Fahrzeuge, den Energieverbrauch verändert. Dies könnte man gegebenenfalls in die Kalkulation einbeziehen. Insbesondere auf der Autobahn hatte meine Batterie immer noch erhebliche Reserven, als ich den Supercharger angesteuert habe.

Ähnlich ist es mit Bergen, ich musste am Schluss einen Pass mit 850 Höhenmeter überwinden. Vom eGolf weis ich, dass dieser diese Daten zumindest früher nicht berücksichtigt hat und ein Kollege blieb in der Nacht im Schwarzwald wegen einer Fehlprognose ohne Strom liegen. Tesla rechnet die Steigung offensichtlich großzügig ein, jedenfalls hatte ich zuhause noch 100 km "Reserve" in der Batterie. 

Die Organisation von Mitfahrern bei BlaBlaCar ist leider noch nicht optimal. Im Prinzip könnten diese Daten direkt mit dem Terminkalender und den Routenkoordinaten gekoppelt werden, so dass der Fahrer weis, wo und wann er genau hinfahren soll, zudem würde ein Feedback über die vermutliche Ankunftszeit des Fahrers dem Beifahrer beim Warten helfen. 

Fazit

Die große Ausfahrt mit einem Elektroauto das 500 km Reichweite hat ist dank der Supercharger gut möglich. Für Menschen, die viele Stunden mit über 150 km/h auf der Autobahn zu rasen gewohnt sind, ist entweder eine Umstellung nötig oder diese Menschen müssen noch eine Weile warten, bis auch 1000 km am Stück mit einem Elektroauto möglich sind.

Hier geht es zum Teil 1: Tesla, mehr als ein Elektroauto
Und eine Analyse zur Reichweite des Tesla