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Dienstag, 6. Dezember 2016

Optimale Ladezyklen bei Energiespeichern

Energiespeicher brauchen viele Ladezyklen

Es gibt sehr unterschiedliche Energiespeicher, vom Kondensator über Batterien bis zur Technologie Power to Gas

Es gibt zwei grundsätzlich verschiedene Gründe einen Energiespeicher zu betreiben, entweder man benötigt den Energiespeicher weil man nicht am Stromnetz ist und daher die Energie im Speicher aufbewahren muss, etwa im Smartphone, im Auto bis hin zu abgelegenen Orten. 

Der zweite Grund liegt in der Speicherung von überschüssiger (billig) produzierter Energie, die man später zu besseren Konditionen verkaufen kann. Von diesem Fall soll dieser Blogbeitrag handeln.

Jeder Ladezyklus verdient Geld

Ein Batteriespeicher, der an eine Solaranlage angeschlossen ist, kann während des Tages von einer PV Anlage den "kostenlosen" Solarstrom einlagern und in der Nacht, wenn der normale Haushaltsstrom ca. 30 ct/kWh kostet, diesen wieder bereitstellen.

Solarenergie im Jahresverlauf in Deutschland
Die Sonne schickt zwar keine Rechnung, aber die Solaranlage ist nicht kostenlos, daher gibt es einen Preis für den Strom der aus den PV-Zellen kommt und dieser liegt in Deutschland bei etwa 10 ct/kWh. Das bedeutet, der Speicher kann pro kWh Speicherkapazität während eines Ladezyklus 20 ct verdienen. 

Der Preis für den Speicher mag bei 1000 Euro/kWh liegen, um den Preis des Speichers abzuzahlen muss man diesen Speicher 5000 mal laden und entladen. Gehen wir mal davon aus, der Speicher kann so viele Zyklen ohne Verlust überstehen, dann stellt sich die Frage, wie lange der Speicher benutzt werden muss um seine eigenen Preis zu verdienen. Würde man etwa im Sommer speichern und im Winter entladen, dann benötigt man 5000(!) Jahre bis der Einkaufspreis zurück ist.

Verteilung der Solarleistung, 50% der Zeit ist dunkel!

Das einfachste ist, die Zahl der Zyklen pro Jahr zu erhöhen. Die Sonne scheint in Deutschland etwa an 150 Tagen so stark, dass man überschüssigen Strom speichern kann. Damit reduziert sich die Wartezeit, bis der Speicher abgezahlt ist auf 5000 / 150 = 33 Jahre. Leider ist diese Rechnung ohne Zins und Zinseszins gerechnet und daher unrealistisch. Unter den angesprochenen Rahmenbedingungen, 20 ct Einnahmen pro Zyklus und 1000 €/kWh kann man keinen Speicher refinanzieren.

Mehr Ladezyklen

Die Zahl der Ladezyklen kann man steigern, indem man den Speicher in einem südlichen Land nutzt, das mehr Sonnentage, als in Mitteleuropa üblich, hat. In günstigen Fällen werden 350 Ladezyklen erreicht, und der Speicher verdient bereits nach 5000 / 350 =  14 Jahren seinen Gestehungspreis. Vierzehn Jahre sind zumindest im Privathaushalt eine erträgliche Zeit für den Rücklauf der Kosten, insbesondere in einer Welt, in der man auf der Bank auch keine Zinsen für das Geld bekommen hätte.

Auswege aus der Kostenfalle

Ein möglicher Weg, ein ökonomisch besseres Modell zu bekommen liegt in der Senkung der Kosten für den Speicher. Würde der Speicher nur 100 €/kWh kosten, wäre selbst in Deutschland der Speicher nach drei Jahren abgeschrieben, da bereits 500 Zyklen reichen um die Anschaffungskosten zu kompensieren. Leider ist es mit LiIon-Batterien im Moment unwahrscheinlich, dass ein derart niedriger Preis inklusive Elektronik, Transport und Aufstellung erreicht wird.

Bei großtechnischen Anlagen, wie einem Pumpspeicher oder Lageenergiespeicher ist ein Preis in dieser Größenordnung von 100 €/kWh schon eher realistisch. Allerdings gibt es aktuell keinen Markt, in dem man 20 ct/kWh gewinnen kann. Selbst in der optimalen Situation mit 3 ct/kWh Solarstrom, wie er in Dubai und Chile produziert werden kann, sind höchstens ein Aufschlag von 10 ct/kWh denkbar um in der Nacht den Strom für 13 ct/kWh wieder zu verkaufen. Wesentlich höhere Preise werden, zumindest heute, durch den Wettbewerb mit anderen Stromquellen, wie Erdgaskraftwerke, verhindert.

Windenergie speichern

Das Speichern von Windenergie ist noch schwieriger abzuschätzen, als von Solarstrom, das liegt daran, dass der Wind in vielen Regionen sehr unregelmäßig weht. In Mitteleuropa wird der Wind durch Tiefdruckgebiete bestimmt und im Lauf eines Jahres ziehen etwa 50 Tiefdruckgebiete über den Atlantik. Rechnet man für den Speicher analog zum Beispiel mit PV-Strom, dann hat man keine Chance mit 50 Zyklen.

Windenergie im Jahresverlauf in Deutschland

Eine genaue Betrachtung der Speichertechnologien zeigt jedoch, dass es auch sehr günstige Speicher mit relativ teuren Konvertern gibt. Dazu zählt die Umwandlung von Strom in Wasserstoff. Der Elektrolyseur und die Brennstoffzelle sind sehr teuer, aber theoretisch kann man Wasserstoff in Salzkavernen speichern, die pro kWh Kapazität eher 1 € als 100 € kosten.

Betrachtet man jetzt die Betriebsstunden des Konverters, so kann man, grob geschätzt, etwa 20% der Zeit überschüssigen Windstrom in Wasserstoff umwandeln und weitere 20% der Zeit Strom über die Brennstoffzelle liefern. Die Zyklenzahl ist aufgrund der geringen Speicherkosten nicht relevant.

Verteilung der Windleistung in Deutschland (Log-Zeit)

Auch hier eine Rechnung: Kostet der Elektrolyseur 1000 €/kW und die Brennstoffzelle ebenfalls 1000€/kW dann kann man im Lauf des Jahres 8760*0,2 = 1750 kWh speichern und wieder abgeben.
Geht man optimistisch von einem Einkaufspreis von 0,02 €/kWh aus, dann kostet der Strom für den Speicher 35 € im Lauf des Jahres.  Können wir den Strom für 0,15 €/kWh verkaufen, das sind absolute Spitzenpreise an der Strombörse, erlösen wir bei 50% Wirkungsgrad

0,5 * 1750 kWh *0,15€/ kWh = 131 €. 

Netto bleiben 131€ - 35€ = 96 € in der Kasse. Mit diesem Geld müssen wir jetzt die Anlagenkosten abbezahlen. Das waren 2000 €/kWh somit benötigen wir wieder über 20 Jahre ohne Verzinsung, bis die Konverter-Anlage zumindest ihre Investitionskosten eingespielt hat.

Auch hier ist klar, dass durch niedrigere Preise der Konverter die Situation besser würde, allerdings sind aktuell die Preise deutlich höher.

Zusammenfassung

Bei den heutigen Preisen ist höchstens für die tägliche Sonneneinstrahlung, zusammen mit einem günstigen Großspeicher, wie dem Lageenergiespeicher, ein wirtschaftlicher Betrieb möglich.
Windenergie kann man nicht ökonomisch speichern, solange nicht ein grundlegender Durchbruch bei der Speichertechnologie erfolgt, der allerdings nirgends zu sehen ist. 

Kommentare:

  1. Der Beitrag ist zwar richtig, enthält aber ein paar Vereinfachungen.
    Erstens wirken Solar und Wind in Deutschland zusammen. Ein Speicher der im Sommer Solarenergie speichert könnte im Winter Strom aus dem Wind speichern. Es wäre interessant zu erfahren in wie weit sich damit die Kalkulation verbessern würde.
    Die zweite Vereinfachung ist die Vernachlässigung von Schwankungen im Verbrauch. So könnte auch ein Kurzzeitspeicher dazu dienen Nachts oder am Wochenende Windstrom zu speichern, wenn dieser nicht gebraucht wird.

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    1. Der Post enthält sehr starke Vereinfachungen. So können z.B in Deutschland Pumpspeicher ca. 170 Zyklen aufgrund der Verbrauchsschwankungen fahren. Genaue Aussagen über die tatsächliche Zyklen hängen stark von PV/Wind Anteil und von Verbrauchsgewohnheiten ab, daher sind dafür Simulationen erforderlich, die die Probleme aber nicht so klar aufzeigen.

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  2. Eine zusätzliche Einnahmequelle für einen Speicher ist die Bereitstellung von Regelenergie für die Stabilisierung des Stromnetzes. Es gibt bereits Dienstleister, die eine größere Anzahl von Batteriespeichern zu einem virtuellen Großspeicher zusammenfassen und dadurch am Regelenergiemarkt teilnehmen können. Die Erlöse werden (zum Teil) an die Besitzer der Speicher weitergegeben. Der einzelne verzichtet auf einen Teil der Kapazität, die der Dienstleister dafür benutzen darf.
    Eigentlich wäre auch eine Umweltprämie angebracht, die aus Steuermitteln finanziert, die Vermeidung von CO2-Emmisionen "belohnt". Solange die CO2-Emmisionszertifikate so billig wie jetzt sind, lohnt sich das noch nicht. Kann aber noch werden.
    Wenn die "abgenutzten" Akkus aus der E-Mobilität für diese Art von Speicher verwendet werden, sinken die Kosten weiter. Der Gesamtnutzen von Akkus wird dadurch weiter erhöht.
    Ich denke (und hoffe) dass es in diesem Bereich einige positive Entwicklungen geben wird, die solche Speicher zu einem festen Bestandteil des Energiesystems werden lassen, und die Installation in geeigneten Gebäuden zu einem "Nobrainer" werden lassen.

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  3. Für mich habe ich eine Antwort gefunden. Vor 5 Jahren habe ich eine Solaranlage mit 7kwp installiert und bekomme 20 Jahre gutes Geld. Danach ist die Anlage abgezahlt. Bis dahin gibt es genügend alte Batterien aus E-Autos für billig Geld. Dann kaufe ich eine Batterie für 500 Euro und nutze den Strom selbst. Heute habe ich 10% Eigenbedarf, später mit der Batterie dann 100%. Spare ich 1000 Euro im Jahr solange die Pannels halten.

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  4. Es ist ein Paradoxon und zeigt wie verpfuscht die derzeitige Energiepolitik ist. Braunkohle wird weiter gefördert weil Erneuerbare Energien unzuverlässig sind. Auf der anderen Seite werden seit Jahren keine klassischen Speicherkraftwerke mehr gebaut weil sie sich nicht mehr lohnen. Damals in der guten alten Zeit war der Strom billiger obwohl die großen Energieversorger 10-20 Cent für gespeicherten Strom verlangen konnten. So verückt ist das.

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  5. Hi, vielen Dank für die vielen informativen Blogbeiträge Eduard. Freu mich immer wieder auf heraustechende Seiten zu stoßen.

    Nun zum Blog und dem Artikel, ich finde es sogar notwendig, dass Blogbeiträge vereinfacht, kurz und dennoch sehr informierend sind. (auch Laien, informieren sich über die Energiewende etc.) Allerdings, sollte bei der Vereinfachung auch darauf geachtet werden, dass gerade Sonderfälle zumind. mit einem Link zu erwähnen sind. Wie im oberen Kommentar bereits angesprochen bezgl. Wind/Solar Kombinationen, die aus heutiger Sicht, basierend auf aktueller Simulationen und unter Beachtung der Ladungsabweichung durchaus Sinn machen und gleichzeitig Finanzierbar sind. Wenn hier die Politik auch über den Tellerrand Deutschlands hinweg blickt, und das Europa wie wir es kennen sich bezgl. der Energiewende viel mehr zusammenschließen würde, könnte man anhand der Speicherleerungskurven und unter der Annahme von länderübergreifenden Erzeugungsreserven mittels Solar/Wind Anlagen (Benutzungsgrad zw. 20-22%) die Tagesladungen drastisch senken und gleichzeitig auch die max. notwendige Speicherkapazität

    Und noch als kleiner Hinweis:

    Auch die konventionelle Stormversorgung, hat nicht den Verbrauchsdurchschnitt denken müssen, sondern den anzunehmenden Peakpoint. Daher lag die Einsatzbereitschaft der Kraftwerke noch vor der Energiewende doppelt so hoch,und das stets!

    @ Mike60 die derzeitige Energiepolitik lässt in jedem Fall zu wünschen übrig, jedoch kann hier von einem Paradoxon nicht die Rede sein, da die Braunkohle immer noch weiter gefördert wird, aufgrund der Umlagefinanzierung der Energiewende, welche rückgekoppelt durch den Preisanstieg in konventioneller Energieversorgung erkennbar wird. (und offiziell auch ist), um wie im Beitrag erwähnt die teuren Energiespeicher refinanzieren zu können, steigt der aktuelle Preis der erneuerbaren Energien ebenso, bzw. wird dieser in den nächsten 5-10 Jahren nicht wesentlich günstiger.

    Jedoch, durch den technologischen Fortschritt, die Kooperation der Länder und der stetig steigende Aufwand an erschließbare fossiele Energieträger heranzukommen ohne mehr Arbeit hinein zu stecken, werden in den nächsten 5-10Jahren dafür sorgen, dass der Übergang einigermaßen fließend vonstatten geht und die Preise für Strom (vor allem regenerative Energien) sinken werden. Dieser ist nun mal eine stetig sinkende Funktion mit der Zeit.

    Fazit: Innovation, Strategie und Zeit führen zur Wende.

    Beste Grüße

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