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 ergibt Sinn, da nur global die Probleme von Peak Oil oder das CO2 Problem gelöst werden können. Umso 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 in nächsten 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 gleichen Leitungen 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

Speicher für große PV Anlagen

Energiespeicher für große Solarfelder

Zunehmend werden für die Wüsten dieser Welt Solarkraftwerke geplant, um die regionalen Bedürfnisse des Energiebedarfs zu decken. So wurden allein im Jahr 2015 mehr als 59 GW PV neu installiert [1]. In Regionen mit schwächeren Stromnetzen sind diese schnell überfordert, daher müssen dringend Speicher als Zusatzelement bereits in der Projektentwicklung berücksichtigt werden.

PV und/oder CSP

Bis heute werden PV Großkraftwerke nicht zusammen mit Speichern betrieben, da es an preiswerten Technologien mangelt und noch kein akuter Bedarf existiert. Konzentrierende Solarkraftwerke (Concentrated Solar Power CSP) nutzen bereits heute große Salzspeicher die mithilfe der Solarenergie erwärmt werden und damit in den Nachtstunden über eine Dampfturbine Energie liefern können. 

Prinzipieller Aufbau eines CSP Kraftwerks mit Wärmespeicher (Quelle: nest)

In der abgebildeten Anordnung benötigt man neben dem Solarfeld, das zumeist in Form von Rinnenkollektoren aufgebaut ist, einen großen Salzspeicher, einen Wärmetauscher, eine Dampfturbine und insbesondere einen Condenser, der erhebliche Mengen an Wasser verbraucht, wenn er effizient betrieben werden soll. 

Modell einer CSP Anlage mit Rinnenkollektoren in der Wüste

Das Kernproblem sind aber die Kollektoren, die aus schwenkbaren Spiegeln bestehen und daher viel empfindliche Mechanik enthalten um mit einer Präzision von weniger als 0,5 Grad dem Stand der Sonne nachgeführt zu werden. Zudem wird durch ein zentrales Rohr ein heißes Öl unter hohen Druck transportiert, daher benötigt man bewegliche Dichtungen die das System letztendlich Wartungsintensiv und damit teuer machen.

Solange PV teuer war, und das liegt ja weniger als 10 Jahre zurück, dass ein kW PV über 5.000$ gekostet hat, war PV gegenüber thermischen Solarkraftwerken keine Alternative. Aber die Zeiten haben sich geändert. Die Installation von PV Großanlagen kostet pro kW nur noch 1.300$ und ist damit erheblich günstiger als CSP, solange man ohne Speicher arbeitet.

PV und Gravity Storage

Photovoltaik ist inzwischen pro installierter Kilowattstunde wesentlich (etwa Faktor zwei) preiswerter als eine CSP Anlage. Daher bietet es sich an, eine PV Anlage mit einer Speichertechnologie zu kombinieren, die wettbewerbsfähig ist.

Prinzipieller Aufbau eines PV-Felds mit einem Lageenergiespeicher (Gravity Storage)

Ein Lageenergiespeicher (Gravity Storage) ermöglicht es, eine kWh so günstig zu speichern, dass eine Kombination von PV und Gravity Storage einen wettbewerbsfähigen Preis in nicht subventionierten Strommärkten ermöglicht.

Modell eines PV-Felds mit einem Großspeicher (Gravity Storage)

Mit dieser Kombination ist es dann möglich, eine kontinuierliche Stromversorgung in der Wüste zu ermöglichen.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist das Fluktuieren der PV Leistung insbesondere bei heraufziehender Bewölkung. Innerhalb von Minuten kann die Leistung eines PV-Felds dann um viele 10 MW abfallen. Das kann von einem Stromnetz das weitgehend auf erneuerbare Energien beruht nicht abgefangen werden. Daher müssen Speicher, die schnell reagieren und große Leistungs- und Energiekapazitäten haben, in das Stromsystem integriert werden.

Schwankung der PV Leistung bei unterschiedlicher Anlagengröße, Quelle [2]

Die Abbildung veranschaulicht, wie steil selbst bei großen PV Anlagen die Stromproduktion ansteigen oder abfallen kann. Es gibt zwar einen gewissen Dämpfungsfaktor durch die große Fläche der Anlage, aber dieser genügt nicht um das Stromnetz stabil zu halten.
Hier sollte erwähnt werden, dass in Ländern wie Deutschland, in dem die Dachanlagen sehr weiträumig verteilt sind, die wetterbedingten steilen Flanken keine entscheidende Rolle für die kurzzeitige Netzstabilität spielen.

PV plus Speicher erlaubt 24h Solarstrom 

Wenn die Welt nicht nur am Tag mit Solarstrom versorgt werden soll sondern auch in der Nacht, dann ist es notwendig gewaltige Speicherkapazitäten aufzubauen. Heute werden vom Kraftwerkspark stündlich 5000 GWh produziert, Selbst wenn in der Nacht der Bedarf nur halb so groß ist, so kann man abschätzen dass für die durchschnittlich 12 Nachtstunden etwa 30.000 GWh gespeichert werden müssen. Zum Vergleich, in Deutschland gibt es eine Speicherkapazität von 40 GWh in Form von Pumpspeichern.
Der Investitionen für den globale Umstieg auf Solarenergie wird sich etwa zur Hälfte aus Speicherkosten und zur anderen Hälfte aus den Kosten für die PV Anlagen zusammensetzen, wie man bei einer genauen Rechnung sieht. Umgelegt bedeutet das eine Investition von 7500 € pro Erdenbürger oder heruntergerechnet auf den Monat, bei 30 Jahren Betrieb, 20 Euro Stromerzeugungskosten pro Monat!
Gelingt diese Investition, dann haben alle Menschen eine stabile, saubere und sichere Stromversorgung.

Quellen:

[1] Joshua S Hill, Global Solar PV Installations Grew 34% In 2015, CleanTechnica, Januar 22, 2016

[2] Ana Dyreson et al, Comparison of solar irradiance smoothing using a 45-sensor network and the wavelet variability model, 43rd ASES National Solar Conference 2014

Energiespeicher für das neue Strommarktdesign

Energiespeicher auf allen Ebenen

Die Speicherkonferenz von Management Circle fand dieses Jahr in Waldorf Astoria in Berlin vom 30.6. bis 1.7 2015 statt. Mehrere hochkarätige Referenten haben einen sehr aktuellen Überblick zu Speichern und den vorhandenen Markt für Speicher gegeben. Ein Highlight war der Vortrag des Zukunftsforschers Lars Thomsen.

Von klein bis Groß

Strom kann in kleinsten Mengen gespeichert werden, dazu eignen sich Batterien sehr gut. Es gibt einen Trend zu Hausspeichern, da für diese bereits heute im Haushalt wirtschaftlich sein können, wie Dr. Thomas Unnerstall, N-ERGIE, zeigte. Seine Annahme basierte auf einem Haushalt, der 1800kWh im Jahr verbraucht. Kommt der Strom aus der PV Anlage für 12ct/kWh und ein Speicher, der aufs Jahr umgerechnet 150€ kosten darf, liegt die Einsparung bei 200€/a.

Entwicklung der Strompreise und der Batteriepreise, aus dem Vortrag von Bernhard Schuhmacher

Ähnliche Betrachtungen wurden von mehreren Referenten angeführt, etwa von Berhard Rindt, egrid GmbH, der im Allgäu die Gemeinde Wildpoldsried betreut. Die Frage ist, nach welchem Kriterium entscheidet sich ein Privatkunde für einen Batteriespeicher. Ist es eine rein ökonomische Betrachtung und welche Verzinsung ist dabei relevant. Während Unternehmen bevorzugt zweistellige Renditen bei einer Investition erwarten, genügt dem Endkunden oft eine höhere Verzinsung als bei der Bank, die heute praktisch bei null Prozent liegt.

Ein weiteres Kriterium ist die von Dr. Ulrich Bünger angesprochene „Autarkielust“ der Bürger. Wer eine Batterie hat, kann sich als unabhängig vom Stromnetz empfinden. Dies lässt sich noch steigern, wenn man die aktuelle Technik von Viessmann in Form eines Mikroblockheizkraftwerks installiert, wie Timm Kehler, Vorstand „Zukunft Erdgas e.V.“, betonte. Wer einen Gasnetzanschluss hat, kann sich damit völlig vom Stromnetz abkoppeln. 

Kopplung Wärme und Strommarkt, eine Kombination aus PV und KWK kann sehr gut optimiert werden, aus dem Vortrag von Dr. Frank May

Viele kleine Batterien ergeben einen Schwarm der theoretisch das Stromnetz positiv unterstützen kann. Dr. Norbert Verweyen, RWE Effizienz GmbH, zeigte auf, dass bereits 2018 ein Haus theoretisch ökonomisch ohne Netzanschluss betrieben werden kann. Weiterhin betonte er, dass es durch kluge Elektronik möglich ist, sehr viel effizienter die einzelnen Ressourcen zu nutzen. So kann das Wasser mit einer Wärmepumpe elektrisch aufgeheizt werden, wenn Strom gerade im Überschuss vorhanden ist. Mit einer guten digitalen Vernetzung im Haus und zwischen den Gebäuden lassen sich dann viele Anforderungen aus dem Stromnetz lösen. Dies betrifft nicht nur die Speicherung von Strom sondern auch die Regelung der Frequenz sowie kurzfristige Leistungsspitzen.

Podiumsdiskussion mit Christoph Gatzen, Lars Waldmann, Nils aus dem Moore, Michael Sterner, Bernhard Schuhmacher

Regelenergie mit Batterien

Der Zubau von fluktuierenden erneuerbaren Energien erfordert neuartige Regeltechnik um das Stromnetz stabil zu halten. PV ist eben kein „Pillepalle“, wie Bernhard Fenn, HEAG, aus Darmstadt betonte. In mehreren Forschungsprojekten wie Web2Energy und SolVer wurde versucht, Speicher für verschiedene Systemdienstleistungen einzusetzen um gerade die Störungen des Stromnetzes durch fluktuierende Einspeisung auszugleichen.

Die Problematik hat Clemens Triebel von Younicos sehr plastisch dargestellt. Was bedeutet bevorzugte Einspeisung ins das Netz, wenn das Netz die Energie nicht mehr aufnehmen kann? Das Netz kann das nicht einfach „Wegschwitzen“ wie er sich in seiner plastischen Art ausdrückte. Daraufhin haben die Ingenieure von Younicos das Problem genauer analysiert. Auf der Insel Graciosa fanden Sie dazu ein hervoragendes Testgelände. Dort werden Dieselgeneratoren und Windgeneratoren parallel betrieben. Bereits bei 35% Wind am Energieanteil gibt es massive Probleme, der Diesel fängt zu stottern an. Die Lösung ist das elektronische Einbinden einer Batterie. Die Betreiber des Stromnetzes auf Graciosa hatten das nicht geglaubt, daher hat Triebel das Stromnetz von Graciosa in Berlin in einer Halle (Kosten 10 Mio.€) nachgebaut. Es zeigt sich, dass die Elektronik derart schnell auf Störungen der Frequenz reagiert, dass auch 65% Energie aus Windstrom möglich sind. Dies wurde dann tatsächlich auf der Insel umgesetzt.

In Deutschland laufen immer noch 30GW an Kraftwerksleistung um das Netz nicht zum Stottern zu bringen indem die rotierenden Massen Regelleistung erbringen. Ein Batteriekraftwerk mit 1 GW Leistung würde die Abschaltung von 10 GW thermischen Kraftwerken (Braunkohlekraftwerke!) erlauben. Um dies im Deutschen Stromnetz zu erproben, hat die WEMAG, wie Jost Broichmann vorstellte, ein Batteriekraftwerk mit 5 MW Leistung aufgebaut. Das System funktioniert sehr gut und verdient sogar Geld, da inzwischen die Regelleistung verkauft werden kann, 210.000 €/MW und Jahr, mit steigender Tendenz. Allerdings gab es einige die große Zweifel haben, ob die Preise für Regelenergie wirklich steigen.

Jenseits von Batterien

Die Kapazität der Gigafactory von Elon Musk liegt bei 50 GWh Batteriekapazität pro Jahr. Um das einzuordnen sei darauf hingewiesen, dass das etwas mehr ist als alle deutschen Pumpspeicherkraftwerke, die 40GWh speichern können. Doch in Europa gibt es viele Speicherkraftwerk, unter anderem in Österreich, die Otto Pirker, vom Verbund in Österreich, vorstellte. Dabei muss man sorgfältig unterscheiden, ein Pumpspeicherkraftwerk kann aktive Wasser hochpumpen wenn günstiger Strom im Netz ist, ein Speicherkraftwerk ist ein Staudamm, hinter dem das zulaufende Wasser gespeichert wird und dann bei Bedarf abgelassen werden kann, Österreich hat Speicherkraftwerke mit 3 TWh Kapazität, in ganz Europa, inklusive Norwegen, Schweiz und Türkei sind es 220 TWh.

Um diese gewaltige Speicherkapazität anzuschließen müssen allerdings Leitungen gebaut werden. So stellte Gunnar Sprengel, Nordlink, eine Stromleitung, die gerade nach Norwegen gebaut wird, vor. Diese Leitung hat eine Kapazität von 1400 MW und ist mit über 500 km durch die Nordsee die längste Leitung in Europa. Was den Laien wundert: Die Isolation basiert  auf ölgetränktem Papier, das die 500.000 Volt Spannung sicher isolieren kann. Mit 2 Mrd. € ist die Leitung nicht ganz billig und die Anschlussanlage mit Umwandlung von Wechselstrom auf Gleichstrom benötigen eine Fläche von jeweils 4 ha an den Enden. Der Wirkungsgrad für einen Zyklus, Windenergie aus Deutschland virtuell eingespeichert, Strom dann aus Norwegen wieder zurück in das deutsche Stromnetz, liegt bei 85%.

Die Einkopplung des Stroms in das Nordlink Kabel, vorgestellt von Gunnar Sprengel

Leitungsbau ist allerdings nicht immer von der Bevölkerung gewünscht, insbesondere wenn die Leitungen durch Bayern gehen, wie Michael Sterner, Professor an der Hochschule in Regensburg, betonte. Das alte Dreieck der Energiewirtschaft, Kosten, Sicherheit, Umwelt, muss um die Gesellschaft erweitert werden. Nur wenn eine Lösung gesellschaftliche Akzeptanz hat, lässt sich eine Lösung wirklich umsetzen.

Die Visionen von Thomson

Der Zukunftsforscher Lars Thomson vom Unternehmen future matters (Videos!), hat uns erst einmal auf den Zeitrahmen eingestimmt, vor neun Jahren gab es eine Fussball WM, an die sich alle erinnern, aber es gab noch keine Apps! Hätte damals jemand gesagt, eine Sonnenfinsternis ist ein Problem für das Stromnetz hätten die Experten aus der Energiewirtschaft gedacht, da hat sich jemand um eine Zehnerpotenz verrechnet. Wer kann sich heute vorstellen, dass die Firma SolarCity in 10 Jahren als Stromunternehmen der vierten Generation den US Strommarkt dominiert.

Fossile Kraftwerke werden in 5 Jahren endgültig die gesellschaftliche Akzeptanz verlieren, was dann?

2026 läuft das letzte Auto mit Verbrennungsmotor vom Band? Die Aussagen waren kühn, aber nicht unrealistisch. Sehr gefreut hat mich, dass er als zukünftige Möglichkeit des Energiespeichers auch den Lageenergiespeicher erwähnt hat!

Weitere Berichte von Energiespeicher-Konferenzen

Windenergie und Speicherbedarf

Weltweite Analyse der Windenergie

Das weltweite Windangebot reicht weit über den Energiebedarf der Menschheit hinaus. Allerdings findet man die meiste Windenergie nicht nahe am Boden sondern in Höhen ab 500m über Grund. Zukünftige Technologien können diese Energie vermutlich effizient nutzen. Dieser Blogbeitrag betrachtet die verfügbare Windenergie und den dazugehörigen Speicherbedarf. Ich beziehe mich dabei im Wesentlichen auf den Artikel Global Assessment of High-Altitude Wind Power [1]

Wo weht der Wind

Will man viel Wind finden, gibt es weltweit zwei einfache Regeln: 

• weit Oben
• in den mittleren Breiten

Die Windstärke steigt bis etwa fünfhundert Meter über Grund stetig an, bleibt dann etwa konstant und erst oberhalb von 2000m nimmt sie weiter zu und ist dann auch sehr konstant. 

Der Wind hat in günstigen Gebieten eine Energie von 10kW/m², Quelle [1]

In günstigen Gegenden, etwa bei New York an der US-Ostküste, erreicht der Wind im Mittel eine Energie von 10kW/m², das ist außerordentlich viel Energie, wenn man bedenkt, dass die mittlere solare Einstrahlung selbst in der Sahara nicht über 0,25kW/m² liegt.

Energieentnahme mit segelnden Winddrachen

Bisher wurden Windkraftwerke immer größer, weil es nur mit einem hohen Turm möglich ist, einen großen Rotor günstig in den Wind zu stellen. Dieser Ansatz hat aber seine Grenze erreicht, weil der notwendige Stahl, um einen Turm 140m hoch zu bauen und sicher zu halten, überproportional steigt. 

Eine sehr interessante Alternative sind Flugdrachen, die an einem Seil gehalten werden und sich selbst optimal in den Wind stellen.

Flugdrachen der Firma Makani Power, Bildquelle: Makani Power

 Dieser Ansatz hat mehrere wichtige Vorteile:

1. Einfaches Erreichen der Höhe mit optimaler Windgeschwindigkeit
2. Wesentlich weniger optische Beeinträchtigung
3. Wesentlich weniger (1/20) Materialbedarf als bei Windkraft-Türmen
4. Konstanter Wind

Allerdings gibt es auch erhebliche ungelöste Probleme:

1. Gefährdung des Luftverkehrs
2. Absturz auf bewohntes Gebiet
3. Vollautomatischer, zuverlässiger Betrieb
4. Materialfragen für Seil und Stromleitung

Wie so oft am Anfang einer neuen Technologie erscheinen die Probleme gewaltig, aber wer hätte gedacht, dass aus einen kleinen Doppeldecker ein A380 wird, der völlig zuverlässig fast 1000 Menschen bei 800km/h um die halbe Welt in 12.000m Höhe fliegen kann?

Speicherbedarf

Gegenüber den konventionellen Windkraftwerken benötigt man bei segelnden Windkraftwerken in großer Höhe wesentlich weniger Speicher um eine sehr zuverlässig Energieversorgung zu erreichen. In der Studie wurde dies für mehrere große Städte, wie New York durchgerechnet. Es zeigt sich, dass für einer 99,9% Verfügbarkeit des Windstroms und Stromleitungen mit 200km Länge, eine Speicherkapazität von 0,1kWh pro Quadratmeter Segelfläche nötig ist, wenn man mit 0,1kW/m² Windkraftwerksleistung arbeitet. Siehe Abbildung.

Speicherbedarf bei vollständiger Versorgung mit Windenergie. Längere Leitungen reduzieren wie üblich, den Speicherbedarf. Quelle [1]

Mit anderen Worten, um eine Stadt mit einem Energieverbrauch von 1GW mit Wind zuverlässig zu versorgen, benötigt man 10 Quadratkilometer Segelfläche und 1GWh Stromspeicher (Kleiner Pumpspeicher). Will man die Segelfläche auf einen Quadratkilometer reduzieren, vergrößert sich der Speicherbedarf auf 1.000GWh, mehr Speicherkapazität als alle Pumpspeicher weltweit haben.

Eine ähnliche Abhängigkeit hat man auch bei konventionellen Windkraftwerken.

Klimafolgen

Würde man tatsächlich die weltweite Energieversorgung auf hochfliegende Winddrachen umstellen, benötigt man dafür, bei optimaler Lage, eine Drachenfläche von 500km², eine überschaubare Fläche. Unvergleichlich weniger als eine Vollversorgung mit Solarenergie.

Der klimatische Effekt besteht darin, dass sich der Wind etwas reduziert, was die Ausgleichsströmungen zwischen Tropen und Polarregion abschwächt. Letztendlich würde es um ein Grad (-1°K) kälter!

Jede Form der Energieerzeugung hat eben Nebenwirkungen, in diesem Fall würde die Nebenwirkung günstig der Klimaerwärmung entgegenwirken.

Fazit:

Hochfliegende Windkraftwerke haben ein sehr großes Potential, dass allerdings mit heutiger Technik schwer zu erschließen ist. Aber die Aufgabe ist nicht annähernd so schwer, wie eine kontrollierte Kernfusion. Daher sollte man in diesem Bereich auch in Deutschland mehr forschen. 

Ähnliche Themen:

• Stromleitungen als Energiespeicher
• Wie oft braucht man Energiespeicher

Quellen:

[1] Cristina L. Archer und Ken Caldeira, Global Assessment of High-Altitude Wind Power, doi:10.3390/en20200307

Zukünftiger Speicherbedarf mit Crowdsourcing ermittelt

Wachstum Solarstrom und Windenergie

Die entscheidende Frage für den Speicherbedarf ist, wie schnell werden die fluktuierenden erneuerbaren Energien wie Solarstrom und Windenergie ausgebaut. Die Szenarien der Regierung gehen von einer Ausbauquote von 80% bis 2050 aus. Das erscheint ambitioniert, doch das ist ein geringes Wachstum. Aktuell werden 28 TWh Photovoltaikstrom und 46 TWh Windenergie erzeugt. Zusammen sind das 12,4% des gesamten Stroms (600TWh), der in Deutschland produziert wird. Will man 80% erreichen, müssen 480 TWh Strom aus Wind und Sonne erzeugt werden. Um das Ziel innerhalb von 37 Jahren zu erreichen, muss die Kapazität jährlich um 5% zunehmen. 

Das Wachstum von Solar- und Windenergie in Deutschland,
tatsächliche Werte in Rot, 2012 als rotes Kreuz.

In den vergangenen Jahren ist die Stromproduktion aus fluktuierenden, erneuerbaren Quellen aber jährlich um mehr als 15% gewachsen. 

Prognose durch Umfrage

Wie kann man die Zukunft richtig einschätzen? Die Institute wie Fraunhofer IWES oder die Bundesnetzagentur gehen von sehr geringem Wachstum, etwa 5% pro Jahr aus. Dabei ist anzumerken, dass die neuere Prognose von der Bundesnetzagentur zu einem etwas höheren Wert tendiert, siehe Abbildung oben.

Ich habe auf dem Blog eine Umfrage durchgeführt, die Frage lautete:

Wird noch vor 2025 die 15% Trendlinie Wachstum Solar&Windenergie gerissen?

Die möglichen Antworten waren:

• Ja, das Wachstum fällt dauerhaft unter 15%
• Nein, das Wachstum von Wind und Solarenergie bleibt ungebrochen

Beide Antworten waren fast gleich häufig (19:17), damit lautet die Antwort, das Wachstum von 15% ist die wahrscheinlichste Variante.

Bedeutung für Energiespeicher

Die Bedeutung des Ergebnisses für Energiespeicher lautet, ab 2027 werden über 80% des Stroms aus Solar- und Windkraftwerken geliefert. Es ist offensichtlich, dass bei einen so hohen Anteil fluktuierende Stromerzeugung der Bau von Speichern für den überschüssigen Strom sehr sinnvoll wird, andernfalls muss man bei Überproduktion den Strom "wegwerfen" oder, wie die Energiebranche das nennt, abregeln.

Allen die an der Umfrage teilgenommen haben, darf ich noch meinen Dank aussprechen, Sie haben eine wichtige Information geliefert!

Weitere Aspekte der Energiewende:

• Paradoxe Marktsignale
• Investitionsvolumen neue Speicher
• Speicherstudie der KfW

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.

Energy Storage World Forum, Konferenz Bericht

Energy Storage World Forum Berlin 2013

Auf dem 6. Energy Storage World Forum, 22.-26. April 2013 in Berlin, gab es einen guten Überblick zur weiteren, weltweiten Entwicklung auf dem Speicher-Mark. Vorab, aktuell ist der Speicherbedarf noch sehr gering, und Björn Peters von der Deutschen Bank wies auf die Probleme bei der Kostenstruktur hin. Günstige Batterien haben weniger Lebensdauer, etwa Blei Akkus, gute Batterien mit vielen Zyklen, wie etwa Lithium Akkus, sind sehr teuer,  wie Olivier Vallee von NATUREO FINANCE betonte.

Podiumsdiskussion auf dem Forum

Preis und Bedarf

Marco Anuedi vom London Imperial College zeigte einige sehr interessante Diagramme, in denen er den Zusammenhang zwischen Speicher Preis, Auslastung und Stromerzeugungskosten darstellte. Entscheidend ist dass der Markt für Speicher explodieren würde, könnte man für unter 100€ eine kWh abspeichern. Das ist aber mit Batterien kaum zu schaffen. Auf der anderen Seite können Pumpspeicherkraftwerke bereits heute zu diesem Preis Speicherleistungen anbieten.

Wie viel Geld kann mit Speichern eingespart werden? Marco Anuedi vom London Imperial College.

Spezielle Märkte

Aktuell gibt es einige Marktnischen, sehr erstaunlich war etwa ein Kohlekraftwerk in Chile, das kurze, extreme Lastspitzen mit einem 10MW Lithium Puffer abfängt (Stichwort primäre und sekundäre Regelung) . Ein weiterer Aspekt ist die Optimierung von Diesel Generatoren, im Umfeld weniger großer Verbraucher, etwa Landwirtschaft mit Bewässerung und Strom aus Photovoltaik. Hier kann eine Batterie mit entsprechender Steuerung das System erheblich optimieren, wie Mathias Vetter vom ISE in Freiburg erläuterte.
Robert De Groot von ENEXIS aus Holland stellte ein Batterieprojekt für Siedlungen dar. Eine Batterie mit 2h Kapazität kann 75 % der Netzausfälle verhindern, im Beispiel wurde eine 232kWh Batterie für einen Straßenzug, mit  einigen hundert Bewohnern und 186kW verteilte PV-Anlagen, erfolgreich installiert.
Elektrische Omnibusse würden sich bereits heute im Stadtverkehr klar lohnen, leider sind die Kommunen "dumme" Investoren, ein Dieselbus kostet nur 100.000€ und den teuren Diesel muss man erst nach der Wahl zahlen! Einen Lithium-Ionen-Akku Bus muss man im aktuellen Haushalt zahlen, die erheblichen Einsparungen kommen aber erst im Laufe von 10-20 Jahren.

Stromspeicher sind wohl ein Thema für Männer?

Der Stromzähler

Bemerkenswert ist die Aufteilung des Speicher Marktes in die Kategorie "vor dem Zähler" und "hinter dem Zähler",  die von Olivier Vallee eingeführt wurde. Im Stromnetz gibt es den Preis, wie er von der Strombörse festgelegt wird. Dieser Preis schwankt heute in Ländern mit viel PV wenig, etwa in Deutschland. Völlig anders ist die Situation hinter dem Zähler, dort entscheidet  der Verbraucher zwischen eigenem PV Strom und Strom aus dem Netz. Inzwischen ist der PV Strom billiger als der private Strom, was an den extrem vielen Steuern und Abgaben bei Haushaltsstrom liegt. Damit entsteht ein Geschäftsmodell für Batterien.
Dies ist in Deutschland sehr ausgeprägt, da hier ab Mai 2013 erstaunlicherweise sogar Subventionen für Batterien gezahlt werden. Auf diesen deutschen Markt hat Shu Shu aus China hingewiesen, und so werden uns die Chinesen bald nicht nur mit PV beliefern sondern auch mit Batterien.
Einen Vorteil haben diese Batterien bei richtiger Nutzung für das Stromnetz, sie können die Stromspitzen am Mittag abbauen, wie Hauptmeier von der RWE erläuterte. Wenn man es etwas spitz formulieren will, Batterien im Haus ermöglichen den kontinuierlichen Betrieb von Braunkohle Kraftwerken
Wind auf der Insel Irland
Eine bemerkenswert Entwicklung gibt es in Irland, von der Denise O Leary, ESB, Irland, zu berichten wusste  Inzwischen gibt es viele Windturbinen und aufgrund der guten Windverhältnisse werden es immer mehr. Das führt dazu, dass Nachts die Windturbinen abgeregelt werden. Die Lösung ist ein HGÜ (Hochspannung Gleichstrom Übertragung) Kabel nach Wales und England mit einer Kapazität von 5GW, das dürfte Rekord sein, um den Strom Nachts nach England zu exportieren.

Zunehmend weniger Auslastung der konventionellen Kraftwerke, Bernd Calaminus von der EnBW

Technische Batterie Entwicklung

Noch immer ist nicht klar, welche Batterien optimal sind. Vermutlich werden dauerhaft mehrere Systeme, je nach Einsatzgebiet, Verwendung finden.
Bei den flow Batterien  hier werden die Elektrolyten in Tanks gespeichert, gibt es inzwischen viele verschiedene Systeme, die teilweise auch mit organischen Substanzen arbeiten, wie Marcel Skoumal aus Spanien darstellte.
Bei Lithium Akkus gibt es ebenfalls Optimierung, man versucht bis zu 5V Zellspannung zu erreichen.
Die Entsorgung, oder besser das Recycling von Lithium-Ionen-Akkus könnte in Zukunft so aussehen, dass degenerierte Batterien (80% Rest-Kapazität) aus Autos in stationären Speichersystemen weiterarbeiten, da dort das Gewicht nur eine untergeordnete Rolle spielt.
Ein erhebliches Problem bei der Finanzierung von Batterieprojekten stellen technische Sicherheitsprobleme dar, Stichwort Dreamliner und andere Fälle, in denen große Batteriesysteme in Rauch aufgegangen sind, hier bekommen Investoren kalte Füße, da ein unbekanntes Risiko vorliegt.

Solarer Wasserstoff

Eine alte Idee ist die solare Wasserstofferzeugung. Allerdings ist das nicht lohnend, wenn man daraus wieder Strom erzeugen will, ein Diskussionsteilnehmer wies darauf hin, dass dabei nur 25% wieder aus der Steckdose kommen. Die Verluste bei der Elektrolyse liegen großtechnisch bei 40% (Grund ist die notwendige Überspannung), dazu kommt 8% Verlust durch Kompression und bei der Umwandlung in der Turbine weitere 50%. Allerdings ist es sehr interessant den Wasserstoff direkt an die Chemieindustrie zu verkaufen. Dort wird bisher der Wasserstoff aus Methan unter Abgabe von CO2 gewonnen. Der Markt ist mit 16 Millionen Tonnen erheblich. Auf jeden Fall ist das erstmal sinnvoller als aus solarem Wasserstoff Methan zu erzeugen wie das die Anhänger von Power-to-Gas propagieren.
Eine Publikumsumfrage Wasserstoff oder Lithium-Ionen-Akku als Speichersystem ist unentschieden ausgegangen. Das Hauptproblem bei Wasserstoff sind wohl längerfristig die Brennstoffzellen.

Fazit

Weltweit gibt es einen Roll-out der fluktuierenden Erneuerbaren Energien wie Solarenergie und Windkraft, aber nur an wenigen Stellen ist das Speichern schon sinnvoll. Da zunächst Nischen bedient werden, haben Batterien eine gute Chance.

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

http://energiespeicher.blogspot.de/2013/11/konferenzberichte.html

Energy Storage Düsseldorf 2013, Eindrücke

Am 18. und 19. März 2013 fand die Energy Storage in Düsseldorf statt.
Die international sehr gut (500+ Teilnehmer) besuchte Konferenz bot einen aktuellen Einblick in die Aktivitäten der Branche.

Janice Lin vom kalifornischen Speicherverband CESA

Jeremy Rifkin, USA, hat den aktuellen Wandel in der Energieproduktion hin zu Wind und Sonne als die dritte industrielle Revolution bezeichnet, nach Kohle und der Einführung des Strom- und Telefonnetzes.
Sehr viele Vorträge haben wieder auf die Speicherung mit Batterien verwiesen, allerdings benötigen Batterien erhebliche Flächen, wie das folgende Bild zeigt:

Der Flächenbedarf von Batterien ist erheblich.

Eine 5MWh Vanadium Redox Flow Batterie benötigt offenbar mindestens 500m². das sind 10kWh pro m², was der Seefläche eines Pumpspeichers bei gleicher Kapazität entspricht. Ehrlich gesagt ist mir da der See lieber als das Chemiesystem mit seiner Betonplatte.

Kalifornien geht nach Vorne

Der Bundesstaat Kalifornien hat bei Speichern vermutlich bald große Bedeutung, da dort der Ausbau der Photovoltaik sehr schnell voran schreitet. Wie Janice Lin gezeigt hat, wird es bereits ab 2015 dort zwei sehr ausgeprägte Bedarfsspitzen, Morgens und Abends, geben. Um diese als "Entenkurve" (Duck Curve) bezeichnete Situation auszugleichen sind sehr große Speicher nötig.

Duck Curve

In Gesprächen mit dem kalifornischen Speicherverband gab es ein reges Interesse am Lageenergiespeicher, der genau die Anforderungen, wenig Flächenbedarf, hohe Speicherkapazität, gut erfüllen könnte.

Peter Altmeier ohne Geld

Der Bundesumweltminister hielt zwar eine engagierte Rede, in der er die Verantwortung der Branche betonte, selbst die besten Lösungen zu finden, aber leider hat er kein Geld um Förderung oder Forschung zu finanzieren.

Bundesumweltminister Peter Altmeier hinter dem Namenschild von Michael Sterner

Er führte als Gründe für den Geldmangel unter anderem die CO2 Zertifikat Regelung auf, die noch unter Trittin nicht besonders vorausschauend eingeführt wurde. Da heute die Zertifikate, nicht zuletzt wegen der Energiewende, sehr billig sind, sind die Erlöse daraus gering, mithin sind die Mittel für die daran gekoppelten Forschungsmitte nicht vorhanden, so habe ich das zumindest verstanden.

Bundesverband gegründet

Am Abend des 19.3.2013 gab es die erste Sitzung des Bundesverbands Energiespeicher Deutschland, BVES. Der Verband wird von Eicke Weber, Institutsdirektor des ISE in Freiburg geleitet. Bereits jetzt hat der Verband, bei dem ich ein persönliches Mitglied bin, über 50 Mitglieder aus allen Bereichen der Energiespeicher-Technik, den Betreibern von Speicherkraftwerken bis hin zu Bauunternehmen.

Es ist zu hoffen, dass es damit gelingt, die Politik noch stärker auf das drängende Problem der Energiespeicher aufmerksam zu machen.

Weitere Berichte von Energiespeicher Konferenzen:

http://energiespeicher.blogspot.de/2013/11/konferenzberichte.html

Jahresdauerkennlinie und Speicher

Woher kommt der Strom

Der Strom kommt jede Minute aus anderen Energiequellen. Und der Strombedarf ist in jeder Minute anders!

Diese zwei Tatsachen kann man mit einer Grafik veranschaulichen, in der man einfach über ein Jahr aufträgt, wie viel Strom aus welcher Quelle geliefert wird, wie in der ersten Abbildung.

Stromverbrauch im Jahr 2007, Quelle: IWES Gutachten Pumpspeicher 2010

Die schwarze Kurve zeigt, wie viel Strom tatsächlich verbraucht wurde, die unteren Kurven zeigen die Erzeugung durch verschiedene erneuerbare Energiequellen. Die "Rest" dazwischen wurde mit konventionellen Kraftwerken (Braunkohle, Steinkohle, Erdgas und Kernenergie) erzeugt.

Da diese Darstellung nicht besonders gut zu lesen ist, gibt es eine alternative Darstellung, die Jahresdauerkennlinie. Dabei zählt man, in wie vielen Stunden eine bestimmte Last auftritt und sortiert das Resultat zu einer hübschen Kurve:

Jahresdauerkennlinie 2007, Quelle: Fraunhofer IWES und BEE 2009

Damit erkennt man, dass 8000 Stunden lang der Verbrauch größer als 45GW war, 6000 Stunden lag er sogar über 53GW. Dies ist für die Planung von konventionellen Kraftwerken (Hier der graue Bereich) sehr praktisch, da damit die Auslastung schnell erkennbar ist. 

Wesentlich schwieriger wird es, wenn man damit die fluktuierenden erneuerbaren Energiequellen einträgt. Diese halten sich nicht an den Bedarf und werden erzeugt, wenn eben gerade der Wind weht oder die Sonne scheint. Erstaunlich ist es, wenn man in der Literatur verschiedenen Jahresdauerkennlinien der Zukunft vergleicht.

Hier ein Beispiel der Leitstudie "Langfristszenarien und Strategien für den Ausbau der erneuerbaren Energien in Deutschland bei Berücksichtigung der Entwicklung in Europa und global Schlussbericht"

Aus dem Bundesumweltministerium:

Strom im Jahr 2050, Quelle: BMU - FKZ 03MAP146

Das erstaunliche an dieser Studie ist, obwohl offensichtlich während der Spitzenlaststunden, siehe rechten Teile der Abbildung, die Sonne scheint, wird die Solarenergie (Photovoltaik) fälschlicherweise in der Jahresdauerkennlinie im wesentlichen bei den Schwachlaststunden eingetragen, wenn gerade niemand Strom braucht. 

Die Konsequenz ist, dass man dann mit unverhältnismäßig viel Speicher rechnen muss. Ob dieser Fehler Absicht oder einfach nur Inkompetenz ist, kann ich nicht beurteilen. Zumindest in der Studie des IWES, Abbildung darüber, ist die Photovoltaik noch links, das bedeutet bei hoher Netzlast, eingetragen.

Vereinfachung der Modelle

Alle obigen Modelle und Kurven entstammen umfangreichen Computersimulationen, für die Millionen ausgegeben wurden. Ich befürchte aber, dass es sich dabei um massives "over-computing" handelt. Es wird viel gerechnet, aber wenig nachgedacht. Denn Keiner kann genau sagen wie die Welt im Jahr 2050 aussieht, außer der Aussage, die Sonne wird auch in Zukunft am Tag scheinen und in der Nacht werden viele Menschen schlafen!

Ich habe es daher mit einer stark vereinfachten Jahresdauerkennlinie versucht:

Jahresdauerkennlinie bei 90% Wind- und Solarenergie

Dabei habe ich berücksichtigt, dass die Last unterschiedlich ist, die Sonne maximal 4400 Stunden im Jahr scheint und der Wind unterschiedlich stark weht. 

Man erkennt dabei sofort, dass der Überschuss (150TWh) so gewählt wurde, dass mit einem Speicher damit die Unterdeckung von 100TWh gut ausgeglichen werden kann. Insgesamt wurden 500TWh verbraucht und dafür 267TWh Wind, 178TWh Solar und 50 TWh sonstige Energie erzeugt. Dies könnte man mit einer Windkapazität von 150GW Leistung und 170GWpeak Photovoltaik erreichen.

Die Größe des notwendigen Speichers hängt allerdings von der Anzahl der Ladezyklen ab, bei zehn Zyklen wären 10TWh nötig, wie viele Computermodelle ebenfalls ergeben.

Der große Vorteil von einfachen Modellen ist, man kann wesentlich schneller erkennen, wo wirklich die Eckdaten liegen, zudem erkennt man dabei leichter Logikfehler, wie sie oben wohl gemacht wurden.

Wie oft muss man den Energiespeicher einschalten? Mehr dazu im Blog http://energiespeicher.blogspot.de/2013/05/energiespeicher-langer-laden.html

Stromleitungen als Energiespeicher?

Stromleitungen als Energiespeicher?

Stromleitungen erscheinen auf dem ersten Blick nicht als Energiespeicher. Physikalisch speichern sie zwar aufgrund der Maxwellschen-Gesetze den Strom für einige Millisekunden, aber das ist hier nicht von Interesse.

Stromleitungen reduzieren den Speicherbedarf

Leitungen transportieren und Speicher speichern, so möchte man meinen. Die Sache ist aber etwas komplexer. Das liegt daran, dass bei der Erzeugung von Strom der Zeitpunkt des Verbrauchs und der Zeitpunkt der Erzeugung nicht nur von der Zeit sondern auch vom Ort abhängt. Ein einfaches Beispiel soll das zeigen: Ich koche gerne um 11:30 mein Mittagessen und mein Nachbar kocht es erst um 12:00 und etwas weiter gibt es jemanden der erst um 13:00 mit dem Elektroherd zu kochen beginnt.

Will jeder autark leben, dann hat jeder eine kleine Photovoltaikanlage (1kW) und speichert die Energie in einer Batterie. Wenn jeder zu kochen anfängt, dann holt er aus der Batterie den Strom und mit dem erwärmen der Kochplatten (3kW) leert sich die Batterie.

In unserem zweitem Modell legen wir jetzt Leitungen. Alle Drei haben jetzt ihre Häuser mit Leitungen verbunden. Da die drei Photovoltaikanlagen jetzt verbunden sind, genügt der Strom aus den drei Anlagen jeweils vollständig aus, um jedem Koch seine benötigten 3kW Strom zu liefern. Einen sonnigen Tag mal vorausgesetzt. 

Vorteil von Fernleitungen

Die kleine Geschichte mit den drei Köchen hat aber ein Problem, wenn nämlich nirgends die Sonne scheint, so muss jeder doch wieder seinen Strom speichern. Besser ist es wenn man die Leitungen bis an einen Ort legt, an dem die Sonne scheint, und das Wetter ist oft bereits in hundert Kilometer anders als hier.

Typische Wolkenverteilung in Mitteleuropa (Satellitenbild: EUMETSAT)

Mit den Fernleitungen kann man daher die Speicherkapazität erheblich reduzieren. Bei vollständig lokalem vorgehen, jeder hat Photovoltaik auf dem Dach, will aber keine Stromleitung, müsste man Speicher für fast sechs Monate anlegen, damit man auch im Winter Strom hat. 

Windenergie einbinden

Eine weitere Möglichkeit, den Speicherbedarf zu reduzieren besteht im Energiemix, wenn man neben Solarenergie auch Windenergie nutzt, bekommt man insbesondere im Winter viel Strom. Da der Wind besonders an der Küste stark weht, macht es durchaus Sinn, Leitungen von Norddeutschland nach Süddeutschland zu legen um die Versorgung zu verbessern.

Interkontinentale Leitungen

Interessant ist, wie sich der Speicherbedarf entwickelt, wenn man über sehr große Entfernungen den Strom transportiert. Dann wirkt es sich aus, dass das Wetter nie überall gleich ist. Aufgrund physikalischer Gesetzte hat ein Tiefdruckgebiet immer eine Größe im Bereich von 1000km und ebenso groß sind Hochdruckgebiete. Damit weht irgendwo im Umkreis von 1000km immer der Wind und an einem anderem Ort scheint immer irgendwo die Sonne!

Rechnet man dies in Computermodellen genau aus, so zeigt sich, dass bei einem Mix aus Windenergie (60%) und Sonnenenergie (40%) und perfekten Leitungen in Deutschland "nur" ein Speicherbedarf von sieben Tagen (11TWh) besteht. Wird das Stromnetz über ganz Europa gespannt, dann benötigt man nur zwei Tage Speicherkapazität! (Quelle: Lueder von Bremen).

Kosten und Einsparung durch Leitungen

Es ist daher nicht die Frage, ob man Leitungen für Strom will, sondern wie wenig Leitungen man sich leisten kann, denn Speicher sind sehr teuer. Um 11 TWh zu speichern muss man bei einem Speicherpreis von hundert Euro pro kWh (was ein billiger Pumpspeicher ist) 1.100.000.000.000 Euro ausgeben (1.100 Milliarden), diesen Betrag kann man durch europaweite Leitungen auf 3 TWh reduzieren, dann kosten die Speicher "nur" noch 300 Milliarden. Dadurch hat man 800 Milliarden weniger Kosten für Speicher, die man für Leitungen ausgeben kann. 

Rechnet man das für jeden Einzelnen, bedeutet das: Statt 14.000 Euro Speicherkosten pro Person nur noch 3.800 Euro Speicherkosten bei einem europaweitem Stromnetz. 

Daher verhalten sich Stromleitungen in der Bilanz wie Speicher!

Eine globale Betrachtung im Beitrag
Intercontinental Energy Grid

Norwegen die Superbatterie

Die größten Batterien der Welt können etwa 100 MWh (100.000 kWh) speichern. Das ist die Strommenge, die ein durchschnittlicher Deutscher in 12 Jahren verbraucht. Das größte Pumpspeicherkraftwerk in Deutschland, Goldisthal, hat etwa hundertmal mehr Kapazität, 8,4 GWh Strom. Soviel als Vorrede um die Größenordnungen in Erinnerung zu rufen, über die man spricht, wenn es um die Speicherkapazität geht.

Norwegen, eine andere Dimension

Die Speicherseen in Norwegen spielen in einer anderen Liga, die erschlossene Kapazität beträgt 84 TWh, das entspricht ziemlich genau 10.000 mal Goldisthal. Das bedeutet, auch wenn  wir jedes Jahr 100 solche Speicher bauen würden, erst nach hundert Jahren hätten wir die gleiche Speicherkapazität!

Speichersee ist nicht gleich Pumpspeicherkraftwerk

Ein Speichersee ist ein See, der hinter einen Staudamm liegt und Wasser zurückhalten kann. Je mehr es regnet, um so mehr Wasser fliest in den See und der Wasserspiegel steigt. Wird Strom benötigt, öffnet man eine Schleuse und leitet das Wasser über eine Turbine und erzeugt damit Strom. Der See leert sich langsam. Je nach Bauart und Genehmigung kann der Wasserstand um mehrere zehn Meter absinken und später durch Zufluss wieder ansteigen.

In einem Pumpspeicherkraftwerk ist es zusätzlich möglich, durch Pumpen Wasser in den See zu Pumpen, so dass man nicht auf Regen warten muss, um den See wieder zu füllen.

Virtuelle Pumpspeicher

In der Energiediskussion wird häufig gefordert, mehr Pumpspeicher zu bauen, damit überschüssiger Windstrom aus der Nordsee gespeichert werden kann. Da der Bau von solchen Kraftwerken einerseits teuer und andererseits nicht sehr beliebt bei der Bevölkerung ist, sucht man nach Alternativen.

Eine strategische Alternative sind die Speicherseen in Norwegen, auch wenn sie nicht als Pumpspeicher ausgelegt sind. Und das geht so: Wenn bei uns der Wind wieder mal heftig weht und mehr Strom produziert als genutzt werden kann, überträgt man den Strom über Unterwasserleitungen nach Norwegen. Dort wird der Strom von den Norwegern verbraucht, hauptsächlich um die Häuser elektrisch zu heizen. Gleichzeitig schaltet man aber die Turbinen der Speicherseen ab. Damit bleibt das Wasser im Speichersee bis wieder Bedarf entsteht.

Damit hat man einen virtuellen Pumpspeicher, der bis zu 20 GW Leistung aufnehmen kann, so groß ist nämlich im Durchschnitt der Stromverbrauch in Norwegen und Norwegen hat zu 99% eine Stromversorgung, die auf Wasserkraft basiert.

Stromleitungen nach Norwegen

Das einzige finanzielle Problem bei der Nutzung der größten "Batterie" der Welt, den Speicherseen in Norwegen, sind die Leitungen. Eine Leitung von Deutschland nach Norwegen kostet etwa 1000 € pro kW Leistungskapazität. Das ist eine überschaubare Summe, wenn man bedenkt, dass man für jeden Deutschen etwa ein Kilowatt Kapazität benötigt. In der Summe sind die Zahlen natürlich gewaltig, um 20 GW anzuschließen, benötigt man 20 Mrd.€, eine große Summe, die allerdings im Vergleich zu anderen Investitionen im Bereich der erneuerbaren Energien eher gering erscheint, man bedenke, dass das etwa der Betrag ist, der jedes Jahr in den Ausbau der Fotovoltaik geflossen ist.  

Ungleich teurer wären vergleichbare Batterien, diese würden mindestens 100 €/kWh kosten, oder in anderen Worten, um die 84 TWh von Norwegen mit Batterien abzubilden, benötigt man 84.000 Mrd.€. Eine absolut utopische Summe, die das Bruttosozialprodukt der Erde (56.000 Mrd.€) übertrifft!

Das Problem der Politik

Jedem Ingenieur und auch jedem wirtschaftlich denkenden Menschen erschließt sich sofort der Vorteil dieser Superbatterie. Allerdings sollte auch beachtet werden, dass die Anbindung eines anderen Landes an das Stromnetz in einem derartigen Umfang sorgfältiger politischer Abwägung bedarf. Was würde passieren, wen es zu einem Boykott käme, was wenn die Preise willkürlich verändert werden, aus der Abhängigkeit von Öl haben wir da einiges gelernt. Trotzdem wird es in Zukunft sinnvoll sein, diese Speicherkapazität optimal in eine ökologische, nachhaltige Energieversorgung einzubinden.

Mehr zur Problematik von Stromleitungen und Energiespeicher.

Energieversorgung in Deutschland

Das folgende Papier wurde als Einführungstext für die Sylter Runde "Energie" erstellt.

Sylter Runde Energie

Energie ist die entscheidende physikalische Größe, die es erlaubt, Ordnung in die Welt zu bringen.

Mit der Fähigkeit, gespeicherte Energie in Form des Feuers aktiv für eigene Zwecke zu nutzen, hat die Menschheit praktisch unbegrenzte Fähigkeiten für die Organisation der Welt gewonnen. Dieser mythologisch mit Prometheus verbundene Vorgang ist einmalig, und wir stehen möglicherweise am Ende einer Jahrtausende währenden Entwicklung.

Gespeicherte Energie ist eine Rarität und ist daher schnell konsumiert,  jedoch schwer wieder zu gewinnen, da einmal verbrauchte Energie nicht, wie bei Metallen üblich, recycelt werden kann. Daher werden die Prognosen von Meadows über die Grenzen des Wachstums auch zuerst an den endlichen Vorräten gespeicherter Energie in Form von Öl, Gas und Kohle sichtbar. Zudem ist die CO₂-Müllhalde Atmosphäre endlich und droht unter dem hohen CO₂-Anteil, gefährliche Veränderungen des Strahlungshaushalts zu verursachen, die eine unkontrollierbare Veränderung der Temperatur der Biosphäre bedeutet. Daher wird es zwingend zu einer Entcarbonisierung der Energieproduktion kommen.

Die Alternativen bei der Energieerzeugung sind überschaubar, es kann die in Uran und Thorium gespeicherte Kernenergie mit geeigneten Reaktoren in Strom umgewandelt werden. Dieser Weg verursacht verschiedene Probleme, die unsere Gesellschaft in Deutschland nicht tragen will. Letztendlich ist aber auch die Nutzung der Kernenergie aufgrund der endlichen Ressourcen nicht beliebig lange möglich, da innerhalb einiger Generationen auch diese Speicher erschöpft sind.

Verbleibt als einzige dauerhafte Energiequelle die Sonne, deren Strahlkraft für die nächsten Äonen gesichert erscheint. Sonnenenergie ist zwar scheinbar kostenlos, die Umwandlung in nutzbringenden Strom erfordert aber erhebliche Investitionen, unabhängig davon, ob man eine direkte Umwandlung in Solarzellen, in konzentrierenden Solarkraftwerken oder eine indirekte in Form von Wind- oder Wasserkraftwerken anstrebt. Wobei letztere inzwischen weitgehend alle verfügbaren Gefälle nutzen.

Da die Strahlungsleistung der Sonne, die auf die Erde fällt, um etwa den Faktor 10.000 größer als der Energiebedarf unserer heutigen Zivilisation ist, kann von Energieknappheit im weiterem nicht gesprochen werden. Allerdings gibt es zwei neuartige Engpässe. Zum einem sind die Flächen und Investitionen, die für die Umwandlung der Energie benötigt werden nicht beliebig vorhanden, mithin besteht also ein einfaches wirtschaftliches Knappheitsproblem, das letztendlich über den Preis gemanagt werden kann. So ist es gelungen, dass bereits heute 20% der elektrischen Energie in Deutschland aus erneuerbaren Quellen stammen. Eine Verfünffachung erscheint in den nächsten zwanzig Jahren auch unter pessimistischen Annahmen nicht unmöglich.

Wesentlich schwieriger ist das Problem der fluktuierenden Quellen. Sowohl Wind als auch Sonne und im geringerem Maße Wasser, sind schwankende Energiequellen, die sich nicht an den Bedarf der Gesellschaft anpassen. Daher kann sich entweder die Gesellschaft an den Bedarf anpassen, was heute unter dem merkwürdigen Begriff „smart Grid“ propagiert wird, oder die Energie wird gespeichert.

Das Speichern von Strom ist allerdings eine äußerst schwierige Angelegenheit. Letztendlich gelingt es großtechnisch nur in Pumpspeicherwerken, in denen Wasser von einem tieferen Niveau mittels überschüssiger elektrischer Energie auf ein höheres Niveau angehoben wird. Bei Bedarf treibt das herabstürzende Wasser eine Turbine mit Generator für die Stromerzeugung an.  Der Wirkungsgrad von 80% ist dabei so gut und die Investitionen sind so gering gewesen, dass dieses Verfahren heute eingesetzt wird, um kommerziell Arbitragegewinne aus dem geeigneten Betrieb solcher Anlagen einzufahren.

Betrachtet man die gespeicherten Energiemengen, sieht man allerdings sofort das Problem. Alle Speicherkraftwerke in Deutschland, die im Verlauf von 80 Jahren gebaut wurden, können gerade einmal 30 Minuten das Land mit Strom versorgen. Aus präzisen Analysen und Simulationsrechnungen wird der Speicherbedarf für eine vollständig auf erneuerbare Quellen basierende Stromversorgung auf sieben Tage geschätzt. Das ist das 280-fache der bisherigen Speicherkapazität oder in anderen Worten,  die Speicherkapazität muss innerhalb von wenigen Jahren um 28.000% gesteigert werden.

Dies ist offensichtlich nicht mit Pumpspeicherkraftwerken innerhalb der Landesgrenzen möglich. Daher könnte eine Alternative die Speicherung in Norwegen sein. Ein Land, das aufgrund seiner günstigen Orographie mehrere Tagesladungen deutscher Stromversorgung speichern könnte. Dabei sind erhebliche Investitionen in Fernleitungen zu tätigen, die aber prinzipiell nicht unmöglich sind. Eine andere Frage ist die politische Abhängigkeit von einem Land als Speichereigner.

Eine besondere Form des Pumpspeichers ist der Lageenergiespeicher, der mit Wasserdruck einen sehr großen Felszylinder anhebt, der mit bergmännischen Verfahren aus der Umgebung abgelöst wurde. Dieses Verfahren hat den Charme, dass die Speicherkapazität mit der vierten Potenz des Systemradius wächst, während die Baukosten, die im Wesentlichen durch die Freilegung der Oberfläche bestimmt sind, nur mit der zweiten Potenz wachsen. Damit sind theoretisch beliebig preiswerte Speicher möglich.

Chemische Verfahren der Energiespeicherung skalieren nur bei der Umwandlung in Wasserstoff, da Wasser praktisch unbegrenzt vorhanden ist. Die Speicherung großer Wasserstoffmengen bereitet aber durchaus Probleme, weshalb die weitere Umwandlung in Methan vorgeschlagen wurde. Aus diesem Methan kann letztendlich wieder Strom über Gasturbinen gewonnen werden. Bei dieser langen Kette der Umwandlung bleibt allerdings nur ein Drittel der ursprünglich eingesetzten elektrischen Energie übrig, das entspricht einen Wirkungsgrad von 33%.

Andere Konzepte sehen die Nutzung von Biomasse in Zeiten zu geringer Energielieferung vor, dabei ist jedoch die Biomasse wesentlich ökonomischer für zukünftige Konzepte des Verkehrs geeignet. So ist der Luftverkehr praktisch zwingend auf kohlenstoffhaltige Speicher, heute Kerosin, angewiesen. Der Gütertransport benötigt Diesel, zukünftig wohl Biodiesel, die Schifffahrt ist ebenfalls auf solche Treibstoffe angewiesen.

Generell ist der Verzicht auf ein Speicherkonzept sehr unökonomisch, da große Energiemengen sowohl bei Wind als auch bei Sonne nicht direkt verbracht werden können, wenn diese im Überfluss anfallen. Eine generelle Entschärfung des Problems stellt die Verbesserung des Stromnetzes dar. Bei einem hypothetischen Netz, das den gesamten europäischen Kontinent optimal überspannen würde, werden nur noch zwei, statt sieben, Tagesladungen Speicherkapazität benötigt. Die Rechnung mit sieben Tagesladungen geht, das sei angemerkt, von einem perfekten Stromnetz in Deutschland aus, das in dieser Form noch keineswegs existiert.

Die Entwicklung des Stromverbrauchs wird von verschiedenen Quellen unterschiedlich angesetzt. Dabei geht man in allen Szenarien von einer energetischen Optimierung der stromverbrauchenden Systeme aus. Ein Trend, der praktisch seit fünfzig Jahre anhält, genauso, wie die ständige Elektrifizierung aller Systeme, die der Verbrauchsminderung entgegenläuft. In der Summe ist der Stromverbrach in Deutschland daher seit fast 40 Jahren annähernd konstant und es ist keine gewagte Prognose, dies für die nächsten 40 Jahre genauso anzunehmen. Am Rande sei hier bemerkt, dass es kein Land auf der Erde gibt, das mit weniger als 5.000 kWh Stromverbrauch pro Einwohner und Jahr eine durchschnittliche Lebens­erwartung von über 80 Jahren seinen Einwohnern bieten kann!

Die Bundesrepublik hat als führende Industrienation eine hochgradig von der Stromversorgung abhängige Industrie- und Gewerbestruktur. Aufgrund der bisherigen Zuverlässigkeit der Stromversorgung, die auf gespeicherter Energie basiert, ist noch kein Bewusstsein für die kommende Problematik eines schwankenden Angebots vorhanden. Es gibt eine Energiebörse, die EEX in Leipzig, die eine sehr hohe Transparenz bietet, wie das aktuelle Angebot ist, aber auch dort werden nur aktuelle Strommengen verteilt und nicht zukünftige Situationen, die erst in zehn oder zwanzig Jahren auftauchen, gehandelt.

Damit liegt ein „terra inkognita“ der Stromversorgung vor uns. Welche Pfade sicher und wirtschaftlich ans Ziel führen sollte man frühzeitig analysieren. Geeignete Entscheidungen müssen im Konsens mit der Bevölkerung gefunden werden, die zwar sehr streng ist was die richtige oder vermeintliche Schonung der Welt betrifft, die aber auch erstaunlich offen für neue Entwicklung und daraus entstehende Kosten ist, man denke nur an das EEG.


Das Memorandum der Sylter Runde zum Thema Energie ist online.

Autor: EduardHeindl