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Dienstag, 29. Januar 2013

Das Gewicht von Energiespeicher

Energie Speicher sind schwer

Jede Form der Energiespeicherung erfordert den Einsatz von Materialien, die Gewicht haben. Ich will mal versuchen das Gewicht der Speicher einheitlich zu betrachten.
Besonders bei Fahrzeugen, Autos, Fahrräder und natürlich Flugzeugen spielt die Masse pro gespeicherte Energiemenge, ich nehme wieder die kWh, eine große Rolle. Aber auch andere mobile Systeme wie Laptop, Handy und viele andere mobile Geräte nutzen heute Energiespeicher, die möglichst leicht sein sollen.

Die physikalische Grenze

Zur Orientierung will ich mal angeben, wie viel eigentlich die Energie "eine Kilowattstunde" wiegt. Hier hilft die weltbekannte Formel von Einstein weiter:
E = mc²
und umgeformt
m = E/c²
Dabei ist E die Energie, eine Kilowattstunde sind 3.600.000 Joule (Nm=kg m² /s²), c ist die Lichtgeschwindigkeit mit 300.000.000 m/s und schon erhält man:
m = 3600000 kg m²/s²/(300000000 m/s)²
m =  0,00000000004kg
m = 0,00000004g
m = 0,00004 mg
m = 0,04 µg
m = 40 ng
Die Kilowattstunde wiegt gerade mal 40 nano Gramm, das Gewicht von Batterien liegt also nicht an der Energie, sondern am Energieträger. Der Wert 40ng/kWh ist daher rein theoretischer Natur, wichtig für die Raketenbauer in Star Trek oder ähnlichen Science Fiktion.

Wasserstoff, das leichte Element 

Wasserstoffatome bestehen nur aus einem Proton und einem Elektron, daher sind Wasserstoffatome sehr leicht. Da die Energie in chemischen Bindungen, grob gesagt, immer gleich ist, spielt das Gewicht der Atome eine erhebliche Rolle. Wasserstoff, genauer gesagt H2 Moleküle, kann man mit Sauerstoff verbrennen. Dabei wird sehr viel Energie frei. Das ist auch der Grund, warum Weltraumraketen oft Wasserstoff nutzen, man denke an den großen Tank des Spaceshuttles. Mit einem Brennwert von 141,8MJ/kg kann man leicht berechnen, dass eine Kilowattstunde Energie nur 25 Gramm wiegt. Aber das ist weniger als die halbe Wahrheit, weil zum Wasserstoff kommt ja Sauerstoff dazu, und der ist deutlich schwerer!
2H + O => H2O
Berücksichtigt man dies, muss man 228 Gramm Materie einsetzen um eine Kilowattstunde Brennwert zu bekommen, das ist insbesondere bei Brennstoffzellen zu berücksichtigen, die den Sauerstoff nicht aus der Luft nehmen.

Diesel, das Energiewunder

Es gibt einen guten Grund, warum alle LKW und viele andere Fahrzeuge Diesel tanken, die hohe Energiedichte. Eine Kilowattstunde, gespeichert in Form von Diesel, wiegt nur 80 Gramm und ist wesentlich leichter zu handhaben als Wasserstoff, ganz abgesehen davon, dass Diesel praktisch ohne aufwendige Prozesse aus Rohöl destilliert werden kann. Auch hier wurde der Sauerstoff nicht berücksichtigt, da bekanntlich dieser aus der Luft genommen wird. (Siehe auch: Superspeicher Diesel)

Brennwert oder Arbeit

Leider hilft der Brennwert wenig, wenn man statt Wärmeenergie Arbeit benötigt. Arbeit erzeugt hier zumeist ein Verbrennungsmotor oder eine Turbine. Die besten Wirkungsgrade liegen im Bereich von 50%, das bedeutet, dass man jeweils doppelt so viel Material mitnehmen muss um die entsprechende Arbeit zu erhalten. Diese Situation ist bei Batterien anders, hier ist es oft möglich einen sehr hohen Wirkungsgrad (besser als 90%) zu erreichen, so dass man die Masse der Batterie direkt für die Berechnung der Arbeit einsetzen kann. (Hinweis: Eigentlich muss hier Brennwert und Heizwert unterschieden werden)

Batterien

Batterien sind Stromspeicher und da Strom perfekt in Arbeit umgesetzt werden kann, es gibt Elektromotoren mit 99% Wirkungsgrad, sind sie sehr attraktiv für Antriebe aller Art. Allerdings gibt es zwei Probleme, die Masse der Elektrolyten ist oft sehr groß, man denke nur an Blei. Ein Bleiatom ist 207-mal schwerer als ein Wasserstoffatom, das führt daher zu sehr großen Massen, die man benötigt um eine Kilowattstunde zu speichern. In der Praxis verwendete Bleiakkumulatoren wiegen 20 kg pro Kilowattstunde. Damit sind sie um den Faktor Hundert schwerer, als die vergleichbare Menge an Diesel, wenn man die Umwandlungsverluste bereits berücksichtigt. 
Eine Reduzierung des Gewichts erreicht man am einfachsten, indem man ein Metall verwendet, bei dem jedes Atom leicht ist, und hier kommt Lithium ins Spiel, es ist das leichteste Metall, ein Atom Lithium wiegt nur so viel wie sieben Wasserstoffatome. Und tatsächlich kann man Lithiumakkumulatoren bauen, die pro Kilowattstunde nur 7kg wiegen. Das Problem ist, dass zum Lithium noch andere Materialien für den elektrochemischen Prozess benötigt werden, die letztendlich das Gewicht bestimmen. 

Theoretische Batterie

Die Forschung versucht das Problem etwa dadurch zu verringern, indem man Sauerstoff aus der Luft verwendet. Eine Gewichtsreduktion um den Faktor zehn ist zumindest nicht ausgeschlossen, wenn auch sehr schwierig. Damit wäre es möglich, in etwa einem Kilogramm Batterie eine Kilowattstunde zu speichern. Das ist immer noch schlechter als Diesel, aber es wäre für die Praxis völlig ausreichend, da ja auch der schwere Dieselmotor entfallen würde.

Fazit

Kohlenwasserstoffe, wie Diesel, sind optimale Energiespeicher und werden in den nächsten Jahrzehnten sicher den Antrieb von Flugzeugen und Transportfahrzeugen dominieren. Allerdings ist es denkbar, diese Treibstoffe aus Solarstrom herzustellen, siehe "synthetisches Öl aus Solarenergie". Batterien haben nur eine Chance, wenn erhebliche Verbesserungen bei der Energiedichte erzielt werden.
Für den Einsatz in Stadtautos oder Fahrrädern sind sie aber bereits heute optimal. Die Speicherkosten bei Batterien sind aber so hoch, dass sie für die Stromspeicherung im Netz keine bedeutende Rolle spielen können.

Noch ein Hinweis, der Lageenergiespeicher hat eine Energiedichte von 734kg/kWh, wenn er mit 500m Radius arbeitet.








Montag, 7. Januar 2013

Fluktuierende Erneuerbare Energien

Die aktuellen Zahlen für Solar und Windenergie für 2012 sind verfügbar! Die Folgerungen für das weitere Wachstum von Wind und Solarenergie sollen hier untersucht werden, das Resultat ist verblüffend.

Die drei Arten der Energiequellen

Es gibt eigentlich drei Klassen von Energiequellen, konventionelle Energiequellen wie Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Kernenergie. Die Kraftwerke, die auf Basis konventioneller Energieträger beruhen können dem Bedarf folgen und brauchen eigentlich keine Speicher, weil sie ja selbst "Energiespeicher" in Form der Brennstoffen verwenden. Allerdings werden sie in Anlagen verbrannt, die es nicht mögen, wenn sich der Verbrennungsprozess abrupt ändert. Da dabei thermische Spannungen auftreten und viele weitere Probleme. Insbesondere ist das Vollständig Abschalten ein Problem, daher hat man früher "Nachtspeicheröfen" eingesetzt.
Die zweite Gruppe der Energiequellen sind erneuerbare, die nur geringe Schwankungen aufweisen, und daher kontinuierlich zur Verfügung stehen, das ist die Wasserkraft, Biogas und auch das Verbrennen von Abfällen sowie die Geothermie. Die Regelbarkeit ist gerade bei Flusskraftwerken begrenzt, man kann diese bestenfalls abschalten. Biogas bietet gute Regelmöglichkeiten, obwohl diese Möglichkeit heute leider nicht genutzt wird.
Die dritte Gruppe, und die mit Abstand am schnellsten wachsende Gruppe, sind die fluktuierenden Erneuerbaren Energien, wie Windkraft und Solarenergie. Hier kann außer Abschalten keine nennenswerte Regelung vorgenommen werden, daher benötigen diese Energiequellen die stärksten Speicher.

Die Fluktuierenden wachsen schnell

Das Wachstum der fluktuierenden Erneuerbaren Energien
In den letzten zehn Jahren sind die fluktuierenden Erneuerbaren Energien im Schnitt mit mehr als 15% pro Jahr gewachsen. Dies kann man in der Grafik gut sehen, in der die installierte Leistung der Wind- und Solarkraftwerke zusammengefast dargestellt ist. 
In den letzten vier Jahren wurden sogar jährlich mehr als 20% zugebaut. Bemerkenswert ist, dass die Prognosen der "professionellen" Institute, wie das Fraunhofer Institut IWES (Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik), den Trend massiv unterschätzt (hat). So ist der prognostizierte Wert (65,1GW) für das Jahr 2020 bereits heute mit 63,2 GW nahezu erreicht! Wie kann eine derart eklatante Fehlprognose entstehen? Vermutlich werden einfache Zusammenhänge, wie der Preisverfall bei Vergrößerung des Marktes nicht richtig in die Modelle eingespeist, oder, noch schlimmer, es werden "Wünsche" der Auftraggeber abgebildet.
Aber auch die Regulierungsbehörde in Bonn geht von einem sehr zaghaften Wachstum der Wind und Solarenergie aus (Dunkelrote Punkte in der Grafik). Dies ist um so weniger verständlich, da die Studie deutlich neueren Datums ist und daher die aktuellen Trends berücksichtigen könnte.

Solche Trends sind nicht neu

Um solche Trends in der Energiewirtschaft zu verstehen hilft ein Blick in die Vergangenheit. Zwischen 1900 und 1930 hat man in den USA die Energieversorgung auf Erdöl umgestellt. Dabei sieht man ein ähnlich kontinuierliches Wachstum über 30 Jahre, siehe Abbildung:
Entwicklung der Ölproduktion in den USA
Die Produktion ist so lange gewachsen, bis der Markt praktisch gesättigt war. Und das Wachstum lief trotz Weltkrieg sehr kontinuierlich. Die Wachstumsrate lag damals etwas niedriger, was ein typisches Phänomen älterer Umstellungen ist. Auch die Einführung des Telefons ging nicht annähernd so schnell wie die des PCs oder gar die des Handys. 

Was lernen wir daraus?
  1. Vermutlich wird der Zubau von Solar- und Windenergie erst enden, wenn praktisch aller Strom aus diesen Quellen kommt.
  2. Die Wachstumsrate, wenn sie erst einmal konstant ist, wird durch keine externen Ereignisse wesentlich verändert.
Folgerung: Die Annahme, dass die fluktuierenden Erneuerbaren in den nächsten 15 Jahren praktisch kontinuierlich Wachsen ist wahrscheinlicher, als dass es zu einem völligen Erliegen des Zubaus kommt.
Wenn das aber so ist, werden ab 2015 Speicher wichtig und spätestens 2025 zwingend erforderlich. 

Ehrlich gesagt bin ich sehr gespannt, ob die installierte Leistung der Wind- und Solarenergie vor 2025 meine Trendlinie, die ich oben mit 15% moderat eingetragen habe schneidet.

 Lesen Sie auch: Investitionsvolumen neue Energiespeicher