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Samstag, 24. Juni 2017

Unterirdische Pumpspeicher

Unsichtbar: Unterirdische Pumpspeicher

Wie bereits mehrfach erwähnt, sind Pumpspeicher die verbreitetste Methode elektrische Energie in großer Menge abzuspeichern. Leider hat diese Technologie einige Nachteile, die gerade für die globale Energiewende problematisch sind. 

Damit ein Pumpspeicherkraftwerk arbeitet, benötigt man deutliche Höhenunterschiede, mindestens 400 Meter, besser mehr. Zudem sollte man große Täler haben, die man mit Staudämmen absperren darf und fluten kann, nicht optimal umweltverträglich.
Nicht zu vergessen, Photovoltaik spielt sich in vielen Gegenden auf der Welt in der Wüste ab, nicht gerade mit Wasser gesegnet. Was tun?

Alte Bergwerke fluten

Eine erste Idee ist, alte Bergwerke zu fluten und dann das Wasser wieder hoch zu pumpen. Dabei wird die überschüssige  Energie von den Pumpenmotoren absorbiert und bei Bedarf kann man das Wasser wieder in die Tiefe stürzen lassen und über eine Turbine leiten. 
Je nach Anordnung benötigt man nur ein Oberbecken oder man nutzt zwei, unterschiedlich tiefe liegende Stollen und ist damit vollständig unterirdisch. Klingt verlockend, hat aber einen Haken: 

Bergwerke sind nicht gerade für das Speichern von Wasser ausgelegt. Die Stollen sind nur so gut stabilisiert, dass man Bergbau betreiben kann. Wasser regelmäßig einfüllen und abzupumpen erfordert eine sehr gute Abdichtung, damit keine Chemikalien aus dem umliegenden Gestein gelöst werden die das Wasser stark verschmutzen oder gar den Stollen zerstören.

Pumpspeicherkraftwerk, untertägig

Rechnet man die Sache durch, sieht man auch, dass die Energiemengen überschaubar bleiben. Angenommen man hat 1 km Stollen mit 20m² Querschnitt, einmal in 200m Tiefe und einmal in 700m Tiefe, dann kann man damit 

E = 20m² * 1000 m * 500 m * 1000 kg/m³ * 9,81 N/kg / 3.600.000 kW/J

E = 27.250 kWh = 27 MWh

einspeichern. 

Das klingt zwar gut, aber wenn man weiß, dass ein übliches Pumpkraftwerk 8.000 MWh speichern kann, ist es nicht sehr beeindruckend. Insbesondere, wenn man bedenkt mit welchem Aufwand die Stollen abgedichtet werden müssen. 

Würde man solch ein Kraftwerk neu bauen und einfach annehmen, dass die Herstellung von Volumen unter Tage ca. 800 Euro/m³ kosten, dann findet man einen Preis von 43,2 Mio. Euro, was umgelegt auf die Speicherkapazität 1600 Euro/kWh bedeutet, ohne Zubehör wie Pumpen und Turbinen.

Kraftwerk im Schacht

Eine Alternative ist, den Schacht zu nutzen, der ist ja oft sehr tief. Wird im Schacht, in halber Tiefe, eine Decke eingezogen, der die obere Hälfte von der Unteren trennt, dann kann man Wasser in die untere Hälfte füllen, über eine Pumpe in die obere Hälfte pumpen und genau wie oben beschrieben, elektrische Energie speichern und wieder gewinnen.

Schacht-Pumpkraftwerk

Auch hier wieder eine Energiebetrachtung:
Der Schacht soll 1000 m tief sein, nicht unüblich im Bergbau, und einen Durchmesser von 20 m haben.

E = 3,14* 10*10m² * 500 m * 500 m * 1000 kg/m³ * 9,81 N/kg / 3.600.000 kW/J

E = 214.020 kWh = 214 MWh

Das Kraftwerk kann immerhin eine nennenswerte Energiemenge speichern! Allerdings ist der Bau von Schächten nicht wirklich billig, geht man von Baukosten im Bereich von 250 Mio € aus, dann kostet die Speicherkapazität 1.168 Euro/kWh. Allerdings ist hier noch keinerlei Maschinen gekauft, zudem benötigt man eine zweiten Schacht um an die Pumpe und Turbine zu kommen. 

Gravity Power mit Betonkolben

Eine Alternative ist es, in dem Schacht statt Wasser einen Betonkolben hydraulisch auf- und absteigen zu lassen. Dies hat die Firma Gravity Power sehr weit entwickelt. 

Dort wird in einem Schacht ein Betonkolben einbetoniert und gegen die Umgebung abgedichtet. Die Dichtung muss bei 500 m Kolbenhöhe etwa 80 Bar Druck standhalten. Den unebenen Schachtwände muss die Dichtung geeignet folgen. 

Schacht-Kolben-PSW nach Gravity Power

Im Betrieb wird beim Einspeichern von Strom mit der Pumpe Wasser unter den Kolben gepumpt und dieser damit angehoben, bei der Rückgewinnung drückt der Kolben Wasser über die Turbine und sinkt dabei ab.

Nimmt man wieder einen Schacht mit 20 m Durchmesser und 1000 m Tiefe kann man damit bei einer Betondichte von 2600 kg/m³ folgende Menge Energie speichern:

E = 3,14* 10*10m² * 500 m * 500 m * (2600 - 1000) kg/m³ * 9,81 N/kg / 3.600.000 kW/J

E = 342.433 kWh = 342 MWh

Speichern. Dabei ist allerdings der Systempreis etwas höher, da man ja den Betonzylinder herstellen muss. Dieser besteht auch 157.000 t Beton, den man optimistisch für 300 € pro Tonne hergestellt und verarbeitet bekommt. Damit kostet der Kolben 47 Mio. Euro. Die Baukosten liegen daher bei dieser Variante bei ca. 297 Mio. Euro. Damit kostet die Speicherkapazität 867 Euro/kWh. Dieser Preis liegt etwas unterhalb des reinen Schachtkraftwerks, allerdings handelt man sich damit ein nicht unerhebliches Problem beim Abdichten ein. 

Lageenergiespeicher vom Typ Gravity Storage

Eine weitere fast unterirdische Lösung ist ein Speicher, bei dem ein Felskolben aus dem umliegenden Gestein ausgeschnitten wird und ebenfalls mit Wasserdruck angehoben wird. 

Der Speicher arbeitet, indem bei Stromüberschuss eine Pumpe Wasser aus einem "Unterbecken" unter den Felskolben leitet und diesen dabei anhebt. Bei Strombedarf presst der Felskolben das Wasser wieder über eine Turbine und Strom wird mit einem Generator erzeugt.

Lageenergiespeicher nach dem Verfahren von Heindl

Auch für dieses Kraftwerk sollen, analog zu den vorherigen Rechnungen, die Kapazität und Kosten eingeschätzt werden. Nimmt man einen Durchmesser und Tiefe von 250 Meter für den Felskolben und eine Hubhöhe von 100 Meter, kann man bei einer Gesteinsdichte von 2600 kg/m³ folgende Energiemenge speichern:

E = Energie Kolben - Energie Wasser

E = (3,14* 125 * 125 m² * 250 m * 100 m * 2600 kg/m³ - 3,14* 125 * 125 m² * 100 m * 200 m * 1000 kg/m³) * 9,81 N/kg / 3.600.000 kW/J

E = 6.016.289 kWh = 6.016 MWh

Diese Energiemenge liegt im typischen Bereich eines Pumpspeicherwerks, aber wie teuer wird der Bau eines solchen Speichers? 

Hier wird die massiven Vereinfachung angenommen, dass analoge Preise pro Kubikmeter unter Tage gelten, wie oben verwendet. Dies waren ca 800 Euro/m³ Baukosten für Schachtvolumen.
Im Lageenergiespeicher wird jetzt eine Schlitzbreite von drei Metern in allen Richtungen angenommen. Damit erhält man für das "Schachtvolumen" V = Wand * Boden

V = 3,14 * 250 m *250 m *3 m + 3,14 * 125² m² * 3 m

V = 736.000 m³

und damit Baukosten von 589 Millionen Euro, das ergibt Kosten pro kWh Speicherkapazität von 97 Euro pro kWh. Wie bei allen anderen Rechnungen wurde auch hier Pumpe, Turbine und all die anderen Sachen, die solch ein Kraftwerk teuer machen können nicht berücksichtigt. Es geht um die reine Analyse der prinzipiell möglichen Geometrien von Pumpspeichern, die im wesentlichen unterirdisch arbeiten.

Fazit

Unterirdische Speicherkraftwerke sind von den Kosten nicht in einer anderen Welt als Batterien oder obertägige Pumpspeicher. Allerdings gibt es je nach Technologie erhebliche unterschiedliche technische Probleme und spezifische Kosten. 

Am kostengünstigsten erscheint mir der Lageenergiespeicher "Gravity Storage", allerdings muss ich zugeben, dass ich in diesem Fall voreingenommen bin. Gerne lasse ich mich aber von anderen Rechnungen überzeugen. 

Auf jeden Fall sind alle vorgestellten Technologien auch in trockenen Gebieten für lange Zeit nachhaltig einsetzbar. Aspekte die bei Batterien, Lebensdauer, Rohstoffe, bisher eine Schwäche darstellen.

Mehr zu Schwerkraftspeicher


Freitag, 16. Juni 2017

Student Energy Summit 2017 SES2017

Internationaler Student Energy Summit (SES)

Seit 2009 findet alle zwei Jahre der SES statt, eine Konferenz für Studenten die sich für Energie interessieren. In diesem Jahr, 2017, war ich als Sprecher eingeladen, weil offenbar mein früherer TEDx Auftritt zum Thema Lageenergiespeicher (Gravity Storage) gut gefallen hat.

Das Event ist wirklich sehr international, die Studenten waren aus 80 Ländern, ehrlich gesagt habe ich noch nie auf einer Konferenz mit derart weltweit verteilten Teilnehmern gesprochen (Herkunft der Studenten).

Herkunft der Teilnehmer, kein relevantes Land fehlt.

Anreise

Merida in Mexiko liegt leider für uns abgelegen, so dass ich über Houston, Texas, anreisen musste.

Schon der Gangway zum Flugzeug hat zufällig mit Energie zu tun.

Auf dem Flug fallen dem Beobachter beim Blick aus dem Fenster natürlich die Fracking-Felder in Texas auf.

Fracking in Texas.

Nach 16 Stunden, mit einer Zwischenlandung, erreiche ich endlich Merida, noch vor der Zollabfertigung komme ich mit dem Energy Commissioner von Kalifornien, David Hochschild, ins Gespräch, jetzt weiß ich, dass ich am richtigen Ort bin.

Blick aus dem Hotel: Solarthermische Anlagen!

Eröffnung der Konferenz

Die Eröffnung der Konferenz beginnt am späten Nachmittag in der Oper von Merida. Ein etwas merkwürdiges Bild geben die hochrangigen Politiker vor der Opernkulisse ab, ein Arrangement, das nicht Absicht war und nicht unumstritten bei den teilnehmenden Politikern. 

Vom Governor von Yukatan bis zum mexikanischen Energieminister ist viel Prominenz gekommen.

Die Reden der Politiker, unter andrem des Energieministers, werden alle auf spanisch in erheblicher Lautstärke gehalten, so dass man selbst als aufmerksamer Zuhörer wenig von der Simultanübersetzung versteht.

Wie es der Zufall will, soll in den nächsten Tagen die große Privatisierung der Energiewirtschaft in Mexiko, von Öl bis Strom, erfolgen, also ein gutes Thema für die Sprecher. Einige zynische Hinweise auf Trump, der das Pariser Abkommen zur CO2 Vermeidung ablehnt, haben natürlich auch nicht gefehlt.

Deckenfresko in der Oper

Danach gab es eine echte Opernaufführung, Pagliacci von Leoncavallos über Schauspiel und Realität, die allerdings die Sitzreihen deutlich gelichtet hat.

Vorträge und Panels

Die Vorträge waren zumeist in Paneldiskussionen eingebunden. Im ersten Panel stand die Frage, was ist eine echte nachhaltige Entwicklung im Vordergrund. neben technischen Fragen sind auch sozial Fragen für eine gute Entwicklung wichtig.

Alle waren sich einig, dass Fotovoltaik für viele Länder eine große Entwicklungschance bietet, bei der, ähnlich wie bei der Einführung des Mobiltelefons, ein Entwicklungsschritt übersprungen (Leapfrog) werden kann.

Erstes Panel, links die "Mitgründerin" von SES

In der zweiten Session durfte ich im Panel "What's Next, the technological transition" sprechen.
Ich habe neben der Arbeitsweise des Gravity Storage Systems auch allgemeine Aspekte zum starken Wachstum von PV hervorgehoben.

Die Lernkurve bei PV ist für die globale Energiewende wichtig.
Im gleichen Track war noch ein Vortrag über Geothermie, eine unterschätzte Energiequelle, wie der Referent Paul Brophy meinte. 

Spannend war ein Vortrag am Nachmittag über die Zukunft von Öl, gehalten von Chris Sladen, Präsident von BP Mexiko. Er hat mit Folien aus der BP Studie auf das weitere Wachstum des Ölverbrauchs hingewiesen. Die Frage stellt sich natürlich, ob das Zweckoptimismus ist, oder ob das wirklich so kommt.

2. von Links: Chris Sladen, BP daneben aus Saudi Arabien David Michael Wogan.

Zum Schluss gab es noch ein Panel, das die ehemalige Bürgermeisterin Londons, Dame Fiona Woolf, geleitet hat. Während der Diskussion zum Thema Energiepolitik hat ein Zeichner live eine Art visuelles Protokoll der Sitzung angefertigt.

Neben Mrs. Woolf David Hochschild aus Kalifornien


David Hochschild betonte, dass in Kalifornien die drei negativen Vorhersagen; Arbeitslosigkeit, Wirtschaftsstagnation und Blackout, die durch die Umstellung auf erneuerbare Energien kommen sollten, nicht eingetroffen sind. Über 100.000 neue Arbeitsplätze, nicht zuletzt bei Tesla, höheres Wirtschaftswachstum als im Rest der USA und kein einziges Blackout!

Wichtig war ihm weiterhin, darauf hinzuweisen, dass langfristig angelegte politische Rahmenbedingungen sehr wichtig für Investitionen in Erneuerbare sind, Programme, die nur ein bis zwei Jahre laufen, bringen nichts. Ein langlaufendes Programm über 15 Jahre kann sehr erfolgreich sein.

Zweiter Kongresstag

Der Tag begann mit einem Vortrag im "Centro de Investigación Científica de Yucatán, A.C. (CICY)" vor Studenten. Eine Begleitveranstaltung zum SES2017 in Mexiko.

Das Wachstum der erneuerbaren Energiequellen Sonne und Wind in meinem Vortrag erläutert.

Anschließend ging es im Kongresszentrum mit einem sehr spannenden von Guillaume Fouché von Bloomberg weiter. Er zeigte mit einem Feuerwerk gut aufbereiteter Folien die Megatrends im Energiebereich auf.

Das Ende des Kohlezeitalters symbolisiert durch die Installation von Solarzellen auf dem Dach des Kohlemuseums in Kentucky.

Neben den Symbolbildern wie dem obigen, auch eine Grafik, die zeigt, dass, durch Optimierung der Standorte, die Windenergie wesentlich wirtschaftlicher geworden ist. Ich vermute, das liegt auch daran, dass der weltweite Anteil in Deutschland aufgestellter Windkraftwerke zurückgeht, die notorisch wenig Wind ernten können.

Winkraftwerke werden international immer effizienter, von 12% auf 32% innerhalb von 20 Jahren.

Die Zukunft gehört dem Elektroauto, die Verteilung der vorhandenen und geplanten Elektroautos als Grafik in Abhängigkeit von Reichweite und Größe bis 2020.

Alle werden Elektroautos liefern, wenn die Ankündigungen stimmen. (Bild, wie alle anderen, zum Vergrößern anklicken)

Nach so viel Zukunft durfte ich erst einmal für meine CO2-Emissionen abbitte leisten. für den Flug aus Europa habe ich wohl so viel CO2 erzeugt, dass dies nur durch 50$ als Spende an ein Regenwaldprojekt in Mexiko ausgeglichen werden kann. 

50$ für den Regenwald, meine Ablasszahlung für den CO2 Fußabdruck meiner Anreise.

Am Nachmittag gab es dann einen Riesenworkshop, in dem die Studenten die Themen, die ihnen wichtig waren, bearbeiteten. An 26 Tischen wurden, mit sehr unterschiedlichem Temperament, die Themen bearbeitet. Von der Frage zur Kernenergie bis zu solaren Smartphone Ladegeräten war alles dabei.

Die Themen der 26 Workshops

Anschließend wurde präsentiert, mit Schlagworten wie "New, Clear" (Nuklear) haben sich einige für Kernenergie eingesetzt, eine Gruppe hat ein Wasserrad zur Generation von Strom an abgelegenen Fluss-Siedlungen gezeigt.
Andere wollen die Photosynthese verbessern oder eine Energie App für Kinder schreiben. Die Resultate waren sehr bunt und wurden lustig präsentiert.


Präsentation der Resultate, hier nachhaltige Gemeinschaften.

Am Abend gab es noch eine sehr laute Party vor einer alten Kolonialzeit Villa.

Quinta Montes Molina, a great location!


Workshops

Nach der Party lies das Mexikanische Organisationsteam den Tag sehr ruhig angehen, um 11h starteten nach längerer Busanreise am Campus der Yukatan Universität mitten im Urwald mehrere Workshops.

Tief im Wald liegt der Campus und Technologiepark. (Die vierspurige Autobahn war sehr leer)


Die Studenten waren mit großer Begeisterung dabei, wenn auch die Fragestellungen in der sehr lauten Atmosphäre eher untergegangen sind. Trotzdem eine interessante Erfahrung wenn an einem Tisch junge Menschen aus allen Kontinenten sitzen.

Wir tanzen die Wasserkraft.

Rückflug

Auf dem Rückflug noch ein Blick auf die Erzeugung von CO2 mit deutscher Braunkohle, traurig!

Schlimmer als Fracking, Braunkohle Tagebau am Rhein.


Weitere Berichte von Kongressen und Konferenzen

Freitag, 12. Mai 2017

Energy Storage World Forum Konferenzbericht

Trends bei Energiespeicher 2017 

In Berlin fand vom 10-11. Mai das 10. ESWF statt. Ich habe den Teil zum Thema Großspeicher besucht und eigentlich erwartet, auch einige neue Ansätze zu Pumpspeicher und andere Technologien zu erfahren. Das war eher nicht der Fall, es ging hauptsächlich um Batterien.
Abschlusspräsentation auf dem ESWF, der Frauenanteil war nicht immer so hoch.

Was ist ein Energiespeicher

Das Problem liegt wohl eher darin, dass unter Energiespeicher jeder etwas anderes versteht. Aktuell scheint es so, dass im Markt für Großspeicher im wesentlichen Speicher beschrieben werden, die große Leistung für kurze Zeit liefern können. Das sind wichtige Systeme in einer Welt, in der die klassischen thermischen Kraftwerke langsam von Solar- und Windkraftwerken ersetzt werden.
Sehr unterschiedliche Speicher: Strom, Lebensmittel, Daten, und sehr unterschiedliche Reichweiten, aus dem Vortrag von  Julian Jansen, IHS Markit

Regelenergie

Um das Problem genauer zu verstehen, muss man wissen, dass ein normales Kohlekraftwerk nicht bei voller Leistung läuft, sondern für kurzzeitige Schwankungen immer noch eine gewisse Leistungsreserve (~10%) vorhält. Kommt es jetzt zu einem zusätzlichen Bedarf, weil gerade eine große Maschine eingeschaltet wird, muss einfach die Leistung etwas hochgeregelt werden. 
Bei einer Solarzelle oder auch bei einem Windkraftwerk geht das nicht, diese werden normalerweise hundert Prozent der Leistung an das Netz abgeben, obwohl theoretisch auch weniger möglich wären, was aber offensichtlich eine Verschwendung wäre.
Einsatzgebiete von großen Batterien zur Netzstabilisierung, Quelle: eon

Um diese Regelleistung ohne den Aufwand eines herunter geregelten Kohle-, Erdgas- oder sonstigen thermischen Kraftwerks zu managen, scheinen Batterien zusammen mit leistungsfähiger Elektronik einen guten Dienst zu tun.  

Typisch an diesen Systemen ist, dass sie nur sehr kurz Energie liefern können, typische Werte liegen unter einer Stunde.

Speicherbedarf für große Energiemengen, Dunkelflaute

Eine der spannendsten Fragen in der Speicherbranche ist der Bedarf an Speicher für große Energiemengen, also nicht um kurzzeitig das Netz zu stabilisieren sondern um etwa elektrische Energie vom Tag aus Solarenergie in die Nacht zu verschieben.

Hier war ein Vortrag von Dr. Björn Peters interessant, der für Deutschland die Situation mit 100% Wind und Solarenergie berechnet hat. Sind 120 GW PV und 120 GW Wind installiert, so genügt dies langfristig theoretisch um den Strombedarf zu decken. Allerdings müssen ausreichend Speicher zur Verfügung stehen. In dem Modell wurde ein perfekter Speicher mit 100% Wirkungsgrad angenommen (Reale Speicher liegen eher bei 80 %, aber die Differenz ist nicht entscheidend).

Die Überraschung ist, dass für die Phasen ohne Wind und Sonne, sogenannte Dunkelflaute, massive Speicherkapazitäten nötig sind. So wäre zur überbrückung der Dunkelflaute im Herbst 2016 etwa 80.000 GWh Speicherkapazität erforderlich gewesen. Bedenkt man, dass nur 40 GWh in Deutschland verfügbar sind, wird das Problem offensichtlich.
Die Dunkelflaute, der gefährliche Elefant, wie er in der Zeitschrift Sonne Wind & Wärme dargestellt wird.

Vermutlich können solche Phasen nur mit thermischen Reservekraftwerken, ob dies nun Blockheizkraftwerke oder Gasturbinen sind, überbrückt werden.

Alternativ könnte man Stromleitungen nach Afrika oder Sibirien legen, die insgesamt 8.000 km lang wären und eine Leitungskapazität von mindestens 50 GW benötigen, leider, im aktuellen politischen Umfeld, eher schwierig umzusetzen.

Wachstum des Speichermarkts

Sicher werden die extremen Speicher nicht so schnell kommen, aber das Wachstum der Speicher ist größer als das Wachstum der PV und Wind Märkte, da an vielen Orten das Netz langsam an die Grenzen seiner Steuerfähigkeit kommt. 

Speicherbedarf im UK erreicht 15 GW innerhalb von 15 Jahren

In mehreren Vorträgen wurden Folien aufgelegt, die den Speicherbedarf, zumeist aufgeschlüsselt nach Hausbatterien ("behind the meter") und anderen Batterien im Netz, analysierten. Zumeist wird hier nicht von Speicherkapazitäten sondern von Leistungen gesprochen, da es noch um die Stabilisierung des Netzes geht. 
Gegenüber heute ist ein Faktor 10 bis 100 innerhalb von 15 Jahren zu finden.
Der größte Energie Speichermarkt ist wohl in 2017 in Südkorea! (Quelle: Jansen, IHS Markit)

Warum besuche ich solche Konferenzen?

Am Ende der Konferenz hat man immer das Gefühl, die Aussagen schon ein dutzend Mal gehört zu haben. Allerdings ist auch interessant, was fehlt, niemand hat mehr vom Power to Gas gesprochen und Wasserstoff ist ebenfalls nicht vorgekommen. 
Sehr gefreut hat mich, dass der Moderator meine Speichertechnologie, Gravity Storage, als mögliche Lösung für Großspeicher erwähnt hat. 
Ein weiterer wichtiger Punkt sind immer die Gespräche in der Kaffeepause, man erfährt viel über Märkte und kann seine Kontakte gut pflegen.

Bis zur nächsten Konferenz, weitere Konferenzberichte finden sich unter:

Sonntag, 26. März 2017

Wieviel Solarzellen und Speicher braucht die Welt?

Solarenergie für Deutschland Europa und die Welt

Es gibt in der Solar-Szene ein Bild (Bild 1), dass vermutlich fast jeder kennt, es zeigt, wie groß der Flächenbedarf ist, wenn die Welt auf Solarenergie umgestellt wird. Es wurde, soweit mir bekannt, von Frau Nadine May erstmals in ihrer Diplomarbeit bei der DLR veröffentlicht [1]:
Bild 1: Flächenbedarf für Solarkraftwerke, nach Nadine May [1]
Dieses Bild ist weit verbreitet und soll auf seine Richtigkeit überprüft werden. Zunächst ist zu bemerken, dass Algerien das Land das die Quadrate für die Welt und Europa enthält und Libyen, das Land das möglicherweise die Deutschen Solarkraftwerke bekommt, keine Kolonien mehr sind.

Die Quadrate haben eine Kantenlänge von: Welt 254 km,  Europa 110 km und Deutschland nur 45 km.

Wie groß ist der Energiebedarf der Welt?

Der Energieverbrauch der Welt wächst ständig (Siehe Bild 2), daher kann man schlecht den Energiebedarf nur mit einem Bezugsjahr angeben. Aktuell liegt der Bedarf bei über 30.000 TWh (30.000.000.000.000 kWh) wenn man die Angaben der Internationalen Energieagentur auswertet. Ich habe dabei Umwandlungsfaktoren für bestimmte Energieformen zu Strom berücksichtigt.

Bild 2: Weltweiter Energiebedarf für Strom, Transport und alle anderen Formen
Diese Energie soll nun mit Solarzellen aufgefangen werden und in Strom umgewandelt werden. Dabei gibt es mehrere Faktoren zu berücksichtigen, den Wirkungsgrad, die Einstrahlung im Lauf eines Jahres und die notwendige Speicherung der Energie für die Nacht.

Solarzellen aus Silizium erreichen einen Wirkungsgrad von rund 20% und sind aktuell die günstigste Methode in großem Umfang Strom aus Solarenergie zu erzeugen.

Die Einstrahlung ist in verschiedenen Regionen der Erde sehr verschieden, insbesondere muss man immer zwischen direkter und globaler Einstrahlung unterscheiden. Für die Photovoltaik (PV) spielt nur die globale Einstrahlung eine Rolle. Daher wird nur diese Betrachtet.

Bild 3: Globalstrahlung senkrecht zum Boden (Quelle: WEC [2])
Auf der Karte sieht man, dass viele Gebiete eine jährliche Einstrahlungsleistung von 2000 kWh pro Jahr haben, insbesondere die Sahara, aber auch auf anderen Kontinenten (Ausnahme: Europa!), derartig gute Standorte zu finden sind.

Notwendige Flächen

Die notwendigen Flächen der Solarzellen kann man jetzt einfach berechnen. Für die Welt benötigen wir 30.000.000.000.000 kWh im Jahr, da ein Quadratmeter eine Einstrahlung von 2000 kWh hat wären das theoretisch 15.000.000.000 m² oder 15.000 km². 
Jetzt kommt der Wirkungsgrad ins Spiel, da nur 20% in Strom umgewandelt werden, benötigen wir die fünffache Fläche, das sind 75.000 km². Allerdings muss man die Zellen aufbauen können und benötigt Wege und weitere Flächen für Wechselrichter und Speicher, das dürfte den Flächenbedarf verdoppeln. Damit liegt man bei 150.000 km².
Der Transport und die Speicherung von Energie, die zwingend nötig ist, da Nachts die Sonne nicht scheint, wird etwa weitere 25% der Energie auffressen, damit wären wir bei 200.000km².

Dies entspricht einem Quadrat von 448 km Kantenlänge, ganz grob gesagt doppelt so groß wie in der Zeichnung.

Faire Welt

Aktuell verbrauchen nur wenige Menschen viel Energie und viel Menschen wenig Energie. Ich bin überzeugt, dass Langfristig alle Menschen mindestens den Lebensstandard wie in Deutschland erreichen wollen. Dafür dürfte pro Person eine Energiemenge von 15.000 kWh/a notwendig werden. Es gibt einige Länder, die bereits heute einen deutlich höheren Energiebedarf haben aber wir wollen hoffen, dass Energieeffizienz auch eine gewisse Einsparung bewirkt. 

Bei einer Weltbevölkerung von 8 Mrd. Menschen wird das einen jährlichen Energiebedarf von 120.000 TWh oder 120.000.000.000.000 kWh, also das Vierfache des bisherigen Bedarfs, ergeben. Damit würde sich die Fläche mit Solarzellen immerhin auf ein Quadrat mit einer Kantenlänge von 1000 km vergrößern (Bild 4).

Bild 4: Die Welt vollständig mit Solarenergie in Zukunft versorgen

Weiterhin ist die Fläche von einer Million Quadratkilometer immer noch klein im Vergleich zur Sahara, aber ein ernsthafter Teil der festen Erdoberfläche. Die Welt hat etwa 15 Millionen Quadratkilometer sonnige Wüsten, das bedeutet, etwa 1/15 dieser Fläche muss in Zukunft mit Solarzellen für die Energieversorgung verwendet werden. 

Speicherbedarf

Geht man davon aus, dass die Energie mindestens für einen Tag gespeichert werden können muss, so erfordert das eine Speicherkapazität von 330 TWh (330.000 GWh), 
zum Vergleich: Deutschland hat Pumpspeicher mit einer Kapazität von 0,04 TWh. 
Sollten große Lageenergiespeicher mit 80 GWh Kapazität (500 m Durchmesser) das Problem lösen, müssten davon beachtliche 4000 Stück gebaut werden.

Will Elon Musk das mit Batterien aus der Gigafactory lösen, so muss die Gigafactory bei einer geplanten Kapazität von 50 GWh pro Jahr, über 6000 Jahre Produzieren oder 400 Gigafactories 15 Jahre lang produzieren um erstmals die Kapazität zur Verfügung zu stellen und immer weiter Produzieren, da Batterien nach 15 Jahre ersetzt werden müssen.

Gigantische Umstellung

Soll die weltweite Umstellung auf Solarenergie gelingen, werden gewaltige Bauten in Form gigantischer Solarfelder nötig. Sicherlich reichen dafür nie die Dachflächen. Weiterhin geht es um Investitionen die in der Größenordnung des globalen Bruttosozialprodukts von einem Jahr liegen (80.000 Mrd. $). Das klingt viel, ist aber von der Menschheit zu schaffen, insbesondere wenn man bedenkt, dass danach Energie sauber, ohne CO2 und zu geringen Kosten produziert wird.

Ich glaube, wir schaffen das!