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Dienstag, 27. September 2016

Wie viel Speicher brauchen wir?

Energiewende braucht Speicher

Die weltweite Energiewende ist im vollen Gang. Im letzem Jahr, 2015, wurde mehr regenerative Kraftwerkskapazität, Wind, Sonne, installiert, als alle Kohle, Erdgas und Kernkraftwerke zusammen. Allerdings mit einem kleinen Schönheitsfehler, die installierte Leistung produziert nicht Nachts oder bei Windstille, das bedeutet, für eine Vollversorgung benötigt man noch Energiespeicher. 

Wie gross der Speicherbedarf ist, kann man nicht eindeutig bestimmt werden, da er von vielen Faktoren abhängt. In diesen Blogbeitrag will ich aber eine globale Abschätzung des Speicherbedarfs festhalten.

Die globale Energiewende

Zunächst sei darauf hingewiesen, dass ich hier nicht die Situation in Deutschland beschreibe, sondern die globale Situation. Das macht durchaus Sinn, da nur global die Probleme von Peak Oil oder das CO2 Problem gelöst werden können. Um so erfreulicher ist es, dass etwa in 2016 fast doppelt so viel Photovoltaik (PV), 70 GW, installiert wird, wie in Deutschland installiert ist. Und Deutschland ist mit 40 GW zweiter hinter China in der Liste der PV Installationen. Es sei darauf hingewiesen, dass ich hier nur den Stromverbrauch betrachte, längerfristig wird alle Energienutzung auf Strom umgestellt, was nochmals zu einer Verdopplung aller vorgestellten Zahlen führen dürfte.

Die Entwicklung der globalen Energiewende kann man verstehen, wenn man die Entwicklung der letzten 25 Jahre aufzeichnet:
Entwicklung des Energieverbrauchs und der Installation von Erneuerbaren Energiequellen,
Grafik eigene Darstellung, Daten von BP.
Zunächst sieht man, dass der Strombedarf in der logarithmischen Darstellung konstant wächst, um etwa 3% pro Jahr. Der Zubau von Wind- und Solarkraftwerken aber mit 22% was dazu führt, dass ca. 2025 weltweit so viel PV und Wind installiert ist, wie konventionelle Kraftwerke. Eine Situation, die in Deutschland schon erreicht ist!

Die produzierte Strommenge reicht aber erst um das Jahr 2030 aus um den gesamten Bedarf Strombedarf der Welt zu decken, immer vorausgesetzt, dass der Zubau weiter wächst. Die Deckung des gesamten Strombedarfs kann man aber nur erreichen, wenn ausreichend Speicher vorhanden sind und das wird im nächstem Jahrzehnt das ganz große Thema.

Einflüsse auf den Speicherbedarf

Den größten Einfluss auf den Speicherbedarf hat das Stromnetz. Das liegt daran, dass man mit dem Stromnetz den Strom optimal vom Erzeuger zum Verbraucher transportieren kann. Scheint etwa in Süddeutschland die Sonne, kann man den PV Strom in den Norden transportieren, umgekehrt, weht im Norden der Wind, kann man den Windstrom über die gleiche Leitung in den Süden transportieren.
Dies habe ich bereits in einem früheren Blogbeitrag "Stromleitungen als Energiespeicher" genauer betrachtet.

Es gibt daher einen Wettbewerb zwischen Speicher und Leitungen.
Das Optimum zwischen Netzkosten und Speicherkosten muss gefunden werden
Theoretisch könnte man eine Leitung um die Erde legen und daran alle Solarkraftwerke anschließen. Es wäre immer Strom ohne Speicher verfügbar, da immer irgendwo die Sonne scheint. Allerdings ist das sehr teuer und auch der Transport über sehr große Strecken führt zu Verlusten in der Leitung. Alternativ kann man sich einen Speicher in den Keller stellen, der über ein halbes Jahr die Solarenergie sammelt und dann käme man völlig ohne Leitung aus. Dieser Speicher müsste pro Person etwa 1000 kWh speichern können, bei aktuellen Preisen von 1000€/kWh für private Batteriespeicher zahlt man dann pro Person eine Million für den Speicher, nicht ökonomisch darstellbar, wie man so schön sagt.

Genauere Rechnungen, wie sie etwa von J. Tambke und L. Bremen [1] durchgeführt wurden, zeigen, dass bei einem optimalen Netzausbau in Deutschland und vollständiger Umstellung auf Wind- und Solarenergie die Energie "nur" für eine Woche gespeichert werden muss. Bei einer "Kupferplatte" über ganz Europa benötigt man sogar nur zwei Tage Speicherkapazität.

Sieht man sich die Weltkarte an, so wird allerdings schnell klar, dass weitreichende Stromnetze nicht überall auf Zustimmung stoßen werden. Stromleitungen sind eine empfindliche Infrastruktur und wer will schon, dass der Strom durch Krisenregionen geleitet wird, was bedeuten kann, dass plötzlich die Leitung ausfällt. Es gibt da Historisch leider einige Beispiele.

Weitere Optimierungsmöglichkeiten

Weitere Faktoren auf den Speicherbedarf stellen die Verbraucher dar. Würden alle Verbraucher genau dann die Energie abrufen, wenn die Sonne scheint oder der Wind weht, wären überhaupt keine Speicher erforderlich. Aber da sehr viele Verbraucher nur aufwendig flexibler werden können, so will etwa niemand nur dann mit dem Zug fahren wenn gerade die Sonne scheint, muss man immer mit einer gewissen Grundlast rechnen. Dabei sein angemerkt, dass nur 40% des Stromverbrauchs in Haushalten stattfindet, der Rest teilt sich auf Industrie, Gewerbe und öffentliche Einrichtungen auf.
Wichtige Einflussfaktoren für den Speicherbedarf, eigene Darstellung.
Auch das Smart Grid, zeitweise stark beworben kann nur etwa 10% des Verbrauchs verschieben, siehe Blogbeitrag "Das Märchen vom Smartgrid". Und trotzdem kann man den Bedarf natürlich optimieren, warum sollte ein chemischer Reaktor auf voller Leistung laufen, wenn gerade der Strom knapp und damit auch teuer ist? Ich gehe optimistisch davon aus, dass etwa 50% des Speicherbedarfs durch optimale Steuerung aller Verbraucher vermieden werden kann.

Speicherbedarf im Jahr 2030

Im Jahr 2030 wird bei kontinuierlichem Wachstum etwa ein globaler Stromverbrauch von 5.000 GW vorhanden sein. Geht man von einer sehr guten Vernetzung aus, das bedeutet, Regionen von der Größe Europas können fast perfekt den Strom austauschen benötigt man zwei Tage Speicherkapazität. Berücksichtigt man dann noch, das 50% des Speicherbedarfs durch optimale Steuerung eingespart werden, muss man Speicher haben, die eine Kapazität von einem Verbrauchstag speichern können. Bei 5.000 GW Strombedarf und 24 h Speicherbedarf ist das eine Kapazität von 120.000 GWh

Weltweiter Speicherbedarf in 2030: 120.000 GWh.

Diese Speicherkapazität ist gewaltig, daher soll sie in Relation zu bekannten Speichern gesetzt werden. In Deutschland gibt es Pumpspeicher mit einer Kapazität von 40 GWh. Das ist weniger als 0,03% des globalen Speicherbedarfs, dabei hat Deutschland noch ein gut ausgebautes Pumpspeichersystem. Will man die Speicherkapazität mit Batterien aufbauen und nutzt dazu die Gigafactory von Elon Musk in Nevada, die nach Fertigstellung etwa 50 GWh Batterie-Kapazität im Jahr produziert, benötigt man 2.400 Jahre bis ausreichend Batterien produziert sind.
Der Lageenergiespeicher, Gravity Storage [2], kann in einer Standardausführung mit 250 Meter Durchmesser 8 GWh speichern. Das bedeutet man benötigt davon 15.000 Stück. Oder, wenn man die große Version mit 500 Meter Durchmesser wählt, immer noch ca. 1000 Stück. 

Vermutlich wird daher nur ein Teil des Speicherbedarfs über echte Energiespeicher wie Batterien oder Pumpspeicher abgedeckt. Der Rest könnte noch für einige Zeit aus Erdgaskraftwerken kommen oder durch optimales Managen von großen Stauseen. 

Auf jeden Fall wird es einen gewaltigen Markt für Energiespeicher geben!

Quellen:

[1] Jens Tambke, Lueder von Bremen, Länderübergreifender Ausgleich für die Integration Erneuerbarer Energien.
[2] Gravity Storage, engineered by Heindl Energy GmbH

Kommentare:

  1. Vielen Dank, dass sie sich dem Thema Stromspeicher angenommen haben. Ich würde gern verstehen, wieso der "Strombedarf 5.000 GW (physikalische Einheit für Leistung) als Grundlage ihrer Bedarfsberechnung herangezogen wird? Eine Bedarf ist doch von Leistung und Zeit abzuleiten.

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    1. Bedarf 5000 GW (Leistung) mal 24 Stunden (Zeit) ergibt Energiemenge: 120.000 GWh

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