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Dienstag, 17. April 2012

Wirkungsgrad von Speichern


Mit zunehmendem Ausbau von Wind und Sonne wird es Überschüsse bei der Stromversorgung geben, die zu sehr niedrigen Strompreisen führen. Häufig ist man der Meinung, bei sehr billigem Strom würde der Wirkungsgrad der Speicher nur eine untergeordnete Rolle spielen. Daher soll hier der Zusammenhang zwischen dem Wirkungsgrad eines Speichers und der Wirtschaftlichkeit eines Speichers betrachtet werden.
Strompreisschwankungen an der EEX, mit einem Speicher kann man damit Geld verdienen.

Typische Wirkungsgrade von Stromspeichern

Der perfekte Stromspeicher hat 100% Wirkungsgrad, das bedeutet, eine kWh Strom, die eingespeichert wird, kann man genauso wieder entnehmen. Diesen Wirkungsgrad hat etwa ein Kondensator. Allerdings sind Kondensatoren derart teuer, dass man nur sehr kleine Energiemengen speichern kann und eine weitere Betrachtung dieser Technik keinen Sinn macht.

Pumpspeicher

Nicht ganz so gut, aber mit dem besten Wirkungsgrad für große Strommengen, sind Pumpspeicherkraftwerke. Damit wird mit einer Pumpe Wasser in einem höher gelegenen See gepumpt und bei Bedarf über eine Turbine wieder Strom erzeugt. Die besten Pumpen erreichen heute einen Wirkungsgrad von 92%, für Turbinen gilt dasselbe. Somit liegt der mögliche Gesamtwirkungsgrad bei 85%. In der Praxis wird dieser Wert selten erreicht, da hohe Wirkungsgrade auch immer mit teuren Maschinen verbunden sind. So findet man in der Praxis meist einen Wirkungsgrad von 80% bei neuen Pumpspeicherkraftwerken und bei älteren manchmal weniger als 70%. (mehr zu Pumpspeicherkraftwerke)

Druckluftspeicher

Komprimiert man Luft und pumpt diese in eine Kaverne, so kann man damit auch Energie speichern. Diese sogenannten (nichtadiabatische) Druckluftspeicher-Speicher brauchen wenig Platz, sind technisch nicht sonderlich anspruchsvoll, erreichen aber nur einen Wirkungsgrad von 40%. Dies liegt an einem lästigen physikalischen Effekt, komprimiert man ein Gas, erwärmt es sich. In der Kaverne kühlt das Gas aber aus und verliert damit wertvolle mechanische Energie weil damit auch der Druck abfällt.

Methan

Eine Umwandlung von Strom in Wasserstoff und Sauerstoff kann mit einem Wirkungsgrad von 80% erfolgen. Verwandelt man diesen Wasserstoff in Methan, lässt sich dieses Gas in fast beliebiger Menge im Erdgasnetz speichern. Das ist für einen Langzeitspeicher optimal, allerdings ist jetzt nur noch 60% der ursprünglichen elektrischen Energie vorhanden. Leider liegt der Wirkungsgrad bei der Umwandlung von Methan mit einer Gasturbine in Strom bei 50%. Damit liegt der Gesamtwirkungsgrad bei 30% (0,6*0,5).
(Mehr zu Erdgasspeicher Power to Gas)

Wirtschaftliche Nutzung eines Speichers.

In der folgenden Rechnung wurden die tatsächlichen Strompreise der EEX-Strombörse in der Zeit vom 19.-26. März 2012 verwendet um optimal mit verschieden guten Speichern Strom günstig einzukaufen und wieder möglichst teuer zu verkaufen. Man sieht deutlich, dass kurz nach Sonnenuntergang der Strom am teuersten ist, weiterhin an manchen Tagen mit viel Wind der Strompreis unter 20 Euro/MWh (2 ct/kWh) liegt.
Einnahmen mit einem Speicher, je nach Wirkungsgrad.

Ist der Wirkungsgrad hoch, etwa 80%, dann kann man bereits geringe Preisschwankungen ausnutzen, da nur ein geringer Verlust im Speicher auftritt. In dem Beispielzeitraum hätte man, auf das Jahr hochgerechnet, 740 Euro mit einer MWh Speicherkapazität verdient. Oder in der bequemen Einheit kWh wären es 0,74€/kWh*a Einnahmen gewesen. Ein normales Pumpspeicherkraftwerk, das 100€/kWh kostet, kann damit nie in die Gewinnzone vordringen. Der Lageenergiespeicher, hätte bereits im zweiten Jahr einen Überschuss erwirtschaftet.

Mit einem geringerem Wirkungsgrad, wie dem Druckluft-Speicher (40%) wären die Einnahmen noch geringer, 0,36€/kWh*a. Selbst bei einer völlig kostenlosen Kaverne ist hier ein Gewinn aufgrund der Turbinenkosten schwer darstellbar.

Mit der Technik „Power to Gas“, bei der Methan erzeugt wird und daraus wieder Strom erzeugt wird, liegt der Wirkungsgrad bei 30% und die Einnahmen betragen nur 0,20€/kWh*a, damit ist die Finanzierung des Elektrolyseurs, der Methanchemie und der Gasturbine schwer vorstellbar, selbst wenn der Speicher, das Erdgasnetz, völlig kostenlos genutzt werden können.

Strompreise in der Zukunft

In Zukunft werden die Strompreise wesentlich stärker schwanken, damit ist eine Verdopplung, oder eine noch wesentlich stärkere Erhöhung der Einnahmen leicht vorstellbar. Allerdings werden dabei die einzelnen Speicher weiterhin nur proportional zum Wirkungsgrad hinzugewinnen.

Jedem den es gelingt, Speicher im Preisbereich von 10€/kWh herzustellen, hat damit ausgezeichnete Einnahmemöglichkeiten. Und genau das könnte die große Chance des Lageenergiespeichers werden.
Anmerkung: Die Rechnung nutzt nur die Daten von acht Tagen und ist daher nicht repräsentativ für das ganze Jahr. Aber sie gibt einen ersten Eindruck, wie sich die Einnahmen einesSpeichers darstellen. 

Kommentare:

  1. Der Wirkungsgrad von Akkumulatoren liegt mit 90-95% (DC - DC) zwischen dem Kondensator und dem Pumpspeicher. Wenn diese kostengünstig und mit langer Lebensdauer verfügbar sind, dann wären im Stromnetz verteilte kleinere Speichereinheiten ein erster Anfang bis die Stromspeicher im TWh-Bereich verfügbar sind.
    Die Firma Aquion Energy http://www.aquionenergy.com/technology/
    versucht sehr haltbare Akkumulatoren aus billigen und in großen Mengen, ungiftigen Grundstoffen herzustellen. Zielpreis $200/kWh.

    Ich halte auch die Speicherung in Form von Methan für Interessant, wenn das gespeicherte Erdgas in Mikro-BKHW mit Brennstoffzellen oder Verbrennungsmotoren verwendet wird, die bereits heute Heizenergie+Strom mit einem Gesamtwirkungsgrad > 90% liefern können. Dann wäre der Gesamtwirkungsgrad der Methanspeicher 0,6 * 0,9 = 0,54 was schon über dem Druckluftspeicher liegt. Und wir wären im Notfall ein Stück unabhängiger von den Erdgaslieferanten. Und die Erdgasleitungen von Nord nach Süd liegen auch schon in der Erde. Das Nord-Süd Verteilungsproblem würde dadurch gemildert.

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    1. Der Wirkungsgrad von 54% bei Windgas gespeisten BHKW ist "Äpfel mit Birnen verglichen".
      Grund Wärme ist eine geringwertige Energieform, da man damit keine Maschine antreiben kann. Als Abfall ok.
      Würde man also den Windstrom direkt in einen elektrischen Speicherofen (Davon gibt es noch einige) leiten, hätte man immerhin 100% Wirkungsgrad, ohne den immensen chemischen Aufwand einer Wasserstofferzeugung einer Methanherstellung und eines BHKWs.

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    2. Einverstanden, dass der Vergleich nicht ganz korrekt ist. Die angesprochenen mikro-BHKE wie z.B. dieses von der Firma Hexis (http://www.hexis.com/de/systemdaten) hat einen elektrischen Wirkungsgrad von 30-35% der Energie die in der Brennstoffzelle "verbrannt" wird. Wenn man nur den Stromanteil betrachtet ist der Wirkungsgrad 0,6 * 0,35 = 0,21.

      Mir ging es bei dem Beispiel um eine möglichst effiziente Verwendung der in dem Windgas gespeicherten Energie. Man kann natürlich auch andere Dinge mit dem gespeicherten Erdgas machen wie z.B. dieses in CNG-fähigen Fahrzeugen zu tanken, so wie es Audi mit Ihrem Windgas-Projekt plant.
      Auf jeden Fall ergibt sich durch die Speicherung eine Entkopplung zwischen Erzeugungszeitpunkt und Verbrauchszeitpunkt. Das gilt insbesondere für die Sommermonate, wo relativ wenig Heizleistung (für Warmwasser) benötigt wird. Da helfen dann die Nachtspeicheröfen auch nicht viel weiter.
      Man kann natürlich auch Eis auf Vorrat produzieren, das dann zur Klimatisierung Tagsüber verwendet wird. Das macht z.B. die EnBW in ihrer neuen Zentrale in Karlsruhe schon seit längerem so.

      Ich würde sofort 1000 Euro investieren, damit einer Ihrer Speicher (Demoanlage) gebaut werden kann. Evtl. sollten Sie es mal mit Crowd-Sourcing versuchen.
      Die Politiker haben meiner Ansicht nach bisher die Energiewende mehr schlecht als recht gemanaged. Bei so einem Generationen-Projekt müssen die Besten der Besten Managen und Machen.

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  2. Die Firma Gravity Power hat eine deutsche Niederlassung gegründet um dem "...dynamisch wachsenden Energiespeicher Markt in Deutschland zu folgen...".
    http://www.gravitypower.net/newsitem.aspx?id=29

    In den Gravity Power Modules wird durch Wasserdruck eine große Masse als Kolben in einem geschlossenen System bewegt. Die Dimensionen sind freilich sehr viel kleiner als beim Lageenergiespeicher von Prof. Heindl.

    Man müsste sehr viele dieser Anlagen bauen um nennenswerte Energiemengen speichern zu können. Als Regelenergiespeicher sind die Anlagen aber sicher verwendbar.

    Gravity Power will mit Hilfe von Tunnelbohrtechnik vertikale Schächte bohren in denen dann die Kolben bewegt werden. Vorteil ist, dass sich alles unter der Erdoberfläche abspielt und die Tiefe des Schachtes mehrere km betragen kann. Wenn man als Material für den Kolben dann noch Stahl nimmt hat der Kolben das 2,8 fache Gewicht im Vergleich zu einem Granit-Kolben.

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