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Donnerstag, 9. August 2012

Stromleitungen als Energiespeicher?

Stromleitungen als Energiespeicher?

Stromleitungen erscheinen auf dem ersten Blick nicht als Energiespeicher. Physikalisch speichern sie zwar aufgrund der Maxwellschen-Gesetze den Strom für einige Millisekunden, aber das ist hier nicht von Interesse.
Stromleitungen reduzieren den Speicherbedarf
Leitungen transportieren und Speicher speichern, so möchte man meinen. Die Sache ist aber etwas komplexer. Das liegt daran, dass bei der Erzeugung von Strom der Zeitpunkt des Verbrauchs und der Zeitpunkt der Erzeugung nicht nur von der Zeit sondern auch vom Ort abhängt. Ein einfaches Beispiel soll das zeigen: Ich koche gerne um 11:30 mein Mittagessen und mein Nachbar kocht es erst um 12:00 und etwas weiter gibt es jemanden der erst um 13:00 mit dem Elektroherd zu kochen beginnt.
Will jeder autark leben, dann hat jeder eine kleine Photovoltaikanlage (1kW) und speichert die Energie in einer Batterie. Wenn jeder zu kochen anfängt, dann holt er aus der Batterie den Strom und mit dem erwärmen der Kochplatten (3kW) leert sich die Batterie.
In unserem zweitem Modell legen wir jetzt Leitungen. Alle Drei haben jetzt ihre Häuser mit Leitungen verbunden. Da die drei Photovoltaikanlagen jetzt verbunden sind, genügt der Strom aus den drei Anlagen jeweils vollständig aus, um jedem Koch seine benötigten 3kW Strom zu liefern. Einen sonnigen Tag mal vorausgesetzt. 

Vorteil von Fernleitungen

Die kleine Geschichte mit den drei Köchen hat aber ein Problem, wenn nämlich nirgends die Sonne scheint, so muss jeder doch wieder seinen Strom speichern. Besser ist es wenn man die Leitungen bis an einen Ort legt, an dem die Sonne scheint, und das Wetter ist oft bereits in hundert Kilometer anders als hier.
Typische Wolkenverteilung in Mitteleuropa (Satellitenbild: EUMETSAT)
Mit den Fernleitungen kann man daher die Speicherkapazität erheblich reduzieren. Bei vollständig lokalem vorgehen, jeder hat Photovoltaik auf dem Dach, will aber keine Stromleitung, müsste man Speicher für fast sechs Monate anlegen, damit man auch im Winter Strom hat. 

Windenergie einbinden

Eine weitere Möglichkeit, den Speicherbedarf zu reduzieren besteht im Energiemix, wenn man neben Solarenergie auch Windenergie nutzt, bekommt man insbesondere im Winter viel Strom. Da der Wind besonders an der Küste stark weht, macht es durchaus Sinn, Leitungen von Norddeutschland nach Süddeutschland zu legen um die Versorgung zu verbessern.

Interkontinentale Leitungen

Interessant ist, wie sich der Speicherbedarf entwickelt, wenn man über sehr große Entfernungen den Strom transportiert. Dann wirkt es sich aus, dass das Wetter nie überall gleich ist. Aufgrund physikalischer Gesetzte hat ein Tiefdruckgebiet immer eine Größe im Bereich von 1000km und ebenso groß sind Hochdruckgebiete. Damit weht irgendwo im Umkreis von 1000km immer der Wind und an einem anderem Ort scheint immer irgendwo die Sonne!
Rechnet man dies in Computermodellen genau aus, so zeigt sich, dass bei einem Mix aus Windenergie (60%) und Sonnenenergie (40%) und perfekten Leitungen in Deutschland "nur" ein Speicherbedarf von sieben Tagen (11TWh) besteht. Wird das Stromnetz über ganz Europa gespannt, dann benötigt man nur zwei Tage Speicherkapazität! (Quelle: Lueder von Bremen).

Kosten und Einsparung durch Leitungen

Es ist daher nicht die Frage, ob man Leitungen für Strom will, sondern wie wenig Leitungen man sich leisten kann, denn Speicher sind sehr teuer. Um 11 TWh zu speichern muss man bei einem Speicherpreis von hundert Euro pro kWh (was ein billiger Pumpspeicher ist) 1.100.000.000.000 Euro ausgeben (1.100 Milliarden), diesen Betrag kann man durch europaweite Leitungen auf 3 TWh reduzieren, dann kosten die Speicher "nur" noch 300 Milliarden. Dadurch hat man 800 Milliarden weniger Kosten für Speicher, die man für Leitungen ausgeben kann. 

Rechnet man das für jeden Einzelnen, bedeutet das: Statt 14.000 Euro Speicherkosten pro Person nur noch 3.800 Euro Speicherkosten bei einem europaweitem Stromnetz. 

Daher verhalten sich Stromleitungen in der Bilanz wie Speicher!


Eine globale Betrachtung im Beitrag
Intercontinental Energy Grid

Mittwoch, 8. August 2012

Kostenloser Strom

Gibt es kostenlosen Strom?

Bei der Diskussion um den Einsatz von Energiespeicher lese ich häufig, dass es in Zukunft kostenlosen Strom gibt und daher der Wirkungsgrad von Speichern keine wesentliche Rolle spielt.
Es gibt tatsächlich manchmal bereits heute Situationen, in denen der Strompreis an der Strombörse EEX Null oder sogar leicht negativ ist. Wie ist das möglich? Strom ist eine sehr verderbliche Ware, wenn Strom erzeugt wird, der nicht sofort konsumiert wird, dann ist er wertlos. In einer Welt, in der nur konventionelle Kraftwerke, Kohle, Braunkohle etc. im Einsatz sind, wird das Kraftwerk, das die höchsten Brennstoffkosten hat, abgeschaltet, wenn der Bedarf sinkt. Kurzzeitige Schwankungen wurden bisher schon durch Pumpspeicherkraftwerke ausgeglichen.
Inzwischen sind aber 50 GW Leistung aus erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne am Stromnetz und es kann vorkommen, dass man kein weiteres konventionelles Kraftwerk abschalten kann, da Photovoltaikanlagen keinerlei Brennstoffe benötigen, liegen deren Grenzkosten praktisch bei Null!
Bisher ist das aber erst an sehr wenigen Stunden im Jahr aufgetreten, mithin waren die Mengen unbedeutend.
Daher die Mär vom kostenlosen Strom. Allerdings unterschätzt diese Überlegung, wie schnell der Markt reagiert, wenn es ein kostenloses Gut auf dem Markt gibt. 

Ein neuer Markt

Sehr schnell werden sich Käufer finden, die sehr günstigen Strom abnehmen. Am einfachsten ist eine alte Lösung, die noch aus den Zeiten der Atomkraftwerke stammt und den schönen Namen "Speicherheizung" trägt. Immer wenn der Strom billig war, das war früher in der Nacht, schalteten sich die Speicherheizungen automatisch an und simple Heizdrähte haben einen Ziegelstein im Wohnzimmer aufgeheizt. Der Ziegelstein war natürlich mit Asbest isoliert und "hübsch" mit Blech verkleidet.
Diese Lösung könnte sofort wieder aufleben, etwas moderner vielleicht, indem das Wasser der Zentralheizung bei günstigen Strom elektrisch erwärmt wird. Und sofort bildet sich am Markt wieder ein Strompreis der sicherlich niedrig ist, aber nur so niedrig, dass es sich gerade nicht lohnt mit Erdgas das Warmwasser zu erzeugen. Ich schätze auf etwa 3ct/kWh.

Echte Stromspeicher

Sicherlich gibt es nicht genügend Wasser, das man auf diese Weise erwärmen kann, aber einige hundert GWh können damit vom Markt an einem sonnigen Tag aufgenommen werden. Der nächste Schritt ist, dass echte Stromspeicher auf den Markt kommen, Pumpspeicherkraftwerke, Batterien, Druckluftspeicher, Umwandlung in Wasserstoff/Erdgas, und natürlich der Lageenergiespeicher
In dieser Situation des Wettbewerbs, ist es nicht nur wichtig, dass man billig den Strom einkauft, der dann vielleicht 3ct/kWh kostet, sondern dass man ihn auch gewinnbringend verkaufen kann. Und genau an dieser Stelle kommt der Wirkungsgrad von Speichern ins Spiel.

Wirkungsgrad

Der Wirkungsgrad beschreibt, wie viel Strom ich liefern kann, wenn ich 100 kWh eingespeichert habe. Ein idealer Speicher mit 100% Wirkungsgrad könnte wieder 100 kWh liefern. Ein Pumpspeicherkraftwerk (Oder auch der Lageenergiespeicher) hat etwa 80% Wirkungsgrad und liefert daher nur noch 80 kWh Strom. Hat es den Strom für 3ct pro kWh gekauft, hat die eingelagerte Strommenge von 100 kWh drei Euro gekostet. Um beim Verkauf wieder drei Euro zu erhalten, muss der Strompreis mindestens 3/80 € = 3,75 ct pro kWh betragen. Das ist nur eine kleine Preiserhöhung und diese hat man oft auf dem Markt. daher sind auch heute Pumpspeicher ökonomisch zu betreiben.
Schlechter sieht es für einen Druckluftspeicher mit 40% Wirkungsgrad aus, hier muss der Preis schon auf 3/40 =  7,5 ct/kWh ansteigen. Das kommt heute noch selten vor, wird aber in einer Welt mit hohem Anteil an Strom aus Sonne und Wind möglich. Eine Umwandlung in Methan und Rückumwandlung in Strom liegt mit einem Wirkungsgrad von 25% noch schlechter, hier muss der Preis auf 3/25=12ct/kWh steigen, damit zumindest die Stromeinkaufskosten wieder hereinkommen. 
Und an dieser Stelle kommen die Marktmechanismen zum tragen. Der Stromspeicher, der am günstigsten den Strom wieder anbieten kann, der wird als erstes verkaufen. Damit wird aber ein Geschäftsmodell für Betreiber von Systemen mit geringem Wirkungsgrad immer schlechter darstellbar.

There is no free lunch

Und ähnlich wie der alte Spruch "there is no free lunch" in der Wirtschaft gilt, so gilt auch in Zukunft, es wird keinen kostenlosen Strom geben, wenn es einen funktionierenden Markt gibt. Es sollte aber angemerkt werden, dass es im Bereich der Energieerzeugung und insbesondere im Strommarkt eher keinen gut funktionierenden Markt gibt. Oder haben Sie schon mal für 3ct/kWh Strom von ihrem Elektrizitätshändler geliefert bekommen?

Eine genaue Analyse der Wirtschaftlichkeit von Energiespeichern habe ich in einem weiterem Blogbeitrag durchgeführt.
Dem Thema Kapazitätsmärkte ist Auch ein Beitrag gewidmet. Mehr zu den Stromsteuern