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Sonntag, 21. August 2011

Das unsichtbare Speicherproblem

"Wärme auf Vorrat",
So preist das Institut für Wärme und Öltechnik die Vorteile einer Ölheizung an. Und die Aussage enthält natürlich einen wahren Kern, wer im Keller einen vollen Öltank hat, muss sich ein Jahr lang keine Sorgen um den Ölpreis machen. Ein Tank mit 3000 Liter speichert nicht weniger als 30.000kWh Wärmeenergie. Das ist weit mehr, als jeder andere Speicher im Alltag zu leisten vermag. Selbst die größten Batteriespeicher können diese Energiemenge nicht aufnehmen. So kann die größte Batterie der Schweiz nur 500kWh Strom speichern. In Deutschland hat man zur Zeit des kalten Krieges in Berlin eine Batterie mit 14.000kWh aufgebaut.

Abbildung: Ein Schwarzwaldhof ist ein riesiger Energiespeicher, für Heu! Das kleine Häuschen ist das Vorratshaus für Lebensmittel, auch eine Form von Energiespeicher

Vorratshaltung von Energie ist weit verbreitet, jeder Bauernhof hatte früher "Holz vor der Hütte", eine kluge Art, Wärme zu speichern und gleichzeitig das Gebäude zu isolieren. Blickt man auf einen Schwarzwaldhof, so können unter dem Dach Heumengen eingelagert werden, die eine Versorgung über zwei Jahre gewährleistet. Damit kann der Bauer und das Vieh selbst einen nassen Sommer überleben, in dem kein Heu geerntet werden kann.

Strom ist unsichtbar, wir können Strom nicht wahrnehmen, zumindest nicht schmerzlos, und damit beginnt das Problem des Stromspeichers. Da bisher niemand nennenswert Strom gespeichert hat, haben wir kaum ein Gefühl für die Menge Strom, die aus der Steckdose kommt. Wir kennen zwar Batterien für einige Kleingeräte wie Taschenlampen und Wecker, sehen aber nicht direkt, wie viel, oder besser wie wenig, Energie darin gespeichert ist.

Wollte man den oben abgebildeten Schwarzwaldhof mit gespeicherter elektrischer Energie aus Batterien über ein Jahr lange versorgen, wäre das gesamte Dach voll mit Batterien. Und Batterien wachsen leider nicht auf der Wiese.

Samstag, 13. August 2011

Pumpspeicherkraftwerke

Die mit großem Abstand meist genutzte Art, elektrische Energie zu speichern, ist die des Pumpspeicherkraftwerks. Das Prinzip ist einfach und seit hundert Jahren bewährt. Wasser wird aus einem Fluss oder See in ein hochgelegenes Speicherbecken gepumpt. dabei nimmt das Wasser die elektrische Energie, die zum Antrieb der Pumpe verwendet wird, in Form von potentieller Energie auf. Ganz ähnlich dem Beispiel des Wassereimers, der in der Einführung beschrieben wurde. Die gespeicherte Energiemenge hängt direkt von der Wassermenge und der Pumphöhe ab.
Abbildung: Das Pumpspeicherwerk Rönkhausen, im Oberbecken können eine Million kubikmeter Wasser gespeichert werden, mit 270 m Höhendifferenz können damit 0,73 GWh gespeichert werden. (Bildquelle: Wikipedia) 


Ein typisches Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland hat eine Fallhöhe von 400 m, da die meisten Mittelgebirge sich nicht wesentlich höher gegenüber den umliegenden Tälern erheben. Für die Planung großer Speicherkapazitäten ist es interessant, wie groß die Energiemenge ist, die man pro Quadratmeter speichern kann. Denn für die Speicherung muss Land überflutet werden und jeder kann sich überlegen, wie teuer ein Quadratmeter Land in Deutschland ist. Der betrachtete Speichersee soll einen Wasserspiegel haben, der bis zu zehn Meter schwanken kann, damit kann man pro Quadratmeter zehn Kubikmeter Wasser speichern. Das ist die Wassermenge für ein kleines Gartenschwimmbecken aus Plastik, wie man es im Supermarkt kaufen kann. Unter diesen Annahmen findet man, dass auf einem Quadratmeter eine Speicherkapazität von 10 kWh vorhanden ist. Damit könnte man zehn Stunden eine Maschine mit 1 kW Leistungsaufnahme betreiben oder hundert Stunden einen Computer, mit 100 W Leistungsaufnahme, rechnen lassen.

Bedarf an Speicherfläche
Für die Energieversorgung mit erneuerbaren Energien müssen für jeden Einwohner im Durchschnitt 147 kWh Speicher bereitgestellt werden. Damit benötigt jeder einen Stausee mit einer Fläche von etwa 15 m². Dies erscheint nicht allzuviel, rechnet man dies jedoch auf die Einwohnerzahl von Deutschland, 80 Millionen, hoch, so hat dieser Stausee eine Fläche von 1200 km². Das ist mehr als die doppelte Fläche des Bodensees.
Abbildung: Veranschaulichung des Flächenbedarfs vom Pumpspeicherkraftwerken. Praktisch der gesamte Südschwarzwald müsste geflutet werden, würde man für jeden Einwohner die notwendigen 147 kWh Speicherbedarf bei einem Umstieg auf Solar- und Windenergie bereitstellen.

Es ist schwer vorstellbar, dass es innerhalb von dreißig Jahren gelingt, in Deutschland eine derart große Fläche mit Stauseen zu überfluten. Die meisten höher gelegenen Gebiete sind in Deutschland unter Natur- oder Landschaftsschutz, ein nicht unerhebliches Hinderniss, will man das Gelände überfluten. Weiterhin müssten für derart große Stauseen viele Orte und Städte überflutet werden, was die Akzeptanz in der lokalen Bevölkerung auf nahe Null absinken (sic!) läßt. Das geplante Pumpspeicherkraftwerk Atdorf im Schwarzwald, mit einer oberen Seefläche von einem Quadratkilometer, stößt auf massiven Widerstand, obwohl es sich um ein unbewohntes Gelände handelt. Das Pumpspeicherkraftwerk Atdorf kann als "Kleinanlage", 13 GWh Kapazität, im Vergleich zu den notwendigen Kapazitäten von 12.000 GWh angesehen werden.

Alternativen:

In weiteren Blogposts beschrieben
Berechnungshinweis:
Erstaunlicherweise findet man im Internet selten die Speicherkapazität von Speicherkraftwerken, häufig wird nur die Turbinenleistung angegeben. Wer gerne mal die Kapazität eines Speichersees nachrechnet, für den ist folgende Formel Hilfreich:
Die Energiemenge E berechnet sich aus der Schwerkraft g = 9,81 N/kg, der Masse des Wassers m und der Fallhöhe h das Wassers.
E = g * m * h
Da man meist nicht die Masse m kennt, eine einfache Berechnung mit der Seefläche A (in m²):
E = g * A * h *1000 * Pegelschwankung(in Metern)
Das Ergebnis ist die Energiemenge in Joule, das ist unpraktisch, da man in der Stromversorgung eher in kWh denkt, daher muss das Resultat noch durch 3.600.000 geteilt werden.
Als Faustformel kann man sich auch merken: 10kWh pro Quadratmeter.

Mittwoch, 3. August 2011

Superspeicher - der Diesel

Eine kleine Exkursion, gibt es nicht bereits einen Superspeicher für Strom? Gehen wir mal in die Garage, dort steht ein Auto, sagen wir ein Mittelklassewagen mit Dieselantrieb. Auf der Straße kann dieses Auto mühelos 700 km mit einer Tankfüllung zurücklegen. Der Motor ist mit einem Generator verbunden, der hat im Auto den schönen Namen “Lichtmaschine”. Damit wird natürlich kein Licht, sondern Strom produziert.
Aktuell wird oft diskutiert, ob es nicht sinnvoll wäre, die Batterien von Elektroautos für das Stromnetz als Speicherreserve zu nutzen. Was spricht eigentlich dagegen, normale Autos als Generatoren an das Stromnetz zu hängen. Damit in Zeiten geringer Produktion aus den erneuerbarer Quellen, Flaute bei Windkraftwerken, in der Nacht und im Winter bei Solarkraftwerken, schnell einige Gigawatt Strom zusätzlich zu generiert werden? 
Abschätzung
Daher eine einfache Abschätzung, der Tank im Auto hat 50 Liter Diesel, das ist eine Energiemenge von 500 kWh Wärmeenergie. Bei einem Wirkungsgrad von etwa 40% können damit 200 kWh Strom erzeugt werden. Ein Durchschnittsbewohner in Deutschland benötigt, wie bereits beschrieben, etwa 900 Watt Strom um seinen Lebensstandard aufrecht zu erhalten. Unser vollgetanktes Dieselauto kann somit zehn Tage lang ausreichend Strom erzeugen. (Mehr zu Energieeinheiten)
Es wird sofort klar, dass die Energiemenge im Autotank einen signifikanten Beitrag in Phasen von Stromknappheit liefern kann. Allerdings muss man dabei mehrere Dinge bedenken. Zuerst müssten die Autos einen Stromanschluss bekommen, der es erlaubt, geeigneten Wechselstrom an das Netz zu liefern. Hier hilft allerdings die Solartechnik, diese nutzt genau solche Wechselrichter um den Solarstrom ins Netz einzuspeisen, damit sollten solche Wechselrichter günstig zu bauen sein. Weiterhin sollte das Auto natürlich im Leerlauf laufen und das Abgas darf keine Innenräume verpesten. Weiterhin bedarf es einer geeigneten Elektronik, die den Motor ferngesteuert anschaltet und in der optimalen Drehzahl für den Wirkungsgrad betreibt. Auch dieses sollte keine unüberwindbare Hürde sein.
Erstaunlich viel Leistung verfügbar
Wieviel Energie kann mit solch einem Konzept bereitgestellt werden? Im Durchschnitt haben die Fahrzeuge 50kW Leistung, das ergäbe, bei 18 Millionen Dieselfahrzeugen, 900 GW, das ist das zehnfache des deutschen Kraftwerksparks! Wenn man davon ausgeht, dass nur jeder zehnte Fahrer bereit wäre an diesem Konzept teilzunehmen und die Lichtmaschine nur 10 kW elektrische Leistung pro Auto liefert, könnte man damit 18 GW Strom erzeugen. Das entspricht 18 Kernkraftwerken, die ja in absehbarer Zeit alle abgeschaltet werden. Um es gleich klarzustellen, es geht hier nicht darum, dauerhaft den Strom aus den PKW Motoren zu erzeugen, sondern nur zu Zeiten von Spitzenlast.
Betrachtet man die Sache ökonomisch, so liegt der Strompreis aus Diesel bei einem Dieselpreis von 1,50 €/l bei 0,37 €/kWh. Allerdings sollte der Gesetzgeber so fair sein und die Mineralölsteuer in Höhe von 0,50 €/l in diesem Fall nicht erheben, da ja die Straße nicht abgenutzt wird, das würde den Strompreis auf 0,25 €/kWh senken. Dieser Wert erscheint immer noch hoch, ist aber in Spitzenzeiten an der Strombörse durchaus üblich, und nur für diesen Fall ist der Einsatz von Dieselmotoren aus dem Kfz-Bestand gedacht.
Resumé
In der Summe erscheint es so, dass das Konzept nicht wirklich überzeugend ist, aber es führt vor Augen, wieviel Energie in unseren Autos gespeichert ist (10 Tage Stromversorgung) und welch enorme Leistung (das zehnfache des Kraftwerkparks) aus den Automotoren abgerufen werden kann. Dabei wurden nur Dieselpersonenwagen betrachtet, nimmt man alle Autos und LKWs hinzu, verdreifacht sich diese Zahl nochmals.

Eine ähnliche Idee ist das Schwarmkraftwerk von der Firma Lichtblick als "Zuhausekraftwerk" angeboten.
Unternehmen, die gespeicherte Energie verkaufen.