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Freitag, 31. Mai 2013

Der größte Energiespeicher

Der globale Energiespeicher

Energiespeicher sind alle Systeme, die Energie einlagern und dann wieder zur Verfügung stellen. Im geologischen Maßstab sind das die eingelagerten Kohlenstoffe (Kohle, Öl, Gas), die im Lauf der Erdgeschichte eingelagert wurden. Diese besondere Form der Energiespeicher will ich mal genauer betrachten.

Wie viel Kohle gibt es?

Niemand kennt die genaue Menge an Kohle, die in den Gruben der Welt liegt, aber eine grobe Abschätzung ist schon möglich, da wichtige Rohstoffquellen genau untersucht werden.
Es sind 861 Milliarden Tonnen[1]!
Die Weltreserven am Gas, Öl und Kohle[1].

Eine Tonne Kohle hat einen Heizwert von 8000 kWh, somit entspricht der Weltkohlevorrat einem Heizwert von etwa 7.000.000 Milliarden kWh=7.000.000 TWh, zum Vergleich, in Deutschland werden jährlich 3.700 TWh Energie verbraucht, weltweit 142.000 TWh.
Diese Zahlen kann sich wieder keiner vorstellen, daher umgerechnet in Geld: Wenn eine kWh Heizwert von Kohle 0,02€ wert ist, dann hat der Weltkohlevorrat einen Wert von 140 Billionen* Euro. Und das ist auch das Problem, die Eigentümer dieser Kohle werden sich nicht gerne durch eine CO2 Steuer oder andere "Maßnahmen" diesen unendlichen Reichtum nehmen lassen.

Öl und Gasreservern

Die Öl und Gasreserven haben eine ähnliche Größenordnung wie die Kohlereserven, allerdings ist der Handelswert von Öl wesentlich höher, da man Öl sehr bequem in Fahrzeugen und Flugzeugen verwenden kann. Es gibt noch 180 Milliarden Tonnen Öl [2], diese sind bei einem Ölpreis von 100€/Barrel 133 Billionen Euro wert, das ist fast der gleiche Wert wie der der Kohlevorräte, ein erstaunlicher Zufall. Die Erdgasvoräte sind mit 187 Billionen Kubikmeter 29 Billionen Euro** nicht ganz so wertvoll.

Wirkungsgrad des Speichers

Jetzt mache ich einen etwas exotischen Ausflug, wie hoch ist der Wirkungsgrad der natürlichen Energiespeicher. Gehen wir davon aus, dass die Steinkohlevorräte innerhalb von 200 Millionen Jahren gebildet wurden, was sicher nicht exakt stimmt, aber sicher die richtige Größenordnung trifft, dann kann man einen Wirkungsgrad für diesen Speicher angeben. Dazu muss man nur die eingespeiste Solarenergie in diesem Zeitraum in Bezug zur abgespeicherten Energie setzen. 
Die Sonne liefert jedes Jahr 1.500.000.000 TWh[3] Energie an die Erde, diese Menge an Energie wird auch oft SERPY (Solar energy received per year) genannt. Vergleicht man diesen Wert mit der gespeicherten Energie, so ist das bereits das Zweihundert-fache der gesamten geologisch gespeicherte Solarenergie. Innerhalb der letzten 200 Millionen Jahre wurde damit das 40 Milliarden-fache an Sonnenenergie geliefert gegenüber der eingespeicherten Energie. 
Der Wirkungsgrad dieses Speichers beträgt somit nur 0,0000000025%!
Dagegen ist jede andere Form der Energiespeicherung praktisch perfekt.

Solarenergie und Energiespeicher 

Moderne Solarzellen erreichen etwa einen Wirkungsgrad von 15%, in unseren Breiten bei vielen Wolken aber nur 5% im Jahreslauf im Vergleich zur tatsächlich eingestrahlten Sonnenenergie aus dem Weltall. zusammen mit einer Speichertechnik wie Power to Gas, die 25% Wirkungsgrad hat, werden immerhin 1,3% der Sonnenenergie gespeichert. Fast unendlich besser als die Kohle aus dem Bergwerk. Allerdings sieht kaum jemand die Kohle als erneuerbare Energie mit schlechtem Wirkungsgrad an, sondern der Mensch als "Eintagsfliege" der Erdgeschichte verbrennt eben was er zum Verbrennen findet. Dass dies nicht Nachhaltig ist, ist hoffentlich hiermit jedem klar geworden.

In diesem Zusammenhang andere Blogbeiträge:


* Eine Billion sind 1000 Milliarden oder eine Million mal eine Million!
** Annahme: Erdgaspreis 0,014 €/kWh (4000€/TJ)
Quellen:
[1] World Coal Assoziation (2013) http://www.worldcoal.org/coal/where-is-coal-found/
[2] BP, Statistical Review of World Energy June 2010 
[3] TU Graz, Institut für Wärmetechnik

Mittwoch, 22. Mai 2013

Energiespeicher länger laden


Wie oft braucht man Energiespeicher?

Neben der Frage nach dem Bedarf an Speicherkapazität muss man auch die Frage nach der Häufigkeit stellen, mit der Energiespeicher genutzt werden. 
Typische Lade- und Entladezyklen für einen Speicher der von Windkraftwerken versorgt wird (Quelle: DWS)

Dies liegt daran, dass jeder Energiespeicher gewisse Investitionen erfordert und ein selten genutzter Speicher am Energiemarkt nur selten Geld verdienen kann.
Die Deutsche Bank hat diese Frage untersucht, da es für eine Bank natürlich sehr interessant ist, zu wissen, welche Investition sich rechnet.
Wie oft werden Speicher benötigt, eine Analyse der DWS-Investments (Deutschen Bank)
Ausgegangen wurde von 80GW über Deutschland verteilte Windleistung, die im Mittel 25GW Strom produziert. Das Wetter aus den Jahren 2005-2009 liefert die Wind-Daten. Jetzt gibt es zwei Fälle, entweder wird mehr Strom produziert, als benötigt, dann kann man speichern oder es gibt zu wenig Strom, dann kann man die Energie aus den Energiespeichern abrufen.
Es zeigt sich, dass der häufigste Fall bei kurzen Zeiten, sechs Stunden, liegt. Etwa einhundert mal gibt es einen Überschuss und fast genau so oft, 90 mal einen Mangel, in dem der Speicher Energie abgibt. Besitzt man also einen Speicher, der für sechs Stunden den Strom aufnehmen kann, hat man im Lauf des Jahres 100 Speicherzyklen. Dies entspricht recht genau der Arbeitsweise heutiger Pumpspeicherkraftwerke.

Längere Speicherzyklen

Es gibt auch längere Zyklen, ein Speicher der 24 Stunden Vorrat aufnehmen kann, kann zusätzlich 210 mal Energie abgeben, und wie man der Grafik entnimmt, gibt es sogar 40 Fälle, in denen mehr als vier Tage lang Strom abgegeben werden könnte. Eine derart lange Zeit kann kein Batteriespeicher überbrücken, jedoch ein Speicher, der auf einer sehr günstigen Speicherkapazität beruht, wie der Lageenergiespeicher, kann diese langen Zyklen bedienen. 

Smart Grid hilft nur manchmal

Eine verbreitete Idee ist, dass man bei Strommangel einfach Last "abwirft", Stromverbraucher ferngesteuert abschalten kann. Dies hilft nicht in allen Fällen, da die meisten Geräte nicht wesentlich mehr als vier Stunden Abschaltung vertragen, danach taut etwa das Kühlfach oder die Waschmaschine wird wieder benötigt. Auch die Aluminiumproduktion kann nicht mehr als vier Stunden heruntergefahren werden, sonst erstarrt die Schmelze endgültig. Wie man aber dem Diagramm entnimmt, gibt es viele Situationen, in denen mehr als 6 Stunden Überbrückung erforderlich sind.

Eine andere Ansicht des Speicherproblems erhält man mit der Jahresdauerkennlinie der ein weiterer Blogbeitrag gewidmet ist.

Mittwoch, 8. Mai 2013

Innovationen verhindern, mit Schutzzöllen!

EU will fast 50% Schutzzölle auf Photovoltaik erheben

Eigentlich kann man es fast nicht glauben, dass in einer Welt, in der die Zölle nach und nach abgeschafft werden, die Europäische Union neue Zölle einführt. Auf Dauer behindern Zölle den feien Handel, das wurde von der EWG (Europäische Wirtschaftsgemeinschaft) früh erkannt und man hat die Zölle innerhalb der EU weitgehend abgeschafft, sehr zum Vorteil der Industrie. 

Warum schaden Zölle?

Das Prinzip einer arbeitsteiligen Wirtschaft beruht auf der Spezialisierung aller Teilnehmer. In der ersten Phase der Neuzeit begannen einige Stahl zu bearbeiten, andere Leder und im Tausch hatten beide ihren Vorteil.
Inzwischen haben wir eine Weltwirtschaft, in der tausende, hochspezialisierter Unternehmen ihre Produkte auf der ganzen Welt anbieten, allein in Deutschland gibt es 2000 Weltmarktführer, von der Luxuslimousine bis zum Heizofen, von der Turbine bis zur Nähnadel. Weltmarktführer haben immer ein gewisses Monopol, da sie die Patente und die Fähigkeit haben, die besten Produkte günstig anzubieten. 
Warum macht sich ein kleines mittelständisches Unternehmen die Mühe hoch innovativ zu sein? Damit es in allen Ländern Kunden bekommt und über den großen Absatz die Entwicklungskosten wieder hereinholt. Mit den Einnahmen wird weitere perfektioniert und so dreht sich die Innovationsspirale!
Zölle zielen auf die Abschottung von Märkten ab, Unternehmen die nicht wettbewerbsfähig sind werden scheinbar geschützt, da die besseren Mitbewerber nicht zu fairen Preisen auf dem Markt liefern dürfen.
Die schwachen Unternehmen brauchen sich jetzt nicht mehr zu bemühen, der Staat kümmert sich um den Absatz, allerdings nur kurz. Da die Produkte auf dem Weltmarkt nicht bestehen, bröckeln auch die Einnahmen und letztendlich verschwinden die Unternehmen.

Die Solarbranche

In der Solarbranche ist eine weltweite Branche, nur 20% der PV Module werden in Deutschland verkauft, die großen Märkte entstehen in Asien. 
In einer chinesischen Hersteller haben nach eigenen Angaben nur 10% Personalkosten, über 50% sind Anlagekosten und wo kommen die Produktionsmaschinen her? 50% aus Deutschland! 
Das gilt für viele Produkte, auch ein iPhone kommt aus China, wurde in Kalifornien entwickelt und die Produktionsmaschinen sind in Deutschland entwickelt worden, das weis ich zufällig sehr genau, da ein Verwandter die Entwicklung leitet.
Würden jetzt die Chinesen als Gegenmaßnahme Zölle auf Produktionsmaschinen erheben, werden die iPhones aber auch die Solarzellen teurer.
Laut BDI sichern die deutschen Exporte nach China eine Million Arbeitsplätze in Deutschland.

Vorteil billiger PV Module

Man kann lange darüber streiten, ob des EEG* Gesetz den CO2-Ausstoß in Deutschland merklich reduziert, aber die Sekundäreffekte sind enorm: Das EEG hat die Produktionszahlen für PV enorm erhöht, damit sind die PV-Module unerwartet günstig geworden, damit lohnt sich PV an vielen Orten der Erde und damit ist eine Rückkopplung eingeleitet, die das CO2 Problem wirklich löst.

Stoppt die Zölle

Auf Dauer ist niemanden geholfen, wenn mit Zölle die Innovationen gebremst werden. Aber besonders skurril ist, wenn mit Importzöllen die PV-Preise steigen und damit die EEG-Abgabe nicht so schnell sinkt, wie es ohne Zölle möglich wäre. Absurde Politik. 
Und wenn es stimmt, dass die chinesische Regierung die PV-Branche unterstützt, so kann ich nur sagen, in Deutschland wird die PV-Branche mit 60 Milliarden € über das EEG unterstützt, wenn das mal keine Subvention ist! 
*EEG: Erneuerbare Energien Gesetz

Sonntag, 5. Mai 2013

Stromsteuer oder Strom steuern

Warum Strom teuer ist

Strom war noch nie so billig wie heute, an der Strombörse zahlt man nur 0,04€ für eine Kilowattstunde. Leider können weder Verbraucher noch kleine Unternehmen dort einfach Strom kaufen. Ein Verbraucher musste 2012 etwa 26ct/kWh zahlen [1]. Davon waren über 50% Steuer und noch weitere Abgaben für den Stromtransport und den -Vertrieb.
Abgaben auf Strom in Deutschland für Privathaushalte (Quelle: BDEW)

Sinnvolle Stromsteuern?

Selbst wenn man davon ausgeht, dass es sinnvoll ist, Strom zu besteuern, dann kann man sich fragen ob sie Struktur der Steuer logisch ist. Eine Grundidee der Mehrwertsteuer ist, einfach einen festen Prozentsatz auf den Umsatz mit einem Produkt aufzuschlagen. Das ist einfach und sehr effizient. Damit kann etwa ein niedriger Preis bei der Herstellung einer Ware an den Kunden weitergegeben werden. Kostet etwa ein Tisch in der Herstellung inklusive Vertrieb 100€ so muss der Endkunde 119€ bezahlen. Es gibt nämlich keine spezielle Tischsteuer, keine Tischkonzessiosabgabe, Schreinerhaftungsumlage, Holztischumlage und keinen Tischplattenaufschlag, was es analog alles beim Strom gibt! Diese Sonderabgaben würden beim Kauf eines Tisches 100€ ausmachen und der Tischpreis wäre bei 238€ (Mehrwertsteuer geht ja auch auf alle anderen Steuern oben noch drauf!).
Würde ein Schreiner seinen Tisch nun besonders geschickt fertigen und 30€ einsparen, so läge der Preis weiterhin bei 70€ Herstellung + 100€ Abgaben + 32€ MwSt. = 202 €. Trotz der großen Anstrengung des Schreiners spürt der Endverbraucher von der optimierten Produktion  praktisch nichts. Das wäre bei Tischen vielleicht erträglich, bei Strom bewirkt es ein Desaster

Echter Strompreis ist fast unsichtbar

Aufgrund der vielen fixen Abgaben sind die tatsächlichen Stromerzeugungskosten für den Verbraucher nicht spürbar, oder wer hat bemerkt, dass der Strompreis in den letzten Jahren um 3ct/kWh gesunken ist, wer weiß, dass am Sonntag der Strom Mittags oft praktisch kostenlos herzustellen ist?
Diese verfälschten Preise beim Endverbraucher führen aber zu einem großen Problem, angepasster Stromverbrauch (Smart Grid) oder Stromspeicher sind unrentabel. Die Folge, eigentlich wertvoller Strom wird weggeworfen, Stichwort Abregeln von Wind- und Solarkraftwerken. Teuerer und CO2 aufwendig herzustellender Strom wird in Nachtspeicheröfen billig eingelagert. Eine völlig absurde Situation.

Lösung durch lineare Abgaben

All diese Probleme könnten vollständig gelöst werden, wenn es eine Abgabe auf Strom gäbe, die einfach ein fixer Prozentsatz der Stromerzeugungskosten ist. Ähnlich wie die Mehrwertsteuer ein fixer Prozentsatz auf den Umsatz bei allen Produkten ist.
Strompreis bei Weitergabe der Erzeugungskosten heute und mit verändertem  Abgabenmodell.
Damit für den Staat und die Netzbetreiber weiterhin genügend Einnahmen entstehen, könnte die Abgabe eine  Höhe von 200 % haben (Das würde genügen, damit die Stromwirtschaft jährlich weiterhin 60Mrd€/a Einnahmen hat). Das klingt zuerst erschreckend, würde aber bedeuten, wenn der Strom an der Börse EEX[2] nur 1ct/kWh kostet, wie am 1. Mai 2013, zahlt der Verbraucher nur 3ct/kWh wenn er kocht oder Musik hört. An anderen Tagen, wenn der Preis Nachts ohne Solarstrom und bei wenig Wind auf über 10ct/kWh ansteigt muss der Verbraucher 30ct/kWh zahlen. Jeder kann damit selbst entscheiden, wann er Strom einkauft, mit moderner Technik kann man diese Information problemlos an alle Stromzähler übermitteln, Stichwort "Smart Meter". Wichtig ist natürlich, dass alle den gleichen Strompreis zahlen, Endverbraucher, Industrie und öffentliche Einrichtungen, das Ergebnis sieht man in der Abbildung für mehrere Tage dargestellt.

Markt funktioniert wenn Preise funktionieren

Heute liest man viel über Probleme im Strommarkt, Hochspannungsleitungen werden auf Verdacht geplant, eine Subvention für die Bereithaltung von Kohlekraftwerken, Kapazitätsmarkt, ist geplant, Pumpspeicher, die dringend nötige Speicherleistung bereit stellen machen Verlust. 
All dies würde sich in einem Markt, in dem das Produkt Strom einen Preis proportional zu seinen Herstellungskosten hat, sofort Signale zum sinnvollen Einsatz der Ressourcen ergeben. Billiger Strom würde in neue Speicher abgespeichert, Verbrauch begrenzt, wenn der Strom gerade sehr teuer ist, Leitungen würden günstige Erzeuger mit starken Verbrauchern verbinden.

Und wer das alles zu kompliziert findet, der könnte weiterhin eine Art "Flatrate" für Strom zahlen, so wie bisher, wer flexibel ist, würde zum neuem Preismodell wechseln.

Quellen: